Лекції за курсом Управління процесами термічної і хіміко-термічної обробки

(1) Vvedenie.doc (1 стор.)
(2_1) Harakteristiki_TP.doc (1 стор.)
(2) Izmerenie_temperatury.doc (1 стор.)
(3) Regulirovanie_temperatury.doc (1 стор.)
(4) Izmerenie_davleniq_i_rashoda.doc (1 стор.)
(5) Regulirovanie_davleniq_i_rashoda.doc (1 стор.)
(6) Izmerenie_koncentracii.doc (1 стор.)
(7) Upravlenie_potencialom_atmosfery.doc (1 стор.)
(8) ASU_TP_i_privod.doc (1 стор.)
Оригінал





Вимірювання та регулювання температури при ТО і ХТО

Датчики (прилади) для вимірювання температури


Загальна назва приладів для вимірювання температури - термометри.

Термометри підрозділяють на наступні групи.

  1. Контактні:

    1. термометри розширення; (-200 ... +500  С)

    2. манометричні; (-150 ... +600  С)

    3. електричні. (-260 ... +2500  С)

  2. Безконтактні.

Порівняльна характеристика контактних і безконтактних термометрів





^ Контактні термометри

Безконтактні термометри

Принцип дії

Зміна фізичного властивості чутливого елемента під безпосередньою дією температури

Залежність інтенсивності електромагнітного випромінювання тіла від його температури.

Властивості

  • достовірність показань;

  • сигнал формується за рахунок енергії контрольованого об'єкта;

  • як наслідок спотворюється температурне поле об'єкта

  • неможливість вимірювання істиною (термодинамічної) температури;

  • відсутність впливу на контрольований об'єкт;

  • як наслідок немає спотворення температурного поля об'єкта;

  • вплив на показання прозорості атмосфери, стекол і т.п. між джерелом і приймачем випромінювання

Діапазон

-260 ... +2500  С

+30 ... +3500  С

Похибка

0,05 ... 4%

1 ... 10% 1



^

Контактні термометри

Термометри розширення


Принцип дії: теплове розширення рідини або твердого тіла.
Характеристики рідинних термометрів

  1. т ермометріческая рідина;

  2. резервуар;

  3. капіляр;

  4. шкала.

У рідинних термометрах використовується теплове розширення термометрической рідини 1 (ртуть, толуол, спирт, сплави талію або галію), розміщеної в резервуарі 2. Відлік температури ведуть по висоті стовпчика термометрической рідини в капілярі 3 щодо шкали 4. Для запобігання випаровування термометрической рідини при високій температурі капіляр заповнюють інертним газом при тиску до 0,7 МПа.

Для захисту від пошкоджень термометр армують, тобто укладають в металеву оправу. Армування збільшує інерційність термометра.

Властивості:

Основна область застосування: повірка та спеціальні види вимірювань.
^
Х арактерістікі біметалічних термометрів

  1. біметалічна пружина;

  2. корпус;

  3. покажчик.

В якості чутливого елемента біметалічного термометра використовують Біметали - матеріали, що складаються з двох міцно з'єднаних шарів металів (сплавів) з різними температурними коефіцієнтами лінійного розширення (інвар, бронза). Біметалічна пружина 1, закріплена в корпусі 2, згинається при зміні температури в бік шару матеріалу з меншим коефіцієнтом лінійного розширення. Вигин пружини передається на покажчик 3 і служить для вимірювання температури.

Властивості:

Основна область застосування: корекція впливу температури навколишнього середовища на показання датчиків і вторинних вимірювальних приладів.

Властивості термометрів розширення:
^

Характеристики манометричних термометрів


Принцип дії: залежність тиску рідини, газу або парогазової суміші в замкнутій системі від температури. Робоче середовище: ртуть, пропан, спирт, азот, гелій.

  1. т ермобаллон;

  2. капілярний трубопровід;

  3. трубчаста манометрична пружина;

  4. передавальний механізм;

  5. покажчик.

Конструкція манометричного термометра утворена металевим термобаллон 1, що з'єднаний за допомогою металевого капілярного трубопроводу 2 з пружним елементом 3 (трубчастої манометричною пружиною Бурдона). Пристрій ретельно герметизувати і цілком заповнено термометрической рідиною, газом або парогазової сумішшю. При зміні температури змінюється тиск у замкнутій системі; це призводить до деформації пружного елемента 3. Переміщення замкнутого кінця манометричною пружини перетвориться передавальним механізмом 4 в переміщення покажчика 5 щодо шкали.

Внутрішній діаметр капілярного трубопроводу повинен бути малим (0,1 ... 0,8 мм) для зменшення впливу температури з'єднувальних елементів на результати вимірювань.

Властивості:

Основна область застосування: контроль і управління при низьких температурах (обробка холодом).
^

Електричні термометри

Характеристики термометрів опору

Принцип дії: залежність електричного опору провідника (мідь, нікель, платина) від температури.

  1. ч чутливість елемент (спіраль або котушка);

  2. ізолюючий каркас;

  3. захисна оболонка;

  4. з'єднувальні дроти.

Датчиком температури в термометрах опору служить вимірювальний резистор, електричний опір якого залежить від температури. Вимірювальний резистор металевих ТЗ являє собою спіраль або котушку 1 з дроту або стрічки, яка закріплена на ізолюючому каркасі 2 (скло, кераміка, пластмаса).

Для захисту від фізичних ушкоджень або хімічного впливу термометр армують, тобто укладають в захисну оболонку або трубку 3. З'єднувальні дроти 4 підключають вимірювальний резистор до вторинного приладу. Для зменшення впливу опору з'єднувальних проводів на результат вимірювання використовують трьох-або чотирьохпровідні схеми підключення.

Властивості:

^ Основна область застосування: вимірювання низьких температур (Pt - перевірочні й високоточні вимірювання; Cu - для технічних вимірювань температури). Знаходять широке застосування.
^
Характеристики т ермоелектріческіх перетворювачів

Принцип дії: Виникнення термоЕРС при різних температурах точок контакту електродів різного хімічного складу.

