книги из ГПНТБ / Чернышев Л.С. Электричество измеряет

В С Е С О Ю З Н О Е О Б Щ Е С Т В О ПО РАСПРОСТРАНЕНИЮ ПОЛИТИЧЕСКИХ И НАУЧНЫХ ЗНАНИЙ

ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ БИБЛИОТЕЧКА ДЛЯ МОЛОДЕЖИ

Л. С. ЧЕРНЫШЕВ

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

ИЗМЕРЯЕТ

И З Д А Т Е Л Ь С Т В О « З Н А Н И Е »

Наш век — век электричества, радио и автоматики, векатомной энергии и завоевания космоса. Искусственные спутники Земли помогают человеку завоевать космическое пространство. Наша советская ракета впервые за всю исто­ рию достигла Луны. Атомный ледокол «Ленин», быстрокры­ лые красавцы — самолеты «ТУ-114» и многие другие дости­ жения советской науки и техники восхищают все человече­

ство.

Но все эти творения человеческого гения были бы невоз­ можны -без измерительных приборов. С их помощью ведутся самые тщательные и глубокие научные исследования, осуще­ ствляется автоматическое управление и регулирование раз­ личных процессов как на производстве, так и в самых со­ вершенных летательных аппаратах — управляемых ракетах.

Безусловно, все многообразие современных измеритель­ ных приборов возникло не сразу. Ведь человек постоянно в своей жизни сталкивался с очень многими физическими ве­ личинами: весом, длиной, скоростью, температурой, силой

ит. д. Для того чтобы оценить ту или иную величину, он научился измерять ее, т. е. сравнивать с другой такой же величиной, принятой за единицу, — с мерой.

Вначале методы измерений да и сами измерительные приборы были, конечно, несовершенными. Однако измери­ тельная техника развивалась очень быстро. Сейчас она уже располагает огромным количеством разнообразных приборов

иметодов, позволяющих проводить самые различные изме­ рения. При этом процессы измерения используются по-раз­

ному. В одних случаях измерение проводится для опреде­ ления численного значения той или иной величины, а в дру­ гих — чтобы установить, насколько измеряемая величина больше или меньше меры, т. е. затем, чтобы это относитель­ ное измерение использовать для автоматического контро­

3

ля, управления и регулирования различных производствен­ ных процессов.

В настоящее время широчайшее использование электри­ чества привело к тому, что из всего многообразия измери­ тельных приборов самыми распространенными стали элек­ троизмерительные приборы. Ведь электричество позволяет измерять не только электрические величины: ток, его часто­ ту, напряжение и т. д., но и температуру, давление, скорость, перемещение и многие другие неэлектрические величины.

или напряжения.

Электрические методы измерения неэлектрических вели­ чин с помощью разнообразных датчиков широко используют­ ся как в научных исследованиях, так и в народном хозяй­ стве страны. Причем очень часто они являются единствен­ ными способными решить ту или иную современную техни­ ческую задачу.

Сейчас наша страна, вставшая на путь развернутого строительства коммунистического общества, решает гранди­ озные народнохозяйственные задачи семилетнего плана. Од­ нако их решение невозможно без широкого применения ав­ томатики. Этому был посвящен и июньский (1959 г.) Пле­ нум ЦК КПСС, который в своих решениях указал на необ­ ходимость использования всех современных технических средств и методов для успешного решения задач по автома­ тизации народного хозяйства.

Электрические методы измерения неэлектрических вели­ чин как раз и являются такими методами, которые наибо­ лее эффективно обеспечивают автоматизацию контроля, уп­ равления и регулирования самых различных производствен­ ных и технологических процессов. Они получат в текущем семилетии еще более широкое применение. Этому в опреде­ ленной мере будут способствовать и те знания, которые при­ обретет наша рабочая и учащаяся молодежь в данной об­ ласти измерительной техники.

С давних пор человек для измерения температуры применял приборы, в которых использовались различные природные явле­ ния или свойства тел. А вот электрический термометр родился сравнительно недавно.

Его появлению предшествовало открытие явления термоэлек­ тричества.

