2.1 Основные понятия

Одним из основных параметров, определяющих ход металлургичес­ких процессов, является температура. Работа печных агрегатов характеризуется температурой металла, шлака, топлива, защитной атмосферы, дымовых газов, кладки, а также других сред и элементов рабочего пространства. От точного и надежного измерения данной величины в значительной мере зависит эффективность функциониро­вания АСУ ТП. Многообразие задач предопределило появление большого числа различных методов и средств контроля температуры [3] .

Тепловое состояние тела (степень его нагретости) определяется средней кинетической энергией поступательного движения молекул данного тела. Следовательно, и температура, характеризующая тепло­вое состояние физического объекта, является статистической величи­ной, поэтому ее измерение имеет смысл только в телах, состоящих из достаточно большого числа молекул.

Разный уровень температур двух тел, находящихся в контакте, определяет направление теплопередачи: тело с более высокой темпе­ратурой отдает свою внутреннюю энергию телу с более низкой темпе­ратурой до тех пор, пока их температуры не станут равными.

Таким образом, температура тела − параметр состояния, который определяет направление передачи тепловой энергии. Измерить темпе­ратуру непосредственно, как плотность или линейные размеры, невозможно, поэтому температуру определяют косвенно, по изменению физических свойств различных тел, получивших название термометрических, например, объемное расширение, изменение электрических свойств: электрической проводимости, термоэлектродвижущей силы (т.э.д.с.) и т.п.

Термоэлектрические термометры

Для измерения температуры в металлургии наибольшее распро­странение получили термоэлектрические термометры, работающие в диапазоне температур от -200 до 2500 град.С и выше. Данный тип устройств характеризуют высокая точность и надежность, возможность использования в системах автоматического контроля и регулирования параметров, в значительной степени определяющих ход технологического процесса в металлургических агрегатах.

Устройство термоэлектрических термометров

Термоэлектрический термометр (ТТ) – это измерительный преобразователь, чувствительный элемент которого (термопара) расположен в специальной защитной арматуре, обеспечивающей защиту термоэлектродов от механических повреждений и воздействия измеряемой среды.

На рисунке 10 приведена типовая конструкция термоэлектрического термометра. Термоэлектроды 10 по всей длине изолированы друг от друга керамическими изоляторами 9. Концы термоэлектродов сварены между собой и образуют горячий спай 11. Свободные концы термоэлектродов подсоединяются к контактам колодки 5. Термоэлектроды и контактные зажимы помещены в защитную арматуру 8. Для обеспечения виброустойчивости они засыпаны безводной окисью алюминия и герметизированы эпоксидным компаундом 7. К контактным зажимам колодки подсоединены компенсационные провода, которые выводятся из головки термометра через сальниковое уплотнение 3 со штуцером 2. Водозащитная головка термометра 6 закрыта крышкой 4. Сальниковый ввод головки допускает использование кабеля наружным диаметром до 11 мм. Горячий спай термопары изолирован от защитной арматуры керамическим наконечником 1. Инерционность термоэлектрического термометра составляет 20 −120 с.

I − для одинарных термопар; II − для двойных термопар;

1− керамический наконечник; 2 − штуцер; 3 − сальниковое уплотнение; 4 − крышка; 5 − колодка; 6 − водозащитная головка термометра; 7 − эпоксидный компаунд; 8 − защитная арматура; 9 − керамические изоляторы; 10 − термоэлектроды; 11 − горячий спай.

Рисунок 10 − Конструкция термоэлектрического термометра типа

ТХА/ТХК

Сущность термоэлектрического метода заключается в возникновении электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике, концы которого имеют различную температуру. В зависимости от величины перепада температур и природы проводника (состав, физическое состояния) величина ЭДС колеблется в значительных пределах [3].

Принцип действия термопары основан на эффектах Томсона и Зеебека. Эффект Томсона заключается в том, что если проводник, обладающий электронной проводимостью, нагрет по своей длине неравномерно, то на его нагретом конце повышается концентрация свободных электронов, которые диффундируют к холодному концу. При этом горячий конец заряжается положительно, а холодный отрицательно. Если замкнутая цепь состоит из двух различных проводников Х и Y, то т.э.д.с. Томсона в такой цепи равна разности т. э. д. с., возникающих в каждом проводнике, в зависят от температуры спаев t и t0 (t≠ t0).

Эффект Зеебека проявляется в том, что в спаях различных проводников Х и Y возникают контактные разности потенциалов, вызванные диффузией свободных электронов из проводника, где их концентрация больше. Общая т. э. д. с., обусловленная эффектами Томсона и Зеебека, является функцией температур t и t0 и зависят от физической природы проводников Х и Y. Она может быть записана при обходе контура термопары против часовой стрелки в виде

, (1)

где Еxy (tt₀) − общая т.э.д.с, термопары;

e_XY (t) и e_yx (t₀) − т.э.д.с., вызванные эффектами Томсона и Зеебека.