  1. термоелектродах різного хімічного складу;

  2. ізолятор;

  3. робочий спай (точка контакту термоелектродів);

  4. вільні кінці (точки підключення сполучних проводів).

Чутливий елемент термоелектричного перетворювача (термопари) утворений двома металевими (напівпровідниковими) термоелектродах 1 різного хімічного складу. Електроди по всій довжині захищені ізоляторами 2 від замикань і контактують між собою тільки в точці 3, яку називають робочим спаем. Друга точка контакту, звана вільними кінцями 4, утворена термоелектродах і сполучними проводами. Вихідний сигнал датчика - термоЕРС - визначається різницею температур робочого спаю і вільних кінців перетворювача.

Властивості:

Основна область застосування: найбільш широке і універсальне застосування, як для високоточних, так і технічних вимірювань.

Властивості електричних термометрів:
^

Термометри опору


Термометри опору (ТС) проводять відповідно до ГОСТ 6651 84.

Закон перетворення: R t = R 0 +  R 0 T = R 0 (1 +  T).

Вимоги до матеріалів, з яких виготовляють ТЗ:

  1. Сталість фізичних і хімічних властивостей в діапазоні робочих температур (забезпечує тривалий термін служби датчика).

  2. Монотонна і добре відтворена залежність опору від температури (забезпечує точність і взаємозамінність). Негативно впливають домішки і поліморфні перетворення.

  3. Велике значення температурного коефіцієнта електричного опору (забезпечує високу чутливість).

У найбільшій мірі названим вимогам задовольняють чисті метали, такі як платина, мідь і нікель. У Росії стандартизовані термометри опору з платини (ТСП) і міді (ПВМ), за кордоном - також з нікелю 1.

Чутливий елемент ТСМ являє собою бескаркасную котушку з мідного дроту; чутливий елемент ТСП - платинова спіраль, розміщена в каналах керамічного каркаса.

^ Перетворювачі застосовують в інтервалі температур: ТСМ - від -50  С до 200  С ( 0,1 ... 0,2%); ТСП - від -260  С до 750  С ( 0,05 ... 0,2 %).

Перетворювачі випускають в різних модифікаціях по опору при температурі 0  С (10, 50 і 100 Ом для платинових; 50 і 100 Ом для мідних) і позначають, наприклад, ТСМ-50.

Опір платинового перетворювача при зміні температури від 0  С до -260  С зменшується від 100 до 0,41 Ом. Для зменшення похибки вимірювання температури при використанні ТЗ слід враховувати опір з'єднувальних провідників, особливо - при низькій температурі.

Для зменшення впливу опору з'єднувальних проводів на результат вимірювання використовують багатопровідні схеми підключення.

Р ассмотрім дві схеми підключення ТС до вторинного вимірювального приладу - двухпроводную і чьотирьох.

Для вимірювання опору чутливого елемента R t вимірюють падіння напруги  U cd на ньому, викликане протіканням струму I ізм від джерела стабільного струму (ІСТ).

Опір вимірювального приладу R ІП вибирають бульшим, ніж опір чутливого елемента R t і ​​опір з'єднувальних провідників (лінії) R Л. З цієї причини через вимірювальний прилад протікає струм I ІП, багато менший струму I ізм, споживаного від джерела живлення.

Напруга на затискачах вимірювального приладу U ab менше падіння напруги на чутливому елементі  U cd на подвоєне падіння напруга на опорі лінії  U Л:

U ab =  U cd - 2  U Л.

При двухпроводной схемі підключення падіння напруга на опорі лінії  U Л = (I ізм - I ІП) · R Л, а при чьотирьох -  U Л = I ІП · R Л. Так як I ІП << I ізм, завдяки розділенню струмового та вимірювальної ланцюга при багатодротової схемі підключення похибка істотно менше.

Напівпровідникові ТЗ характеризуються більшою, ніж металеві ТЗ чутливістю. Однак вони мають сильно нелінійну і погано відтворену залежність опору від температури 1. З цієї причини напівпровідникові ТЗ не стандартизовані.
^

Вимірювальні прилади для термометрів опору


Вимірювання температури ТС полягає у вимірюванні падіння напруги або струму в чутливому елементі, або зрівноважуванні мостовий вимірювальної схеми.

В комплекті з ТС використовують логометри 2, мости з ручним і автоматичним уравновешиванием.

R t - чутливий елемент;

R р - врівноважує резистор - реохорда;

  1. стежить підсилювач;

  2. асинхронний реверсивний двигун;

  3. шкала.


У ручних і автоматичних мостах для вимірювання опору застосовують бруківку схему Вина. Напруга на діагоналі моста U ab дорівнює нулю, якщо резистори, складові бруківку схему, попарно рівні (R t = R р; R 1  = R 1). Опір уравновешивающего резистора R р змінюють доти, поки напруга на діагоналі ab не стане рівним нулю. Для визначення рівності напруги U ab нулю можна використовувати високочутливий нуль-гальванометр (індикатор відсутності струму) або стежить підсилювач. В якості уравновешивающего резистора R р застосовують реохорда - прецизійний змінний резистор з нормованою лінійною залежністю між переміщенням рухомого контакта резистора і введеної частиною його опору.

Міст автоматичного зрівноважування містить стежить підсилювач 1 і асинхронний реверсивний двигун 2. Ротор двигуна переміщує рухомий контакт реохорда R р в положення, при якому опір введеної частини реохорда дорівнює опору чутливого елемента R t (тобто U ab = 0). Відлік опору (температури) ведуть по положенню рухомого контакту реохорда щодо шкали 3.
^

Термоелектричні термометри


Термоелектричні термометри або термоелектричні перетворювачі (ТП) (термопари) виготовляють відповідно до ГОСТ 6616-74.
^

Принцип дії термоелектричних перетворювачів


Принцип дії ТП заснований на термоелектричних явищах в точках контакту різнорідних матеріалів, що утворюють замкнутий контур. Якщо точки сполук мають різні температури, то в контурі виникає електричний струм.

