Файл: Бошняк, Л. Л. Измерения при теплотехнических исследованиях.pdf

гочисленных представителей этой группы наиболее широкое при­ менение получили механографические, светографические, электронно­ лучевые и магнитографические регистраторы. Цифровые регистра­ торы с поверхностным нанесением геометрических символов (цифр, букв, условных знаков) могут быть отнесены к одной из групп: знакопечатающих или фигурных и знакосинтезирующих. Цифровые регистрирующие органы строятся на основе механических, фотогра­ фических, электрографических, химических и других принципов действия.

Регистрирующие устройства, являющиеся выходными элементами измерительных цепей, во многом определяют характеристики изме­ рительных систем в целом. Так, быстродействие регистратора опре­ деляет скорость вывода информации из измерительной цепи и во многих случаях является фактором, ограничивающим быстродей­ ствие всей системы. С точки зрения повышения быстродействия перспективны электрографические и магнитографические регистри­ рующие органы, которые способны работать со скоростями до десят­ ков тысяч знаков в секунду.

Быстродействие почти целиком определяется методом нанесения символов на носитель. Ниже приведены верхние значения частотных диапазонов наиболее распространенных методов записи (гц):

Носители в регистрирующих системах должны обеспечивать дли­ тельное хранение информации без разрушения или стирания симво­ лов, допускать многократное воспроизведение, обеспечивать в ряде случаев повторное использование.

Емкость носителя определяет количество символов записи и тем самым общую полезную информационную емкость измерительной системы. Регистрирующие устройства должны обладать высокой чувствительностью, т. е. для нанесения одного символа определен­ ного качества (интенсивности, контрастности и т. п.) должна затра­ чиваться наименьшая энергия. Погрешность, вносимая при реги­ страции, должна быть минимальной. Конструкция регистраторов должна быть технологичной, а потребляемая при работе мощность — наименьшей. Универсальные регистраторы (как и прочие приборы) делятся на два основных класса: устройства непосредственной оценки, или, как их часто называют, прямого преобразования, и устройства сравнения или уравновешивания. Те и другие могут выполняться аналоговыми и цифровыми.

Системы прямого преобразования (рис. 33, а) наиболее просты по схеме: они могут работать как с усилителями (электронный осцил­ лограф, магнитограф), так и без них (электрический светолучевой осциллограф). При отсутствии усилителей (для уменьшения потреб­ ления энергии из измерительной цепи) регистрирующий орган

141

должен иметь очень высокую чувствительность, его подвижные эле­ менты должны обладать наименьшей массой, а процесс записи со­ провождаться минимумом рассеивания энергии.

Введение усилителей связано с трудностями из-за возникающей при этом зависимости коэффициента преобразования всей цепи от колебания напряжения источника питания. Так как регистраторы прямого преобразования выполняются по замкнутой структурной схеме (когда погрешности отдельных звеньев суммируются), то к ста­ бильности коэффициентов преобразования звеньев предъявляются

Рис.'33. Структурные схемы основных типов универсальных регистраторов: а — прибор прямого преобразования; б — сле­ дящего; в — развертывающего

весьма жесткие требования. Цифровые приборы прямого преобразо­ вания бывают непрерывного и циклического действия. В приборах непрерывного действия выходной код следит за измеряемой величи­ ной при каждом ее изменении, превышающем ступень квантования, а в циклических процесс измерения повторяется по заданной про­ грамме и новое значение выходного кода выдается после сброса на нуль предыдущего.

Регистраторы, выполняемые по схеме уравновешивания, принято, в свою очередь, делить на два типа: следящего и развертывающего уравновешивания. Системы следящего уравновешивания имеют замкнутую структурную схему (рис. 33, б), обеспечивающую авто­ матическое уравновешивание измеряемой величины х (t) известной однородной величиной хк (t). При этом уравновешивающая (компен­ сирующая) величина хк непрерывно следит за изменениями вели*

142

чины л:, превышающими порог чувствительности; пока эти изменения не превышают порог чувствительности, регистратор находится в по­ кое. Такие системы принципиально не могут работать без подвода дополнительной энергии от вспомогательных источников, поэтому имеют большие коэффициенты усиления мощности и могут приводить в действие энергоемкие регистрирующие (пишущие) устройства.