Если t=t₀, то Е_XY (tt₀) = 0 и тогда

e_xy (t₀) + e_yx (tt₀)= 0 или e_yx (t₀ ) = -e_xy (t₀ ) (2)

Подставляя это равенство в формулу (1), получим выражение т.э.д. с. термопары в виде: Е_XY(tt₀) = е_XY(t)- е_XY(t₀). (3)

Из выражения (3) видно, что т. э. д. с. термопары есть функция двух температур рабочего и холодного спаев, т. е. Е_XY = f(tt₀ ). Эту зависимость можно использовать на практике, если поддерживать постоянной , тогда Е_XY (tt₀) = f(t).

Таким образом, если для данной термопары экспериментально найдена зависимость f(t), то измерение неизвестной температуры сводится к определению т. э. д. с. с помощью измерительного прибора. Его включение в цепь термопары приводит к появлению там третьего проводника Z. При обходе контура против часовой стрелки получим:

Е_XYZ (tt₀t₀)= e_XY (t) +e_YZ(t₀) (4) Если t=t₀ , то E_XYZ(t₀ t₀ t₀ )=0 и е_XY(t₀) + e_YZ(t₀)+e_ZX(t₀)= 0,

e_YZ(t₀)+e_ZX(t₀)= —е_XY(t₀). (5) Подставляя это равенство в формулу (4), получим

E_XYZ(tt₀t₀)=e_XY(t)- e_XY(t₀),

что точно совпадает с выражением (3) для термопары из двух термоэлектродов Х и Y. Таким образом, включение третьего проводника Z в разрыв холодного спая при условии, что концы этого проводника находятся при одинаковой температуре t₀ не влияет на общую т. э. д. с. термопары, т. е.

E_XYZ(tt₀t₀)=E_XY(tt₀).

Термопары, как правило, градуируются при температуре холодного спая t₀= 0 °С. действительная же температура холодного спая термопары может быть постоянной t^’₀= const, но отличаться от 0°С, Поэтому для нахождения действительной температуры горячего спая t необходимо вводить поправку, которую находят следующим образом.

Пусть t^’₀ = const и t^’₀>t₀, тогда Е_XY (tt₀)> Е_XY (tt^’₀) и, следовательно, Е_XY (tt₀)- Е_XY (tt^’₀)= е_XY (t) - е_XY (t₀)- е_XY (t)+ е_XY (t^’₀) = е_XY (t^’₀) - е_XY (t₀)= E_XY(t^’₀t₀)

Таким образом, с учетом поправки истинная т. э. д. с. термопары будет равна: Е_XY (tt₀) = Е_XY(tt^'₀)± E_XY(t’₀t₀), (5) где знак плюс относится к случаю, когда t’₀ > t₀, а минус − к случаю, когда t’₀< t₀ . Повышение температуры свободных концов ТТ приводит к уменьшению перепада температур, снижению т.э.д.с. термопары и появлению погрешности измерения, которую исключают введением соответствующей поправки.

Пример. Термоэлектрический термометр ТХА измеряет температуру в печи в комплекте с потенциометром. При градуировке ТХА температура свободных концов принималась 0 ^oC в условиях измерения она составила t'₀ =50 ^oC. Сигнал, измеренный потенциометром, Е_XY(t,50)=40,98 мВ, что соответствует температуре 993 ^оС. Величина поправки может быть определена либо по градуировочной кривой (см. рисунок 11), либо по таблице: Е_XY(50,0)=2,02 мВ.

Е_XY (t,0)= Е_XY(t,50)+ Е_XY(50,0)=40,98+2,02=43,00 мВ,

что соответствует температуре рабочего спая t= 1044 ^oC.

t= 1044 ^oC

Рисунок 11 − Градуировочные характеристики термопар

Для исключения влияния изменения температуры концов ТТ в технике измерения пользуются двумя способами:

1) эвакуацией свободных концов из зоны непосредственного измере­ния с помощью компенсационных проводов;

2) стабилизацией темпе­ратуры свободных концов с помощью термостатов.