^ Історична довідка. Явище термоелектрики виявлено Зеєбека в 1821 р. і уточнено Пельтьє в 1834 р. і Томсоном у 1837 р.

Для пояснення механізму термоелектрики розглянемо поведінку електронів у зоні провідності за допомогою моделі потенційної ями.

- Енергія фермі-рівня - максимальна енергія електронів у зоні провідності при 0 К;

w - енергія виходу електрона;

E св - енергія вільного електрона.

Електрон провідності стане вільним, якщо отримає енергію> ^ E св, долаючи потенційний бар'єр, рівний енергії виходу електрона w.

Р ассмотрім два провідники А і В, які характеризуються різними значеннями енергії виходу w А, w В і енергії ферми-рівня А, В. Якщо привести провідники в зіткнення, енергії фермі-рівнів А, У вирівнюються. Це відбувається внаслідок переходу електронів з провідника з більшою енергією фермі-рівня в провідник з меншою енергією. Встановлюється рівновага, яка характеризується зовнішньою та внутрішньою різницею потенціалів 1.

Зовнішню різницю потенціалів можна виміряти; вона пропорційна різниці ефективних робіт виходу електронів w В - w А і носить назву контактної різниці потенціалів

U AB = · (W В - w А), (1)

де e - заряд електрона. Оскільки =  (T) і, як наслідок - w = w (T), контактна різниця потенціалів також залежить від температури U AB = U AB (T).

Розглянемо замкнуту термоелектричну ланцюг, утворену провідниками А і В, що мають дві точки контакту (1, 2) при температурах Т 1 і Т 2. Провідники називають термоелектродах, а точку контакту термоелектродов - спаем термопари.

В замкнутому контурі існують різні за величиною контактні різниці потенціалів U AB 1) і U AB 2). Їх наявність викликає протікання термоелектричного струму (ефект Пельтьє).

У провіднику, нагрітому нерівномірно, виникає додаткова різниця потенціалів (ефект Томсона). Вона істотно менше контактної різниці потенціалів і їй можна знехтувати.

Застосувати 2-й закон Кірхгофа для замкнутого контуру:

U AB 2) - U AB 1) = I · [R A + R B + R AB (T 1) + R AB (T 2)] = I ·  R, (2)

де I - Термоелектричний струм; R A, R B, R AB (T i) - опір термоелектродов і перехідний опір точок контакту відповідно.

Під термоЕРС розуміють сумарну ерс в замкнутому контурі. Введемо для термоЕРС позначення

E (T 2, T 1) = U AB 2) - U AB 1). (3)
^

Вимірювання термоЕРС


Аналіз формули (2) показує, що термоелектричний струм в замкнутому контурі залежить не тільки від значення термоЕРС Е (T 2, T 1), але і опору  R ланцюга. Оскільки сумарний опір залежить від багатьох параметрів (довжини та діаметру провідників, їх складу, температури), для зменшення похибки вимірювання в розрив термоелектричної ланцюга вводять стабільне опір вимірювального приладу R ІП, багато більшу  R.

Рівняння (2) в цьому випадку буде записано таким чином:

E (T 2, T 1) = I · ( R + R ІП). (4)
^
Принципи вимірювання термоЕРС

Використовують дві схеми включення вимірювального приладу в термоелектричну ланцюг: в розрив одного з спаїв і в розрив одного з електродів. Для підключення використовують гомогенні з'єднувальні дроти 1.

Р ассмотрім більш просту схему включення вимірювального приладу в розрив одного з спаїв.

У цьому випадку з'єднувальні дроти З підключають зазвичай в розрив низькотемпературного спаю в точках 1 і 1 . У відповідності зі 2-м законом Кірхгофа можна записати:

U AB 2) - U A С 1) - U СВ 1 ) = I · ( R + R ІП). (5)

Якщо Т 1 = Т 1 , то відповідно до закону адитивності потенціалу U A С 1) + U СВ 1) = U A В 1), і рівняння (5) можна переписати таким чином:

U AB 2) - U A В 1) = E (T 2, T 1) = I · ( R + R ІП),

що збігається з рівнянням (4).

Якщо  R   R ІП, то першим можна знехтувати; тоді падіння напруги на внутрішньому опорі вимірювального приладу буде одно термоЕРС E (T 2, T 1).

П ри іншому варіанті включення з'єднувальні дроти З підключають в розрив одного з електродів (наприклад, А) в точках 3 і 3 . Якщо температури цих точок рівні, контактні напруження також будуть рівні: U A С 3) = U A С 3 ). Оскільки ці напруги спрямовані зустрічно та їх сума дорівнює нулю, рівняння термоелектричної ланцюга також не зміниться.

Перша схема підключення переважно, оскільки реалізується простіше (має менше точок контакту).

Точку контакту термоелектродов називають робочим спаем, а розрив термоелектричної ланцюга (точки підключення гомогенних проводів) називають вільними кінцями перетворювача.

Ще раз варто нагадати, що обов'язковою умовою коректного вимірювання термоЕРС є рівність температур однойменних точок контакту в ланцюзі (1 і 1 , 3 і 3 ).
^
Поняття номінальної статичної характеристики

Під номінальною статичною характеристикою (НСХ) розуміють залежність між температурою і термоЕРС перетворювача, яку задають таблицею або виражають рівнянням. Отримують НСХ перетворювача градуюванням, вимірюючи термоЕРС при відомій температурі. НСХ інакше називають градуювальної характеристикою.

