Berezka7km.ru

Березка 7км
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Приборы для измерения температуры; виды и принцип действия

Приборы для измерения температуры — виды и принцип действия

Большинство технологических процессов корректно проходят только при определенной температуре. Кроме того, измеряемые температурные показатели помогают определять, насколько корректно используется затрачиваемая энергия.

  • Виды термометров по принципу действия
    • Контактные
    • Термометры сопротивления
    • Электронные термопары
    • Манометрические
    • Бесконтактные пирометр

    Иными словами, это — та величина, которую нужно постоянно контролировать. Все виды приборов для измерения температуры делятся на контактные и бесконтактные. Также они классифицируются по материалам, принципам и способам действия.

    Приборы, измеряющие температуру: виды и принцип действия

    Виды термометров по принципу действия

    Процесс измерения температуры может основываться на разных физических процессах. Исходя из этого, выделяют 5 видов термометров.

    Контактные

    Гигрометр и термометр с функцией регистратора данных для измерений сжатого воздуха давлением до 2.5МПа. — S3121P

    Такие приборы еще называют термометрами расширения. Они основаны на отслеживании изменения объема тел под действием меняющейся температуры. Обычно измеряемый диапазон температур составляет от -190 до +500 градусов по Цельсию.

    К этой категории относятся жидкостные и механические устройства. Жидкостные представляют собой приборы в стеклянном корпусе, заполненные спиртом, ртутью, толуолом или керосином. Они прочные и устойчивые к внешним воздействиям. Температурный диапазон измерений зависит от типа используемой жидкости (наибольший — у ртутных, наименьший — у цифровых).

    Механические могут работать с разными типами сред, включая жидкостные, газообразные, твердые или сыпучие. Универсальность позволяет использовать их в разных инженерных системах.

    Термометры сопротивления

    К этой категории относятся приборы, которые способны измерять электрическое сопротивление веществ, меняющееся в зависимости от температурных показателей. Рабочий диапазон этих устройств — от -200 до +650 градусов.

    Такие термометры состоят из чувствительных термодатчиков и точных электронных блоков, контролирующих изменения проводимости, сопротивления и электрического потенциала. Обычно их встраивают в общую систему мониторинга и оповещения, туда, где нужно отслеживать меняющиеся параметры и не допускать их превышения.

    В котельных установках наибольшее применение получили термометры сопротивления медные (ТСМ). Термометрами сопротивления можно измерять температуры от -50 до +600°С.

    Электронные термопары

    При нагревании эти приборы генерируют ток, что и позволяет измерять температуру. Принцип действия основан на замерах термоэлектродвижущей силы. Диапазон измерений в этом случае — от 0 до +1800 градусов.

    Манометрические

    Такие термометры учитывают зависимость между температурными показателями и давлением газа. В измеряемую среду помещают термобаллон, соединенный с манометром латунной трубкой. При нагреве термобаллона давление внутри него увеличивается, и эта величина измеряется манометром. Таким образом проводят замеры температуры в диапазоне от -160 до +600 градусов.

    Бесконтактные пирометры

    В основе этих приборов — инфракрасные датчики, считывающие уровень излучения. Они подразделяются на два вида: яркостные, проводящие измерения излучений на определенной длине волны (диапазон — от +100 до +6000 градусов), и радиационные, когда определяется тепловое действие лучеиспускания (от -50 до +2000 градусов). Они могут использоваться в том числе и для определения температуры нагретого металла, а также при наладке и испытаниях котлов.

