Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теплофизические основы судовой энергетики. Раздел 1 «Теплотехника». Практикум
.pdf
31
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 8
),(0ttЕ
АВ
)(tЕ
АВ
)(0tЕ
АВ
),(0ttЕ
АВ
)(te
АВ
)(0te
АВ
t
0
t
0
t
0
t
),(0ttЕ
АВ
Ft
Е
t
E
t
E
410
t
Тема: «Термоэлектрические измерители температуры (термопары)»
Продолжительность 2 часа
1. Краткие теоретические, справочно-информационные материалы
Термопары применяются для измерения температур в диапазоне от –200
до 2500°С. Они обладают высокой точностью и могут быть использованы в
автоматизированных системах сбора и обработки экспериментальных данных.
В основу термоэлектрического метода измерения температуры положен
эффект Зеебека. В разомкнутой цепи, составленной из двух различных и
термоэлектрически однородных проводников, спаи которых помещены в среды
с различными температурами, возникает термо-э.д.с, пропорциональная
разности температур спаев. Таким образом, термо-э.д.с. термопары
равна разности контактных термо-э.д.с.
=
где
и
поэтому, полагая в уравнении (8.1)
— температуры спаев.
поддерживается постоянной, равной 0°С,
= const, получим
=
и
-
:
(8.1)
. (8.2)
Зависимость (8.2) может быть найдена при градуировке термопары
методом сравнения ее показаний с показаниями образцового измерителя
температуры. Результаты градуировки представляют в виде таблиц или
графиков.
При измерениях температур в воздушной и нейтральной средах
распространены термопары из неблагородных металлов и их сплавов низкой
стоимости и высокой чувствительности. Основным недостатком термопар из
неблагородных металлов является то, что для их изготовления трудно получить
термоэлектрически однородную проволоку, а, следовательно, и обеспечить
хорошую воспроизводимость стандартной градуировочной кривой.
Хромель (84% Ni + 9,8% Сг+10% Fe + 0,2% Mn)-копелевые (56% Cu + 44% Ni)
термопары (ТХК).
ТХК имеют наибольшую термо-э.д.с. [
(100°С, 0°С) =6,88 мВ] по
сравнению с другими термоэлектрическими измерителями температуры, но
сравнительно невысокий верхний предел длительного использования (500...
600°С) в воздушной среде.
Хромель-алюмелевые (94% Ni + 2% Al + 2,5% Mn+1% Si+ 0,5% примеси)
термопары (ТХА). ТХА имеют более высокий температурный предел (1000°С),
но меньшую термо-э.д.с.
Существуют справочные данные по стандартным градуировочным
зависимостям ТХА и ТХК. Допустимые отклонения термо-э.д.с. от указанных в
таблице весьма значительны, но не должны превышать для термопары ТХА
= 0,16 мВ в диапазоне температур (50...300°С) и
= 0,16 + 2∙
(
—
32
300) мВ в диапазоне температур 300... 1300°С, а для термопары ТХК
t
E
t
E
510
При температурах ниже 200°С
используют «чулки», изготовленные
из стеклоткани.
Поправка на температуру холодного
спая. При градуировке термопар
температуру холодного спая
поддерживают равной 0°С. Однако
при технических и лабораторных
измерениях температура холодного
спая
0
t
бывает постоянна, но не равна
0°С, что вызывает необходимость
введения поправки.
Рис. 8.1. Схемы включения измерительного
прибора в цепь термопары
),(0ttЕ
АВ
),(0ttЕ
АВ
),(0ttЕ
АВ
),(00ttЕ
АВ
0
t
0
t
0
t
0
t
),(0ttЕ
АВ
Ft
t
t
0
t
= 0,2
мВ в диапазоне температур —50...300°С.
Платинородий (90% Pt+10% Rh) - платиновые (100% Pt) термопары (ПП).
Термопары ПП применяются для измерения температур 300... 1600°С в
окислительной и нейтральной средах. Они обладают наибольшей точностью и
используются в качестве эталонных измерителей температуры с допустимой
погрешностью, равной
= 0,01+2,5∙
(t–300) мВ в диапазоне 300... 1600°С.
Изготовление термопар. В теплотехнических измерениях используют
термоэлектродную проволоку диаметром ~0,5 мм, так как проволока меньшего
диаметра обладает большей неоднородностью материала.
