Раздел 1
Методы и средства измерений температуры
Лекция 3
Термоэлектрические преобразователи Элементы теории термопар
Электронный образовательный ресурс: «Технические измерения и приборы» |
|
доцент, к.т.н. Цыпин А.В. |
65 |
|
Методы и средства измерений температуры Термоэлектрические преобразователи
Средства измерения температуры
Контактные Бесконтактные
волюметрические (изменение объема)
стеклянные термометры 
манометрические термометры
дилатометрические (изменение длины)
биметаллические термометры
термосопротивления (изменение сопротивления)
термоэлектрические (изменение термо ЭДС)
пирометрические |
спектрального отношения |
полного излучения |
монохроматические |
Электронный образовательный ресурс: «Технические измерения и приборы» |
|
доцент, к.т.н. Цыпин А.В. |
66 |
|
Методы и средства измерений температуры Термоэлектрические преобразователи
Элементы теории термопар
Эффект Зеебека (открыт в 1822, применен в 1826)
явление возникновения ЭДС в электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах.
Томас Иоганн Зеебек
Электронный образовательный ресурс: «Технические измерения и приборы» |
|
доцент, к.т.н. Цыпин А.В. |
67 |
|
Методы и средства измерений температуры Термоэлектрические преобразователи
Элементы теории термопар
Напряжение разомкнутой цепи
UAB (t1, t2), зависящее от
температур t1 и t2, называется:
термоэлектрической
электродвижущей
силой
EAB t2 ,t1 EAB t2 EAB t1
Почему мы используем разность потенциалов разомкнутой цепи?
Электронный образовательный ресурс: «Технические измерения и приборы» |
|
доцент, к.т.н. Цыпин А.В. |
68 |
|
Методы и средства измерений температуры Термоэлектрические преобразователи
Элементы теории термопар
Мы используем напряжение на концах разомкнутой цепи (когда один из стыков электрически разъединен), так как в замкнутой цепи ток и
напряжение зависят от удельного электросопротивления проводов.
Электронный образовательный ресурс: «Технические измерения и приборы» |
|
доцент, к.т.н. Цыпин А.В. |
69 |
|
Методы и средства измерений температуры Термоэлектрические преобразователи
Элементы теории термопар Эффект Пельтье (1834): при прохождении тока
через спай двух разных проводников температура спая изменяется.
Этот эффект обратен эффекту Зеебека
Жан Шарль Пельтье
в 1838 Э.Х.Ленц, член Петербургской академии наук, показал, что при достаточно большой силе тока каплю воды, нанесенную на спай, можно либо заморозить, либо довести до кипения, изменяя направление тока. При одном направлении тока спай нагревается, а при противоположном
– охлаждается.
Электронный образовательный ресурс: «Технические измерения и приборы» |
|
доцент, к.т.н. Цыпин А.В. |
70 |
|
Методы и средства измерений температуры Термоэлектрические преобразователи
Элементы теории термопар Эффект Томпсона
если металлический проводник нагревать в одной точке и одновременно пропускать по нему электрический ток, то на концах проводника, равноудаленных от точки нагрева, возникает разность температур.
На том конце, где ток направлен к месту нагрева, температура понижается, а на другом конце, где ток направлен от точки нагрева, – повышается.
Коэффициент Томсона – единственный термоэлектрический коэффициент, который может быть измерен на однородном проводнике.
Уильям Томсон, лорд Кельвин
Электронный образовательный ресурс: «Технические измерения и приборы» |
|
доцент, к.т.н. Цыпин А.В. |
71 |
|
Методы и средства измерений температуры Термоэлектрические преобразователи
Элементы теории термопар
Эффект Томсона
При пропускании тока через проводник, нагреваемый в средней точке, один его конец немного нагревается, а другой слегка охлаждается. Какой именно нагревается, а какой охлаждается – это зависит от направления тока в цепи.
Электронный образовательный ресурс: «Технические измерения и приборы» |
|
доцент, к.т.н. Цыпин А.В. |
72 |
|
Методы и средства измерений температуры Термоэлектрические преобразователи
Элементы теории термопар Экспериментальный закон Магнуса:
EAB t2 ,t1 EAB t2 EAB t1
Если материалы цепи однородны, то |
Генрих Густав Магнус |
термо-ЭДС зависит только от |
|
выбранных материалов и от |
|
температур спаев. |
|
Электронный образовательный ресурс: «Технические измерения и приборы» |
|
доцент, к.т.н. Цыпин А.В. |
73 |
|
Методы и средства измерений температуры Термоэлектрические преобразователи
Элементы теории термопар Экспериментальный закон Магнуса:
Если термоэлектрические свойства данной пары
проводников известны и один из спаев (скажем, с
температурой t1) поддерживается при точно известной
температуре (например, 0° C, точке замерзания воды), то термо-ЭДС пропорциональна температуре t2 другого спая.