Наибольшее распространение получил первый способ как более на­дежный и экономичный. Термостатировать головку термометра очень трудно из-за изменяющихся условий теплообмена с окружающей сре­дой. Поэтому свободные концы термопары стремятся удалить как мож­но дальше от агрегата в такое место, где можно установить термо­стат. Однако для благородных термопар удлинение термоэлектродов невозможно, так как это приведет к значительному перерасходу платины. Необходимо отметить, что провода, выводимые из головки ТТ_, работают при температурах, не превышающих 80-90 °С. Следова­тельно, соединительные провода для исключения паразитных т.э.д.с. должны иметь в интервале температур от 0 до 100 ^оС такие же термоэлектрические ха­рактеристики, как и термопара ТТ, что позволяет перенести свободные концы термометра непосредственно к измеритель­ному прибору. На рисунке 12 представлена принципиальная схема комплекта для из­мерения температуры,t включающего: тер­мопару с электродами Х и Y, удлинитель­ные (компенсационные) провода А₁ и В₁ , медные провода С и измерительный при­бор ИП (например, автоматический потенциометр, милливольтметр, цифровой вольтметр) либо это может быть информационно-измерительная система или информационно-вычислительный комплекс.

Рисунок 12 − Принципиальная схема соединений комплекта для измере-

ния температуры с помощью термопары

Для повышения чувствительности таких термометров иногда объединяют последовательно несколько термопар в термобатарею (рисунок 13, б). При этом рабочие концы всех термопар находятся при температуре исследуемого объекта θ₁ , а свободные — при постоянной (или известной) температуре θ₂ . Суммарная выходная термоЭДС, естественно, будет равна сумме термоЭДС отдельных ТП.

а − возникновение термоЭДС; б − термобатарея;

в − дифференциальная тер­мопара

Рисунок 13 − Термоэлектрические преобразователи (термопары)

Для нахождения разности температур двух объектов применя­ются так называемые дифференциальные термопары, которые состоят из двух встречно включенных ТП (рисунок 13, в). Рабочие концы ТП имеют разную температуру (θ_А и θ_Б), а свободные — одинаковую θ₂. В результате выходное напряжение пропорционально разности температур.

В соответствии с общепринятой международной классифика­цией термоэлектрические преобразователи (термопары) подраз­деляются на несколько типов в зависимости от применяемых ма­териалов и характеристик. Характеристики некоторых основных типов ТП приведены в таблице 2.

Таблица 2 − Основные характеристики некоторых типов термопар

Тип ТП	Материал ТП	Диапазон измерения (кратковремен­ный), град С	Коэффициент преобразования при20°С, мкВ/ °С
Е	Хромель — константан	-270… + 1000	62
J	Железо — константан	-210…[phone])	51
К(ТХА)	Хромель — алюмель	-200…[phone])	40
R (ТПП)	Платина — платинородий (13% родия)	-50…[phone])	7
S (ТПП)	Платина — платинородий (10% родия)	-50…[phone])	7
Г(ТМК)	Медь — константан	-270…+400 (400)	40
О (ТПР)	Платинородий (30% родия)— платинородий (6% родия)	+300…[phone])	-
L(ТХК)	Хромель-копель	-200…+600 (800)	68
М (ТВР)	Вольфрам - рений	0…[phone])	12
(ТВМ)	Вольфрам - молибден	+1250…[phone])	4

Выбор материалов термоэлектродов в значительной степени определяется уровнем температуры и агрессивным воздействием измеряемой среды. Платина и ее сплавы с родием хорошо работают в окислительной и нейтральной средах, вольфрам, молибден, рений и их сплавы – в вакууме, нейтральной и восстановительной средах. Науглероживание проволоки искажает термоэлектрическую характеристику платины и приводит к погрешностям в измерении. Значительный опыт эксплуатации различных термопар привел к тому, что в настоящее время количество применяемых в технике измерения материалов невелико.

Отметим, что в России приборостроительными фирмами ТП типа Е и J не выпускаются.

Графическая иллюстрация характеристик основных типов ТП приведена на рисунке 10. Наглядно видно, какие типы обеспечивают наибольший диапазон измерения, максимальную чувствительность или наилучшую линейность.

В практике типовых температурных измерений чаще всего используются ТП трех типов: J, К, Т. Термопары типа J имеют минимальную стоимость, высокую чувствительность, умеренную точность, но не могут (не долж­ны) использоваться длительное время при экстремальных темпе­ратурах (выше 1 000 °С), так как нарушается их градуировочная ха­рактеристика.

Термоэлектрические термометры выпускают двух видов: погружаемые и поверхностные. У последних рабочий спай приводится в непосредственный контакт с измеряемой поверхностью. Приборостроительная промышленность изготовляет устройства различных модификаций, отличающихся: по значению и условиям эксплуатации, по материалу защитного чехла, по способу установке термометра в точке измерения, по герметичности и защищенности от действия окружающей среды, по устойчивости к механическим воздействиям, по степени тепловой инерционности т.п.

Цифровой термометр

Рассмотрим один из наиболее распространенных вариантов устройства цифрового термометра (ЦТ), входным датчиком кото­рого является термопара (ТП).

