Измерение температуры термоэлектрическими термометрами (90

Составители: доц. Перухин М.Ю. доц. Ившин В.П.

Измерение температуры термоэлектрическими термометрами: методические указания к лабораторной работе / М.Ю.Перухин [и др.] – Казань : Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2010 – 20 с.

Изложен материал по подготовке и проведению лабораторной работы, в ходе которой студенты знакомятся с типами и конструкцией термоэлектрических преобразователей и их основными характеристиками.

Даны все необходимые теоретические сведения по изучаемой теме, приведено описание экспериментальной установки, изложен порядок проведения работы.

Предназначено для студентов очной, заочной и очно-заочной форм обучения механических и технологических специальностей при изучении ими курса автоматизации технологических процессов.

Подготовлено на кафедре автоматизированных систем сбора и обработки информации.

Табл. 3. Ил. 8. Библиогр.: 4 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского государственного технологического университета

Рецензенты : зав. каф. АТПП КГЭУ д-р. техн. наук,

проф. К.Х. Гильфанов

канд. техн. наук, доц. каф. АиУ КГТУ (им. А.Н. Туполева) С.А. Терентьев

© М.Ю. Перухин, В.П. Ившин, 2011 ©Казанский государственный технологический университет, 2011

2

Лабораторная работа

Измерение температуры термоэлектрическими преобразователями

Цель работы: изучить принцип измерения температуры термоэлектрическим способом, а также промышленные термоэлектрические преобразователи (их типы, конструкции, области применения), особенности построения измерительных цепей с термоэлектрическими преобразователями; провести поверку хромель- копелевого (ХК) и хромель-алюмелевого (ХА) термоэлектрических преобразователей и сделать вывод об их пригодности.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Первичным преобразователем термоэлектрического термометра служит термопара, состоящая из двух разнородных проводников. Принцип действия термопары основан на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в возникновении электрического тока в замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников имеющих разную температуру в местах спаев [1].

Спай с температурой t называется горячим или рабочим, спай с температурой t0 – холодным, или свободным, а проводники А и Б - термоэлектродами (рис. 1).

t0

A Б

t

Рис 1. Термоэлектрическая цепь из двух разнородных проводников

3

Термоэлектрический эффект объясняется наличием в металле свободных электронов, число которых в единице объема различно для разных металлов. В спае с температурой t электроны из металла А диффундируют в металл Б в большем количестве, чем обратно. Поэтому металл А заряжается положительно, а металл Б – отрицательно. Когда скорость диффузии электронов станет равна скорости их обратного перехода под влиянием установившегося электрического поля, наступает состояние подвижного равновесия. При таком состоянии между проводниками А и Б возникает разность потенциалов. Таким образом, термоэлектродвижущая сила (ТЭДС) является функцией двух переменных величин, то есть ЕАВ(t,t0).

Поддерживая температуру спаев t0 постоянной, получим:

EAB (t, t0) = f (t)

Это означает, что измерение температуры сводится к определению ТЭДС температуры. ТЭДС не меняется от введения в

цепь термопары третьего проводника, если температуры концов этого проводника одинаковы. Следовательно, в цепь термопары можно включать соединительные провода и измерительные приборы.

Требования к материалу для изготовления термоэлектрических преобразователей (термопар)

Требования к материалу для изготовления термопары:

1)постоянство ТЭДС во времени;

2)устойчивость к воздействию высоких температур;

3)возможно большая величина ТЭДС и однозначная зависимость ее от температуры;

4)небольшой температурный коэффициент электрического сопротивления и большая электропроводность;

5)воспроизводимость термоэлектрических свойств, обеспечивающих взаимозаменяемость термопар [2].

Конструктивное оформление термопар

Конструктивное оформление термопар разнообразно и зависит главным образом от условий их применения. На рис. 2 показана термопара типичной конструкции. Как правило, горячий

4

спай промышленных термопар изготовляется сваркой в пламени вольтовой дуги. Термопары платиновой группы свариваются без флюса, а остальные – под слоем флюса. Пайка применяется только при изготовлении нестандартных лабораторных термопар из очень тонких проволок.

Независимо от конструкции термопара должна удовлетворять ряду требований. Изоляция термоэлектродов должна исключать возможность короткого замыкания и электрических утечек. Термоэлектроды должны быть защищены от механических повреждений и химического воздействия измеряемой среды. Удлиняющие провода должны быть надежно подключены к термопаре.

