Погрешности газоанализатора.
Для уменьшения погрешности газоанализатора нужно стре- миться к тому, чтобы тепловое равновесие проволоки в камере определялось в основном теплопроводностью газовой смеси, остальные же виды теплообмена должны быть сведены к мини- муму.
Потери на лучеиспускание и теплопроводность самой прово- локи исключаются тем же путем, что и в термоанемометрах, т.е. соответствующим выбором размеров проводника (l=50...60 мм; d= 0,03...0,05 мм) и градуировкой.
Потери на конвекцию, которые зависят от скорости протека- ния газа, можно учесть градуировкой, если скорость газа посто- янна.
Если же скорость газа не является постоянной величиной, то может возникнуть погрешность измерения. Подсчет этой по- грешности возможен, если известна зависимость коэффициента теплоотдачи е от скорости. Если же величина е неизвестна, то стремятся к уменьшению скорости газа.
Погрешность, обусловленная потерями теплоты на конвек- цию, может быть сведена к нулю, если газ в камеру попадает только в процессе диффузии. Однако инерция подобных преобра- зователей так велика, что время измерения достигает 15 мин, что неудобно в работе. Обычно, стремясь уменьшить за- висимость показаний от скорости, допускают время измерения до 5...8 мин. Потери на конвекцию зависят также от расположения проволоки в камере, поэтому в газоанализаторах ее располагают вдоль оси камеры.
Погрешность прибора зависит от положения проволоки в ка- мере. Если проволока во время эксплуатации сместится относи- тельно того положения, которое она имела при градуировке, то изменятся условия теплового равновесия и температура самой проволоки. Поэтому преобразователь обычно изготовляют в виде прямой проволоки и механически обеспечивают постоянство ее расположения в камере.
Термометры сопротивления. Эти приборы применяются как датчики для измерения температуры. По материалу чувствительного
элемента их подразделяют на термометры сопротивления платино- вые (ТСП) и термометры сопротивления медные (ТСМ).
Рассмотрим устройство термометров сопротивления на при- мере платинового проводникового преобразователя, представ- ленного на рис. 4.24.
3
4
2
1
Рис. 4.24. Устройство термометра сопротивления: 1– каркас; 2 – платиновая проволока; 3 – выводы; 4 – прокладки
Преобразователь представляет собой голую платиновую про- волоку 2 диаметром 0,05...0,07 мм, намотанную на каркас 1 раз- мером 100х10 мм. Обмотка укладывается в зубчатую нарезку на краях каркаса. В качестве каркаса используют материалы, обла- дающие термостойкостью и высокими электроизоляционными свойствами: слюда, кварц, фарфор.
К концам обмотки припаивают выводы 3 из серебряной прово- локи, которые изолируют фарфоровыми бусами. В термометрах сопротивления, предназначенных для измерения температуры до 100°С, возможно применение выводов из меди. При более высокой температуре спай меди с платиной образует термопару и развива- емая ею термо-ЭДС будет служить источником погрешности.
Обмотку с каркасом заключают между двух слюдяных прокла- док 4, затем всю конструкцию собирают в пакет серебряной лентой и заключают в тонкостенную алюминиевую трубку, а затем в чехол из нержавеющей стали. Выводы датчика подключают к зажимам специальной платы, установленной в головке защитного чехла.
Чувствительный элемент медного термометра сопротивления наматывают на пластмассовый каркас изолированной медной проволокой диаметром 0,1 мм в несколько слоев. Затем поверх- ность покрывают глифталевым лаком, а выводы обмотки изоли- руют фарфоровыми бусами. Плату с обмоткой заключают в тон- костенную металлическую гильзу длиной 105 мм, а затем в за- щитный чехол.
Термометры сопротивления бывают одинарные и двойные. В двойных термометрах сопротивления встроены два изолиро- ванных друг от друга чувствительных элемента, применяемые для одновременного измерения температуры одной точки двумя приборами. Медные и платиновые термометры сопротивления выпускают со строго определенными значениями сопротивлений, соответственно своих топов и градуировок. Наиболее распро- страненными преобразователями температуры являются медные термометры сопротивления градуировок 50М и 100М, платино- вые – градуировок 50П и 100П. Числа 50 и 100 обозначают со- противление чувствительного элемента при 0°С (50, 100 Ом), а буквы М и П обозначают материал обмотки термометра сопро- тивления – соответственно медь и платина.
При измерении температуры электрическое сопротивление термометров определяют градуировочными данными и прибли- женной формулой
Rt R0 (1 t),
где Rt – сопротивление термометра при нагревании на t°С; R0 – сопротивление термометра при 0 °С; α – температурный коэффи- циент (для меди равен 4,3 · 10-3).
Основными факторами, влияющими на погрешность измере- ния температуры технологических объектов, являются: инерци-
онность термодатчиков, неправильная их установка, нарушение условий монтажа и эксплуатации приборов.
Инерционность термодатчиков проявляется с увеличением скорости изменения температуры объекта, так как возникает зна- чительная разница в показаниях прибора и истинной температу- рой объекта.
При использовании термодатчиков в агрессивной среде и при высоких давлениях за счет использования соответствующих за- щитных гильз значительно увеличивается их инерционность. Для уменьшения инерционности зазор между датчиком и установоч- ной гильзой по всей длине заполняют средой с большой тепло- проводностью. При рабочей температуре 0... 200ºС используют компрессионное масло, при температуре свыше 200ºС – чугунные или бронзовые опилки.