Рабочий конец термопары (горячий спай) изготовляют путем сварки,
спайки или скрутки. Лучше использовать сварку. Сварка дуговая угольным
электродом при напряжении 15...20 В, либо контактная конденсаторная.
Холодный спай термопары изготовляют пайкой оловом (с канифолью).
Термопару перед градуировкой отжигают целиком при температуре,
превышающей рабочую.
При измерении температуры до 1300°С для изоляции термоэлектродов
применяют одноканальные и двухканальные, фарфоровые а при измерении
более высоких температур керамические трубки (соломку).
В этом случае значение термо-э.д.с.
температура на градуировочной кривой (или таблице), находится из уравнения
=
>
, а знак минус — случаю
±
предположении линейной зависимости
привести к существенной погрешности измерения температуры.
включения в цепь термопары измерительного прибора 4 (рис. 8.1) необходимо
либо разорвать один из термоэлектродов (а), либо разорвать холодный спай
термопары (б). На рисунке: 1 — горячий спай, 2 — холодный спай термопары.
Включение измерительных приборов в цепь термопары. Для
, по которому определяется
, где знак плюс соответствует случаю
<
. Следует учесть, что расчет в
=
, т. е.
=
+
может
33
Несмотря на различие схем а и б термо-э.д.с. в обоих случаях будет
Дело заключается в том, что условия работы
термопары отличаются от условий ее градуировки.
Поэтому вследствие имеющихся
термоэлектрических неоднородностей электродов
и различных механических повреждений
проволоки возникают дополнительные термо-
э.д.с, значения которых невозможно заранее
предусмотреть.
Рис. 8.2. Способы заделки
горячего спая термопары
одинаковой, так как термо-э.д.с. термопары не изменяется при введении в ее
цепь однородного проводника, если температуры его спаев одинаковы.
При измерении разности температур можно использовать
дифференциальную термопару, у которой оба спая являются рабочими (рис.
8.1,в). В этом случае необходимо знать одну из температур, иначе в измерение
будет внесена погрешность, обусловленная нелинейностью градуировочной
зависимости.
При измерении по схеме б холодные концы 2 спаивают с медными
проводниками и помещают в пробирки с маслом, которые опускают на глубину
100... 150 мм в сосуд Дьюара 3 с тающим льдом.
Погрешности измерения температуры термопарами из
неблагородных металлов и их сплавов. Допустимое отклонение, например,
термо-э.д.с. ТХА от стандартной градуировочной зависимости в диапазоне —
50...300°С составляет 0,16 мВ, что соответствует 4°С. Эта погрешность может
быть значительно уменьшена (до 0,25°С) путем индивидуальной тарировки
термопары. Однако, на самом деле, действительная погрешность измерения
температуры во много раз больше.
Кроме того, при высокой температуре в электродах термопары
происходят необратимые структурные изменения, которые также приводят к
изменению термо-э.д.с.
Вследствие указанных причин точность измерения температуры в диапазоне
400 ... 500°С не выше ±1,5°С, а в диапазоне 800... 900°С не выше ± 3... 4°С.
Точность измерения температуры поверхности зависит также от способа
установки (заделки) рабочего спая термопары, который необходимо плотно
соединить с поверхностью теплообмена сваркой, спайкой или приклеиванием
для обеспечения равенства температуры рабочего спая 1 термопары и
поверхности теплообмена 4 (рис. 8.2, а–в).
Однако даже в этом случае может иметь место методическая
погрешность, вызываемая нарушением первоначального распределения
температуры в месте установки рабочего спая термопары — в основном за счет
отвода теплоты вдоль электродов.
Способ, показанный на рис. 8.2, а, является наиболее неблагоприятным,
так как в этом случае отвод теплоты вдоль электродов 2 может существенно
исказить температурное поле в месте заделки рабочего спая термопары.
Установка металлической пластинки 3 (рис. 8.2, б) из материала с высокой
34
теплопроводностью приводит к уменьшению искажения температуры в месте
F
l
n
В
I
Рис. 8.3. Рамка в магнитном поле
Рис. 8.4. Схема соединения милливольтметра
с термопарой
AB
U
),(0ttЕ
АВ
ab
uвнR
м
R
),(0ttЕ
АВ
вн
R
у
R
м
R
ab
u
у
R
заделки вследствие увеличения контактной поверхности.
Методическая погрешность измерения температуры поверхности может
быть практически сведена к нулю, если электроды термопары, как показано на
рис. 8.2, б, укладывать вдоль поверхности теплообмена на длину (150... 200) d.
