Определение метрологических характеристик преобразователей температуры

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине

«Метрология, стандартизация, сертификация» для студентов всех форм обучения специальностей

101000 Атомные электрические станции и установки

Предисловие 1

1. Общий порядок выполнения лабораторных работ 1

2. Лабораторная работа №1. Изготовление и градуировка термоэлектрических преобразователей. 2

3. Лабораторная работа №2. Определение постоянной времени термоэлектрического преобразователя 9

4. Лабораторная работа №3. Построение статической характеристики термометра сопротивления. 13

5. Лабораторная работа №4. Определение температуры и излучательной способности поверхности нагретых тел 18

Библиографический список 21

Предисловие

В системе подготовки инженеров теплоэнергетиков лабораторные работы по метрологии играют важную роль. Они помогают изучению методов преобразования физических параметров, способствуют приобретению практических навыков работы с различными средствами измерений, знакомят с принципами обработки результатов измерений.

В данных методических указаниях приведены сведения для самостоятельной подготовки студентов к лабораторным занятиям, подробное описание экспериментальных установок, методик проведения экспериментов и методик последующей обработки результатов с расчетом погрешностей определяемых физических величин.

1.Общий порядок выполнения лабораторных работ

1. Все студенты обязаны ознакомиться с правилами по технике безопасности и строго их выполнять. Студенты, нарушающие правила, удаляются из лаборатории.

2. Прежде, чем приступить к выполнению лабораторной работы, студент обязан ознакомиться с содержанием работы по настоящим методическим указаниям.

3. В черновую тетрадь (журнал наблюдений) заносятся схема установки, таблицы для записи наблюдений и необходимые расчетные формулы; перед выполнением работы тетрадь предоставляется преподавателю для просмотра.

4. Приступая к работе, необходимо проверить готовность установки в соответствии со схемой, и после разрешения преподавателя приступить к выполнению работы.

5. В случае неисправности установки, каких-либо замечаний или неясностей студенты обязаны сообщить об этом преподавателю.

6. Во время измерений следует производить отсчеты по приборам и без всяких пересчетов записывать их показания в таблицу.

7. По данным черновых записей студентом оформляется отчет по работе.

Отчет должен содержать:

• номер и наименование работы;

• цель работы;

• схему экспериментальной установки;

• таблицы с опытными и расчетными данными;

• графики, построенные на основании полученных данных;

• выводы по работе.

2.Лабораторная работа №1. Изготовление и градуировка термоэлектрических преобразователей.

Цель работы – ознакомление с принципом действия, способами изготовления и методом индивидуальной градуировки лабораторных термопреобразователей.

Измерение температуры с помощью термоэлектрических преобразователей (термопар). В основу метода измерения температур с помощью термоэлектрических преобразователей (далее термопар) положены термоэлектрические явления, открытые Зеебеком в 1821 году. Измерение температуры термоэлектрическим методом основано на способности двух разнородных проводников, концы которых спаяны или сварены между собой, образовывать при нагревании одного из спаев термоэлектродвижущую силу (термо-э.д.с.), величина которой зависит от разности температуры концов.

Термопара вместе с электроизмерительным прибором и соединительными линиями образует термоэлектрический термометр. При нагреве горячего спая в термопаре образуется результирующая термо-э.д.с.:

, (1)

где: - контактная э.д.с., развиваемая в горячем спае; - контактная э.д.с., развиваемая в холодном спае.

Зная зависимость термо-э.д.с. термопары от температуры горячего спая при постоянной температуре холодного спая (обычно 0^оС), определяют температуру объекта по измеренной термо-ЭДС.

На рис.1 показаны основные схемы включения термопар. Наибольшее распространение получила схема 1,а с непосредственным подсоединением проводников к измерительному прибору. В этом случае у термопары будет три спая: горячий и два холодных, имеющих температуру окружающей среды.

Рис.1. Схемы включения термопар

Во втором случае (схема 1,б) у термопары окажется четыре спая: горячий, холодный и два нейтральных, имеющих температуру окружающей среды.

При измерении температуры (схема 1,б) один спай цепи термопары, так называемый холодный спай, должен находиться при 0^оС (в тающем льде сосуда Дьюара), а другой, горячий, - в среде, температуру которой необходимо измерить. Стандартные таблицы термо-э.д.с. (статические или градуировочные характеристики) различных термопар составлены именно для случая, когда холодный спай находится при 0^оС. Если по каким-либо причинам не удается поместить холодный спай в среду с температурой 0^оС и он находится при комнатной температуре (например, при 20^оС), необходимо ввести поправку на отклонение температуры холодного спая от 0^оС. Для этого необходимо измеренную термо-э.д.с. сложить с термо-э.д.с., соответствующей температуре холодного спая (20^оС) и по полученному значению определить температуру при помощи градуировочной характеристики.

В лабораторной практике нашли применение следующие термопары.

• Платино-платинородиевая термопара (ТППр). Материалом одного электрода является чистая платина, другого – сплав платины (90%) и родия (10%). Подобная термопара входит в состав эталонной установки, воспроизводящей единицу температуры – Кельвин в интервале от 630,74 до 1064,43^оС. Термопара используется для измерения температуры в интервале от 0 до 1300^оС, а кратковременно – до 1600^оС.