Электронный образовательный ресурс: «Технические измерения и приборы» |
|
доцент, к.т.н. Цыпин А.В. |
74 |
|
Методы и средства измерений температуры Термоэлектрические преобразователи
Элементы теории термопар
Принятые обозначения:
t0 – температура холодного спая t – температура горячего спая E(t,t0) – термо-ЭДС термопары
Электронный образовательный ресурс: «Технические измерения и приборы» |
|
доцент, к.т.н. Цыпин А.В. |
75 |
|
Методы и средства измерений температуры Термоэлектрические преобразователи
Элементы теории термопар
Алгоритм применения термопар для измерения температуры:
1.рабочий (горячий) конец термопары помещается в
контролируемую среду
2.температура свободного (холодного) спая
стабилизируется
3.измеряется ЭДС развиваемая термопарой
4.по градуировочной характеристике определяется температура
Электронный образовательный ресурс: «Технические измерения и приборы» |
|
доцент, к.т.н. Цыпин А.В. |
76 |
|
Методы и средства измерений температуры Термоэлектрические преобразователи
Элементы теории термопар
Определение температуры: выходным сигналом является напряжение, поэтому необходим вторичный
прибор
Теорема о третьем проводнике: включение в цепь
термопары третьего проводника из любого материала не
вызывает искажения термо-ЭДС, если температуры мест
присоединения этого проводника одинаковы
Электронный образовательный ресурс: «Технические измерения и приборы» |
|
доцент, к.т.н. Цыпин А.В. |
77 |
|
Методы и средства измерений температуры Термоэлектрические преобразователи
Элементы теории термопар
Способы включения измерительного прибора
В разрыв |
В разрыв |
свободных концов |
электрода |
Электронный образовательный ресурс: «Технические измерения и приборы» |
|
доцент, к.т.н. Цыпин А.В. |
78 |
|
Методы и средства измерений температуры Термоэлектрические преобразователи
Элементы теории термопар
Два любых разнородных проводника могут образовать термопару, но не любая термопара может быть использована для практического применения по измерению температуры!
Какие требования к материалам термопреобразователей должны предъявляться?
Электронный образовательный ресурс: «Технические измерения и приборы» |
|
доцент, к.т.н. Цыпин А.В. |
79 |
|
Методы и средства измерений температуры Термоэлектрические преобразователи
Элементы теории термопар
Требования к материалам
1.высокая чувствительность (мВ/К)
2.низкое удельное сопротивление
3.воспроизводимость материалов – одинаковая зависимость термо-ЭДС от температуры
4.жаропрочность
5.химическая стабильность
Электронный образовательный ресурс: «Технические измерения и приборы» |
|
доцент, к.т.н. Цыпин А.В. |
80 |
|
Методы и средства измерений температуры Термоэлектрические преобразователи
Основные характеристики ТЭП
Номинальная статическая характеристика –
зависимость развиваемой термопарой термоЭДС от температуры рабочего спая при температуре свободных концов 0 оС.
Коэффициент преобразования
(чувствительность) – отношение изменения термо-ЭДС, вызванной изменением температуры рабочего конца к значению этого изменения
E t,0 f t
S E
t S dEdt
Чтобы вторичная шкала вторичного прибора была равномерной необходимо, чтобы коэффициент преобразования термопары не зависел бы от измеряемой температуры в пределах диапазона измерения. В противном случае необходимо выполнять операцию линеаризации.