    Виды термометров по используемым материалам

    Здесь различают 7 категорий:

    Логгер температуры, влажности, CO2 и атмосферного давления — U4440

    1. Жидкостные. Представляют собой корпус, заполненный жидкостью, которая подвержена температурному расширению. Колба с жидкостью прикладывается к шкале. При нагреве жидкость расширяется, и столбик растет, а при охлаждении — наоборот, сжимается (уменьшается). Погрешность измерений такими приборами составляет менее 0,1 градуса.
    2. Газовые. Принцип действия — тот же, что и у жидкостных, но в качестве заполнителя для колбы выбирается инертный газ. Это позволяет существенно увеличить температурный диапазон измерения (если для жидкостных предел — +600 градусов, то для газовых — +1000 градусов). С их помощью можно измерять температуру в различных раскаленных жидких средах.
    3. Механические. В основе действия — принцип деформации металлической спирали. Часто эти термометры комплектуются стрелочным “дисплеем”. Устанавливаются в спецтехнике, автомобилях, на автоматизированных линиях. Нечувствительны к ударам.
    4. Электрические. Работают, измеряя уровень сопротивления проводника при разных температурных показателях. В качестве проводника могут использоваться разные металлы (например, медь или платина). Соответственно, и диапазон измерений таких устройств будет отличаться. Чаще всего такие модели применяются в лабораторных условиях.
    5. Термоэлектрические. В конструкции предусмотрено два проводника, проводящие замеры по физическому принципу на основе эффекта Зеебека. Эти устройства очень точные, работают с погрешностью до 0,01 градуса и подходят для высокоточных измерений в производственных процессах, когда рабочая температура превышает 1000 градусов.
    6. Волоконно-оптические. Чувствительные датчики из оптоволокна (оно натягивается и сжимается или растягивается при изменении температуры, а прибор фиксирует степень преломления проходящего луча света). Допустимый диапазон измерений — до +400 градусов, а погрешность — не более 0,1 градуса.
    7. Инфракрасные. Непосредственный контакт с измеряемым веществом не требуется: прибор генерирует инфракрасный луч, который направляется на изучаемую поверхность. Это современный вид бесконтактных термометров, которые работают с точностью до нескольких градусов и подходят для высокотемпературных измерений. С их помощью можно измерять даже температуру открытого пламени.

    Компания «Измеркон» предлагает как разные виды термометров, так и комбинированные устройства, в том числе манометры-термометры или гигрометры-термометры для автономной работы с энергонезависимой памятью, обеспечивающей постоянную фиксацию результатов измерений.

    Методы измерения вакуума — вакуумметры

    Методы измерения вакуума - вакуумметры

    Методы измерения вакуума — вакуумметры

    Методы измерения вакуума — вакуумметры

    Как уже было сказано выше, единицей давления является паскаль. Следует заметить, что само понятие «давление газа» для вакуумной техники утратило свой физический смысл, так как почти нет таких технологических процессов в вакууме, которые определялись бы давлением газа, как усилие на единицу поверхности. Так уже при давлении в сосуде 10 -1 Па сила, с которой молекулы воздействуют на 1 см 2 стенки сосуда, пренебрежимо мала.

    Наиболее важной характеристикой газовой среды в вакуумной технике является плотность или молекулярная концентрация газа. Эта величина определяет теплоперенос, сорбционно-десорбционные процессы, воздействие газа на элементы электронных приборов и другие явления. Однако традиционно состояние газа оценивается давлением. Между давлением газа p и молекулярной концентрацией п существует связь: p-V = n ■ k — T

    Приборы для измерения давления газа ниже атмосферного называются вакуумметрами. В условиях высокого вакуума показания практически всех приборов, применяемых для измерения давлений ниже 10 -3 Па, пропорциональны не давлению, а концентрации молекул газа.

    По принципу действия вакуумметры можно свести в следующие классы:

    1) жидкостные вакуумметры, действие которых основано на уравновешивании измеряемого давления гидростатическим давлением столба жидкости (ртути или вакуумного масла). Диапазон измеряемых давлений 10 5 -10 Па;

    2) компрессионные вакуумметры, действие которых основано на законе изотермического сжатия газа и измерении его давления по высоте столба жидкости, уравновешивающего это давление. Диапазон измеряемых давлений — 10 3 -10 -2 Па;

    3) деформационные вакуумметры, в которых измеряемое давление определяется по деформации упругого чувствительного элемента. Диапазон измеряемых давлений — 10 5 -10 -2 Па;

    4) тепловые вакуумметры, использующие зависимость теплопроводности разреженного газа от давления. Диапазон измеряемых давлений — 10 2 -10 -1 Па;

    5) ионизационные вакуумметры, в которых используются ионизация молекул газа. Диапазон измеряемых давлений — 10 -10 -10 Па.

