Лекція №17. Тема. Теплові вимірювальні перетворювачі

План

1. Призначення теплових вимірювальних перетворювачів

2. Класифікація теплових вимірювальних перетворювачів

3. Поняття про термопари

Теплові вимірювальні перетворювачі, що серед вимірю­вальних перетворювачів чи не найчастіше застосовують­ся на теплових електростанціях та теплоелектроцентра­лях, поширені й на підприємствах усіх галузей промис­ловості, де у технологічному процесі використовують тепло.

У багатьох точках технологічного процесу вимірюють температури за допомогою термоелектричних чи терморези-стивних перетворювачів. Термоелектричні перетворювачі — це в основному термопари, а терморезистивні — це тер­мометри опору.

Термопари є генерувальними перетворювачами. Кожна з них складається з двох різнорідних проводів, з'єднаних у одному з кінців зварюванням чи лютуванням. У термопар термоелектрорушійна сила виникає за наяв­ності різниці температур місць з'єднання цих різнорідних провідників, перше з яких розташоване у місці вимірюван­ня температури (де знаходиться саме місце зварювання), а друге — у місці приєднання цих провідників до електро­вимірювальних приладів, що вимірюють термо-ЕРС.

Для вимірювань різних величин температур використо­вують і різні термопари. Так, для температур нагріву не ви­щих за 600 °С користуються мідноконстантановими термо­парами, для температур до 1600 °С — платинородій-плати-новими, до 2500 °С — вольфраморенієвими. Тут вказані найбільш допустимі для вказаних термопар температури ко­роткочасного нагріву. Якщо ж термопару використовують протягом тривалого часу, то допустима температура повин­на бути дещо меншою (на декілька сотень градусів).

Відносно величини створюваних термопарами термо-ЕРС, то з названих термопар найбільшу має хромель-копе-лева термопара (66,4 мВ при 800 °С), а найменшу — плати-нородій-платинова (16,76 мВ при 1600 °С).

Наведені величини термо-ЕРС передбачають, що кінці термопар, приєднані до вимірювальних приладів, перебу­вають при температурі 0 °С. У реальних умовах експлуатації приладів, коли температура навколо них буде близько 20 °С, справжні значення термо-ЕРС будуть дещо меншими.

Для кожного типу термопари передбачена своя за­лежність величини термо-ЕРС від величини температури між кінцями термопари. Ці залежності наведено у Держав­ному стандарті на термопари, де вони дещо відрізняються від прямих.

Рис. 18.7 Термопара з арматурою

Тому мілівольтметри, якими вимірюють ЕРС термопар, градуюють у одиницях температури, беручи до уваги наявність такого відхилення для термопар кожного типу. Як­що ж ці ЕРС вимірюють переносними мілівольтметрами, градуйованими у мілівольтах, то для точного вимірювання температури термопарою необхідно користуватись таблиця­ми, де наведено залежність ЕРС кожного типу термопар від температури.

Кожну термопару вміщено в арматуру, що захищає її від зовнішніх чинників та фіксує постійне місце її встановлен­ня. У більшості випадків (рис. 18.7) арматуру / виготовлено з металу, до температури 400 °С — з міді чи латуні, до 700...800 °С — зі сталі, а для температур, більших ніж 1000... 1200 °С, — з порцеляни чи кварцу. Місце зварювання проводів термопари 2 ізолюється від денця металевої захис­ної трубки керамічним наконечником 3. Проводи термопа­ри, що виходять з арматури, приєднані до контактів, закріплених у з'єднувальній коробці арматури. Всередині арматури проводи термопари ізольовано один від одного керамічними трубками чи бусами, а простір між ізольовани­ми проводами і стінкою арматури засипано керамічним по­рошком.

Через штуцер, вставлений під прямим кутом до армату­ри, проходять проводи від вимірювальних приладів, що приєднуються до проводів термопари через затискачі, вста­новлені у з'єднувальній коробці арматури.

Якщо термопара працює при особливо високих темпера­турах, арматура може охолоджуватись на більшій частині своєї довжини пристроєм водяного охолодження, викона­ним у вигляді металевої трубки з двошаровою стінкою, у щілині, між шарами якої циркулює охолоджувальна вода, що надходить до цього проміжку та виходить з нього через штуцери, встановлені у верхній частині охолоджувального пристрою.

У щілині між шарами стінки охолоджувача є перетинки, які забезпечують проходження охолоджувальної води по всьому об'єму щілини.

• Терморезистивні перетворювачі (термометри електрич­ного опору) — це вимірювальні перетворювачі, де вико­ристовується здатність провідників (іноді — напівпровідників) змінювати свій питомий опір під впливом температури, що є навколо них.

Найпоширенішими є перетворювачі, виготовлені з мідного чи платинового проводу. Мідні перетворювачі виконують для роботи при температурах від —50 до 180 °С, платинові ж розраховано на більший діапазон вимірюваних температур, а саме: від —200 до 1100 °С.

Терморезистивні перетворювачі можуть бути зроблені й зі стального або нікелевого проводу, але таке буває рідко.

Рис. 18.8 Загальний вигляд терморезистора

Терморезистори виконані з мідного ізольованого проводу, закладені у мідну трубку, заповнену керамічним піском.

Платинові терморезистори виконані у вигляді тонких спіра­лей, закладених у поздовжні канавки керамічного каркаса. Як і у мідних перетворювачах, порожні місця тут засипано порошком оксиду алюмінію, бо очікувані температури тут більші, ніж у мідних, і оксид алюмінію буде більш до­цільним.

Ці терморезистори закладають у металеві (з нержавію­чої сталі) трубки, які захищають їх від механічних пошкод­жень.

Загальний вигляд складеного терморезистора зображено на рис. 18.8.

Деякі терморезистори можуть бути виконані на основі напівпровідникових матеріалів, що мають величину темпе­ратурного коефіцієнта питомого опору у декілька разів більшу, ніж у металів. На них можна було б створити досить точну систему вимірювань температури, але стає цьому на заваді значна нелінійність їхніх характеристик, незбіг харак­теристик однотипних елементів, різниця температурних ко­ефіцієнтів питомого опору в сусідніх зразках, значна різни­ця величин номінальних опорів сусідніх зразків.

І все ж за невисоких температур (до 200...300 °С) напівпровідникові терморезистори застосовуються у систе­мах вимірювань температури, а дещо частіше — і в системах автоматичного регулювання температури.