Лабораторна робота №2

ТЕРМОЕЛЕКТРОПЕРЕТВОРЮВАЧІ (ТЕРМОПАРИ), мілівольтметр та автоматичний потенціометр

1. . Мета роботи

1. Вивчити прицип дії та будову термоелектроперетворювачів, ознайомитися з їх градуюваннями та застосуванням.

3. Вивчити принцип роботи і будову мілівольтметра.

2. Вивчити принцип роботи, будову та методику повірки автоматичного потенціометра.

3. Провести повірку автоматичного потенціометра.

2.2. Загальні відомості про прилади

Принципи дії термоелектроперетворювачів, мілівольтметра та автоматичного потенціометра

Термопара (термоелектропереворювач) – це з’єднання двох різних металевих провідників у замкнений ланцюг (рис. 2.1)

Між двома різними металами при з’єднанні на атомному рівні виникає різниця потенціалів. Величина цієї різниці залежить від використовуваних металів і температури з’єднання. Площа контакту не здійснює впливу на різницю потенціалів.

Коли обидва з’єднання знаходяться за однаковій температурі, різниця потенціалів кожного з’єднання також однакова й результувальна електрорушийна сила (е.р.с.) дорівнює нулю. За різної температури двох з’єднань ( ) в ланцюгу виникає термоелектрорушийна сила (т.е.р.с.) (мВ). Величина цієї т.е.р.с. залежить від типу двох металів і температур обох з’єднань. Зазвичай спай, який вимірює температуру, прикладом , називають гарячим спаєм, а кінці термопари, що під’єднуються до вимірювального приладу – холодними кінцями, на яких підтримується температура .

Рис. 2.1.

Стандартна градуювальна характеристика термопари (додається до технічного паспорту на прилад) отримується змінюванням температури і підтриманням температури .

Існують різні градуювання термопар, які розрізняться матеріалами, що утворюють контакт. Серед них є:

– ХК – хромель-копель;

– ХА – хромель-алюмель;

– ПП – платина –сплав платина (90%) – родій (10%);

– ПР – платина – сплав платина (87%) – родій (13%).

Назви хромель, алюмель, копель відносяться до наступних термоелектродних сплавів (склад сплавів наближений):

– xромель: никель (Ni) – 90%, хром (Cr) – 10% [(хром) –нік(ель)];

– алюмель: никель (Ni) – 95%, марганець (Mn) – 2,0 %, алюміній (Al) – 2 % , кремній (Si) – 1 % [(алюм) – (ель)];

– копель: никель (Ni) – 44 %, залізо (Fe) – 2 %, інше – мідь (Cu).

Тип термоелектроперетворювача	Тип матеріалу	Діапазон вимірюваних температур, ^оС	Т.е.р.с., мВ, Т1=100 С, Т2= 0 С
ТХК (L)	Хромель - копель	-200…800	6,95
ТХА (K)	Хромель – алюмель	-200…1300	4,10
ТПП (S)	Платинородій (10% родія )- платина	0…1400	0,643
ТПР ( B)	Платинородій (30% родія) – платинородій (6% родія)	0…1800	–
ТВР	Вольфрам-реній (5% ренія) – вольфрам-реній (20% ренія)	0…2300	–

Найчастіше температура , тому що вільні кінці термопари знаходяться при температурі приміщення, де встановлюються вторинні прилади. В цьому випадку застосовується наступне правило: т.е.р.с. термопари, у якої спаї знаходяться при температурах та , дорівнює різниці т.е.р.с. двох термопар з тих самих металів з контактами при температурі та й та . Прикладом, температура =20 С (температура приміщення), в цьому випадку для термопари градуюванням ХК т.е.р.с.(20, 0 С) = 1,31 мВ. Термопара застосовується для вимірювання температури 140 С. Т.е.р.с. (140, 0 С) = 9,93 мВ. Тому т.е.р.с., що виробляється термопарою, дорівнює:

9,93 – 1,31= 8,62 мВ.

Для вимірювання температури в комплекті в термоелектричними перетворювачами використовуються мілівольтметри (рис. 2.2) та автоматичні потенціометри (рис. 2.3).

Рис. 2.2. Принципова схема мілівольтметра (гальванометра)

Мілівольтметр належить до магнітоелектричних приладів, що працюють на явищі електромагнітної індукції. Складається з котушки з боковою строною L і довжиною горизонтальної сторони b, яка виготовлена з мідного дрота, і має N витків. Котушка розташовується в постійному магнітному полі з рівнемірним магнітним поком В, яке завжди направлено під прямим кутом до бокових частин котушки. Котушкою тече струм І, який утворюється в контурі при підключенні до приладу термопари, яка вимірює температуру.

При проходження струму через котушку на її бокові частини діють сили, які рівні між собою, але направлені в протилежні боки. Під дією цих сил котушка повертається. Момент обертання котушки з N вітків відносно центральної осі дорівнює:

.

Поскільки площа котушки , кількість її витків N та магнітний потік В для конкретного приладу – постійні величини, можна записати, що ,

де – постійна величина для кожного окремого приладу.

