Никитин, Бойко - Методы и средства измерений, испытаний и контроля - 2004

14.4.6 Способы соединения ТЭП

Соединяя различным образом между собой термоэлектрические преобразователи, можно для конкретных задач измерения значительно улучшить точность.

Так, при необходимости измерения непосредственно разности температур используется дифференциальный способ соединения ТЭП, показанный на рисунке 14.134 а. Здесь оба конца 1 и 2 ТЭП являются рабочими и каждый из них погружается соответственно в среду с температурой t1 и t2. Нейтральные концы 8 и 4 должны иметь одинаковые температуры t0. По развиваемой в контуре термоЭДС Е(t1t2) определяют разность температур t1 - t2, используя соответствующий участок градуировочной кривой или таблицы ТЭП. Этот участок градуировки определяют измерением одной из температур t2

или t1.

Если температура t измеряемого объекта незначительно отличается от температуры t0 свободных концов ТЭП, то используется термобатарея (рисунок 14.134 б), представляющая собой систему из п последовательно включенных ТЭП. Спаи, имеющие температуру t, являются рабочими и располагаются в объекте измерения, а свободные концы, имеющие температуру t0, располагаются вне объекта. Суммарная термоЭДС в контуре термобатареи в п раз больше, чем в отдельном ТЭП, т. е. равна nEAB (tt0 ), благодаря чему

увеличивается чувствительность измерения. Термобатареи, собранные в соответствии со схемой рисунка 14.134 в. называют дифференциальными преобразователями, с помощью которых измеряют малую разность температур. Здесь спаи 1 и 2 являются рабочими и располагаются в средах соответственно с температурой t1 и t2, а спаи 3 и 4 - нейтральные с одинаковой температурой t0. Результирующая термоЭДС. здесь равна nEAB (t1t2 ).

Рисунок 14.134 - Схемы соединений термоэлектрических преобразователей

14.4.7 Требования к материалам термоэлектродов и устройство ТЭП

Несмотря на то, что любые два проводника создают в паре между собой термоЭДС, лишь ограниченное число термоэлектродов используется для создания ТЭП.

Кматериалам термоэлектродов предъявляется ряд требований:

-однозначная и по возможности близкая к линейной зависимость термоЭДС от температуры, жаростойкость и механическая прочность с целью измерения высоких температур;

-химическая инертность;

-термоэлектрическая однородность материала проводника по длине, что позволяет восстанавливать рабочий спай без переградуировки, а также менять глубину его погружения;

-технологичность изготовления с целью получения взаимозаменяемых по термоэлектрическим свойствам материалов;

-дешевизна;

-стабильность и воспроизводимость термоэлектрических свойств, что позволяет создать стандартные градуировки. Ни один из существующих в настоящее время материалов не удовлетворяет полностью всем требованиям, в результате чего для различных пределов измерения используется

термоэлектроды из различных материалов.

В настоящее время в РФ в основном применяются пять стандартных градуировок ТЭП, характеристики которых приведены в (Приложение В).

Для предохранения от механических повреждений и вредного влияния объекта измерения термоэлектроды преобразователя помещают в защитную арматуру.

На рисунке 14.135 а показано устройство стандартного термоэлектрического термометра.

В жесткой защитной гильзе 1 расположены термоэлектроды 3 с надетыми на них изоляционными бусами 4. Спай 2 касается дна защитной гильзы или может быть изолирован от него с помощью керамического наконечника. К термоэлектродам в головке 8 винтами 6 на розетке 5 подсоединяются удлинительные провода 7. Защитная гильза с содержимым вводится в объект измерения и крепится на нем с помощью штуцера 9. Для обеспечения надежного контакта спай 2 изготавливают сваркой, реже пайкой или скруткой (для высокотемпературных ТЭП). Защитную гильзу 1 выполняют в виде цилиндрической или конической трубки из газонепроницаемых материалов диаметром примерно 15—25 мм и длиной в зависимости от потребности объекта измерения от 100 до 2500 - 3500 мм. Материалом для

а также кварц и фарфор. Диаметр термоэлектродов составляет 2—3 мм, кроме термоэлектродов платиновой группы, диаметр которых 0,5 мм, что связано с их высокой стоимостью. Стандартные ТЭП выпускают одинарными, двойными и поверхностными - для измерения температуры стенок объекта, когда доступ внутрь объекта затруднителен или невозможен.