ТермоЕРС залежить як від температури робочого спаю t p, так і від температури вільних кінців перетворювача t c, т.е є функцією двох змінних: E (T 2, T 1) = f (t p, t c). Щоб позбутися впливу другого аргументу перетворювачі градуюють при постійній температурі вільних кінців, яку приймають рівною 0 або 20  С і називають опорною t оп. За російським стандартом (ГОСТ 3044-84) t оп = 0  С. Таким чином, НСХ перетворювача буде функцією однієї змінної: E (T 2, T 1) = f (t p, t оп).

Температура, визначена за градуюванні перетворювача, дорівнює дійсній температурі t p в тому випадку, якщо температура вільних кінців ТП t c дорівнює опорної температурі t оп або відхиляється від неї на допускаемое мале значення.

У тому випадку, якщо температура вільних кінців t c не дорівнює опорної температурі t оп, вимірювання температури можливе при використанні закону адитивності температур.

Введемо довільну температуру T x, значення якої знаходиться в діапазоні від T 1 до T 2, тобто T 1 <T х <T 2. Використовуючи формулу (3), термоЕРС E (T 2, T 1) від різниці температур T 2 і T 1 можна представити як суму двох термоЕРС від температур T 2, T х і T х, T 1:

E (T 2, T 1) = E (T 2, T х) + E (T х, T 1). (6)

Якщо t c> t оп і потрібно виміряти температуру, більшу 0  С, то t p> t c> t оп і рівняння (6) можна записати як:

E (t р, t оп) = E (t р, t с) + E (t с, t оп), (7)

У цьому випадку (t p> t c> t оп) до вимірювання значенням термоЕРС Е (t p, t c) слід додати значення табличній поправки E (t с, t оп), визначене для t c за допомогою НСХ. Отримане табличне значення термоЕРС E (t р, t оп) можна використовувати для визначення t p за НСХ перетворювача.
^
Відтворюваність НСХ і точність вимірювання

П од відтворюваністю НСХ розуміють повторюваність характеристики будь-якого стандартного перетворювача даної градуювання з відомим ступенем точності. Ця точність різна для перетворювачів різних типів (див. табл. 1) і залежить від точності хімічного складу термоелектродов.

Пояснимо поняття відтворюваності схемою. На рис. таблична НСХ (ГОСТ) позначена лінією НСХ ст, а допустиме відхилення від неї -   t. Будь-який стандартний взаємозамінний перетворювач даної градуювання повинен мати НСХ i, яка відхиляється від табличної НСХ ст не більше допускаемого відхилення. Інакше кажуть - НСХ i вкладається в поле допуску НСХ ст.

Стандартна НСХ ст: t ст = a 1 E + a 2 E 2 + ... + a n E n = .

Допускається відхилення:  t = f (t).

НСХ i-го перетворювача: t i = b 1 E + b 2 E 2 + ... + b m E m = .

Похибка вимірювання складе:  t = T i - T ст.

Відтворюваність:  t   t.

Для підвищення точності вимірювання температури слід
^

Стандартні термоелектричні перетворювачі

Вимоги до термоелектродні матеріалами

До термоелектродні матеріалами висувають ряд вимог. Їх виконання дає можливість виготовляти взаємозамінні ТП, що мають допустиму похибку протягом усього терміну служби.

  1. Жаростійкість і жароміцність визначають граничну температуру експлуатації і забезпечують тривалу працездатність перетворювачів.

  2. ^ Хімічна інертність (відсутність взаємодії термоелектродов при робочій температурі з контрольованим середовищем, з деталями арматури і між собою). Хімічні властивості матеріалів визначають область використання перетворювача (тип контрольованої атмосфери) і вимоги до його конструкції.

  3. ^ Стабільність термоелектричних властивостей временнáя і температурна (відсутність селективного окислення або випаровування легуючих елементів, відсутність поліморфних перетворень в робочому діапазоні). Термоелектрична стабільність забезпечує безперервність залежності термоЕРС від температури і її незмінність протягом усього терміну служби перетворювача.

  4. ^ Термоелектрична однорідність забезпечує точність і взаємозамінність перетворювачів, відсутність паразитних термоЕРС. Для забезпечення однорідності нормується хімічний склад термоелектродов і неоднорідність властивостей по довжині термоелектродах.

  5. Пластичність і оброблюваність тиском забезпечують можливість виготовлення термоелектродов у вигляді дроту і стрічки.
^
Класифікація термоелектричних перетворювачів

Т ермоелектріческіе термометри прийнято класифікувати за хімічним складом термоелектродов і конструкції.

Інформація по складу термоелектродов і властивостям стандартних ТП наведена в табл. 1 (роздатковий матеріал). Більш детальна інформація наведена в [7] (Лаб. робота № 1).

^ Порівняльна характеристика. Перетворювачі з благородних металів мають високу точність. Це можна пояснити хімічною чистотою і більш точним складом сплавів з благородних металів (використовують фізично чисту платину).

Найбільшою чутливістю володіють хромель-Копелева перетворювачі. Мінімальну чутливість і сильно нелінійну характеристику мають платинові перетворювачі з градуювальної характеристикою ПР (В). Невисока чутливість перетворювача ТПР дає можливість не враховувати температуру вільних кінців перетворювача, так як термоЕРС при температурі до 100  С має дуже мале значення.