Також на котушку діє обертовий момент , направлений в протилежний бік від моменту та викликаний дією пружини, яка прикріплена до центральної вертикальної осі корушки. Величина цього моменту залежить від кута повороту котушки і дорівнює:

,

де – потійна пружини. Котушка буде провертатися, доки моменти та не зрівноважуться, тобто .

Звідси видно, що кутове відхилення котушки пропорційне силі струму І.

Uх

Uк

Рис 2.3. Принципова схема автоматичного потенціометра

Принцип дії автоматичного потенціометра грунтується на компенсаційному методі, за якого вплив невідомої величини (тієї, що вимірюється) ліквідується шляхом впливу видомої величини.

Вимірювальна схема приладу являє собою мостову схему, яка складається з резисторів та , які включені відповідно в плечі моста АС, АD, BC та BD.

Вимірювана т.е.р.с. , яка устворюється термопарою 1, надходить в діагональ АВ моста і порівнюється з напругою , яка існує у вимірювальній схемі між точками С и D. В діагональ СD включено джерело стабілізованого живлення постійним струмом 3.

Якщо напруги и не рівні, їх різниця подаєтся на вхід електронного підсилювача 4. Полярність сигналу залежить від співвідношення величин и . Різниця в підсилювачі 4 перетворюється в змінну напругу частотою 50 Гц, підсилюється та подаєтся на керувальну обмотку реверсивного двигуна 5. Двигун починає рухатися й змінює положення механично зв’язаного з ним двигунка реохорда 2 в напрямку зменшення сигналу небалансу, доки сигнал на виходе вимірювальної схеми не стане дорівнювати нулю.

Наступні зміни вимірюваної напруги знов викличуть обертання двигуна й переміщення двигунка реохорда.

Зв’язок між валом двигуна й двигунком реохорда носить назву від’ємного зворотного зв’язку. Завдяки зворотному зв’язку переміщення двигунка реохорда відбувається пропорційно зміні кута обертання вала двигуна, доки вимірювальна схема не приде до стану рівноваги. Кожному значенню вимірюваної величини відповідає певна величина и певні положення двигунка реохорда й вала двигуна 5.

Виміряні значення напруги показуються стрілкою 6, яка також приводиться в дію реверсивним двигуном 5, на шкалі приладу, яка відградуйована в одиницях вимірювання температури.

2.2. Перелік приладів, використовуваних в роботі

Автоматичний потенціометр типу КСП–2

Шкала приладу, С 0 – 200

Градуювання ХК

Клас точності 0,5

Зразковий потенціометр ПП–63

Клас точності 0,05

2.3. Завдання до виконання роботи

1. Ознайомитись з лабораторною установкою та приладами.

2. Провести повірку автоматичного потенціометра за допомогою зразкового потенціометра ПП–63 за градуювальною та розрахунковою характеристиками.

4. Методика виконання роботи

Повірка автоматичного потенціометра полягає в порівнянні каліброваних напруг від зразкового потенціометра ПП–63 на всіх оцифрованих поділках шкали з відповідними значеннями напруг градуювальної та розрахункової характеристик для тих самих поділок шкали. Повірка проводиться при збільшенні та зменшенні імітованої ЕРС за допомогою ПП-63. Розрахункова характеристика визначається з урахуванням відхилення температури вільних кінців від 0 ^оС до температури навколишнього середовища.

Результати повірки занести в протокол (табл. 2.1). Градуювальні характеристики термопари ТХК наведені в таблиці 2.2.

2.5. Порядок виконання роботи

1. Подати напругу живлення на стенд.

2. Підключити зразковий потенціометр ПП–63 замість термопари й підготувати його до роботи, встановивши робочий струм.

3. Ввімкнути потенціометр і прогріти 15 хв.

4. Провести повірку потенціометра за розрахунковою характеристикою за відсутності способів компенсації зміни температури навколишнього середовища.

5. Визначити калібровані напруги для всіх оцифрованих значень при збільшенні температури. Результати записати в протокол.

6. Вимкнути прилади, ввімкнути напругу стенду вимикачами 5 і 6. Результати вимірювань і повірки узгодити з викладачем.

2.6. Протокол повірки

Автоматичний потенціометр типу_______________________

шкала _________________________

клас точності ___________________

градуювання ____________________

ціна поділки ____________________

Зразковий потенціометр типу _____________________________

шкала каліброваних напруг ________

клас точності ____________________

ціна поділки _____________________

Оцифровані значення шкали приладу, ^оС	Градуювальна характеристика термопари		Результати вимірювань, мВ	Похибки
	Т2=0 ^оС	Т2=____ ^оС		абсолютна, мВ	відносна, %	приведена, %
0	0
40	2,66
80	5,48
120	8,43
160	11,46
200	14,66

Т.Е.Р.С, мВ, термоелектричних перетворювачів типу ТХК стандартного градуювання ХК (L) при температурі вільних кінців 0С

С	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90
	Т.е.р.с, мВ
0	0	0,65	1,31	1,98	2,66	3,35	4,05	4,76	5,48	6,21
100	6,95	7,69	8,43	9,18	9,93	10,69	11,46	12,24	13,03	13,84
200	14,66	15,48	16,30	17,12	17,95	18,77	19,60	20,43	21,25	22,08