Лабораторная работа 6. Тепловые измерительные преобразователей
Цель работы: изучить устройство, принцип действия тепловых измерительных преобразователей; ознакомиться с методикой измерения температуры среды при помощи датчиков.
Теоретические сведения
Для измерения температуры в системах автоматического управления, регулирования и контроля используют различные измерительные преобразователи.
Термоэлектрические преобразователи. Термоэлектрический преобразователь (термопара) представляет собой чувствительный элемент, состоящий из двух разных проводников или полупроводников, соединенных электрически, и преобразующий контролируемую температуру в ЭДС. Принцип действия термоэлектрического преобразователя основан на использовании термоэлектродвижущей силы, возникающей в контуре из двух разнородных проводников (термо-ЭДС возникает только в спаях разнородных материалов), места соединения (спаи) которых нагреты до различных температур (рис. 6.1, а). Знак и значение термо-ЭДС в цепи зависят от типа материала и разности температур в местах спаев. При небольшом перепаде температур между спаями термо-ЭДС можно считать пропорциональной разности температур
Рис. 6.1. Термопары
Если к термопаре подключить милливольтметр, то по значению термо-ЭДС можно определять температуру (рис. 6.1, б). Чтобы получить достоверные результаты, необходимо один спай термопары, называемый рабочим, помес-тить в среду с температурой θ1, подлежащей измерению, а температуру θ0 других, нерабочих (холодных, свободных), спаев поддерживать постоянной. Обычно термо-ЭДС не рассчитывают аналитически, а определяют по градуировочным таблицам или графикам, получаемым экспериментально, для различных материалов при температуре холодных спаев θ0 = 0.
В качестве материалов для термопар используют различные драгоценные металлы (платину, золото, иридий, родий и их сплавы), а также неблагородные металлы (сталь, никель, хром, сплавы нихром, алюмель и др.) и полупроводниковых материалов (кремний, селен и др.). Чтобы повысить выходную ЭДС, используют последовательное включение термопар, образующее термобатарею (рис. 6.1, в)
В зависимости от назначения термопары делятся на погружные, предназначенные для измерения температуры жидкости и газообразных сред, и поверхностные, предназначенные для измерения температуры поверхности твердого тела. В зависимости от инерционности различают термопары малоинерционные, тепловая постоянная времени которых не превышает 5 с для погружных и 10 с для поверхностных; средней инерционности – соответст-венно не более 60 с и 120 с и большой инерционности, с тепловой постоянной до 180 с и 300 с.
К достоинствам термопар необходимо отнести возможность измерений с большом диапазоне температур, простоту устройства, надежность в эксплуа-тации. Недостатки – невысокая чувствительность, большая инерционность, необходимость поддерживать постоянной температуру свободных спаев. Чувствительные элементы, как правило, помещают в тонкостенные метал-лические гильзы и герметизируются.
Термопреобразователи сопротивления (терморезисторы). Термо-резистором называется измерительный преобразователь, активное сопротивление которого изменяется при изменении температуры. В качестве терморезистора может использоваться металлический или полупроводниковый резистор. Датчики температуры с терморезисторами называются термометрами сопротивления. Имеются два вида терморезисторов: металлические и полупроводниковые.
Принцип действия термопреобразователя сопротивления (ТС) основано на температурной зависимости сопротивления. Указанным свойством обладает множество материалов, но лишь немногие из них удовлетворяют вторичным эксплуатационным требованиям, связанным со стабильностью свойств и нечувствительностью к внешним воздействиям по другим физическим параметрам (давление, плотность магнитного потока, потока нейтронов и т.п.). ТС обладают хорошими термометрическими свойствами. Типичные виды зависимости сопротивления от температуры представлены на рис. 6.2. Как видно из рисунка температурный коэффициент сопротивления (ТКС) сравнительно невелик (0,3…0,6 %•К-1) и, как правило, положителен для металлов (кривая 2). Для полупроводников в среднем на порядок больше, чем для металлов, отрицателен для термисторов (кривая 4) и положителен для позисторов (кривая 1). Электролиты (кривая 3) характеризуются ступенчатым переходом сопротивления при температуре начала ионной проводимости.
Принцип действия и конструкция металлических терморезисторов. Как известно, сопротивление металлов увеличивается с увеличением температуры. Для изготовления металлических терморезисторов обычно применяются медь или платина.