    По методу измерения вакуумметры могут быть разделены на абсолютные и относительные.

    Абсолютные вакуумметры измеряют непосредственно давление газа, т.е. силу, действующую на единицу поверхности измерительного элемента. Показания абсолютных приборов не зависят от рода газа. К вакуумметрам прямого действия относятся жидкостные, компрессионные и деформационные. Эти приборы перекрывают диапазон от 10 5 до 10 ’2 Па.

    Относительные вакуумметры измеряют не само давление, а используют зависимость параметров некоторых физических процессов, протекающих в вакууме, от давления. Они нуждаются в градуировке. Вакуумметры измеряют общее давление газов, присутствующих в вакуумной системе.

    К вакуумметрам косвенного действия относят

    ся тепловые и ионизационные, которые перекрывают диапазон измеряемых давлений от атмосферного до 10 ’ 10 Па. Большинство вакуумметров состоит из двух элементов: манометрического преобразователя сигнала давления в электрический сигнал и измерительного блока.

    В производственных условиях преимущественно используются вакуумметры косвенного действия, которые практически безынерционны, охватывают широкий диапазон давлений и просты в эксплуатации.

    Тепловые вакуумметры

    Принцип действия термопарных вакуумметров основан на зависимости теплопроводности разреженных газов от молекулярной концентрации (или давления). Передача теплоты происходит от тонкой металлической нити к баллону, находящемуся при комнатной температуре. Металлическая нить нагревается в вакууме путем пропускания электрического тока.

    Из курса молекулярной физики известно, что в плотном газе (высокое давление) теплопроводность не зависит от давления.

    При понижении давления уменьшается теплопроводность газа, соответственно, возрастает температура подогревателя и увеличивается термо-э.д.с. При низких давлениях, когда средняя длина свободно пробега молекул больше среднего расстояния между нагретым телом и стенками вакуумметра ( А^ d), теплопроводность газа пропорциональна молекулярной концентрации (давлению).

    Преобразователь (рис. 23) представляет собой стеклянный или металлический корпус, в котором на двух вводах смонтирован подогрева

    тель, на двух других вводах крепится термопара, изготовленная из хро-мель-копеля или хромель-алюмеля. Термопара соединена с подогревателем, который нагревается током, его можно регулировать реостатом и измерять миллиамперметром. Спай термопары, нагреваемый подогревателем, является источником термо-э.д.с., значение которой показывает милливольтметр.

    Точность измерения давления термопарным вакуумметром существенно зависит от правильного подбора тока накала подогревателя. Калибровка термопарной лампы (установка тока подогревателя), подбирается таким образом, чтобы стрелка милливольтметра точно совпадала с последним делением шкалы. При этих условиях согласно градуировочной кривой термопарного манометрического преобразователя можно по показаниям милливольтметра определить давление в вакуумной системе.

    Измерительное уравнение теплового преобразователя можно записать так:

    Из уравнения (1.19) видно, что давление является функцией двух переменных: тока накала нити 1н и температуры нити ТН.

    Преимуществом тепловых преобразователей является то, что они измеряют общее давление всех газов и паров, присутствующих в ваку-

    умной системе, и обеспечивают непрерывность измерения давления. Диапазон рабочих давлений 5-10 3 -10 -1 Па.

    Существенным недостатком тепловых вакуумметров является изменение тока накала нити с течением времени, что требует периодической проверки тока накала. Недостатком также можно считать и их относительную инерционность, т.е. задержку отсчета во времени при быстром изменении давления. Существенное влияние на погрешность измерения тепловыми вакуумметрами оказывает колебание температуры окружающей среды.