В приборах развертывающего уравновешивания измеряемая величина х (t) уравновешивается циклически повторяющимся изме­ нением величины хр(0, вырабатываемой специальным генератором (рис. 33, в). Если при следящем уравновешивании компенсирующая величина хк непрерывно следует за изменением х, то в развертываю­ щей системе функция хр (t) изменяется независимо, и лишь в моменты равенства х и хр формируются отмечающие импульсы. Автономность и цикличность функции хр (t) определяют широкие возможности метода развертывающего преобразования, недоступные для методов прямого и следящего преобразования.

Свойства и характеристики регистраторов разнообразных типов исследованы и подробно описаны в [27] и [124].

3.Универсальные регистраторы прямого преобразования

Универсальные регистраторы прямого преобразования, анало­ говые и цифровые, выполняются как с механическими, так и с неме­ ханическими регистрирующими органами. Включение в измеритель­ ную цепь электромеханического или механического преобразователя резко снижает быстродействие прибора, что ограничивает область его применения. При исследованиях теплотехнических объектов в большинстве случаев необходимо регистрировать весьма кратко­ временные изменения измеряемых величин, поэтому регистраторы с исполнительными органами, записывающими геометрические сим­ волы, почти не находят применения. Наибольшее значение в иссле­ довательской практике приобрели светографические и магнитогра­ фические приборы.

До последнего времени светолучевые (электрические) осцилло­ графы были наиболее распространенными безынерционными уни­ версальными аналоговыми регистраторами. Все более широкое ис­ пользование магнитографии несколько сужает применение светолу­

Светолучевые осциллографы. Эти приборы являются регистрато­ рами прямого преобразования электрических токов или напряжений в физический символ, записываемый на светочувствительном носи­ теле. Преобразование производится с помощью осциллогр.афического гальванометра (вибратора), представляющего собой миниатюр­ ную систему с поворачивающимся зеркалом; отраженный зеркалом луч света вычерчивает на движущемся носителе график изменения электрической величины. Гальванометры могут быть выполнены на

143

основе различных принципов действия; известны электромагнит­ ные гальванометры с подвижным железом, магнитоэлектрические струнные гальванометры, пьезоэлектрические, микрофонные, элек­ тростатические и др. [123]. Однако в настоящее время наибольшее распространение получили лишь петлевые и рамочные гальванометры магнитоэлектрической системы, схемы которых приведены на рис. 34.

Петлевой гальванометр (рис. 34, а) состоит из ленточной или про­ волочной петли, натянутой в межполюсном зазоре постоянного магнита. Вращающий момент, вызывающий поворот зеркала

создается взаимодействием электрического тока в петле с магнитным полем магнита. Противодействующий момент связан с механическим сопротивлением петли, которая с одной стороны закреплена в держа­ телях, а с другой — натянута пружиной. В рамочном гальванометре (рис. 34, б) зеркало скреплено с многовитковой рамкой, создающей вращающий момент в результате взаимодействия тока в ее витках с магнитным полем между полюсами магнита. Противодействующий момент вызывается механическим сопротивлением растяжек, кото­ рые одновременно служат для крепления рамки с зеркалом к держа­ телям и для подведения тока к рамке.

Простота подвижной системы и малое собственное электрическое сопротивление петлевых гальванометров определяют их высокую чув­ ствительность к изменению напряжения, независимость динамичес­ ких характеристик от сопротивления внешней схемы, простоту изго­ товления и ремонта. Основным преимуществом рамочных гальвано­ метров, содержащих большое число витков, является возможность

144

получения высокой чувствительности к току. В петлевых гальвано­ метрах зеркало скрепляет растяжки в середине петли и должно быть параллельно ее плоскости, т. е. направлению магнитного поля.