• Хромель-алюмелевая термопара (ТХА). Одним электродом является намагниченный сплав хромель (89% Ni + 9,8% Cr + 1,0% Fe + 0,2% Mn), а другим – магнитный сплав алюмель (94% Ni + 2% Al + 2,5% Mn + 1% Si + 0,5% примеси). Термопара используется для измерения температур в интервале от -200 до 1000^оС, а кратковременно – до 1300^оС.

• Хромель-копелевая термопара (ТХК). Один из электродов изготовлен из хромеля, а другой – из копеля (56% Cu, 44% Ni). Термопара применяется для измерения температур от -50 до 600^оС, а кратковременно – до 800^оС. Среди всех термопар, серийно выпускаемых отечественной промышленностью, хромель-копелевая термопара развивает наибольшую термо-э.д.с..

Изготовление термопар. В лабораторных условиях для изготовления термопар используют проволоки диаметром 0,5 мм. Применение проволок диаметром менее 0,2 мм нежелательно вследствие того, что в таких проволоках хуже обеспечивается однородность материала, что снижает точность измерения температуры. Применение проволок с диаметром более 1-1,5 мм связано с увеличением отвода теплоты по проволокам, что может повлиять на точность измерения температуры.

Спай термопары изготавливают чаще всего сваркой проволок в электрической дуге. Сварку проводят угольными электродами или, погружая концы проволок в графитовый порошок. При этом для образования электрической дуги используют напряжение 50-60 вольт от обычного автотрансформатора. Спай термопары представляет собой каплевидный шарик диаметром несколько большим, чем удвоенный диаметр проволок. Во избежание окисления электродов сварку производят под слоем буры или кварцевого песка.

Установка для сварки термопар. Сварка электродов осуществляется в ванночке, сделанной из изоляционного материала и заполненной графитовым порошком. На дне ванночки установлена медная шина, присоединенная к одному из выводов автотрансформатора. Ко второму выводу присоединяется гибкий провод с зажимом на конце. В зажиме укрепляют подготовленные к сварке термоэлектроды так, чтобы скрутка выступала вниз на 40-60 мм.

Спай термопар изготовляют следующим образом. Концы проволок тщательно зачищают наждачной бумагой и закручивают на несколько оборотов. Конец скрутки обрезают ножницами. При опускании скрутки в графитовую ванну, зерна, прилегающие к скрутке, быстро нагреваются до белого каления. Раскаленный графит нагревает скрутку до оплавления и образования шарика. Вокруг спая образуется восстановительная атмосфера, что предотвращает сильное окисление его поверхности.

Рабочее напряжение на концах термоэлектродов контролируется вольтметром и составляет 50-60 вольт. Продолжительность процесса сварки от 3 до 5 секунд. Сварка происходит при нажатии кнопки, обеспечивающей подачу напряжения на электроды. Качество полученного спая контролируется визуально. Схема установки для сварки термопар приведена на рис.2.

Рис.2. Установка для сварки термопар

1 – стойка; 2 – ванна с графитовым порошком; 3 – свариваемые электроды; 4 – направляющая трубка; 5 – соединительная плата с зажимом; 6 – кнопка включения электропитания; 7 – автотрансформатор.

Установка для градуировки термопар. Целью градуировки преобразователя является получение статической (градуировочной) характеристики. Напомним, что статической характеристикой преобразователя одной физической величины в другую физическую величину, называется зависимость выходного сигнала преобразователя (У) от входного сигнала (Х) в установившемся режиме.

Рис.3. Статическая характеристика преобразователя. Х – входной сигнал;

У-выходной сигнал; Хн – начало диапазона; Хв – конец диапазона.

Входной величиной (Х) для исследуемых термоэлектрических преобразователей является измеряемая температура – t. Выходной величиной (У) для исследуемых преобразователей является термо-э.д.с., наводимая при нулевой температуре свободного спая и температуре второго спая равной измеряемой – Е(t,0).

Стандартные термоэлектрические преобразователи, заказываемые на специализированных предприятиях или приобретаемые в специализированной торговой сети, не требуют индивидуальной градуировки. Гарантией соответствия их статической характеристики стандарту является штамп первичной поверки при выпуске преобразователя. При использовании стандартного преобразователя в сфере распространения государственного метрологического надзора и контроля, преобразователь подвергается периодической поверке, производимой органами государственной метрологической службы. При использовании стандартного преобразователя вне сферы государственного метрологического надзора и контроля, преобразователь может подвергаться периодической калибровке по желанию пользователя. Нестандартные преобразователи, например термопары, изготовленные в ходе данной лабораторной работы, подвергают индивидуальной градуировке с помощью стандартных преобразователей, выполняющих роль рабочего эталона.

Изготовленную хромель-алюмелевую или хромель-копелевую термопары градуируют, как правило, по показаниям стандартной платинородиевой термопары, которая в данном случае выполняет роль рабочего эталона. При индивидуальной градуировке изготовленных термопар следует учесть, что электродам термопар из неблагородных металлов присущи значительные погрешности из-за неоднородности материала (проволоки) и изменения характеристик с течением времени.