Измерение термо-э.д.с. термопар милливольтметрами.
Милливольтметры в комплекте с термопарами находят широкое применение в
практике измерения температур. Принцип действия милливольтметра основан
на использовании силы взаимодействия между постоянным током,
протекающим по обмотке подвижной рамки, и магнитным полем постоянного
магнита (рис. 8.3).
Сила, действующая на каждую сторону рамки, согласно закону Био–
Савара,
=
,
где l— активная сторона одного витка; n — число витков; В—
магнитная индукция; I — сила тока.
Схема соединения милливольтметра с термопарой показана на рис. 8.4.
Напряжение на зажимах милливольтметра
где
—термо-э.д.с. термопары;
— внешнее сопротивление, включая
сопротивление термопары и добавочного резистора
=
;
-
/
— внутреннее
сопротивление милливольтметра. Таким образом, напряжение на зажимах
милливольтметра всегда меньше термо-э.д.с. на значение падения напряжения
во внешней цепи. В свою очередь, падение напряжения
тем меньше, чем
больше внутреннее сопротивление милливольтметра. Поэтому для увеличения
точности измерения термо-э.д.с. милливольтметры должны быть
высокоомными с малым собственным потреблением мощности.
На стабильность показаний милливольтметра существенное влияние
оказывает изменение температуры окружающей среды, приводящее к изменению
тока в цепи прибора. Для уменьшения этого эффекта в цепь милливольтметра
включают добавочное сопротивление
из манганина, температурный
коэффициент электрического сопротивления которого равен нулю.
,
35
Измерение термо-э.д.с. потенциометрами. Компенсационный метод
к
R
НЭ
Е
НЭ
Е
к
R
p
R
p
R
),(0ttЕ
m
I
p
R
m
p
R
p
R
p
R
),(0ttЕ
НЭ
E
m
p
R
к
R
Из уравнения (8.5) следует, что измеряемая
термо-э.д.с. зависит только от
сопротивления, поэтому для удобства
пользования потенциометром его шкала
градуирована не в Ом, а в милливольтах;
значение термо-э.д.с. считывается со шкалы
в момент компенсации. Таким образом, при
измерении термо-э.д.с. потенциометром в
цепи термопары отсутствует падение
напряжения, а, следовательно, и искажение
термо-э.д.с.
Рис. 8.5. Схема потенциометра с
постоянной силой рабочего тока
измерения термо-э.д.с. с помощью потенциометра основан на уравновешивании
измеряемой термо-э.д.с. известным напряжением, создаваемым стабильным
источником постоянного тока (нормальным элементом). Таким образом, в
отличие от милливольтметра в момент измерения ток в цепи потенциометра
отсутствует, а, следовательно, и отсутствует искажение измеряемой термо-э.д.с.
На рис. 15.5 показана принципиальная схема потенциометра с постоянной
силой рабочего тока. Для установления рабочего тока I переключатель П
устанавливают в положение К. В этом случае нормальный элемент НЭ будет
последовательно соединен с контрольным резистором RK и нулевым прибором
НП. Ток в компенсационной цепи регулируется сопротивлением R1 до тех пор,
пока падение напряжения на
не станет равным напряжению нормального
элемента
. Стрелка нулевого прибора устанавливается на нулевой отметке
шкалы, а рабочий ток в цепи будет равен
I=
/
. (8.3)
Затем переключатель П устанавливают в среднее положение, а движок с
реостата
— в положение, примерно соответствующее измеряемой термо-
э.д.с. После этого переключатель П устанавливают в положение И и
перемещают движок реостата до тех пор, пока нулевой прибор снова не
установится на нулевой отметке шкалы, т. е. когда компенсирующее
напряжение
Здесь
Подставляя (8. 3) в (8.4), окончательно найдем
между точками b и c сравняется с термо-э.д.с. термопары:
=
=
/
, где
— часть сопротивления реостата левее движка с.
. (8.4)
=
/
. (8.5)
потенциометры типа КСП, в которых регулирование компенсирующего
напряжения производится автоматически. Автоматические потенциометры в
зависимости от их назначения выпускаются с градуировкой в °С или мВ.
Автоматические самопишущие потенциометры КСП-4 выпускаются
одноточечными и многоточечными (до 12 точек) с ленточной диаграммой
Широкое распространение получили автоматические самопишущие
36
(нормальных габаритов) классов точности 0,25 и 0,5, КСП-2 (малогабаритные)
— класса точности 0,5.