Электронный образовательный ресурс: «Технические измерения и приборы» |
|
доцент, к.т.н. Цыпин А.В. |
81 |
|
Методы и средства измерений температуры Термоэлектрические преобразователи
Обозначение:
ТХА(У)
Т– термопара
Х– положительный электрод (хромель)
А– отрицательный электрод (алюмель)
(У) – встроенный нормирующий преобразователь
СОГЛАСНО ГОСТ Р 50431-92 ДЛЯ ОБОЗНАЧЕНИЯ ТЕРМОПАР ДОЛЖНЫ ПРИМЕНЯТСЯ ТОЛЬКО ЛАТИНСКИЕ БУКВЫ (МЕЖДУНАРОДНЫЙ СТАНДАРТ)
Электронный образовательный ресурс: «Технические измерения и приборы» |
|
доцент, к.т.н. Цыпин А.В. |
82 |
|
Методы и средства измерений температуры Термоэлектрические преобразователи
Элементы теории термопар
Подгруппа |
Обозна-чение |
Международное |
Диапазон длительного |
Коэффициент |
||||
|
|
обозначение |
(кратковременного) |
преобразования |
||||
|
|
(ГОСТ Р50431-92) |
применения, оС |
мВ/оС 103 |
||||
Вольфрамрений - |
ВР(А) – 1 |
А – 1 |
0 … |
2200 (2500) |
12,1 … 9,2 |
|||
ВР(А) – 2 |
А – 2 |
0 … |
1800 (2500) |
11,8 |
… 11,4 |
|||
вольфрамрениевые |
||||||||
ВР(А) – 3 |
А – 3 |
0 … |
1800 (2500) |
11,9 |
… 11,3 |
|||
|
||||||||
Платинородий - |
ПР |
В |
300 … 1600 (1800) |
3,1 |
… 5,9 |
|||
платинородиевые |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
Платинородий - |
ПП |
S |
0 … |
1300 (1600) |
5,5 … 12,1 |
|||
платиновые |
ПП |
R |
0 … |
1300 (1600) |
5,4 … 14,1 |
|||
Хромель - |
ХА |
К |
-200 … 1000 |
(1300) |
16,1 |
… 39,0 |
||
алюмелевые |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
Хромель - |
ХК |
L |
-200 |
… 600 |
(800) |
28,5 |
… 87,8 |
|
константановые |
ХК |
E |
-200 |
… 700 |
(900) |
26,3 |
… 79,8 |
|
Никросил - |
НН |
N |
-270 … 1300 |
(1300) |
0,9 … 36,2 |
|||
нисиловые |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
Медь - |
МК |
Т |
-200 |
… 700 |
(900) |
16,4 |
… 61,7 |
|
константановые |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
Железо - |
ЖК |
J |
-200 |
… 700 |
(900) |
23,1 |
… 62,0 |
|
константановые |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
Электронный образовательный ресурс: «Технические измерения и приборы» |
|
доцент, к.т.н. Цыпин А.В. |
83 |
|
Методы и средства измерений температуры Термоэлектрические преобразователи
Термоэлектрические преобразователи
Термоэлектрический преобразователь -
прибор в основе которого
заложена термопара с изолированными электродами и помещенная в защитную
арматуру.
1.защитный чехол
2.штуцер
3.головка
4.клеммник
5.термопровода
6.керамические
изоляторы (бусы)
7.рабочий спай
Электронный образовательный ресурс: «Технические измерения и приборы» |
|
доцент, к.т.н. Цыпин А.В. |
84 |
|
Методы и средства измерений температуры Термоэлектрические преобразователи
Термоэлектрические преобразователи
Для ТЭП нормируется предел отклонения реальной градуировочной характеристики от номинальной.
Классы точности обозначаются цифрами 1, 2, 3 в порядке увеличения погрешности
Электронный образовательный ресурс: «Технические измерения и приборы» |
|
доцент, к.т.н. Цыпин А.В. |
85 |
|
Методы и средства измерений температуры Термоэлектрические преобразователи
Погрешность измерения температуры с помощью ТЭП
НСХ |
Класс точности |
Диапазон измерений, оС |
Предел допускаемых |
||
|
|
отклонений, оС |
|||
|
|
|
|||
|
3 |
-250 … -166,7 |
0,015 |
|t| |
|
|
-166,7 … 40 |
2,5 |
|
||
|
|
|
|||
ХА (К) |
2 |
-40 … 333,4 |
2,5 |
|
|
333,4 … 1350 |
0,0075 |t| |
||||
|
|
||||
|
1 |
-40 … 375 |
0,5 |
|
|
|
375 … 1350 |
0,004 |
|t| |
||
|
|
||||
|
3 |
-200 … -100 |
0,015 |
|t| |
|
ХК (L) |
-100 … 100 |
2,5 |
|
||
|
|
||||
2 |
-40 … 300 |
2,5 |
|
||
|
|
||||
|
300 … 800 |
0,7+0,005 |t| |
|||
|
|
||||
|
2 |
0 … 600 |
1,5 |
|
|
ПП (R) |
600 … 1600 |
0,0025 |t| |
|||
|
|||||
1 |
0 … 1100 |
1,0 |
|
||
|
|
||||
|
1100 … 1600 |
1,0+0,003(t–1100 ) |
|||
|
|
||||
Электронный образовательный ресурс: «Технические измерения и приборы» |
|
доцент, к.т.н. Цыпин А.В. |
86 |
|