МСиС / M_lab_PDF / LAB8

1

Лабораторная работа № 8

ИССЛЕДОВАНИЕ И ПОВЕРКА ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

1. Цель работы

Изучение конструкции, принципа действия и метрологических характеристик промышленных термоэлектрических преобразователей, а также приобретение практических навыков их поверки.

2. Теоретическая справка

Принцип действия термоэлектрического преобразователя (термопары) ос-

нован на термоэлектрическом эффекте, который заключается в возникновении на границе раздела двух различных металлов (термоэлектродов) P и Q, как показано на рис. 1., контактной разности потенциалов, зависящей от вида металлов и от температуры контактов

Е = ЕPQ(t1) - ЕPQ(t2),

где Е - термо-ЭДС термопары.

Рис. 1.

Если t1 = t2, то Е = 0, так как ЕPQ(t1) = ЕPQ(t2). Места контактов проводников называются спаями термопары. Холодными или свободными спаями называют спаи, к которым подключены измерительные цепи, горячими или рабочими спаями называются спаи, помещаемые в контролируемую среду.

Основные свойства термопар:

1)если в цепь термопары включить третий проводник с произвольным -со противлением R, как показано на рис. 2., не изменяя температуры его концов t2' = t2" = t2, то общая ЭДС Е термопары не изменится. Это свойство позволяет подключать к термопарам измерительные цепи и измерительные приборы;

2)ЭДС термопары является функцией двух независимых температуртем- ператур ее спаев Е = Е(t1,t2), и не зависит от распределения температур в других точках термопары. Благодаря этому свойству, при помощи термопары можно измерять температуру в конкретной локализованной точке среды;

3)если термопара имеет температуры спаевt и t0, то ее термо-ЭДС будет равна алгебраической сумме двух ЭДС, одна из которых генерируется при темпе-

_______________________________

©Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 8

2

ратурах спаев t и t0', а другая - при температурах t0' и t0

Это свойство используется при измерении температуры спая t, если температура второго спая t0' отличается от температуры t0, при которой была произведена градуировка термопары.

Рис. 2.

На практике используется несколько типов стандартных термопар в соответствии с ГОСТ 6616-84. Перечислим основные: ТПП - платинородий-платина (10% родия); ТПР - платинородий-платинородий (30% и 6% родия); ТХА -

хромель-алюмель (90%Ni+10%Cr – 94,83%Ni+2%Al+2%Mn+1%Si+0,17%Fe);

ТХК - хромель-копель (56%Cu+44%Ni); ТВР - вольфрамрений-вольфрамрений (5% и 20% рения).

Градуировочные характеристики и допустимые основные погрешности стандартных термопар приведены в ГОСТ 3044-84. Стандартные градуировочные характеристики приводятся при температуре холодных или свободных спаевt=00С.

Диапазон температур, при которых возможно применение какого-либо из типов стандартных термопар составляет от –2000С до +22000С.

Термо-ЭДС термопар обычно не превосходит50 мВ. Следовательно, требуются высокочувствительные измерительные приборы для ее измерения. В качестве таких приборов чаще всего используются магнитоэлектрические милливольтметры, называемые пирометрическими, а также низкоомные ручные или автоматические потенциометры постоянного тока.

Рабочий спай термопары помещается в контролируемую среду, а к свободным концам подключается измерительный прибор. Если температура свободных концов постоянна, то такое подключение может быть произведено медными проводами, а если непостоянна, то оно выполняется специальными удлинительными (компенсационными) проводами. Эти провода подбираются из различных металлов так, чтобы при температуре свободных спаев в паре между собой они имели такие же термоэлектрические свойства, как и рабочая термопара, но при этом были бы значительно дешевле. Таким образом, компенсационные провода удлиняют основную термопару и дают возможность отвести холодный спай образованной составной термопары в такое место, где температура остается постоянной. Для стандартных термопар выпускаются стандартные компенсационные провода, например, для термопары хромель-алюмель такими проводами служат проводники из меди и константана. На рис. 3. изображено подключение высокотемпературной

_______________________________

©Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 8

3

термопары (PQ), рассчитанной на работу при температурах около10000С, к пирометрическому милливольтметру с помощью компенсационных проводов (P'Q').