Впервые в 1821 году это явление наблюдал немецкий фи­ зик Зеебек. Он установил, что в замкнутой цепи, состоящей из последовательно спаянных между собой разнородных ме­ таллов, появляется электрический ток, если температура

4

спаев неодинакова. Причина этого явления долгое время ос­ тавалась загадочной. И лишь несколько десятилетий спустя оно нашло применение для измерения температуры.

Чем же вызвано явление термоэлектричества?

Сейчас объяснить это совсем нетрудно. Мы знаем, что все металлы, как и любое другое вещество, состоят из мель­ чайших частиц — атомов. Атом же, в свою очередь состоит из ядра и движущихся вокруг него электронов, связанных с ядром силами электрического притяжения. Если нагревать какой-нибудь металл, го с увеличением его температуры ско­ рость движения электронов атома возрастет. И может воз­ расти настолько, что какой-нибудь электрон преодолеет си­ лу притяжения ядра, оторвется от атома и даже при значи­ тельном нагреве выйдет за пределы металла.

Явление «выхода» электронов из металла используется, например, в радиолампах, где раскаленная нить накала лам­ пы и является источником таких «выходящих» электронов.

Из различных металлов электроны будут «выходить» при различной температуре. Если спаять между собой, например, куски железной и медной проволоки, а затем нагреть спай, то можно обнаружить, что свободный конец железной про­ волоки зарядится положительно, а конец медной — отрица­ тельно. А произойдет это потому, что из железа в месте спая электроны будут «выходить» при более низкой температуре, чем из меди. Таким образом, электроны, вышедшие из же­ лезной проволоки, направляются через спай к медной. На свободном конце медной проволоки будет избыток электро­ нов, а на свободном конце железной — недостаток, т. е. между этими концами проволоки появится разность потенци­ алов, или иначе термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС).

Устройство, состоящее из двух разнородных спаянных между собой одним концом металлов или сплавов, называет­ ся термопарой. Термопара является преобразователем теп­ ловой энергии непосредственно в электрическую. Для нее важно то, что чем больше разность температур между на­ греваемым спаем и свободными ее концами-, тем больше термо-ЭДС. Это-то и позволило использовать термопару для измерения температуры.

В качестве материалов для изготовления термопар ис­ пользуются как чистые металлы, так и различные сплавы.

Конструкция термопар может быть самой различной. Про­

и никеля). Один конец их спаивается, а сами проволочки изолируются по длине, а затем связываются вместе и снова обматываются какой-либо изоляцией. Это делает термопару более жесткой и удобной при пользовании. Большинство же термопар защищено снаружи металлической или фарфоро­

5

вой трубкой — чехлом. Однако все металлические термопа­

Недавно у нас появились полупроводниковые термопары, которые работают при температуре до 2300°. Одним электро­ дом такой термопары служит трубка из карбида титана, ко­ торая является и чехлом. Внутри этой трубки находится вто­ рой электрод — стержень из карбида бора, который своим концом спаивается с трубкой, образуя ее дно — спай. Кро­ ме того, полупроводниковые термопары обладают более вы­ сокой чувствительностью, чем металлические.

Конечно, одной термопарой измерить.температуру невоз­ можно. Ведь термопара только преобразует тепловую энергию в энергию электрическую. Если же термопару подключить к измерительному электрическому прибору — милливольтмет­ ру, то в зависимости от температуры спая термопары на при­ бор будет поступать различное напряжение. Стрелка прибора будет отклоняться по-разному. В этом случае, однако, милли­ вольтметр будет непосредственно измерять термо-ЭДС тер­ мопары.

Для того чтобы на шкале измерительного прибора можно было сразу отсчитать температуру в градусах, прибор гра­ дуируют, т. е. шкалу прибора, ранее выраженную в милли­ вольтах, заменяют шкалой, выраженной в градусах Цельсия. Вот теперь прибор обеспечит непосредственное измерение тем­ пературы. Такие приборы называются термоэлектрическими пирометрами. Они используются для измерения температуры пара в паровых котлах, температуры в автоклавах, в метал­ лургических и других печах.

С помощью термоэлектрических пирометров измеряется также температура головок цилиндров поршневых авиацион­ ных двигателей. Это делается для того, чтобы во время по­ лета летчик не перегревал мотор. Ведь в противном случае поршни от нагревания могут так расшириться, что движение их в цилиндре станет невозможным и мотор выйдет из строя. Термопара, укрепленная в головке цилиндра и связанная про­ водами с измерительным прибором, расположенным в кабине летчика, позволяет даже в условиях довольно сильных вибра­ ций мотора надежно контролировать его нагрев.

