2. Измерение температуры термометрами сопротивления. Вторичные приборы.

Цель работы: Изучить принцип действия, устройство, назначение термопар, методику измерения температуры термопарами в комплекте с вторичными приборами.

Для измерения высоких температур (сушил, термических печей, плавильных агрегатов, газовых потоков, расплавленных металлов и др.) с дистанционной передачей показаний применяются датчики, работа которых основана на принципе термоэлектрического эффекта термопары.

Действие термопар основано на возникновении термоэлектродвижущей силы (т.э.д.с.) в цепи двух разнородных проводников при изменении температуры места их спая, когда температура свободных их концов постоянна.

Термопара состоит из проводников-термоэлектродов (в соответствии с рис. 1) - положительного и отрицательного. В точках соединения электродов возникает т.э.д.с., величина которой зависит только от материала электродов и разности температур t₁ и t_o.

Конец 1 термопары помещается в среду, температура которой измеряется; его называют рабочим концом (или рабочим спаем). Конец 2 помещается в среду с постоянной температурой; он называется свободным концом (иногда холодным спаем). Если температура рабочего спая t ₁ больше температуры холодного спая t₀ , то т.э.д.с. рабочего спая e(t₁ ) больше т.э.д.с. холодного спая е(t₀ ) и результирующая т.э.д.с. термопары будет равна:

т. е. т.э.д.с., развиваемая термопарой, равна разности электродвижущих сил рабочего и свободного спая. При t₁ = t₀ т.э.д.с. термопары будет равна нулю, т. к. e (t₁) = e (t₀), а при t₀ > t₁ направление результирующей т.э.д.с. изменится. В тех случаях, когда температура свободного спая остается неизменной, развиваемая т.э.д.с. будет зависеть только от температуры рабочего спая

На рис. 2 дана схема термоэлектрического термометра для измерения температуры. Устройство состоит из четырех основных цепей: термопары 1, измерительного прибора 2, соединительных компенсационных проводов 3 соединительных проводов 4. Рабочий конец термопары находится в точке а и подвержен воздействию измеряемой температуры t_и .Свободный конец термопары находится в точках б, в с температурой t_ск . Концы б и в термоэлектродов через соединительные компенсационные провода 3 и медные соединительные провода 4 подключаются к измерительному прибору 2 (милливольтметру или потенциометру). Развиваемая термопарой результирующая термо-э.д.с. зависит от температуры t_и рабочего спая и температуры t₀ свободных концов г и д компенсационных проводов. Чем выше температура t_и и t₀ тем больше результирующая термо-э.д.с.

Для увеличения точности измерений необходимо поддерживать температуру свободных концов термопары по возможности низкой и постоянной. Электроды термопар обычно имеют ограниченную длину, поэтому головка, в которой закрепляются свободные концы термопары, находится в месте с относительно высокой и меняющейся в значительных пределах температурой, следить за которой трудно. Для уменьшения погрешности измерения термоэлектроды термопары искусственно удлиняют и выносят свободные концы ее в более удобное место. Для этой цели применяют компенсационные провода 3. Их изготавливают из тех же материалов что и термопары, или из материалов, которые в паре с термопарой при температуре 100^oC не развивают термо-э.д.с., искажающую показания вторичных приборов.

Кроме стандартных типов термопар на машиностроительных предприятиях применяются и нестандартные термопары. Из их числа сравнительно широко применяются железо-копелевые: пределы измерения температуры от 0 до 600^oC при длительном режиме работы и до 800^oC при кратковременном режиме; железо - константановые: пределы измерения температуры соответственно от - 200 до +600^oC при длительном режиме и до 800^oC при кратковременном; медь - копелевые и медь-константановые для измерения температуры от - 200^oC до +100^oC при длительном режиме и до +500^oC при кратковременном режиме работы.

Таблица 1

Основные параметры термопар (по ГОСТ 6616-74)

Кроме рассмотренных термопар для измерения температуры расплавленных металлов и сплавов применяются вольфрам-графитовые и карборунд-графитовые (до 1800-1900^oC), вольфрам-молибденовые (до 1800-2000^oC) термопары.

В термопарах из неблагородных металлов и сплавов, предназначенных для измерения температуры до 1200^oC, на оба электрода надеваются изоляторы из шамота, фарфора или кварца. Для термопар из благородных металлов и сплавов при этих же пределах измерения температур применяются только фарфоровые сплошные соломки по всей длине электродов.