Для электрической изоляции термоэлектродов обычно приме- няют фарфор в виде коротких одно- или двухканальных трубок, либо бус. Спай термопары остается голым и изолируется обычно фар- форовым наконечником, помещенным на дне защитной металли- ческой трубки. Изолированные электроды промышленных термопар помещаются в защитную трубку для предохранения от механических повреждений и химического воздействия среды при высоких температурах. Защитная трубка ввинчивается в головку термопары, внутри которой укреплены две клеммы, соединенные с электродами термопары. Клеммы служат для присоединения концов термо- электродных проводов, для выхода которых головка термопары снабжена сбоку отверстием с коротким патрубком. Для агрессивных сред применяются защитные трубки из металлокерамики или стальные трубки, покрытые слоем тугоплавкой эмали. Холодные спаи каждой термопары укреплены под винтами фарфоровой контактной колодки. Соединительные провода выведены из арматуры термопары через специальные сальниковые уплотнения

[1].

5

Рис. 2. Термопара в защитной арматуре с передвижным фланцем: 1 – горячий спай термопары; 2 – фарфоровый наконечник; 3 – защитная трубка; 4 – фарфоровые бусы; 5 – передвижной фланец для крепления термопары; 6 – корпус головки; 7 – фарфоровая колодка; 8 – винты для крепления колодки; 9 – зажимы; 10 – винты для крепления термоэлектродов в зажимах; 11 – винты для крепления проводов; 12 – крышка; 13 – прокладка; 14 – штуцер для вывода; 15 – асбестовый шнур; 16 – винт для цепочки.

6

Виды стандартных термопар и диапазоны измеряемых температур

В соответствии с ГОСТ 6616-94 [3] известны следующие виды термопар (табл. 1).

*НСХ – номинальная статическая характеристика.

7

В табл. 2 приведены рекомендуемые рабочие атмосферы для приведенных выше термопар, а также их дифференциальная чувствительность в указанных диапазонах температур [4].

Из табл. 2 следует, что универсальными термопарами являются: медь-константановая и железо-константановая, так как они являются наиболее стойкими к большинству сред. Первая не нашла широкого применения в промышленности из-за узкого диапазона температур в области выше 0°С. Она используется, в основном, для измерения низких температур. Термопара типа J широко используется на Западе, но в России также не нашла широкого применения, по-видимому, из-за отсутствия производства высокочистого термоэлектродного железа. Кроме того, к недостаткам термопары можно отнести плохую коррозионную стойкость железного электрода и высокую чувствительность к деформации [4].

8

Удлиняющие провода

Удлинительные (термоэлектродные) провода в данном случае предназначены для удаления холодных спаев термопары возможно дальше от объекта измерения, то есть от зоны с меняющейся темпе- ратурой. Удлиняющие провода должны быть термоэлектрически подобны термоэлектродам термопары. Как правило, удлиняющие провода и термоэлектроды термопар, изготовленных из неблагородных металлов, выполняются из одних и тех же материалов. Исключение составляет хромель-алюмелевая термопара, для которой с целью уменьшения сопротивления линии в качестве термоэлектродных проводов часто применяют медь в паре с константаном. Для платинородий-платиновых термопар в качестве термоэлектродных проводов употребляется медь в паре с медно- никелевым сплавом (99,4 % Сu + 0,6 % Ni). Эти провода в паре между собой до 100° С развивают такую же ТЭДС, что и платинородий-платиновая термопара [1].

Способы компенсации изменения температуры холодных спаев термопары

Правильное измерение температуры возможно лишь при постоянстве температуры холодных спаев t0 (рис. 3). Это условие обеспечивается с помощью соединительных проводов и специальных термостатирующих устройств.

Рис. 3. Схема включения соединительных проводов

9

Для правильного измерения температуры обязательно соблюдение равенства температур в точках 1 и 2 (рис. 3). Для этого точки 1 и 2 помещаются близко одна к другой в головке термопары. От термоэлектродных проводов до измерительного прибора 3 желательно применять удлинительные провода из тех же материалов.

Влабораторных условиях температуру холодных спаев t0 обычно поддерживают равной 0° С. В этом случае места спаев погружают в пробирки с маслом, которые помещают в сосуд Дьюара, наполненный тающим льдом.

На практическом занятии студенты вручную рассчитывают поправку на температуру холодных спаев, так как холодные спаи находятся при комнатной температуре.

Впроизводственных условиях для автоматического введения поправки на температуру холодных спаев применяются мостовые электрические схемы [1].

Схема автоматического введения поправки на температуру холодных спаев

Для исключения влияния отклонений температуры свободного спая термопары на показания вторичного прибора (милливольтметра) вводят поправку на температуру свободных концов по формуле:

Для автоматического введения поправки в замкнутый контур включают неуравновешенный (компенсационный) мост (рис. 4). Термопара 2 включается последовательно с неуравновешенным мостом, три плеча которого (R1, R2 и R3) выполнены из манганина, а четвертое (R4) – медное. Манганин, в отличие от меди, не меняет своего сопротивления до температуры 100° С. Схема питается от стабилизированного источника питания. Добавочное сопротивление Rд служит для подгонки подаваемого на мост напряжения до нужного значения. От термопары до компенсационного моста прокладываются термоэлектродные провода, от моста до измерительного прибора – медные [1].

10