Термоэлектрические пирометры бывают или показывающи­ ми, или самопишущими, т. е. такими, которые не только по­ казывают измеряемую температуру, но и регистрируют ее из­ менение на подвижной бумажной ленте — диаграмме.

Однако точность измерения температуры пирометрами в целом ряде случаев недостаточна. Она зависит от сопротив­ ления и температуры проводов, соединяющих термопару с из­

6

мерительным прибором. При достаточно большом изменении температуры той среды, в которой находятся соединительные провода, приходится принимать меры для снижения так на­ зываемой температурной погрешности.

Но этого можно избежать, если измерять термо-ЭДС тер­ мопары не с помощью милливольтметра, а с помощью потен­ циометра.

Принципиально любой .потенциометр представляет собой сопротивление, которое может включаться в электрическую цепь тремя своими точками — А, Б и В (рис. 1). При этом

точка Б может перемещаться по всей длине сопротивления. Подключим к точкам А и В источник тока, например бата­ рею, а к точкам Б а В — вольтметр. При перемещении точ­ ки Б напряжение на вольтметре будет плавно изменяться от нуля при крайнем нижнем положении точки Б до наибольше­ го при крайнем верхнем ее положении.

Как же с помощью такого потенциометра измерить термоЭДС термопары?

С этой целью к точкам А и В потенциометра достаточно подключить батарею с известной ЭДС — Еб, а к его точкам А и Б — последовательно гальванометр Г и термопару, строго соблюдая ее полярность с полярностью батареи.

Если теперь включить батарею, то между точками А и Б появится напряжение. До тех пор пока спай термопары не на­ грет, по гальванометру будет течь ток только одного направ­

7

ления — от точки А через термопару к точке Б. Но вот спай термопары нагревается. На свободных ее концах появляется термо-ЭДС Ет. За счет этой ЭДС по гальванометру будет также протекать ток, но уже обратного направления — от точ­ ки Б к точке А. Стрелка гальванометра в таком случае будет отклоняться под действием разности токов. При равенстве же этих токов стрелка гальванометра останется неподвижной.

При каком же условии токи будут равны? Конечно, при од­ ном условии, когда напряжение от батареи между точками А и Б будет равно термо-ЭДС термопары. А такое условие при различной температуре спая термопары и, следовательно, при различной ее термо-ЭДС мы можем всегда получить, пере­ мещая точку Б потенциометра (движок) по его длине. Теперь нетрудно определить и численное значение термо-ЭДС. Для этого, зная ЭДС батареи, надо умножить ее на отношение со-

ны -г-, если величина сопротивления на единицу длины потен-

циометра постоянна.

Описанный принцип измерения термо-ЭДС не совсем удо­ бен, так как связан с необходимостью установки гальваномет­ ра в нулевое положение; ведь только в этом случае опреде­ ляется измеряемая величина.

Поэтому в условиях производства, когда температура из­ меряется непрерывно и даже требуется ее регистрация, приме­ няют автоматические электронные потенциометры. У такого потенциометра разность токов термопары и батареи не изме­ ряется гальванометром, а подается через электронный усили­ тель на электрический мотор небольшой мощности.

Мотор же в зависимости от величины и полярности посту­ пившего на него напряжения перемещает движок потенцио­ метра и стрелку прибора в ту или иную сторону.

Современные автоматические потенциометры позволяют измерять и регистрировать температуру в 6, 12 и даже в 24 различных точках. Но не менее важно и то, что автоматиче­ ские электронные потенциометры с помощью специальных ре­ гуляторов позволяют и регулировать температуру. Поэтому-то они широко используются в различных промышленных печах, котельных агрегатах тепловых электростанций, на химических заводах и т. д.

Мы уже знаем, что термопара обладает низкой чувстви­ тельностью. Поэтому она служит для измерения относительно (Высоких температур. А как же быть е температурой всего в несколько десятков градусов? Можно ли и такие температуры измерять с помощью электричества? Оказывается, и это воз­ можно.

Посмотрите на рисунок 2. Похоже, что здесь изображено

8