Защитная оболочка термопар – металлическая или керамическая - с одного конца герметично запаяна или заварена. В неагрессивных газах и жидкостях при температурах до 500^oC применяются защитные трубки из углеродистой стали 20 , а при температурах до 700^oC - из малоуглеродистой стали марки Ст3. При температурах до 1000^oC хорошей стойкостью против коррозии и окисления обладает хромоникелевая сталь марок 0Х18Н9 и 0Х18Н9М2, а при температурах до 1200^oC – сталь марки 0Х14М80.

Таблица 2

Цифры, приведенные в табл.8-10, соответствуют t ₀ = 0^oC. Однако, практически при измерении температура свободных концов термопары обычно выше принятой при градуировке. Поэтому термо-э.д.с., найденная по показанию прибора, меньше, чем соответствующая истинной величине измеряемой температуры. Это объясняется тем, что термо-э.д.с., развиваемая рабочим концом (при температуре t _и) и свободным концом термопары (при t ₀) , направлены встречно. Таким образом, действительная величина термо-э.д.с. (e, мV), соответствующая температуре рабочего спая, равна сумме термо-э.д.с. e_и. измерянной прибором, и e ₀, соответствующей температуре свободного конца

Зная температуру свободного конца термопары (ее измеряют термометром), по градуировочным таблицам находят величину e₀ и складывают ее с термо-э.д.с. e_и, измеренной прибором. После этого по тем же таблицам находят действительную величину измеряемой температуры.

Вторичные приборы градуируются с той термопарой, с которой они работают (на шкале прибора ставится индекс ГрХА для хромель-алюмелевой), и с вполне определенным значением внешнего по отношению к нему сопротивлением соединительных проводов. Эта величина обозначается R_вн и может быть равна 5; 15 или 25 Ом, тогда на шкале прибора может быть указано R_вн = 5;15 или 25 Ом.

В качестве вторичных приборов в комплекте с термопарами работают милливольтметры и потенциометры.

Элементы схемы КСП-4 имеют следующие назначения: РД- реверсивный электродвигатель, перемещающий движок реохорда и каретку с пишущим устройством; СД- синхронный электродвигатель привода бумажной диаграммной ленты; R_р- сопротивление реохорда; R_и - резистор, определяющий пределы шкалы; НЭ - нормальный элемент.

Термопара Т включена последовательно с электронным усилителем ЭУ, выполняющим роль нуль-прибора, в одну из диагоналей измерительного моста. Во вторую диагональ моста включен ИПС, обеспечивающий постоянство рабочего тока (5 мА) в измерительной схеме прибора.

Изменение сигнала постоянного тока на входе усилителя преобразуется в напряжение переменного тока и усиливается. Реверсивный двигатель РД вступает в действие и начинает смещать движок реохорда R_р, стремясь уменьшить напряжение небаланса на входе. Одновременно РД будет перемещать по бумажной ленте пишущее устройство. У одноточечных приборов запись на ленте ведется непрерывно чернилами одного цвета. У многоточечных приборов переключатель автоматически подключает к измерительной схеме по очереди каждую термопару. После наступления равновесия электрической схемы печатающий механизм фиксирует на ленте точку и порядковый номер места измерения. Далее переключатель автоматически подключает к измерительной схеме следующую очередную термопару. Точки, соответствующие каждой термопаре, отпечатываются разным цветом, и, таким образом, на диаграммой ленте фиксируется ряд разноцветных линий для каждой из подключенных термопар.

Резистор R_м размещается в непосредственной близости от свободных концов термопары (компенсационных проводов). При изменении температуры окружающего воздуха, т.е. температуры свободных концов термопары, величина R_м меняется и в вершинах измерительной схемы появляется дополнительное падение напряжения, компенсирующее термо-э.д.с. термопары, соответствующее температуре ее свободных концов. В целях защиты от помех предусмотрены фильтры, состоящие из резисторов R_ф - и конденсаторов С_ф.

1.Уяснить электрическую схему измерения температуры термопарами в комплекте с милливольтметрами и потенциометрами.

2.Включить печь, включить приборы. Переключатель перевести в положение “Милливольтметр ВКЛ”. При достижении температуры 100^oC по показанию милливольтметра переключатель перевести в положение “КСП-4 ВКЛ” и снять отсчет температуры по шкале КСП-4. Измерения температуры производить через каждые 100^oC до 900-1000^oC. Результаты измерений занести в таблицу 3. В эту же таблицу выписать из табл.8-10 (из практических занятий) градуировочные значения э.д.с. для точек контроля.

Таблица 3

Тип термопары _____________ , тип милливольтметра _______________

Пример построения статической характеристики.