Проводниковые термометры сопротивления (см. рис. 6.3) изготавлива-ются из чистых металлов (платина, медь, никель), имеющих положительный температурный коэффициент сопротивления.
|
а б |
Рис. 6.2. Зависимость сопротивления различных ТС от температуры: 1 – позисторы; 2 – металлы; 3 – электролиты; 4 – термисторы |
Рис. 6.3. ТС (а) и схема его включения (б): 1 – головка: 2 – штуцерная гайка; 3 – арматура; 4 – чувствительный элемент |
Функция преобразования медного терморезистора линейна:
,
где R0 – сопротивление при температуре 0оС; – температурный коэффициент сопротивления для интервала температур, начинающихся от t0.
Температурный
коэффициент термопреобразователя
сопротивления
определяется по формуле3
где
–
значения сопротивления термопреобразователя
сопротивления по номинальной статической
характеристике соответственно при 100
оС
и 0 оС,
и округляемый до пятого знака после
запятой.
Изменение сопротивления чувствительного элемента в виде падения напряжения или тока, передаваемых электрической линией связи, фиксируется показывающим прибором или регулятором. Способ включения ТС определяется схемой вторичного прибора и диапазоном измеряемой температуры.
Минимальная глубина погружения промышленных термометров сопротивления с обмоткой из платиновой, никелевой, медной проволоки в среду, температура которой измеряется, равна 15 мм, максимальная – 190 мм.
Инерционность термометров сопротивления зависит от способа установки и материала провода, используемого в качестве обмотки, и достигает 300…600 с. Тепловая инерционность термометров сопротивления уменьшается посредством металлических вкладышей, устанавливаемых во внутренней полости корпуса.
К недостатка платиновых преобразователей температуры относится довольно высокая загрязняемость платины парами металлов (особенно железа) при высоких температурах, сравнительно невысокая химическая стойкость в восстановительной среде, вследствие чего материал становится хрупким, теряет стабильность характеристики.
Медные терморезисторы широко используют в диапазоне температур от 50 до 180оС благодаря низкой стоимости, довольно высокой стойкости к коррозии. К недостаткам медных терморезисторов относится высокая окисляемость меди при нагревании, вследствие чего их применяю в указанном сравнительно узком диапазоне температур в средах с низкой влажностью и при отсутствии агрессивных газов.
Никель, химически стойкий материал даже при высоких температурах, имеет сложную зависимость сопротивления от температуры и невысокую ее воспроизводимость. Тугоплавкие металлы – вольфрам, молибден, тантал, ниобий – применяют мало из-за влияния температуры на структуру металл, что делает его хрупким. Сплавы, обладающие более высоким удельным сопротивление, чем чистые металлы, в качестве материалов для преобразователей не используют из-за сравнительно низкого ТКС, значение которого в значительной степени зависит от количественного и качественного состава примесей.
Чувствительный элемент медного терморезистора (рис. 6.4, а) представляет собой пластмассовый цилиндр 1, на который бифилярно в несколько слоев намотана медная проволока 2 диаметром 0,1 мм. Сверху катушка покрыта глифталевым лаком. К концам обмотки припаиваются медные выводные провода 3 диаметром 1,0…1,5 мм. Провода изолированы между собой асбестовым шнуром или фарфоровыми трубочками. Чувствительный элемент вставляется в тонкостенную металлическую гильзу 4.
Медные преобразователи (рис. 6.4, б) для измерения температуры помещений и газовых потоков имеют каркас, выполненный в виде тонкостенной перфорированной трубки из нержавеющей стали.
Гильза с выводными проводами помещается в защитный чехол (рис. 6.4, б), который представляет собой закрытую с одного конца трубку 1. На открытом ее конце помещается клеммная головка 2. Для удобства монтажа защитный чехол может иметь фланец 3.
а б
Рис. 6.4. Схема медного терморезистора: а – чувствительный элемент (1 – пластмассовый цилиндр; 2 – медная проволока; 3 – выводные провода; 4 – металлическая гильза); б – защитный чехол: (1 – трубка; 2 – клеммная головка; 3 – фланец)
Обычная медь, поставляемая системой снабжения в виде проволоки и проводов всех требуемых размеров, не дефицитна, дешева, чиста и гомогенна - вполне удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к материалу чувствительных элементов ТС для измерения умеренных температур.