    Электронные ионизационные вакуумметры.

    Принцип действия электронных преобразователей основан на ионизации газа электронами и измерении ионного тока, по величине которого судят о давлении.

    Ионизация молекул газа производится электронами, эмитируемыми термокатодом и ускоряемыми электрическим полем электрода, на который подается положительный потенциал относительно катода.

    В стеклянном баллоне смонтирована трехэлектродная система, состоящая из коллектора ионов, анодной сетки и прямонакального катода. На анодную сетку подается напряжение +200 В относительно катода, а на цилиндрический коллектор -50 В. Анодная сетка выполнена из вольфрамовой проволоки в виде спирали. При прогреве преобразователя и его обезгаживании по спирали пропускается ток 3А. Вольфрамовый катод преобразователя испускает электроны, которые ускоряются электронным полем и движутся к анодной сетке.

    носительно катода, электроны останавливаются и начинают движение обратно к анодной сетке. В результате у сетки колеблются электроны, причем, прежде чем попасть на нее, электроны совершают в среднем 5 колебаний. При столкновении электронов с молекулами газа происходит ионизация молекул. Образовавшиеся положительные ионы, попадая на коллектор, создают в его цепи электрический ток. Как показывает опыт, при достаточно низких давлениях (ниже 10 -3 мм.рт.ст.) ионный ток коллектора прямо пропорционален давлению газа, т.е. p

    1 коллектора. Таким образом, для измерения давления достаточно при заданном электронном токе измерить ионный ток и разделить на постоянную преобразователя.

    Ионный ток можно охарактеризовать: I <= K ■ Ie ■ p , где К — чувствительность манометрического преобразователя.

    Чувствительность ионизационных вакуумметров зависит от свойств газа, его температуры, электрического режима и геометрии, то есть

    Часть электронов пролетает в пространство между анодной сеткой и коллектором. Так как коллектор имеет отрицательный потенциал отУдельная ионизация зависит от рода газа. Поэтому вакуумметр должен градуироваться отдельно для каждого газа.

    Основные недостатки термоэлектронных ионизационных вакуумметров связаны с применением в манометрических преобразователях горячего катода, являющего источником электронов. Горячий катод разрушается при резком повышении давления и имеет низкий срок службы при относительно высоких давлениях. Кроме того, наличие горячего катода ограничивает нижний предел измеряемых давлений. Например, ионизационный преобразователь ПМИ-2 измеряет в диапазоне давлений от 1 Па до 5-10 -6 Па.

    Магнитные электроразрядные вакуумметры

    Одним из путей, позволяющим сдвинуть границу измерения в сторону более низких давлений, может быть увеличение чувствительности манометра. Для этого необходимо, чтобы электроны проходили в пространстве ионизации по возможности большие расстояния до момента их попадания на коллектор электронов. Тогда вероятность ионизации молекул газа этими электронами значительно возрастает, что приведет к увеличению чувствительности манометра. Наиболее простым способом увеличения длины пути электронов в пространстве ионизации является использование магнитного поля, воздействующего на электроны.

    Рассмотрим расположение электродов, предложенное Пеннингом. Принцип действия магнитных преобразователей основан на зависимости тока самостоятельного газового разряда в скрещенных магнитном и электрическом полях от давления. Электродные системы, обеспечивающие поддержание самостоятельного газового разряда при высоком и сверхвысоком вакууме, бывают нескольких видов.

    Манометр имеет катод, которым является корпус 1, и анод в виде металлического кольца 2. Вдоль оси анода создается постоянным магнитом 3 магнитное поле с индукцией 0,05-0,2 Тл. Через балластный резистор на анод подается высокое положительное напряжение порядка 2,5-3 кВ.