Рис. 3.

Одной из причин погрешности при измерениях термопарой является несоответствие температуры ее свободных концов, температуре при которой была произведена градуировка. При нулевой температуре свободных концов функция Е(t,0) совпадает со стандартной градуировочной таблицей, приведенной в ГОСТ. Значение Е(t,t0'), где t0' - реальная температура свободных концов термопары, измеряется экспериментально. Если действительная температура свободных концов

t0' известна, то с помощью стандартных градуировочных таблиц можно определить поправку Е(t0',0), и с использованием формулы (1) по Е(t,t0') и Е(t0',0) вычислить Е(t,0), по которой и определить измеряемую температуру с помощью градуировочных таблиц.

На практике, когда значение t0' относительно постоянно, поправку вносят на этапе градуировки измерительного прибора или путем сдвига его стрелки с -по мощью корректора нуля. Если температура свободных концов изменяется в незначительных пределах, поправка может вводиться автоматически, как показано на рис. 4., путем включения в одно из плеч измерительного моста медного термосопротивления Rt, которое помещается вблизи свободных спаев термопары.

Рис. 4.

_______________________________

©Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 8

4

Изначально мост уравновешивается с помощью сопротивленийR1, R2 и R3 при температуре t = 0 0С. Если же температура свободных спаев термопары будет отличаться от 0 0С, мост выйдет из состояния равновесия и на его диагонали появится ЭДС D Е, которое компенсирует изменение ЭДС ЕТ, вызванное изменением температуры свободных концов термопары. Такой метод обычно используется и в автоматических потенциометрах, работающих в комплекте с термопарами.

Другой причиной погрешностей является зависимость сопротивления проводников термопары и измерительных цепей от температуры, что при незначительном входном сопротивлении пирометрического милливольтметра может привести к искажению результатов измерения. Чтобы избежать этого милливольтметры обычно градуируют по температуре в комплекте с определенной термопарой, а сопротивление линии подгоняют к стандартному значению для данного милливольтметра (обычно это 5 или 15 Ом) изменением сопротивлений добавочных катушек непосредственно при монтаже прибора. В компенсационных схемах измерения таких погрешностей не бывает вообще, так как в режиме равновесия ток в измерительной цепи отсутствует , иследовательно, напряжение на сопротивлении этой цепи не падает.

Все термопары характеризуются тепловой инерционностью и разделяются по этому признаку на малоинерционные, постоянная времени Т которых менее 10 с; среднеинерционные (10 с< Т <60 с) и термопары большой инерционности (Т>60

с).

Конструктивно термопары могут быть изготовлены с открытым или закрытым рабочим спаем. В последнем случае их внешний вид и конструкция защитной арматуры очень похожи на внешний вид и конструкцию термометров сопротивления. Единственным отличием будет то, что проводники термопары укладываются в продольные канавки керамического каркаса, а не наматываются на него в виде спирали, как в термометре сопротивления. При открытом рабочем спае арматура термопары помещается не в металлическую гильзу, а в металлическую трубку таким образом, что с одной стороны из нее торчит рабочий спай, а с другой - измерительные выводы, как показано на рис. 5.

Рис. 5.

3.Используемые приборы и оборудование

1.Термопары типов хромель-копель (ТХК) и хромель-алюмель (ТХА) (градуирвочные характерстики которых приведены в Приложении).

2.Ручной низкоомный потенциометр постоянного тока типаПП-63 (см. приложение к лабораторной работе №1).

_______________________________

©Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 8

5

3. Лабораторная установка для исследований и поверки датчиков температуры.

