ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 06.04.2024
Просмотров: 15
Скачиваний: 0
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 »
М о с к в а |
196 0 |
л
ОО. ПУБЛИЧНАЯ ■~;НО-ТЕХНИЧ£СКАЯ
15ЛИОТЕКА СССР__
■15&ZZ
|
|
|
с о д е р ж а н и е |
|
Стр. |
|||
Электрические термометры |
, |
„ |
, |
|
, |
|||
|
4 |
|||||||
Весы без гирь . |
. |
. |
, |
. |
|
► |
* |
11 |
Уровень жидкости под контролем . |
|
|
* |
15 |
||||
Электричество измеряет |
давление . |
, |
- |
|
20 |
|||
И скорость измеряется |
электричеством |
, |
. |
|
22 |
|||
Какова сила света . |
|
. . . |
|
, |
|
|
27 |
|
Сделайте сами. Фотоэкспонометр для фотопечати . |
29 |
|||||||
Литература |
|
|
|
|
|
« |
« |
32 |
ПОДГОТОВЛЕНО ПОЛИТЕХНИЧЕСКИМ МУЗЕЕМ
Автор |
Редактор А. А. Ба„аев |
Леонид Сергеевич Чернышев |
Техн. редактор Е. В. Савченко |
Корректор Н. М. Краснопольская |
|
Обложка |
художника А. Г. Ординарцева |
А00019. Подписано к печати 18/1 1960 г. Тираж 35000 экз. Изд. № 19, Бумага 60X92Vir—1,0 бум. л.=2,0 печ. л. Учетно-изд. 1,95 л. Заказ 3277,
Цена 60 коп.
Типография изд-ва «Знание», Москва, центр, Новая пл., д. 3/4.
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.
Это достигается применением |
так |
называемых датчиков, |
||
т. е. устройств, |
преобразующих |
изменение какой-либо |
не |
|
электрической |
величины в изменение |
электрического |
тока |
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
стейшей является |
термопара, состоящая из двух разнород |
ных проволочек, |
например медной и Копелевой (сплав меди |
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
ры имеют низкую |
чувствительность, т. е. даже при высокой |
|||
температуре |
их |
спая развивают небольшую |
термо-ЭДС. |
|
А главное, |
что |
при температуре выше 1600° С |
использовать |
|
их практически |
невозможно. |
|
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
Рис. |
1. С л е в а в в е р х у — схема потенциометра: |
1—бата |
рея; |
2—вольтметр. С п р а в а в н и з у — принцип |
измерения |
|
ЭДС термопары с помощью потенциометра. |
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-
„ |
R\ |
противлении |
-D или, что то же самое, на отношение их дли- |
I |
*М1 |
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