В рамочных гальванометрах зеркало может быть скреплено с рамкой

влюбом месте и в любой плоскости, в том числе над рамкой и пер­ пендикулярно магнитному полю (как показано на рис. 34). Это позволяет значительно уменьшать габариты гальванометра.

Уравнение движения подвижной части осциллографических гальванометров магнитоэлектрической схемы получается на осно­

вании общих выражений (IV.2) и (IV.4) в виде

где т = 2nf0t — безразмерное время; р = г*/2 У JC* — г*/4я//0 — степень успокоения; q>d = ¥фIJC* — установившееся угловое от­ клонение при постоянном токе, равном амплитуде 1т исследуемого

тока; /о = Ус*/2п V J — собственная частота подвижной системы. Частное решение последнего уравнения

описывает вынужденные колебания подвижной системы гальвано­ метра под действием синусоидального тока частотой / или гармони­ ческой составляющей тока, меняющегося по более сложному закону. Множитель при синусе представляет собой амплитудно-частотную характеристику, а вычитаемое под знаком синуса — фазо-частотную характеристику (см. рис. 16).

Как видно из (V.2), действительные значения ф могут быть полу­ чены для Р > 0 только при условии ///0 1, и, следовательно, для регистрации быстропеременных процессов необходимы гальванометры с высоким значением собственных частот f 0. Степень успокоения р непосредственно влияет на динамические характеристики гальвано­ метра. На практике большинством изготовителей принята номиналь­ ная степень успокоения р =0,65. Введение успокоительных устройств обычно увеличивает момент инерции подвижной системы, который можно представлять в виде суммы

^усп!

где J — полный момент инерции; / 0 — момент инерции системы без успокоителя; / усп — момент инерции, вносимый успокоителем. Тогда выражение для степени успокоения |3 получает вид

4яАЛ

Эффективностью успокоителя называется величина

Е =

■7усп \

4я

"Л Г )

и, следовательно, наибольшей эффективностью обладает такая си­ стема успокоения, для которой достигается наибольший коэффи­ циент г* при наименьшем / усп. С другой стороны, эффективность успокоения при заданном (3 тем выше, чем выше произведение f 0J 0, характеризующее конструкцию подвижной системы гальванометра, так как из (V.3)

Е = Р/о^о-

Успокоение подвижных систем гальванометров осуществляется магнитоиндукционным или механическим способом. При колебаниях замкнутого проводника в постоянном магнитном поле коэффициент успокоения равен, как известно, г* = ¥ф/R, где R — суммарное сопротивление электрической цепи. Отсюда для коэффициента успо­ коения обмотки гальванометра получается равенство

где В — индукция в зазоре; 5 — средняя активная площадь витка; п — число витков; Д(. — внутреннее сопротивление гальванометра; Re — сопротивление внешней цепи, подключенной к гальванометру. Такое успокоение за счет собственной обмотки оказывается вполне достаточным для получения требуемой степени успокоения в рамоч­ ных гальванометрах при собственных частотах до 500—600 Гц. Магнитоиндукционное успокоение в более высокочастотных гальва­ нометрах удается получить лишь при высокой магнитной индукции с помощью короткозамкнутого алюминиевого каркаса в виде рамки или узкой сплошной пластинки [47]. Каркасное магнитоиндукцион­ ное успокоение позволяет обеспечить требуемое значение |3 при соб­ ственных частотах до 3—4 кГц. Если не учитывать присоединенный момент инерции воздуха, окружающего рамку гальванометра, то при магнитоиндукционном успокоении Уусп = 0.

В петлевых гальванометрах, которые имеют лишь один виток и не могут при этом иметь каркаса, величина магнитоиндукционного успокоения ничтожна даже при / 0 в несколько десятков герц. Для их успокоения используются механические системы, основанные на демпфировании с помощью воздуха или вязких жидкостей. Поскольку тормозящее действие воздуха очень мало, такой способ успокоения

146