^
Властивості стандартних термоелектричних перетворювачів

(Роздатковий матеріал)

табл. 1

Тип термоелектричного перетворювача

Умовне позначення номінальних статичних характеристик (НСХ) перетворення по ГОСТ 3044-84 (МЕК 584-1)

Матеріал термоелектродах

Діапазон вимірюваних температур при тривалому застосуванні,  С

Гранична температура при короткочасному застосуванні,  С

ТермоЕРС, мВ при температурі 100  С

позитивного

негативного

ТМК

МК (М)

Мідь М1 (Cu)

Сплав копель МНМц43 0,5

(50% Cu + 44% Ni)

-200 ... +100

100

4,10

ТХК

ХК (L)

Сплав хромель Т

НХ9, 5 (90,5% Ni + 9,5% Cr)

Сплав копель МНМц43 0,5

(56% Cu + 44% Ni)

-200 ... +600

800

6,88

ТХА

ХА (К)

Сплав хромель Т

НХ9, 5 (90,5% Ni + 9,5% Cr)

Сплав алюмель НМцАК2 1 лютого

(94,5% Ni + 5,5% Al, Si, Mn, Co)

-200 ... +1000

1300

4,10

ТПП

ПП (S)

Сплав платинородій ПР 10 (90% Pt + 10% Rh)

Платина ПЛТ (Pt)

0 ... 1300

1600

0,645

ТПР

ПР (В)

Сплав платинородій ПР 30 (70% Pt + 30% Rh)

Сплав платинородій ПР 6

(94% Pt + 6% Rh)

300 ... 1600

1800

0,033

0,431 при 300  С

ТВР

ВР (А) -1

ВР (А) -2

ВР (А) -3

Сплав вольфрам-реній ВР 5

(95% W + 5% Re)

Сплав вольфрам-реній ВР 20

(80% W + 20% Re)

0 ... 2200

0 ... 1800

0 ... 1800

2500

1,34


Примітка: хімічний склад матеріалів термоелектродов орієнтовний.
^
Властивості стандартних термоелектричних перетворювачів

табл. 1 продовження

Тип термоелектричного перетворювача

Діапазон температур,  С

Межа основної похибки вимірювання

термоЕРС

температури

абсолютної, мВ

відносної,%

абсолютної,  С

відносної,%

ТМК

-200 ... 0

0,03

0,4

1,5

0,8

0 ... 100

0,06

1,2

1,0

1,0

ТХК

-200 ... 0

0,1

1,1

3,7

1,9

0 ... 800

0,46

0,7

5,4

0,7

ТХА

-200 ... 0

0,08

1,4

5,0

2,5

0 ... 1300

0,36

0,7

10,3

0,8

ТПП

0 ... 1600

0,04

0,3

3,7

0,2

ТПР

300 ... 1800

0,06

0,4

5,0

0,3

ТВР

0 ... 2500

0,56

0,6

25

1,0



^
Технічні характеристики стандартних термоелектричних перетворювачів

табл. 1 продовження

Тип термоелектричного перетворювача

Склад контрольованого середовища

Переваги

Недоліки

Примітки

допустимий

неприпустимий

ТМК

Нейтральна при температурі до 800  С, окислювальна

Відновлювальна та сірковмісна

Висока точність

Малий температурний інтервал

Використовують як зразковий в діапазоні від мінус 200 до 0  С. В даний час використовують рідко.

ТХК

Нейтральна, окислювальна

Відновлювальна та сірковмісна

Максимальна чутливість, мінімальна теплопровідність

Невеликий температурний інтервал

Використовують в якості чутливих елементів в пірометри випромінювання і для вимірювання малих градієнтів температури

ТХА

Практично будь-яка

При високій температурі і підвищеній концентрації сірки охрупчиваются термоелектродах

Практично лінійна НСХ. Універсальне застосування

Чергування окисної та відновної середовища при t> 1000  С швидко змінює НСХ

Найбільш широке застосування

ТПП

Нейтральна, окислювальна

Відновлювальна, вуглець-і сірковмісна, металеві та неметалеві домішки, особливо кремній

Висока точність

Висока вартість

Випаровування родію при високій температурі змінює НСХ - використовують багатоканальні ізолюючі трубки, які захищають термоелектродах по всій довжині

Неприпустимо застосування кремнийсодержащими чохлів і ізолюючих трубок, використовують тільки чистий глинозем або корунд (Al 2 O 3)

ТПР

Відновлювальна при t <1200  С, нейтральна, окислювальна

Відновлювальна при t> 1200  С

Більш висока вимірювана температура і велика стійкість до домішок в порівнянні з ТПП. Висока точність

Висока вартість.

Сильно нелінійна НСХ, мінімальна чутливість

Температура вільних кінців перетворювача не впливає на результати вимірювань. Важко виміряти температуру до 300  С

ТермоЕРС при температурі 100  С має дуже мале значення (0,033 мВ)

ТВР

Нейтральна, відновна, короткочасно - розплави металів

Окислювальна, вуглецевмісних

Найбільша вимірювана температура

Невисока пластичність термоелектродов

Окислення W; охрупчіваніе і зміна НСХ через утворення карбідів W



^
Конструктивні особливості та властивості перетворювачів

  1. з ащітний чохол;

  2. головка;

  3. сполучна колодка;

  4. ізолятор.

Армований (корпусних) перетворювач складається з металевого або керамічного захисного чохла 1 і головки 2 з сполучної колодкою 3. Термоелектродах поміщають в ізолюючу керамічну трубку або намиста 4. Чохол 1 захищає термоелектродах від фізичного і хімічного впливу контрольованого середовища.

^ Властивості армованих перетворювачів: добре захищені від зовнішніх впливів; характеризуються великою інерційністю і підвищеними тепловими втратами.

В залежності від температури експлуатації захисні чохли виготовляють з наступних матеріалів.

Температура експлуатації,  С

Матеріал захисної арматури

Область застосування

до 300

бронзи

ТХК, ТХА

до 1000

нержавіючі і жароміцні стали

ТХК, ТХА

до 1300

жароміцні сталі, карбід кремнію, корунд

ТПП, ТПР

до 2200

корунд, молібден

ТПР, ТВР

За умовами експлуатації температура головки перетворювача не повинна перевищувати 300  С.

  1. т ермоелектроди;

  2. захисна оболонка;

  3. ізолююча маса.

Кабельні (оболонкові) перетворювачі утворені термоелектродах 1, укладеними в оболонку 2 з жароміцної сталі або сплаву діаметром 0,15 ... 8 мм. Оболонку заповнюють сильно спресованого порошкоподібної ізолюючої масою 3 (оксиди магнію або алюмінію).

^ Властивості кабельних перетворювачів: мінімальна інерційність і теплові втрати; добре захищені від зовнішніх впливів.

