Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы управления химико-технологическими процессами. Часть 1. Учебное пособие
.pdf
бумага перемещается синхронным двигателем СД с определенной
′
скоростью.
При градуировке приборов сопротивление каждого провода,
идущего от термометра до прибора, принято 2,5 ÷ 0,01 Ом. Если сопротивление каждого провода будет меньше 2,5 Ом, то в соединительную линию последовательно включаются добавочные мангани-
новые сопротивления УR и
R , дополняющие сопротивления каж-
У
дого провода до 2,5 Ом.
При колебаниях температуры окружающей среда величина сопротивления соединительных проводов будет изменяться.
В тех условиях, когда колебания температуры, окружающей
соединительные провода, значительны и погрешность при измерении может превысить допустимую величину, применяют трехпроводную систему подключения термометра.
Трехпроводная схема подключения моста представлена на рис. 88.
R
R
л
R
t
R
л
R
л
Рис. 88. Трехпроводная схема подключения моста
4
R
1
В этом случае уравнение равновесия примет вид:
(R1 + Rл).R3 ≈ R
.
(R4 + Rt + 2Rл).
2
Сопротивление соединительных проводов Rл входит в обе части
уравнения и частично компенсируется.
Логометры – это приборы магнитно-электрической системы,
состоящие из магнитной 1 и подвижной части 2, которая состоит из
171
двух жестко скрепленных между собой рамок 3 и 4 под некоторым
S R
4 3 1 2
углом. Принципиальная схема логометра представлена на рис. 89.
К рамкам 3 и 4 прикреплена стрелка, перемещающаяся вдоль
шкалы проградуированной в градусах. Каждая рамка вместе с сопротивлениями Rt, R и источником питания Е образует замкнутый контур. Rt - термометр сопротивления, а R - постоянное сопротивление.
N
R
t
I
1
Рис. 89. Принципиальная схема логометра
E
I
2
Угол поворота φ подвижной системы, есть функция отношения
токов в обеих рамках φ = f(I1/I2), где I1 и I2 – токи протекающие по
рамкам. Если Rt = R то I1 = I2 и подвижная система находится в среднем положении, так как вращающие моменты рамок М1 и М2 оказываются равными и направленными навстречу один другому:
М1 = С1·В1·I1,
М2 = С2·В2·I2,
где С1, С2 – константы зависящие от геометрических размеров рамок
и числа витков, В1, В2 – магнитные индукции.
При изменении измеряемой температуры меняется Rt вследствие чего, меняется ток I1, нарушается равенство моментов М1 ≠ М2
и происходит поворот подвижной системы на угол φ, когда вращающие моменты рамок станут снова равными.
Достоинством логометров является то, что угол поворота φ не
зависит от напряжения источника питания Е.
172
17.1.6. Термоэлектрические термометры
В основе работы термопар лежат термоэлектрических эффекты.
Термоэлектрические эффекты отражают преобразование энергии теплового движения в электрическую энергию движущихся зарядов.
Эффект Пельтье.
В соединении двух разных проводников А и В с одинаковой температурой t устанавливается разность потенциалов EAB(t) в точках М и
N, называемая ЭДС Пельтье, которая зависит только от природы проводников и их температуры (рис. 90).
Рис. 90. Эффект Пелтье
Кроме того, в 1934 г. Жан Пельтье установил, что при пропус-
кании тока теплота выделяется в одном спае и поглощается в другом
в зависимости от направления тока через спай. КПД такого термоэлектрического генератора (холодильника) невелико и составляет
единицы процента. Однако этот эффект в настоящее время широко
используется в компьютерной технике, для охлаждения процессоров
в виде модулей (куллеров) Пельтье.
Эффект Томпсона.
Между двумя точками M и N однородного проводника A с различными температурами возникает ЭДС EA(tM, tN), которая зависит
только от природы проводника и температур tM и tN (рис. 91).
Рис. 91. Эффект Томпсона
173
Эффект Зеебека.
Явление термоэлектричества открыто в 1823 г. Зеебеком: в
цепи, состоящей из двух разнородных проводников А и В, спаи которых находятся при разных температурах t1 и t2, возникает
ЭДС, которая является результатом эффектов Пельтье и
Томпсона в данной цепи (рис. 92). Если в качестве
t1 взять например 0 °C, то ЭДС данной пары проводников будет зависеть только от t2.
Рис. 92. Эффект Зеебека
Значение термоЭДС зависит только от природы проводников и
от температуры спаев и не зависит от распределения температуры
вдоль проводников. Если места соединения находятся при одной
температуре, то термоЭДС не возникает
Цепь со спаями представленная на рис. 93, состоящая из двух
разнородных проводников А и В называется термоэлектрическим преобразователем (ТЭП) или термопарой, проводники - термоэлектрода-
ми, а место соединения - спаями.
t
0
В
t
Рис. 93. Термоэлектрический преобразователь
Спай, имеющий температуру tр. называется горячим или рабочим, а второй, имеющий постоянную температуру t0 - холодным или
174
А
р
свободным. Термоэлектрический эффект объясняется наличием в
металле свободных электронов, число которых в единице объема
различно для разных металлов. В спае с температурой tр
электроны из металла А диффундируют в металл В в большем количестве, чем обратно. Поэтому металл А заряжается положительно, а металл В отрицательно.
Суммарная ТЭДС, возникающая при нагреве спаев проводников до температур tр и t0:
EAB(tр, t0) = ЕAB(tр) + ЕBA(t0),
где ЕBA(t0) и ЕAB(tр)- ТЭДС, обусловленная контактной разностью потенциалов и разностью температур концов А и В.
ТЭДС EAB(tр t0) является функцией от температуры горячего
спая tр при условии постоянства температуры холодного спая t0.
Термопары градуируются при определенной постоянной температуре t0 (обычно t0 = 0 °C или 20 °C). При измерениях температура
t0 может отличаться от градуировочного значения. В этом случае
вводится соответствующая поправка в результат измерения:
E`AB(tр t0) = EAB(tр t0) + ΔEAB(tр t0).
Поправка ΔEAB(tр t0) равна ТЭДС, которую развивает данная
термопара при температуре горячего спая tр и градуировочном значении температуры холодных спаев. Поправка берется положительной,
если tр > t0 и отрицательной, если tр < t0. Величина поправки может
быть взята из градуировочной таблицы.
Правильное измерение температуры возможно лишь при
постоянстве температур свободных спаев t0. Оно обеспечивается с
помощью соединительных проводов и специальных термостатирующих устройств. Соединительные провода в данном случае
предназначены для переноса свободных концов термопары в зону
с известной постоянной температурой, а также для подсоединения свободных концов термопары к зажимам измерительных
приборов. Соединительные провода должны быть термоэлектрически подобны термоэлектродам термопары. Как правило, соединительные провода для термопар, изготовленных из неблагородных металлов, выполняются из тех же самых материалов, что и
175
термоэлектроды. Исключение составляет хромель-алюмелевая
термопара, для которой с целью уменьшения сопротивления линии в качестве соединительных проводов применяется медь в паре с
константаном.
Конструктивное исполнение термопар разнообразно и зависит
главным образом от условий их применения. При необходимости измерения небольшой разницы температур или получения большой
ТЭДС применяются дифференциальные термопары и термобатареи,
представляющие собой несколько последовательно соединенных
термопар.
При изготовлении термопар применяются металлы, к которым
предъявляются следующие требования:
− воспроизводимость;
− высокая чувствительность;,
− надежность;
− стабильность;
− достаточный температурный диапазон.
Материалы, используемые для изготовления термопар представлены в табл. 6.
Таблица 6
Название Состав
Сурьма Sb +4.7
Нихром 65 % Ni +20 % Cr
+15Si (Mn, Fe)
Железо Fe + 1.8
Медь Cu +0.76 350
Алюминий Al +0.4
Палладий P -0.57
Платина Pt 0 1300
Никель Ni -1.5
Алюмель 95 % Ni + 5 % Al -1.2 1000
Платинородий 60%Au+,30%Pd+,10 %Pt
Платинородий 90 % Pt + 10 % Rh +0,86 1300
Константан 60 % Cu + 40 % Ni -3,4 600
Копель 56 % Cu + 44 % Ni -4.5 600
Пирит 46,6 % Fe + 53,4 % S -12.1
Хромель 10 % Cr + 90 % Ni +2,95 1000
ТЭДС, мВ
(t0=0 °C и t1=100 °C)
+ 2.2
-2.31
Максимальный
темпер. предел, °C
176
При конструировании термопар стремятся сочетать термоэлек-
троды с различной полярностью ЭДС.
Технические термоэлектрические преобразователи с металлическими термоэлектродами делятся на следующие виды.
1. Платинородий-платиновые (тип ТПП). Диапазон измеряемых
температур 0 – 1300 °C. Преобразователи типа ТПП надежно работают в нейтральной и окислительных средах, но быстро выходят из
строя в восстановительной среде. К недостаткам преобразователей
этого типа следует отнести малую термоЭДС по сравнению с термоЭДС других ТЭП. Диаметр термоэлектродной проволоки, применяемой для ТЭП данного типа, составляет 0,3 или 0,5 мм. В зависимости
от назначения эти термоэлектрические преобразователи разделяют на
эталонные, образцовые и рабочие.
2. Платинородий (30 % родия) - платинородиевый (6 % родия)
ТЭП (тип ТПР). Особенностью преобразователя данного типа является то, что он развивает очень малую термоЭДС (0,04 мВ при 120 °С и
0,002 мВ при 20 °С), что не требует поправки на температуру холодных спаев. Диапазон измеряемых температур 300 – 1600 °C.
3. Хромель-алюмелевый (тип ТХА) Эти ТЭП применяют для
измерения температур -200 - 1000 °С. Кривая зависимости термоЭДС для данного преобразователя близка к прямой. ТЭП типа ТХА
хорошо работает в окислительных средах и сравнительно быстро
разрушается в восстановительной среде.
4. Хромель-копелевый (тип ТХК). Эти ТЭП развивают наибольшую термоЭДС из всех стандартизованных ТЭП, что позволяет изготовлять измерительные комплекты с узкой температурной шкалой,
например -50 - 300 °С.
Стандартные ТЭП типа ТХК и ТХА изготавливают из термо-
электродной проволоки диаметром от 0,7 до 3,2 мм.
5. Вольфрамрениевый (5 и 20 % рения) преобразователь (тип
ВР-5/20). Применяют для измерения температуры 0 - 2200 °С в нейтральной и восстановительной средах, а также для измерения температуры расплавленных металлов.
177
Иногда применяются и нестандартизованные преобразователи.
Из них наиболее широко распространены медь - копелевые, железо константановые и медь - константановые ТЭП. Нестандартизованные
ТЭП после изготовления подвергают обязательной индивидуальной
градуировке.
Пример градуировочных характеристик термопар представлен
на рис. 94.
Рис. 94. Градуировочные характеристики термопар
Конструктивно термопары выполняются в виде трех модифика-
ций: с изолированным (от корпуса) спаем (рис. 95, а), с неизолированным спаем (рис. 95, б), с открытым спаем (рис. 95, в).
178
Рис. 95. Модификации термопар: а - с изолированным спаем;
б - с неизолированным спаем; в - с открытым спаем
Назначение корпуса - защита термоэлектродов от механических и физико-химических воздействий среды. Внутреннее пространство термопары для лучшей теплопроводности заполнено порошком
окиси алюминия (AI2O3). Вид конструктивного оформления влияет на
динамические характеристики. Наиболее быстродействующей является конструкция с открытым спаем.
Существует модификация термопары - термоэлектрический кабель, состоящий из металлической оболочки (например, нержавеющей стали) и термоэлектродов. Внутреннее пространство заполнено
порошком AI2O3 (рис. 96). На основе таких кабелей можно реализовать любую конструкцию термопары. При внешнем диаметре кабеля
1,5 ÷ 2,0 мм термопара с неизолированным спаем имеет постоянную
времени нагрева τ = 0,05 с, а с изолированным - 0,2 с.
Рис. 96. Термоэлектрический кабель
Из-за изменения температуры свободных концов термопары
возникает дополнительная погрешность измерения температуры.
Термопара градуируется при tо = 0, поэтому при отклонении tо от нуля и возникает погрешность. Из-за нелинейности зависимости Е = f(t)
поправка не будет равна tо.
Для определения поправки Δt = f(tо) существуют градуировочные кривые (таблицы) по которым находится ΔE = f(tо), вычисляется
Е = Е
.+ ΔE(tо) и по нему определяется t.
изм
179
Термостатирование холодного спая технически неудобно. Поэтому существует схемотехнический способ (рис. 97) компенсации
температуры холодного спая.
Рис. 97. Схема компенсации температуры холодного спая
Термосопротивление R0 имеет температуру холодного спая,
при изменении которой изменяется компенсирующее напряжение Uк.
Сопротивление моста и напряжение U подобраны таким образом, что
закон изменения напряжения Uк от температуры, окружающей холодные спаи термопары, автоматически повторяет изменения ЭДС
холодных спаев и компенсирует ее.
Когда в измерительной системе необходимо соединить много
одинаковых термопар, рассмотренный метод может быть неприемлем. Кроме того, компенсационные (удлинительные) провода могут
быть достаточно дороги. Тогда каждая термопара соединяется с измерительным прибором медными проводами, а температура холодного спая измеряется отдельной термопарой, образуемой удлинительными проводами .
Особенности измерения температуры с помощью термопар.
1. Малый сигнал постоянного напряжения на зажимах термо-
пары (от 70 до 1,5 мкВ/град).
2. Изменение температуры холодных концов термоэлектродов.
3. Инородность проводников, подключающих измерительный
прибор к термопаре (лучше компенсационными проводами).
4. Нестабильность характеристик во времени.
5. Влияние внешних магнитных полей.
6. Влияние ионизирующего излучения.
7. Воздействие внешнего давления.
180
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]