4. Описание лабораторной установки

Описание лабораторной установки для исследований и поверки датчиков температуры приведено в методических указаниях к лабораторной работе № 7.

5.Последовательность выполнения работы

1.При отключенном стенде открыть дверцу печи и ознакомиться с расположением нагревателей и датчиков температуры.

2.Закрыть дверцу печи и установить заграждающий экран.

3.Собрать схему для поверки термопарыхромель-копель. Для чего переключить тумблер на лабораторной установке в положениеХК, разместить потенциометр ПП-63 на откидном столе и соединить его клеммы Х с клеммами 13 и 14 стенда (см. рис. 5. в лабораторной работе №7) с учетом полярности.

лабораторной работе №1. Измерить термо-ЭДС термопары при одинаковой температуре (20 оС) ее рабочих и свободных спаев.

5.С помощью лимба регулятора4 (см. рис. 5. в лабораторной работе №7) задать нагревание печи до 200 0С.

6.Включить пакетный переключатель2 (см. рис. 5. в лабораторной работе №7) в положение 3 и по сигнальным лампам 15 убедиться во включении ТЭНов и микропроцессорного измерителя-регулятора типа ТРМ101 фирмы ОВЕН 6. Удостовериться в изменении температуры печи по показаниям микропроцессорного измерителя-регулятора.

7.По мере нагревания печи стараться поддерживать режим компенсации

термо-ЭДС напряжением с потенциометра ПП-63 и снимать с последнего отсчеты через каждые 10 оС, начиная с 30 оС и кончая 150 оС. Температуру контролирвать по показаниям микропроцессорного измерителя-регулятора типаТРМ101 фирмы ОВЕН 6 (см. рис. 5. в лабораторной работе №7). Результаты измерений заносить в

графу Еэксп табл. 1.

_______________________________

©Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 8

6

8.После снятия последнего отсчета(при температуре печи 150 оС) перевести пакетный переключатель 2 в положение 1 и показать результаты преподавателю.

9.Подготовить схему к поверке термопары хромель-алюмель, для чего переключить тумблер на лабораторной установке в положение ХА.

начиная со 150 оС и кончая 50 оС. Для этого необходимо, осторожно держась за защитный экран, приоткрывать дверь печи на некоторое время и давать ей остывать до требуемой температуры. После чего снимать показания с потенциометра ПП-63. Результаты измерений занести в таблицу, аналогичную табл. 1., и показать их преподавателю.

11. Выключить установку, переведя пакетный переключатель в положение0.

6.Содержание отчета

1.Наименование и цель работы.

2.Схема лабораторной установки для исследований и поверки датчиков температуры (рис. 4. в лабораторной работе №7).

3.Таблицы с результатами измерений и вычислений при поверке термопар типов ТХК и ТХА (табл. 1.).

4.Номинальные (градуировочные) и экспериментальные статические характеристики преобразования термопар типов ТХК и ТХА с учетом поправки на температуру свободных спаев, построенные в одних осях координат.

5.Выводы о методах и точности измерений температуры с помощью термопар, о результатах поверки конкретных экземпляров термопар типовТХК и ТХА в ходе лабораторной работы и т.п.

7.Методические указания к оформлению отчета

Абсолютная погрешность преобразования поверяемой термопары при каждом значении температуры определяется по формуле

DЕ = ЕПэксп - Еград,

где Еград - номинальное значение термо-ЭДС при данной температуре, взятое из градуировочной характеристики для соответствующей термопары(см. Приложение), мВ; ЕПэксп - экспериментально измеренное значение термо-ЭДС с учетом поправки на отличие температуры свободных концов от 0 оС, мВ.

Пределы допускаемых значений основной погрешности термопар хромельалюмель и хромель-копель для каждого поверяемого значения температурыt в диапазоне 0 – 300 оС определяются как

_______________________________

©Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 8

7

ТХА: DЕдоп = 0.140 мВ;

ТХК: DЕдоп = (0,140 + 0,20·10-3 t) мВ.