Головним достоїнством кабельних перетворювачів є їх гнучкість. Ізоляція термоелектродов не порушується при будь деформації оболонки, поки не порушена її цілісність.

Кабельні ТП можна застосовувати для вимірювання температури рухомих деталей і в герметичних об'ємах.

Для зменшення інерційності перетворювачі виконують із звуженням, і спай з'єднують з оболонкою.

У Росії випускають стандартні кабельні перетворювачі типів ТХА і ТХК з оболонкою з жароміцної сталі або сплаву діаметром 1 ... 8 мм.

^ Неармовані (безкорпусні) перетворювачі випускають тільки спеціального виконання (особливо малі, плівкові, гнучкі і т.п.). Вони не мають захисного чохла і призначені для вирішення спеціальних завдань вимірювання температури.

^ Властивості неармованих перетворювачів: мінімальна інерційність і теплові втрати; через відсутність захисного чохла погано захищені від зовнішніх впливів.
Ненормовані (нестандартні) перетворювачі

Ненормовані перетворювачі характеризуються нестабільністю і великим розкидом термоелектричних властивостей. Їх використовують для вимірювання температури до 2500  С в окисних, агресивних, вуглецевмісних середовищах, розплавах солей і металів. Найбільш досліджені ТП іридій-реній і з електродами з тугоплавких сполук (C; TiC, NbC, ZrB 2, і т.д.).
^

Конструювання термоелектричних ланцюгів


Більшість термоелектричних перетворювачів має жорстку конструкцію, що не дає можливості безпосередньо підключити термоелектродах до вимірювального приладу. Природно, в таких випадках використовують гнучкі з'єднувальні дроти. Виняток становлять деякі види безкорпусних ТП і кабельні перетворювачі.
^
Способи підключення термоелектричних перетворювачів до вимірювальних приладів

(Матеріал докладно розглядається при виконанні лаб. Роботи № 1).

Д ля жорстких ТП знаходить застосування простий і недорогий варіант підключення з використанням мідних (гомогенних) з'єднувальних проводів C. Ці дроти сполучають головку перетворювача 1 з клемами 2 вимірювального приладу R ІП.

Точки підключення гомогенних проводів (1) є точками вільних кінців ТП. Оскільки теплові потоки від контрольованого об'єкта можуть нагрівати головку перетворювача 1 до температури t х> t окр, то температура вільних кінців t з буде перевищувати температуру навколишнього середовища t з = t х> t окр. Для виміряного значення термоЕРС можна записати

E = E (t р, t з) = E (t р, t х).

Значення табличній поправки на температуру вільних кінців складе E (t с, t оп) = E (t х, t оп) і буде мати змінне значення.

При вимірюванні високих температур головка перетворювача може нагріватися до 300  С. Крім того, контроль температури головки утруднений, а в ряді випадків неможливий. Через це мідні дроти використовують в наступних випадках:

^ В торою варіант підключення жорстких ТП полягає у використанні спеціально підібраних сполучних проводів різного складу, т.зв. компенсаційних (удлиняющих) проводів (КП) A1 і B1. Ці дроти сполучають головку перетворювача 1 з колодкою 2, що має температуру, близьку до температури навколишнього середовища t окр. Сполучна колодка 2 монтується в безпосередній близькості від вимірювального приладу R ІП або на достатньому видаленні від контрольованого об'єкта.

Головка перетворювача має температуру t х більшу, ніж температура навколишнього середовища t окр. У точках контакту КП з термоелектродах (1) можуть виникати додаткові контактні різниці потенціалів U A А1 х) і U ВВ1 х). Хімічний склад компенсаційних проводів підібраний таким чином, що додаткові контактні різниці потенціалів не роблять впливу на показання ТП.

Оскільки точки підключення гомогенних проводів (2) є точками вільних кінців ТП, можна стверджувати, що вільні кінці перетворювача будуть знаходитися при температурі t окр, тобто t з = t окр. Для виміряного значення термоЕРС отримаємо

E = E (t р, t з) = E (t р, t окр).

Значення табличній поправки на температуру вільних кінців складе E (t с, t оп) = E (t окр, t оп).

Порівняння двох варіантів підключення показує, що значення табличній поправки при використанні компенсаційних проводів має більш стабільне значення, тобто похибка вимірювання температури буде менше. Однак компенсаційні проводи мають більшу вартість, ніж мідні дроти.
^
Пристрої стабілізації температури вільних кінців перетворювачів

Похибка вимірювання температури залежить не тільки від точності перетворювача, але і від коливань температури вільних кінців ТП.

Розглянемо приклади конструкцій, що забезпечують стабілізацію температури вільних кінців перетворювачів.

Коробки вільних кінців.

  1. до орпус;

  2. сполучна колодка;

  3. компенсаційні та з'єднувальні дроти;

  4. датчик температури.

Пристрій являє собою найпростіший корпусних елемент 1 і захищає точки контакту 2 компенсаційних і сполучних проводів 3 (вільні кінці ТП) від можливих різких коливань температури. Для вимірювання температури вільних кінців можуть оснащуватися датчиком температури 4. Зазвичай це термометр опору або рідинної термометр.

Для зменшення похибки вимірювання температури вільних кінців (до 0,2 ... 0,5  С) коробку виконують у вигляді судини, заповненого мінеральним маслом.

Термостати використовують для забезпечення постійної температури вільних кінців ТП.

Термостати, що забезпечують t з = t оп = 0  C, працюють на основі відтворення фізичних констант (точка плавлення льоду, потрійна точка води) або на основі ефекту Пельтьє.

«Фізичний» термостат.

  1. з осуд Дьюара;

  2. суміш льоду і води;

  3. пробірка, заповнена мінеральним маслом;

  4. точка контакту компенсаційних і сполучних проводів.

В основі «фізичного» термостата - посудина Дьюара 1, заповнений сумішшю танучого льоду або снігу та води 2. У посудину поміщають пробірки 3, заповнені мінеральною олією, в яких розташовані точки контакту 4 термоелектричної ланцюга.