Термометры сопротивления по точности подразделяют на три класса, по инерционности – на малоинерционные (до 9 с), сред- неинерционные (10...80 с), высокоинерционные (до 4 мин).
В соответствии с требованиями производства датчики темпе- ратур имеют различную монтажную (установочную) длину в ин- тервале от 60 до 3200 мм.
Измерительные цепи. Во всех термометрах сопротивления используется принцип измерения сопротивления, изменяюще- го свою величину в зависимости от изменения температуры окружающей среды. Поэтому в комплекте с термометрами со- противления используют приборы, измеряющие электрическое сопротивление (омметры). К таким приборам относятся лого- метры и мосты, шкалы которых отградуированы в градусах Цельсия. Широкое распространение получили неравновесные мостовые схемы измерения с логометром в качестве измерите- ля (рис. 4.25).
R2 R3
R4
=U
R‘0 R“0
R1 R0
RД RТ
Рис. 4.25. Неравновесный мост с логометрическим измерителем:
R1, R2, R3 – резисторы плеч моста, выполненные из манганина;
R'0, R''0, – резисторы рамок логометра; R4 – резистор, компенсирующий температурную погрешность логометра; R0 – резистор для подгонки нулевой точки шкалы; RД – резистор, дополняющий сопротивление проводов, соединяющих термометр с измерительной цепью до значения, принятого
при градуировке термометра (обычно RД =50 м); RТ – преобразователь термометра сопротивления
Часто применяются также автоматически уравновешиваемые мосты, у которых при выходе из равновесия напряжение разба- ланса ∆U, усиленное усилителем У, поступает на управляющую обмотку двигателя Д. Двигатель перемещает движок реохорда Rр до тех пор, пока мост снова не придет в равновесие при новом значенииизмеряемойтемпературы. С реохордом связан указа- тель отсчетного устройства, отградуированного в ºС (рис. 4.26).
R2 R3
У =U
R1 RР
Д
°C
RТ
Рис. 4.26. Схема автоматически уравновешиваемого моста
Наиболее существенной погрешностью термометров сопро- тивления является погрешность, обусловленная изменением со-
противления линии вследствие колебания температуры окружа- ющей среды. При больших расстояниях между объектом измере- ния и измерительной схемой сопротивление линии может быть 5 Ом, тогда как начальное сопротивление термосопротивлений обычно составляет 50 или 100 Ом. Поэтому изменение сопротив- лениялинии может внести существенную ошибку в измерения.
Для уменьшения этой погрешности подключение термометра сопротивления RТ к прибору выполняется по схеме, представлен- ной на рис. 4.27.
Здесь однаиз вершин диагонали питанияперенесена непо- средственно к преобразователю. Благодаря этому сопротивление провода 2 суммируется с сопротивлением плеча R1, а сопротив- ление провода 1 – с сопротивлением преобразователя RT. Одина- ковое изменение сопротивления в соседних плечах почти не от- разится на равновесии моста в случае его работы в равновесном режиме.
R2 R3
R4
=U
R‘0 R“0 1
R1
2
RТ
Рис. 4.27. Трехпроводная схема включения термометра сопротивления: 1, 2 – провода
При работе в неравновесном режиме погрешность также будет значительно меньшей, чем в случае двухпроводной линии.
Нагрев преобразователя термометра протекающим по нему током также создает погрешность. Для уменьшения этой погреш-
ности следовало бы снижать ток до минимальной величины. Од- нако это приведет к потере чувствительности мостовой цепи и нужно будет применять высокочувствительный индикатор. По- этому допустимая сила тока через термопреобразователь состав- ляет 10...15 мА.
Измерители плотности газа (вакуумметры). Измерение ма- лых плотностей газа при помощи термосопротивлений основано на зависимости теплопроводности сильно разряженных газов от степени разрежения.
При плотностях газа, соответствующих области атмосферного давления, теплопроводность газа практически не зависит от плотности. Молекула газа, ударившись о нагретое термосопро- тивление, получает добавочную кинетическую энергию, опреде- ляемую температурой нагретого тела. Затем по мере перемеще- ния от нагретой поверхности к холодной молекула сталкивается с целым рядом других молекул. Таким образом, в передаче тепло- ты от нагретой поверхности к холодной участвуют много моле- кул, что статистически приводит к постоянству среднего по объ- ему значения теплопроводности среды.
Однако при уменьшении концентрации, т.е. количества газа или воздуха взамкнутой камере, возрастает длинасвободного пробега молекулы. Когда средняя длина свободного пробега мо- лекулы становится величиной одного порядка с расстоянием меж- дутермосопротивлением и стенками камеры, теплопроводность газа определяется числом оставшихся молекул, т.е. плотностью (концентрацией) молекул в камере, практически независимо от температуры и давления газа. Таким образом, естественной вход- нойвеличинойтакихпреобразователейявляетсяконцентрация,т.е. число молекул, находящихся в камере. Выходной величиной – температура (или сопротивление) термосопротивления. Принци- пиальное устройствовакуумметра представлено на рис. 4.28.
mV
ТП
К объекту
1
RP A
- U +
Рис. 4.28. Устройство вакуумметра: 1 – лента
Термосопротивлением является лента 1, нагреваемая постоян- ным током.
Амперметр А и реостат Rр предназначены для установки и поддержания постоянным значения нагревающего тока, которое было принято приградуировке прибора.
Для измерения температуры термосопротивления применена термопара ТП, рабочий спай которой приварен к середине термо- сопротивления. Термо-ЭДС измеряется милливольтметром mV.