Полученные в результате поверки абсолютные погрешности преобразования термопар DЕ не должны превышать предельно допустимых значений -по грешностей DЕдоп при соответствующих значениях температуры.

8.Контрольные вопросы

1.На каком физическом эффекте основан принцип действия термоэлектрического преобразователя?

2.Из каких материалов изготавливаются термопары?

3.К какому типу преобразователей относятся термопары: параметрическому или генераторному?

4.Что представляет собой конструктивно промышленный термоэлектрический преобразователь?

5.Что такое градуировочные характеристики термоэлектрических преобразователей? Каким образом они задаются государственным стандартом?

6.Каковы основные причины возникновения погрешностей при измерении температуры термопарами?

7.Каким образом может быть исключена погрешность из-за отличия температуры свободных концов термопары от 0оС?

8.Каким образом может быть скомпенсировано влияние сопротивления термоэлектродов и измерительных проводов на результаты измерений с помощью термопар?

9.Какие вторичные приборы и преобразователи могут быть использованы

вкомплекте с термопарами?

личных типов термопар?

9.Литература

1.Тартаковский Д.Ф. Метрология, стандартизация и технические средства измерений: Уч. для вузов / Д.Ф. Тартаковский, А.С. Ястребов. – М.: Высшая школа, 2001. – 205 с.

2.Никитин В.А. Методы и средства измерений, испытаний и контроля: Учебное пособие - 2-е изд. перераб. и доп. [Электронный ресурс]/ В.А. Никитин, С.В.

3. Шульц Ю. Электроизмерительная техника: 1000 понятий для практиков. Справочник / Ю. Шульц. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 287 с.

_______________________________

©Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 8

8

4.Измерения в промышленности: Справочник в 3-х кн. / Под ред. П. Профоса. - М.: Металлургия, 1990.

5.Левшина Е.С. Электрические измерения физических величин / Е.С. Левшина, П.В. Новицкий. - Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 320 с.

6.Основы метрологии и электрические измерения / Под ред. Е.М. Душина. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 480 с.

7.Измерение электрических и неэлектрических величин / Под ред. Н.Н. Евтихиева. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 352 с.

8.Электрические измерения электрических и неэлектрических величин / Под. ред. Е.С. Полищука. - К.: Вища шк., 1984. - 359 с.

9.Наладка средств измерений и систем технологического контроля: Справочное пособие / Под ред. А.С. Клюева. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 400 с.

10.Проектирование систем автоматизации технологических процессов: Справочное пособие / Под ред. А.С. Клюева. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 464 с.

11.Монтаж средств измерений и автоматизации: Справочник / Под ред. А.С. Клюева. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 498 с.

12.Спектор С.А. Электрические измерения физических величин: Методы измерений / С.А. Спектор. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 319 с.

13.Тиль Р. Электрические измерения неэлектрических величин / Р. Тиль. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 191 с.

14.Крамарухин Ю.Е. Приборы для измерения температуры / Ю.Е. Крамарухин.

– М.: Машиностроение, 1990. – 208 с.

15.Линевег Ф. Измерение температур в технике: Справочник / Ф. Линевег . - М.: Металлургия, 1980. - 544 с.

16.Температурные измерения: Справочник / Под ред. О.А. Геращенко. - Киев: Наукова думка, 1989. - 704 с.

17.Датчики теплотехнических и механических величин: Справочник / А.Ю.

Кузин [и др.] - М., 1996. - 128 с.

_______________________________

©Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 8

9

Приложение

ФРАГМЕНТ ГРАДУИРОВОЧНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ХРОМЕЛЬ-КОПЕЛЬ (СВОБОДНЫЕ КОНЦЫ ПРИ 0 0С)

ФРАГМЕНТ ГРАДУИРОВОЧНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ХРОМЕЛЬАЛЮМЕЛЬ (СВОБОДНЫЕ КОНЦЫ ПРИ 0 0С)

_______________________________

©Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 8