Точність підтримки температури t оп = 0  C може бути дуже високою (похибка -  ...  C).

Термостат з елементом Пельтьє.

  1. т ермоелектріческая батарея;

  2. радіатор;

  3. сполучна колодка;

  4. датчик температури;

  5. схема управління;

  6. корпус;

ІП - джерело живлення.

Термостат містить напівпровідникову термоелектричну батарею 1 (ТБ), на якій змонтовані точки контакту 3 термоелектричної ланцюга. Протікання електричного струму від джерела живлення ІП через ТБ викликає охолодження робочої поверхні і нагрів радіатора 2. Схема управління 5, оснащена датчиком температури 4 забезпечує температурний режим термостата з похибкою не більше  0,015  С.

Термостат з термореле.

  1. до орпус;

  2. сполучна колодка;

R Н - резистивний нагрівник;

ДТ - термореле;

ІП - джерело живлення.

Термостат з термореле забезпечує підвищену температуру t з> t оп. Тут використовують конструкцію з резистивним нагрівачем R Н і термореле ДТ (зазвичай - біметалічним). Конструкція забезпечує стабілізацію температури сполучної колодки 1 (вільних кінців) на рівні 50 ... 60  С  1%. Використання такого термостата вимагає введення постійної поправки на t с.
^

Введення поправки на температуру вільних кінців

Способи та пристрої введення поправки

При вимірюванні температури термоелектричними перетворювачами введення поправки на температуру вільних кінців обов'язково.

^ Способи введення поправки підрозділяють на ручні і автоматичні. Введення поправки вручну застосовують для короткочасних вимірювань при використанні неспеціалізованих вторинних приладів; автоматичні-для спеціалізованих приладів або при тривалих вимірюваннях.

Введення поправки вручну можна виконувати двома способами - додавання поправки і зміщенням покажчика вимірювального приладу від нульової позначки.

Спосіб додавання поправки складається (див. лаб. Роботу № 1):

Цей спосіб трудомісткий і не оперативи, проте його точність залежить тільки від похибки вимірювання t з і може бути дуже високою.

Другий спосіб введення поправки вручну полягає в зміщенні покажчика приладу у вимкненому стані на відому температуру навколишнього середовища. Для цього використовують регулювальний ексцентрик (коректор нуля) вимірювального приладу. Такий спосіб більш оперативи, однак нелінійність характеристики перетворювача призводить до похибки до 3 К. Крім того, зміна температури навколишнього середовища збільшує похибку.

Введення поправки вручну не вимагає технічних витрат.

Для автоматичного введення поправки в основному використовують одне з двох автоматично діючих пристроїв - біметалічний коректор нуля вимірювального приладу і бруківку схему, що виробляє напругу поправки.

Біметалічний коректор використовують для приладів магнітоелектричного типу (наприклад, гальванометров).

  1. р амка зі струмом (з мідного дроту);

  2. постійний магніт;

  3. покажчик;

  4. шкала;

  5. біметалічна пружина.

Рамка з струмом 1, яка повертається в поле постійного магніту 2, переміщає покажчик 3 щодо шкали 4. Для додаткового повороту покажчика 3 на кут α, пропорційний температурі навколишнього середовища (температурі вільних кінців ТП - t з) використовують біметалічну пружину 5 (термометр, що вимірює t з).

Для нормального функціонування пристрою необхідно, щоб точки вільних кінців ТП перебували в безпосередній близькості від вимірювального приладу.

^ Мостова схема автоматичної компенсації температури вільних кінців ТП застосовується в автоматично діючих вимірювальних приладах, в основному автоматичних компенсаторах. Схеми компенсації виконують на основі моста з 4-х резисторів. Одне, рідше два плеча такого моста виготовляють з мідного дроту (мідні терморезистори).

Розглянемо спрощену схему пристрою. Його включають в розрив одного з проводів, що підключають джерело сигналу до вимірювального приладу.

^ R 1 - мідний терморезистор (R 1 (0  С) = 10 Ом);

R 2 - R 4 - манганінові резистори;

U СТ - стабілізований джерело живлення;

Е (t p, t c) - вхідний сигнал - некомпенсоване значення термоЕРС;

Е (t p, t оп) - вихідний сигнал - компенсований значення термоЕРС;

U ab - напруга компенсації.

Принцип дії схеми компенсації полягає в тому, що при зміні температури мідного терморезистора ^ R 1 змінюється напруга на діагоналі ab рівноплечого моста.

Схему компенсації налаштовують наступним чином. При t 1 = t оп = 0  С домагаються U ab = Е (t 1, t оп) = 0. При t 2 = 25  С встановлюють U ab = Е (t 2, t оп) для відповідного термоелектричного перетворювача. У цьому випадку при t з не більше 50  С можна отримати похибка в межах ± 3 К.

Для функціонування пристрою потрібен додаткове джерело живлення. Терморезистор R 1 повинен розташовуватися в безпосередній близькості від вільних кінців ТП (наприклад, на задній стінці вимірювального приладу).
^

Вторинні вимірювальні прилади для термоелектричних перетворювачів

Рівняння вимірювальної ланцюга і похибка вимірювання

Розглянемо схему вимірювальної ланцюга для вторинного приладу, підключеного до термоелектричних перетворювачів.

R тп; R кп; R сп - опір термоелектричного перетворювача, компенсаційних і сполучних проводів;

^ R ип - опір вимірювального приладу;

Е - вимірювана термоЕРС;

U ип - напруга на затискачах вимірювального приладу.

У вимірювальному колі прийнято виділяти зовнішній опір R зовн = R тп + R кп + R сп і внутрішній опір R внутр = R ип.