    Разряд поддерживается между анодом и катодами, соединенными электрически и расположенными по обе стороны от анода. Равномерное магнитное поле, параллельное оси системы, препятствует немедленному уходу на анод электронов. Из-за большой длины пути электрона сильно повышается вероятность ионизации даже при низких давлениях газа. Образующиеся в результате ионизации молекул электроны движутся, как и первичные электроны, тоже по спиральным траекториям и в конце концов после совершения актов ионизации попадают на анод. Вторичные электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, также участвуют в поддержании разряда. Таким образом, благодаря магнитному полю и специальной конструкции электродов тлеющий разряд поддерживается даже тогда, когда средняя длина свободного пути электронов в газе во много раз превышает расстояние между анодом и катодом, что позволяет измерять низкие и сверхнизкие давления газа.

    Данный вид вакуумметров позволяет измерять давления до 10 -10 Па.

    Недостатки: данные вакуумметры имеют меньшую точность измерения давления, нуждаются в периодической чистке.

    Достоинства — простота конструкции и отсутствие горячего катода. Из-за этого вакуумметры могут быть включены при любом давлении.

    Приборы измерения теплового действия тока

    Работа и мощность электрического тока. Электрический ток, проходя по цепи, производит разные действия: тепловое, механическое, химическое, магнитное. При этом электрическое поле совершает работу. В результате электрическая энергия превращается в другие виды энергии: внутреннюю, механическую, энергию магнитного поля…

    Как было рассказано ранее, напряжение (U) на участке цепи равно отношению работы (F), совершаемой при перемещении электрического заряда (q) на этом участке, к заряду: U = A/q. Отсюда А = qU .

    Поскольку заряд равен произведению силы тока (I) и времени (t) q = It, то А = IUt . То есть работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на этом участке, силы тока и времени, в течение которого совершается работа.

    Единицей работы является джоуль (1 Дж): [А] = 1 Дж = 1В • 1А • 1с.

    Для измерения работы используют три измерительных прибора: амперметр, вольтметр и часы. Однако, в реальной жизни для измерения работы электрического тока используют счётчики электрической энергии.

    Если нужно найти работу тока, но при этом сила тока или напряжение неизвестны, то можно воспользоваться законом Ома, выразить неизвестные величины и рассчитать работу по формулам: А = U 2 t/R или А = I 2 Rt .

    КОЛЕСО ТОКА

    Мощность электрического тока

    Мощность электрического тока равна отношению работы ко времени, за которое она совершена: Р = A/t или Р = IUt/t => Р = IU . То есть мощность электрического тока равна произведению напряжения и силы тока в цепи.

    Единицей мощности является ватт (1Вт): [Р] = 1А • 1В = 1Вт.

    Используя закон Ома, можно получить другие формулы для расчета мощности тока: Р = U 2 P/R = I 2 R .

    Значение мощности электрического тока в проводнике можно определить с помощью амперметра и вольтметра. Но можно для измерения мощности использовать специальный прибор — ваттметр. В нем объединены амперметр и вольтметр.

    Сила тока. Напряжение. Работа и мощность электрического тока. Таблица

    Конспект урока «Работа и мощность электрического тока».

    Электроизмерительные приборы начала электрификации

    АЛЕКСАНДР МИКЕРОВ, д. т. н., проф. каф. систем автоматического управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

    Первые лабораторные электроизмерительные приборы, описанные в [1], не годились для промышленного применения вследствие как своей хрупкости, так и трудоемкости процесса измерения. Начавшаяся в конце XIX в. электрификация, обусловленная масштабным производством, передачей и распределением электроэнергии, потребовала разработки мобильных, щитовых, стрелочных приборов, в том числе для измерения в цепях переменного тока и высокого напряжения [2].

    Кроме того, наиболее совершенные по тем временам магнитоэлектрические приборы — например, Д’Арсонваля [1] — имели много эксплуатационных недостатков, таких как неудобный упругий подвес, указатель в виде зеркала, нестабильность доступных в то время постоянных магнитов и т. д. Человеком, которому удалось избавиться от этих недочетов и развернуть промышленное производство электрических измерительных приборов, был Эдвард Вестон (Edward Weston), американский химик и предприниматель (рис. 1) [3, 4].