Пределы допустимых основных погрешностей показаний приборов КСП4 классов 0,25 и 0,5 соответственно равны ±0,25 и ±0,5%, а пределы
погрешностей записи ±0,5% (КСП-2—1 %). Пределы допустимых основной
погрешности измерения и записи выражаются в процентах нормирующего
значения измеряемой величины, а допустимая градуировочная погрешность
термопары нормируется в виде абсолютной погрешности в мВ.
Приборы типа КСП выпускаются также с дополнительными
устройствами для дистанционной передачи информации. Некоторые
модификации приборов снабжены преобразователями с выходным
унифицированным сигналом постоянного тока (0... 5 мА) или напряжения (0...
10 В) с пределом основной погрешности унифицированного сигнала, не
превышающим 1%.
2. Перечень (образцы) раздаточного материала, используемого на занятии
Раздаточный материал: термопары, милливольтметр, соединительные
провода, спиртовка.
3. Практические задачи, задания, упражнения
Собрать измерительную цепь для определения температуры с помощью
термопары. Задействовать нагреватель. Аккуратно ввести спай термопары в
пламя в нижнюю зону пламени нагревателя. Зафиксировать показания
милливольтметра. Перенести спай термопары в среднюю, а затем в верхнюю
зону пламени. Объяснить наблюдающиеся изменения в показаниях
милливольтметра.
4. Задания студентам для самостоятельной работы
1. В каких случаях при использовании термопар можно не
контролировать температуру второго спая?
2. Почему температура клемм измерительного прибора не влияет на
результат измерений температуры с помощью термопары?
3. Как изменится характеристика термоэлектрического термометра, если
температура свободных концов его увеличится?
4. Как зависит термо-э.д.с. от температуры?
Контрольные вопросы, тесты, задания по теме занятия.
1. Почему спай термопар изготавливается с помощью сварки, а не
пайки?
2. Какого топа термопары применяются при измерении очень высоких
температур?
37
3. Какие преимущества и недостатки термопар перед другими
средствами измерения температуры?
4. Назовите способы заделки горячего спая термопары.
38
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 9
0,100
100
R
0
R
0
R
0
R
100
R
100
R
0
R
0,100
0,100
310
100
R
0
R
t
R
0
R
2
Bt
Тема: «Термометры сопротивления»
Продолжительность 2 часа
1. Краткие теоретические, справочно-информационные материалы
Термометры сопротивления находят широкое применение в практике
измерения температур в диапазоне от –260 до 750°С, а в отдельных случаях и
до 1000°С. Принцип действия термометров сопротивления основан на эффекте
изменения электрического сопротивления проводников с изменением
температуры.
Наиболее подходящим материалом для изготовления термометров
сопротивления являются чистые металлы (Pt, Cu, Ni и др.), так как чистые
металлы обладают высоким значением температурного коэффициента
электрического сопротивления и хорошей воспроизводимостью
термометрических свойств.
Температурный коэффициент электрического сопротивления (1/К)
определяют в интервале температур от 0 до 100°С
=(
-
)/(100
),
где
соответственно. Чем выше чистота металла, тем выше значения
и
— электрическое сопротивление металла при 0 и 100°С
/
и
Исследования последних лет показали, что для изготовления
термометров сопротивления могут быть использованы некоторые
полупроводники, так как их температурный коэффициент электрического
сопротивления оказался на порядок выше, чем у чистых металлов, поэтому в
настоящее время полупроводниковые термометры сопротивления находят
применение при измерении низких температур (1,3... 400 К).
Платиновый термометр сопротивления является самым точным
прибором для измерения температур в диапазоне от –260 до 750°С (в
отдельных случаях до 1100°С), так как платина высокой степени чистоты имеет
высокую воспроизводимость термометрических свойств и высокое значение
температурного коэффициента электрического сопротивления (
3,92∙
1/°С). Платиновые термометры сопротивления используются как
=
эталонные измерители температуры МПТШ-68 для воспроизведения в области
от —259,34 до 630,74°С, при этом чистота платины должна быть такой, чтобы
соблюдалось отношение сопротивлений
/
≥1,392. Для интервала
.