Зовнішній опір нестабільно і залежить від багатьох факторів: питомого опору ρ, діаметра d і довжини l термоелектродов і проводів, температури t точок контактів і т.д. Для зовнішнього опору можна записати:

R зовн = ,

де α i - температурний коефіцієнт i-го провідника; R j - перехідний опір j-ої точки контакту. Для різних ТП R зовн становить від 0,1 до 15 Ом.

Внутрішній опір більш стабільно і становить від 200 до 10 6 Ом залежно від типу вимірювального приладу (^ R внутр = const).

На підставі 2-го закону Кірхгофа можна записати рівняння вимірювальної ланцюга:

Е = I · R Σ = I (R зовн + R внутр).

Напруга на затискачах вимірювального приладу:

U ип = I · R внутр = E · R внутр / (R зовн + R внутр) = k · Е, де k <1.

Таким чином, напруга на затискачах ІП в k разів менше вимірюваної термоЕРС, тобто відбувається падіння напруги на зовнішньому опорі R зовн вимірювальної ланцюга. Це падіння напруги визначає похибка вимірювання.

Похибка вимірювання залежить від коливань ^ R зовн і співвідношення R зовн і R внутр, тобто значення k. Похибка зменшується, якщо k  1. Таким чином, для зменшення похибки вимірювання слід забезпечити наступні умови:

R зовн <R внутр;

δR зовн = min.
^
Класифікація вторинних приладів

Вторинні прилади для ТП класифікують за різними ознаками.


^ За методом вимірювання термоЕРС:

За способом управління:

За градуюванні шкали:

а) гальванометри;

а) з ручним управлінням;

а) неспеціалізовані (шкала в мВ);

б) компенсатори;

в) цифрові прилади.

б) автоматичні.

б) спеціальні (шкала в  С).


Розглянемо короткі характеристики різних груп.
Метод вимірювання

а ) Гальванометри (магнітоелектричні мілівольтметри).

  1. рамка з мідного дроту;

  2. постійний магніт;

  3. покажчик;

  4. шкала.

Принцип дії заснований на повороті рамки з струмом 1 в полі постійного магніту 2, або, інакше, на взаємодії двох магнітних полів. З рамкою 1 жорстко пов'язаний покажчик 3, який на шкалі 4 указує поточне (виміряний) значення термоЕРС або температури.

Властивості гальванометров:

б
) Компенсатори (потенціометри).

а) з ручним управлінням; б) з автоматичним управлінням.

  1. термоелектричний перетворювач;

  2. стежить підсилювач;

^ R р - реохорда;

НГ - нуль-гальванометр - індикатор відсутності струму;

Е - вимірювана термоЕРС;

U комп - напруга компенсації;

РД - асинхронний реверсивний двигун.

Сутність методу компенсації полягає в тому, що вимірювану термоЕРС врівноважують (компенсують) 1 зустрічно включених напругою компенсації U комп. Напруга компенсації U комп змінюють таким чином, що U комп = Е (урівноваження). При цьому струм в замкнутій вимірювальної ланцюга відсутня. Про рівність U комп і Е судять за нульовими показниками високочутливого (10 -9 А) нуль-гальванометра. При цьому положення рухомого контакту реохорда R р вказує на шкалі значення термоЕРС або температури.

Відсутність струму в вимірювальної ланцюга визначає високу внутрішній опір R внутр приладів, що працюють за методом компенсації (порядка 1 МОм).

^ Властивості компенсаторів:

в) цифрові прилади.

  1. т ермоелектріческій перетворювач;

  2. аналого-цифровий перетворювач;

  3. система управління;

  4. індикатор.

Вимірюване значення термоЕРС надходить на вхід аналого-цифрового перетворювача (АЦП) 2, де перетворюється в цифрову форму (двійковий код). Перетворене значення відображається на індикаторі 4. Для керування режимами роботи цифрового приладу використовують систему управління 3.

Властивості цифрових приладів:
Спосіб управління

а) прилади з автоматичним управлінням функціонують за заданим алгоритмом без безпосередньої участі людини в процесі вимірювання. Оснащені пристроєм автоматичної компенсації температури вільних кінців термоелектричного перетворювача. Можуть виконувати ряд додаткових функцій: дистанційної передачі, управління, реєстрації.

б) прилади з ручним керуванням вимагають безпосередньої участі людини в процесі вимірювання. В основному використовують тільки для вимірювання.
Градуювання шкали

а) неспеціалізовані прилади оснащені шкалою, проградуірованной в мВ. Такі прилади можна використовувати з будь-яким термоелектричним перетворювачем. Для вимірювання температури потрібно введення поправки на температуру вільних кінців ТП і визначення по термоЕРС значення температури.

б) спеціалізовані прилади оснащені шкалою, проградуірованной в  С для певного типу термоелектричного перетворювача. Такі прилади повинні використовуватися в парі з таким ТП, для якого виконана градуювання шкали. Зазвичай оснащені пристроєм автоматичної компенсації температури вільних кінців ТП.

1 зазначена похибка можлива тільки при тарування по випромінюванню абсолютно чорного тіла (АЧТ) і відомих значеннях випромінювальної здатності контрольованого об'єкта.

^ Основна область застосування: використовують при неможливості вимірювання температури контактним способом (іонна ХТО, іонно-плазмова обробка, швидкого руху об'єктів).

1 Нікель володіє неоднозначною залежністю опору від температури, тому в Росії нікелеві ТЗ не стандартизовані.

1 Крім германієвих ТЗ, що мають високу точність в області низьких температур (до 100 К).

2 логометра - прилад магнітоелектричної системи з двома жорстко з'єднаними вимірювальними рамками зі струмом. Докладніше див [2, 3].

1 Внутрішня різниця потенціалів визначається різницею енергій фермі-рівнів провідників А і В.

1 Термін «гомогенні дроти» позначає провідники однакового хімічного складу. У термоелектричних ланцюгах використовують мідні дроти.

1 - Звідси назва методу - урівноваження або компенсації.
Навчальний матеріал
© uadoc.zavantag.com
При копіюванні вкажіть посилання.
звернутися до адміністрації