    Прибор Вестона

    Рис. 2. Прибор Вестона

    Вестон родился в Англии и получил там начальное медицинское образование, откуда вынес любовь к химии. Увлекшись электричеством, он отказался от медицинской карьеры, уехал в США и организовал успешное гальваническое предприятие, на котором наладил производство динамо­машин, вытеснивших дорогостоящие гальванические батареи. Однако свое призвание Вестон нашел в измерительной технике. В 1888 г. он запатентовал магнитоэлектрический измеритель (рис. 2), в котором проволочная обмотка на медной рамке (1) с осью (2) подвешивалась горизонтально на двух подводящих ток спиральных часовых пружинах (3) в зазоре между наконечниками (4) постоянного магнита (5) и магнитомягким сердечником (6).

    Помимо полюсных наконечников, спиральных пружин и металлической рамки, которая не только обеспечивала прочность, но и улучшала демпфирование стрелочного механизма за счет вихревых токов, Вестон внес в прибор Д’Арсонваля и другие улучшения. Он примененил часовые ювелирные подпятники оси, зеркальную шкалу, а также разработанный им особо стабильный материал магнита. Прибор оказался практичным, мобильным и чувствительным, отчего был назван милливольтметром, хотя с применением шунтов мог использоваться и как амперметр.

    Для провода шунтов Вестон изобрел термостабильные сплавы, которые под названиями «константан» и «манганин» стали производиться в Германии. Он также разработал ряд приборов переменного тока и стабильный гальванический элемент, принятый в 1908 г. в качестве международного стандарта ЭДС (нормальный элемент Вестона), патентные права на который он передал в общественное пользование. Всего Вестон имел 334 патента США. В 1886 г. Вестон создал компанию Weston Electrical Instrument, специализировавшуюся на производстве приборов. К сожалению, эта крупнейшая и процветающая компания прекратила свою деятельность спустя 100 лет, в 1988 г. В Европе также были созданы подобные предприятия: французская Carpentier, немецкие Siemens & Halske, Hartmann & Braun и др. Первый отечественный завод «Электроприбор» был открыт в Ленинграде в 1927 г., для производства электросчетчиков. До этого измерительные приборы производились в Петербурге телеграфным заводом «Сименс-Гальске» (основанным в 1853 г.) и телефонным заводом Геслера (созданным в 1895 г.).

    Электрометр Томсона

    Рис. 3. Электрометр Томсона

    В 1880-х гг. Марсель Депре (Marcel Deprez) начал строительство первых дальних линий электропередачи постоянного тока с напряжением 6 кВ, которое к началу ХХ в. было доведено до 57 кВ [5]. Для измерения такого огромного напряжения потребовались электростатические приборы, которые восходят к весам Кулона и первому электрометру Вольта 1781 г. [1, 6]. Однако эти приборы для измерения зарядов могли служить скорее индикаторами напряжения. В 1853 г. знаменитый английский физик Джозеф Томсон (лорд Кельвин) создал более совершенный электрометр на основе переменного конденсатора (рис. 3), содержащего неподвижные обкладки (1) и подвешенный на упругой нити (3) лепесток (2) [7]. При приложении напряжения электростатическая сила, пропорциональная его величине, стремится втянуть лепесток до положения максимальной емкости конденсатора.

    Кельвинметр

    Рис. 4. Кельвинметр

    Пригодный для промышленного использования образец такого прибора 1880-х гг., названный кельвин-метром, показан на рис. 4 [7]. В данном случае чувствительный элемент (1) содержит несколько секций переменного конденсатора со стрелочным указателем. Упругий подвес, который может быть заменен спиральной пружиной, расположен в верхней части (2), тогда как в нижней части (3) находится жидкостный демпфер.

    В отличие от магнитоэлектрических приборов электростатические подходят и для переменного тока. Однако в системах электроснабжения переменного тока, постепенно вытеснивших системы постоянного тока Эдисона, большее распространение нашли тепловые, электромагнитные или электродинамические измерители [3, 4, 7].