Существенный практический недостаток меди – при температуре выше 300°С она начинает активно окисляться. Поэтому медь применяется в чувствительных элементах ТС для измерения температур не выше 200°С. Изоляционные покрытия медных проводов – лак или шелк – также не выдерживают влияния высоких температур.
К числу недостатков меди следует отнести и ее малое удельное сопротивление (r = 1,7 10-8 Ом•м).
В диапазоне температур от –50°С до 200°С зависимость сопротивления меди от температуры носит линейный характер. Медные ТС применяются для длительного измерения температуры в диапазоне от –200°С до 200°С.
Основные параметры технических медных и платиновых ТС по ГОСТ 6651-78 приведены в табл. 6.1.
Таблица 6.1
Основные параметры платиновых и медных ТС
Тип |
Номинальное сопротивление при 0°C, Ом |
Условное обозначение номинальной статической характеристики преобразования |
Диапазон измеряемой температуры, °С |
|
от |
до |
|||
ТСП |
1 5 10 46 50 100 500 |
1П 5П 10П гр.21 50П 100П 500П |
- 50 - 100 - 200 - 260 - 260 - 260 - 260 |
1100 1100 1000 1000 1000 1000 300 |
ТСМ |
10 50 53 100 |
10М 50М гр.23 100М |
- 50 - 50 - 50 - 200 |
- 200 - 200 180 200 |
Полупроводниковые терморезисторы, называемые термисторами, имеют температурный коэффициент электропроводимости в 6 – 10 раз больший, чем металлические терморезисторы, вследствие чего чувствительность термисторов к изменению температуры значительно выше, чем у терморезисторов.
Чувствительный элемент полупроводникового терморезистора – термис-тора – изготавливается из окислов различных металлов: меди, кобальта, магния, марганца и др. Размолотые в мелкий порошок компоненты прессуются и спекаются в виде столбика, шарика или шайбы. В надлежащих местах напыляются электроды и подпаиваются выводы из медной проволоки. Для предохранения от атмосферных воздействий чувствительный элемент термистора покрывают защитной краской, помещают в герметизирующий металлический корпус или запаивают в стекло. С увеличением температуры сопротивление термисторов уменьшается.
Термисторы изготавливаются с номинальным сопротивлением (при 20°С) от 1 кОм до 200 кОм. В зависимости от типа они могут применяться для измерения температур от –100 °С до 120 °С …600 °С. Термисторы имеют значительно меньшие массы и размеры, чем металлические.
Основной характеристикой термисторов как датчиков автоматической системы управления является зависимость их сопротивления от температуры (см. выходную характеристику термистора КМТ-4 на рис. 6.5):
,
где А – постоянная, зависящая от размеров и формы термистора; В – постоянная, зависящая от физических свойств материала полупроводника; Т – температура термосопротивления в градусах абсолютной шкалы, оК; e – основание натурального логарифма.
Рис. 6.5. Выходная характеристика термистора КМТ–4
Температурный коэффициент чувствительности термистора имеет отрицательное значение и зависит от температуры:
.
Величины А и В для параметров определяются опытным путём, так как для одной партии датчиков их значения могут сильно различаться. Для этого экспериментально определяют сопротивления термистора при двух значениях температуры Т1 и Т2:
.
Решив эти уравнения относительно коэффициента В, находят его значение:
По известному значению В находят величину А:
К недостаткам термисторов относятся нелинейность температурной характеристики, недостаточная стабильность характеристик, большой разброс значений сопротивления в одной и той же партии (более 30%) и характер зависимости сопротивления от температуры (отклонения температурного коэффициента достигают ±5% и более), нелинейность вольтамперной характеристики. Это затрудняет получение линейных шкал и не обеспечивает взаимозаменяемости термисторов, используемых в системах автоматического управления производственными процессами. Чтобы получить линейную зависимость сопротивления от температуры, обеспечить взаимозаменяемость в системах автоматики, термисторы включаются в измерительную цепь параллельно с термонезависимыми сопротивлениями (см. схемы корректировки характеристик термисторов на рис. 6.6).
а б
Рис. 6.6. Схемы корректировки характеристик термисторов: а – корректировка характеристики по одной точке; б – корректировка характеристики по двум точкам
Подобные комбинации, используемые для исправления характеристики термистора, называются корректированными термоэлементами.