Принципиальная схема установки для градуировки термопар приведена на рис.4.

Рис.4. Схема установки для градуировки термопар

1 – электрическая печь; 2 – контрольная ХА термопара; 3 – милливольтметр Ш4502; 4 – стандартная платино-платинородиевая термопара; 5 – сосуд Дьюара со смесью воды и льда; 6 – измерительный прибор (ПП-63 или Ф-136); 7 – переключатель; 8 – градуируемые ХА термопары.

Градуировка термопар (в данной лабораторной работе) проводится в трубчатой (муфельной) электропечи. Кварцевая труба внутренним диаметром 35 мм обогревается электронагревателем из нихромовой проволоки диаметром 2,0 мм; мощность нагревателя составляет 500 Вт. Кварцевая труба вместе с электронагревателем покрыта слоем изоляции и находится в металлическом прямоугольном корпусе. Процесс разогрева электропечи контролируется рабочей ХА термопарой и милливольтметром Ш4501. По достижении требуемой температуры печи отключается электропитание и производятся необходимые измерения термо-э.д.с. градуируемой и стандартной термопар, после чего снова включается электронагреватель. Продолжительность измерений не должна превышать 60 секунд.

Измерение термо-э.д.с. осуществляется микровольтнаноамперметром Ф-136, либо с помощью ручного потенциометра ПП-63 путем последовательного подсоединения градуируемой и стандартной термопар к измерительному прибору с помощью переключателя.

Принципиальное отличие измерений с помощью потенциометра от измерений прибором Ф-136 заключается в том, что в момент измерения потенциометром в цепи термопары отсутствует электрический ток из-за компенсации термо-э.д.с. термопары встречной разностью потенциалов, которая пропорциональна термо-э.д.с.

Класс точности переносного потенциометра ПП-63 составляет 0,05, в то время как для Ф-136 – 1,5-2,5.

Порядок проведения работы и обработка результатов.

1. Выбрать заготовки из двух проволок (хромель и алюмель) диаметром 0,5 мм, зачистить концы и произвести их скрутку.

2. Поместить оба термоэлектрода внутрь направляющей трубки установки для сварки термопар так, чтобы скрутка оказалась в графитовом порошке. Свободные концы проволок подсоединить к зажиму для подачи напряжения от автотрансформатора.

3. Подключить автотрансформатор к электросети и с помощью реохорда выставить напряжение на вольтметре в пределах 50-70 вольт.

4. Осуществить сварку проволок путем нажатия на кнопку подачи напряжения. После образования электродуги пластмассовую ванночку с порошком графита следует несколько раз передвинуть для получения качественного спая.

5. После образования шарика в месте сварки отключить напряжение на автотрансформаторе, извлечь проволоки термопары и визуально оценить качество образовавшегося спая.

6. Для проведения градуировки выбрать два образца изготовленных термопар и поместить их в трубу электропечи таким образом, что бы их спаи оказались в средней части трубы.

7. Проверить схему подключения всех элементов и приборов установки для градуировки термопар.

8. Подключить концы градуируемых термопар к соответствующим зажимам на плате переключателя положений.

9. Включить тумблер электропитания печи, после чего загорится сигнальная лампа. Включить питание потенциометра ПП-63 и установить рабочий ток прибора. В случае работы с прибором Ф-136 привести его в рабочее состояние, включив электропитание с помощью кнопки на пульте прибора.

10. Провести измерения термо-э.д.с. градуируемых хромель-алюмелевых термопар и платино-платинородиевой термопары последовательно при температурах около 100^оС, 200^оС, 300^оС и 400^оС. Контроль за температурой печи осуществляется по показаниям милливольтметра Ш4502.

11. В момент измерений следует отключать электронагреватель печи с помощью тумблера. Продолжительность измерения не должна превышать 1 мин.

12. Полученные с помощью измерений данные заносятся в таблицу 1 (колонки 1, 3, 4).

13. После окончания замеров выключить электропитание всех приборов.

Таблица 1.

№ п/п	Измеренная термо-э.д.с. ТППр, EППр., мВ	Температура, измеренная ТППр tППр,^оС	Измеренная термо-э.д.с. градуируемой ХА термопары №1 , E1, мВ	Измеренная термо-э.д.с. градуируемой ХА термопары №2, E2, мВ	Стандартная термо-э.д.с. ХА при tППр, EХА(tППр),мВ
	1	2	3	4	5
1
2
3
4

Определение значений параметров для колонок 2 и 5 производится с помощью таблиц стандартных характеристик термоэлектрических преобразователей по ГОСТ 3044 (см. Приложение). На одном графике строятся статические (градуировочные) характеристики, полученные в результате индивидуальной градуировки ХА термопар: измеренная термо-э.д.с. ХА термопар в зависимости от температуры, оцененной по стандартной ППр термопаре. На поле графика наносится стандартная статическая характеристика ХА термопары.

Оценка отклонений характеристики, полученной в результате индивидуальной градуировки, от стандартной характеристики производится согласно выражениям:

(2)