    В 1837 г. швейцарский физик Огюст де ла Рив (Auguste de la Rive) продемонстрировал измеритель, использующий эффект удлинения проводника за счет нагрева проходящим по нему электрическим током любой формы [3]. Огюст де ла Рив (1801–1873) родился в Женеве в семье врача и профессора химии. В возрасте 22 лет он занял кафедру физики и вошел в историю благодаря работам по электричеству, термодинамике и оптике, а также тому, что организовал общество конструкторов научных приборов.

    На том же эффекте удлинения проводника был основан и первый коммерческий тепловой прибор, созданный в 1885 г. английским военным инженером Филипом Кардью (Philip Cardew) (1851–1910), известным также своими изобретениями в телеграфии, электрификацией железных дорог и использованием электричества в военном деле. Прибор Кардью (рис. 5) содержал тонкий платино-серебряный провод (1) диаметром 0,06 мм и длиной более 2 м, пружину (2) и указатель (3) [3, 7]. Шкала прибора неравномерная, потому что температура провода пропорциональна количеству выделившегося тепла, определяемого квадратом проходящего электрического тока. Дальнейшие усовершенствования позволили уменьшить длину проволоки до 17 см.

    Прибор Кардью

    Рис. 5. Прибор Кардью

    Прибор Кольрауша

    Рис. 6. Прибор Кольрауша

    Хотя электромагнит был изобретен английским ученым Уильямом Стерженом (William Sturgeon) еще в 1825 г., коммерческий электромагнитный измерительный прибор был создан лишь в 1884 г. Фридрихом Кольраушом (Friedrich Kohlrausch, 1840–1910 гг.), профессором физики в различных немецких университетах, ставшим после смерти Германа Гельмгольца директором Физико-технического института в Берлине [3]. Он известен своими работами по электролитам, а также благодаря созданию большого числа прецизионных измерительных приборов и стандартов. Прибор Кольрауша (рис. 6) содержал цилиндрический электромагнит, сердечник которого с указателем подвешивался на пружине [7]. Тяговое усилие электромагнита пропорционально квадрату как постоянного, так и переменного тока, поэтому шкала прибора также неравномерная.

    Однако самыми точными, хотя и дорогими, приборами переменного тока до сих пор являются электродинамометры. Прибор такого типа, основанный на взаимодействии подвижной и неподвижной обмоток с током, был предложен знаменитым немецким физиком Вильгельмом Вебером (Willhelm Weber) в 1846 г. для исследования геомагнетизма [4, 5]. Для измерения больших токов применялся электродинамометр Сименса, созданный в 1883 г. [3, 4, 7]. Однако он скорее подходил для лабораторных условий, поскольку в его состав входили ртутные контакты подвижной обмотки и торсионный подвес. Более практичным оказался прибор Вестона 1891 г. (рис. 7) с обмотками неподвижной (1), подвижной (2), спиральными пружинами (4), подводящими ток, и стрелкой (5) [4, 7].

    Электродинамометр Вестона

    Рис. 7. Электродинамометр Вестона

    В 1881 г. Марсель Депре предложил использовать электродинамометр в качестве ваттметра, т. е. измерителя потребляемой мощности [5]. Для этого одна из обмоток с малым сопротивлением включалась в цепь нагрузки, а вторая, с большим сопротивлением, — параллельно нагрузке. При таких условиях отклонение стрелки логометра пропорционально потребляемой мощности.

    С широким внедрением электрического освещения сразу возникла проблема оплаты потребляемой электроэнергии [2, 8, 9]. В первой системе электроснабжения постоянного тока Эдисона электричество первоначально отпускалось бесплатно, потребитель только оплачивал лампы накаливания. Это делалось для того, чтобы привлечь сторонников популярного тогда газового освещения. Затем была введена оплата по числу используемых ламп. Но однажды известный банкир Джон Морган (John Morgan), финансировавший систему Эдисона и первый осветивший свой офис на Уолл-стрит его лампами, пожаловался на несправедливость такого тарифа, поскольку большая часть установленных ламп ночами не включалась. Эдисон признал претензию обоснованной и изобрел первый электролитический счетчик (рис. 8) [9]. Он содержал электролитическую ванночку (1) с двумя медными электродами, включенными последовательно в цепь потребления. Прибор имел также систему поддержания температуры электролита с лампой (2) для подогрева и сменную ванночку (3).