На рисунке 14 приведена упрощенная структура контактного ЦТ, которая напоминает структуру любого цифрового измерительно­го прибора.

Термопара подключается к входу усилителя, назначение кото­рого поднять уровень входного сигнала с единиц-десятков мил­ливольт до единиц вольт. Аналого-цифровой преобразователь пре­образует усиленный сигнал ТП в цифровой код, пропорциональный уровню термоЭДС и, следовательно, значению измеряемой температуры. В автономных ЦТ, как правило, применяются АЦП, использующие интегрирующие методы преобразования, обеспе­чивающие высокие точность, чувствительность, разрешающую способность, высокое подавление периодических помех общего и нормального вида, уровень которых может быть значительным. Выходной код аналого-цифрового преобразователя (АЦП) запоминается (и затем некоторое время хра­нится) в регистре и выводится на цифровой индикатор (цифро­вое отсчетное устройство). Микропроцессорный контроллер уп­равляет работой всех узлов прибора. С помощью клавиатуры опера­тор задает режимы работы. В структуре прибора может присутствовать интерфейс для обмена информацией с внешними цифровыми устройствами (например, для передачи результатов регистра­ции в персональный компьютер и (или) в систему автоматизиро­ванного управления).

Известны модели многоканальных ЦТ (чаще двухканальных). Отличие этих приборов − наличие коммутатора входных ТП, который позволяет поочередно подключать датчики ко входу усили­теля. Двухканальные ЦТ обычно имеют режим измерения разно­сти температур. Такие приборы называются дифференциальными термометрами. Современные ЦТ отличаются малыми габаритными размерами и массой (100...500 г), сравнительно низкой стоимостью, доста­точно высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

Рисунок 14 − Структура контактного цифрового термометра

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка содержит трубчатую печь с электрообогревом, в рабочее пространство печи погружены рабочие концы хромель-алюмелевой (ХА) и хромель-копелевой (ХК) термопар. Свободные концы термопар погружены в простейший термостат, температура воды в котором измеряется жидкостным стеклянным термометром.

Каждая термопара с помощью переключателей может быть подключена либо к своему пирометрическому милливольтметру, либо к лабораторному потенциометру.

Регулировка температуры в печи осуществляется изменением тока с помощью лабораторного автотрансформатора, сила тока контролируется по амперметру.

Для изменения сопротивления внешней цепи установлен магазин сопротивлений.

Напряжение на установке подается через автомат питания.

Порядок выполнения работы

Студент перед началом проведения экспериментов должен ознакомится с основными теоретическими положениями, описанием установки, а также с правилами пользования лабораторным потенциометром.

Задание 1. Исследовать влияние температуры свободных концов термопары на термо-ЭДС.

Эксперимент должен проводиться в квазистационарном тепловом режиме печи в следующей последовательности.

1. Проверяется температура воды в термостате по показанию жидкого стеклянного термометра (в начале опыта температура должна быть не выше 25°С).

2. С помощью лабораторного потенциометра измеряется термо-ЭДС, развиваемая каждой термопарой (измерение производит каждый член звена).

3. Холодная вода в термостате заменяется на горячую и измеряется ее температура.

4. Производится измерение термо-ЭДС при новой температуре свободных концов термопары. Выполняется несколько замеров.

5. Результаты всех измерений заносятся в таблицу 3.

6. По градуировочным таблицам (приложение А) определяется уточненная температура для каждой термопары с учетом поправки на температуру свободных концов (по формуле ).

7. Производится анализ результатов и делаются выводы.

Таблица 3 − Результаты измерений и расчетов

Тип термо пары	Температура свободных концов термопары, °С	Поправка на температуру свободных концов, мВ	Показания потенциометра		Уточненная температура
			мВ	°С	термо-ЭДС термопа ры, мВ	Темпера тура, °С

Задание 2. Исследовать влияние сопротивления внешней цепи на показания потенциометра.

Эксперимент проводится также в условиях установившегося теплового режима печи при постоянной температуре свободных концов термопары в термостате в следующей последовательности.

1. Изменяется сопротивление внешней цепи R_ВН введением добавочного сопротивления R_доб c помощью магазина сопротивлений (МС), включенного в цепь термопары.

2. Подключается термопара к лабораторному потенциометру и производится измерение термо-ЭДС.

3. Измерения повторяются для добавочных сопротивлений 50, 100 и 150 Ом.

4. Результаты всех измерений заносятся в таблицу 4.

5. Проводится анализ результатов исходя из конструкции и принципов действия приборов и делаются выводы.

Таблица 4 − Результаты измерений

№ п/п	Сопротивление Rдоб, Ом	Показания потенциометра
		мВ	°С