температур от 0 до 630°С зависимость сопротивления платинового термометра
от температуры имеет вид
=
(1+At+
). (9.1)
Кроме образцовых и лабораторных платиновых термометров
промышленность выпускает технические платиновые термометры
сопротивления типа ТСП двух классов для длительного измерения температур
в диапазоне от — 200 до 650°С. В зависимости от области измерения
39
температуры используют ТСП с номинальным значением сопротивления при
310
1
С
710
2
С
310
t
310
t
1
R
Рис. 9.1. Устройство платинового термометра
сопротивления
Рис. 9.2. Схема включения термометра
сопротивления в электрическую цепь
0°С, равным 10,46 и 100 Ом, которым присвоены следующие обозначения
градуировки: Гр20, Гр21 и Гр22. Значения электрического сопротивления ТСП,
приведенные в градуировочных таблицах, вычисляются по уравнению (9.1) со
следующими значениями постоянных коэффициентов: А = 3,96847∙
=—5,847∙
.
; В
Максимально допустимое отклонение измеряемой температуры от
табличных значений в интервале от 0 до 650°С не должно превышать:
для приборов 1-го класса ± (0,15 + 3∙
для приборов 2-го класса ± (0,30 + 4,5∙
);
).
На рис. 9.1 показано устройство чувствительного элемента лабораторного
платинового термометра сопротивления конструкции П. Г. Стрелкова. Каркас 1
термометра геликоидальной формы изготовлен из плавленого кварца.
Платиновая проволока 2 диаметром 0,05...0,1 мм, свитая в спираль, закреплена
в каркасе. К верхним концам спирали приварено по два вывода 3 из платиновой
проволоки диаметром 0,3 мм. Чувствительный элемент помещен в защитную
кварцевую гильзу 4 диаметром 5... 6 мм и длиной 50... 100 мм, заполненную
гелием или другим газом при давлении 0,02 МПа. При тарировке и точном
измерении температуры сопротивление термометра определяют
компенсационным методом, при этом термометр сопротивления должен иметь
четыре вывода 3. Только в этом случае компенсационный метод позволяет
исключить влияние соединительных проводов на результаты измерений.
Термометр сопротивления включается последовательно с образцовым
резистором RN в цепь источника постоянного тока (рис. 9.2). В качестве
образцового резистора используют катушку сопротивления класса 0,01 или
0,02. Ток в измерительной цепи I устанавливается с помощью реостата
и
контролируется лабораторным потенциометром класса точности 0,01 или 0,02
по падению напряжения на образцовом сопротивлении RN.
Для избежания нагрева чувствительного элемента устанавливают
значение тока не более 2 мА.
Для измерения сопротивления термометра лабораторным
потенциометром последовательно измеряют падение напряжения Ut на
термометре и
Так как сила тока I в измерительной цепи постоянна, то UN = I
Ut = I
откуда
R
t
UN на образцовом сопротивлении.
= Ut /(U
R
t
R
N
). (9.2)
N
R
N
, a
Температуру (в пределах от 0 до 630°С) по измеренному сопротивлению
определяют по формуле (9.1): решая уравнение относительно t, получают
=2R/[
t
А
1 1 4 /BR A
2
], (9.3)
где А, В — коэффициенты уравнения (9.1).
2. Перечень (образцы) раздаточного материала, используемого на занятии
Раздаточный материал: термометр сопротивления, сосуд с горячей водой,
логометр, соединительные провода.
3. Практические задачи, задания, упражнения
Собрать измерительную цепь для определения температуры с помощью
термометра сопротивления. Аккуратно погрузить термометр сопротивления в
сосуд с горячей водой. Наблюдать за показаниями логометра. Объяснить
наблюдающиеся изменения в показаниях прибора.
4. Задания студентам для самостоятельной работы
Медный термометр сопротивлении имеет сопротивление при 20°С 1,75
Ом. Найти его сопротивление при 100°С. Температурный коэффициент
310
=4,26∙
К
1
.
Найти характеристики термометра сопротивления, изготовленного и
платины марки Пл-2.
Определить сопротивление термометра, изготовленного из платины
марки Пл-2 при температуре - 163°С (температура кипения метана при
нормальных условиях). Сопротивление термометра при 0°С оставляет 7,45 Ом.
Контрольные вопросы, тесты, задания по теме занятия.
1. Когда необходимо использовать для измерения температуры мостовые
схемы, а когда логометры?
2. Когда используют платиновые термометры сопротивления, а когда
медные?
3. Какой термометр сопротивления чувствительнее полупроводниковый
или медный?
4. Почему шкала у полупроводникового термометра сопротивления
нелинейная?
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]