    Счетчик Эдисона

    Рис. 8. Счетчик Эдисона

    В соответствии с законом электролиза Фарадея, количество меди, перенесенное с анода на катод, пропорционально величине прошедшего электричества [6]. Поэтому оплата электроэнергии производилась путем взвешивания электродов, которые нужно было регулярно относить в контору Эдисона. Это было крайне неудобно, поэтому применялись и другие счетчики постоянного тока, например Элиу Томсона (Elihu Thomson) с коллекторным электродвигателем [7, 8]. Щеточно-коллекторный узел такого двигателя требовал ухода и имел ограниченный срок службы. Однако все эти счетчики оказались непригодными уже в 1890-е гг. в связи с повсеместным переходом на системы электроснабжения переменного тока [2].

    Индукционный счетчик Блати

    Рис. 9. Индукционный счетчик Блати

    Пионером электрического освещения однофазным переменным током в Европе была компания Ganz в Будапеште, сотрудник которой, известный венгерский электротехник и соавтор изобретения трансформатора Отто Блати (Otto Bláthy), создал в 1889 г. первый электросчетчик переменного тока, также запатентованный в США (рис. 9) [8].

    В 1894 г. аналогичный счетчик, называемый теперь индукционным, был разработан для компании Westinghouse Оливером Шеленбергером (Oliver Shallenberger) [7, 8]. Идею индукционного счетчика, мало изменившуюся за прошедшие годы, иллюстрирует рис. 10.

    Индукционный счетчик

    Рис. 10. Индукционный счетчик

    На этой схеме: 1 — металлический вращающийся диск, 2 — электромагнит напряжения, включенный параллельно сети, 3 — электромагнит тока, включенный последовательно с нагрузкой, 4 — тормозной постоянный магнит, 5 — счетчик числа оборотов диска. Электромагниты напряжения и тока вместе с диском представляют собой классический двухфазный асинхронный двигатель, в котором вращающееся магнитное поле образуется благодаря выполнению двух условий Феррариса [10]: перпендикулярности потоков, создаваемых двумя обмотками электромагнитов (что видно на рис. 10), и сдвига фаз питающих напряжений обмоток на четверть периода. Последнее достигается за счет высокой индуктивности обмотки напряжения с большим числом витков и ничтожной индуктивности обмотки тока с малым числом витков.

    Тогда, в соответствии с теорией асинхронного двигателя, развиваемый им вращающий момент будет равен: Мв = kМ×U×I×cosj, где U и I — действующие значения напряжения и тока потребления, j — сдвиг фаз между ними, вносимый нагрузкой. Нетрудно убедиться, что выражение U×I×cosj — это активная мощность, потребляемая нагрузкой. Если учесть, что уравновешивающий тормозной момент, создаваемый постоянным магнитом (4), пропорционален частоте вращения диска (9) n (например, в об/мин) Мт = kт×n, то частота вращения диска n пропорциональна потребляемой мощности. Таким образом, счетчик (5) показывает величину потребляемой электроэнергии, например в кВт·ч за заданный промежуток времени.

    Первый счетчик Блати был очень тяжелым (23 кг), но уже в начале ХХ в. его вес снизился почти на порядок. Существенно улучшились и все остальные приборы переменного тока, что и способствовало широкой электрификации [3, 8]. Дальнейшее развитие электроизмерительной техники связано уже с появлением электроники.

    голоса
    Рейтинг статьи
    Читайте так же:
    Тепловое действие тока закон джоуля ленца задачи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector