1.1. Измерение температуры термопарой с милливольтметром

Термоэлектрические преобразователи или термопары (ТП) предназначены для измерения температур различных сред, в том числе при испытаний двигателей внутреннего сгорания (охлаждающей жидкости, смазки, топлива, выхлопных газов, теплового состояния двигателя и др.).

Термопара – два проводника из разнородных материалов, соединенных на одном конце и образующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерений температуры.

Обозначение типа термопары зависит от состава. В таблице 1.2 представлены условные обозначение термопреобразователей по ГОСТ Р. 8.585−2001 и принятые в промышленности.

Таблица 1.2

Условное обозначение типов термопреобразователей

Обозначение типа термопары по ГОСТ Р. 8.585−2001	Обозначение промышленного термопреобразователя
R	ТПП (Платина - 13 % родий/платина)
S	ТПП (Платина - 10 % родий/платина)
В	ТПР (Платина - 30 % родий/платина - 6 % родий)
J	ТЖК [Железо/медь - никель (железо/константан)]
T	ТМК [Медь/медь - никель (медь/константан)]
Е	ТХКн [Никель - хром/медь - никель (хромель/константан)]
К	ТХА [Никель - хром/никель - алюминий (хромель/алюмель)]
N	ТНН [Никель - хром - кремний/никель - кремний (нихросил/нисил)]
А (А-1, А-2, А-3)	ТВР (Вольфрам - рений/вольфрам - рений)
L	ТХК (Хромель/копель)
М	ТМК (Медь/копель)

Принцип действия термопреобразователя основан на преобразовании тепловой энергии в термоэлектродвижущую силу (ТЭДС) элемента при наличии разности температур между его свободными концами и горячим спаем.

ТЭДС измеряют с помощью милливольтметров и потенциометров.

Рассмотрим методику решения задач на примере. Термопара, имеющая сопротивление R_вн, подключена к милливольтметру с внутренним сопротивлением R_v, измерения проводятся в диапазоне ДИ.

Требуется:

1. Изобразить схему подключения термопары к милливольтметру.

2. Определить диапазон изменения напряжения на выводах милливольтметра при температуре свободных концов термопары, если Т₀ = 0 °С.

3. Определить систематическую погрешность, если Т₀ = 20 °С.

4. Определить систематическую погрешность, если сопротивление подключаемых проводов будет по 5 Ом.

Исходные данные сводим в таблицу 1.3.

Таблица 1.1

Исходные данные

Параметр	Обозначение	Значение
1. Сопротивление измерительной цепи	Rвн	12 Ом
2. Внутреннее сопротивление вольтметра	Rv	200 Ом
3. Диапазон измерений	ДИ	-30…+180 °С
4. Тип термопары	ТХА(К)	−

1.1.1. Схема подключения термопары к милливольтметру

Схема подключения термопары к милливольтметру приведена на рисунке 1.1.

1

Рис. 1.1. Схема измерения

ТЭДС милливольтметром

.1.2. Определяем диапазон изменения напряжения на выводах милливольтметра

Определяем диапазон изменения напряжения на выводах милливольтметра при температуре свободных концов термопары, если Т₀ = 0 °С, по формуле:

U_ав = Е(T, T₀)/(1+R_вн/R_v), (1.1)

где Е(T, T₀) – ТЭДС термопары, мВ, при температуре Т горячих спаев (измерительных спаев) и Т₀ – холодных спаев, °С; R_v – внутреннее сопротивление вольтметра, Ом; R_вн – сопротивление измерительной цепи, в которое входит сопротивление термопары, соединительных проводов, контактов и т.п., Ом.

По таблице П3 (приложения) определяем значения ТЭДС термопары ТПП (R) при 0 °С ,при 60 °С, при 110°С, при + 160 °С.

Е (-30) = -1,156 мВ

Е (+180)=+7,340 мВ

Е (+20)=+0,798 мВ

Полученные значения подставляем в формулу (1.1)

U_{ав(-30°С)} = -1,156/(1+12/200) = -1,09 мВ

U_{ав(+180°С)} =+7,340/(1+12/200)=+6,92 мВ

1.1.3. Определяем диапазон изменения напряжения на выводах милливольтметра и систематическую погрешность, если Т₀ = 20 °С

По таблице П3 (приложения) определяем значения ТЭДС термопары ТХА (К) при -30 °С ,при 180 °С , если Т₀ = 20 °С

Е (-30, 20) =-1,156– 0,798 = – 1,954 мВ

Е (+ 180, 20) =+7,340 -0,798=+6,542 мВ

Полученные значения подставляем в формулу (1.1)

U_{ав(-30°С; +20 °С)} = – 1,954/(1+12/200) = – 1,843 мВ

U_{ав(+180°С; +20 °С)} =6,542/(1+12/200) = +6,172 мВ

U_ав = U_{ав(-30°С; +20 °С)} – U_{ав(-30°С)} = – 1,954– (-1,09) = – 0,864 мВ.

Таким образом, в показании милливольтметра будет присутствовать аддитивная систематическая погрешность U_ав = – 0,864 мВ, которую необходимо учитывать. В виде приведенной погрешности это значение составит

 = , (1.2)

где Х_N − нормирующее значение измененяемой величины.

γ =| -0,864 /(-1,09+6,92)  100 | = 14,82 %,

1.1.4. Определяем систематическую погрешность, если сопротивление подключаемых проводов будет по 5 Ом

При наличии двух соединительных проводов с сопротивлением по 5 Ом каждый сопротивление измерительной цепи увеличится на 10 Ом и составит

R_вн = 12 + 10 = 22 Ом.

Полученное значение подставляем в формулу (1.1)

U_{ав(-30°С)} = -1,156/(1+22/200) = -1,04 мВ

U_{ав(+180°С)} = + 7,340/(1+22/200) = +6,612 мВ

U_ав = U_{ав(-30°С)} – U_{ав(-30°С)} = -1,04-(-1,09)= 0,05 мВ

U_ав = U_{ав(180°С)} – U_{ав(180°С)} =+6,612 – 6,92 =-0,308 мВ

Таким образом, в показании милливольтметра будет присутствовать мультипликативная систематическая погрешность, изменяющаяся в зависимости от показаний прибора следующим образом, табл. 1.3, которую необходимо учитывать при измерениях.

В виде приведенной погрешности это значение составит

 =| 0,05/(-1,09 + 6,92)  100 |= 0,858 %;

 =| –0,308/(-1,09 + 6,92)  100 |= 5,283%,

что достаточно велико.

Таблица 1.2

Динамика мультипликативной систематической погрешности

от наличия неучтенного сопротивления проводов

Измеряемое значение температуры	Показания прибора, мВ
	истинное	реальное
-30 °С	-1,09	-1,04
0 °С	0	0
+ 180 °С	+6,92	+6,612

Рис. 1.2 Динамика мультипликативной систематической погрешности