Внастоящее время широкое применение находят термоэлектрические термометры кабельного типа (рисунок 14.135 б, в).

Втонкостенной оболочке 1 размещены термоэлектроды 3, изолированные друг от друга, а также от стенки оболочки термостойким керамическим порошком 4. Рабочий спай 2 может иметь контакт с оболочкой (рисунок 14.135 б) или изолируется от нее (рисунок 14.135 в). Оболочку выполняют из высоколегированной нержавеющей стали с наружным диаметром 0,5—6 мм, длиной 10—30 м. Благодаря указанным размерам кабельные термоэлектрические термометры являются весьма гибкими при достаточной механической прочности. Выпускаемые хромель-алюмелевые и хромель-копелевые кабельные термометры можно использовать в интервале температур от —50 до 300 °С при давлении 40 МПа. Внутрь оболочки кабеля помещены от одного до трех ТЭП.

Выбор соответствующей конструкции ТЭП осуществляют в зависимости от конкретных условий измерения из номенклатурных перечней заводов изготовителей.

Рисунок 14.135 - Конструкция термоэлектрических термометров

Динамическая характеристика термоэлектрических термометров в общем виде описывается передаточной функцией (14.59)

Значения постоянной времени T и транспортного запаздывания τ зависят от конструктивных размеров и используемых материалов защитного чехла. Для выпускаемых в настоящее время термоэлектрических термометров эти величины находятся в пределах T=1,5 - 8 мин и τ =9 - 30 с, а τ / T ==0,11 - 0,78 .

14.5 Средства измерений сигналов термоэлектрических термометров

В качестве средств измерений, работающих в комплекте с ТЭП, используются милливольтметры магнитоэлектрической системы, потенциометры и нормирующие преобразователи.

14.5.1 Магнитоэлектрический милливольтметр

Схема его измерительного механизма показана на рисунке 14.136. Механизм состоит из рамки 2, вращающейся в кольцевом зазоре между

полюсными наконечниками постоянного магнита NS и цилиндрическим сердечником 1 из мягкой стали. Рамка 2 вместе со стрелкой 7 для отсчета показаний по шкале 6 прибора закреплены на кернах 5, опирающихся на подпятники 3. Установленные на кернах спиральные пружинки 4, создающие противодействующий повороту рамки момент, крепятся одним концом к оси 5, а другим — к неподвижной части прибора. Кроме того, эти пружинки являются токоподводящими элементами рамки. Рамка, закрепленная на кернах, изготавливается как с горизонтальной, так и с вертикальной осью вращения. Для обеспечения большей чувствительности милливольтметров, гальванометров и самопишущих милливольтметров их рамка крепится на вертикальных ленточных растяжках из фосфористой бронзы. Эти ленты при повороте рамки, скручиваясь, создают противодействующий момент, и одновременно по ним осуществляется подвод тока в рамку. Рамка представляет собой прямоугольник длиной l и шириной 2г и состоит из n витков тонкой медной проволоки, скрепленных между собой лаком. Благодаря сердечнику 1, расположенному внутри рамки, последняя оказывается под действием равномерного и радиального магнитного поля, в силу чего, независимо от угла поворота рамки, плоскость ее оказывается параллельной вектору магнитной индукции В. Таким образом, при протекании по рамке электрического тока I на подвижную систему действует магнитоэлектрический момент, который можно вычислить по формуле (14.60) /8/

Рисунок 14.136 - Схема измерительного механизма магнитоэлектрического мильвольтметра

Противодействующий момент Мпр, создаваемый спиральной пружиной или подвеской вычисляют по формуле (14.61) /8/

где W – удельный противодействующий момент.

При некотором угле поворота ϕ имеем Мпр=Ммэ т.е. учитывая (14.60) и (14.70) получаем (14.71) /8/

где SI = 2rlBI /W =ϕ / I - чувствительность измерительного механизма

к току, рад/А.

Для получения зависимости угла поворота рамки от напряжения U, подведенного к зажимам прибора с внутренним сопротивлением RM, из (14.72)

имеем (14.73) /8/

Из (14.73) следует, что чувствительность прибора к напряжению тем меньше чувствительности к току, чем больше внутреннее сопротивление прибора.

Измерение термоЭДС милливольтметром осуществляется по схеме на рисунке 14.137. Генерируемая ТЭП термоЭДС EAB (tt0 ) создает в замкнутой

цепи ток, вычисляемый по формуле (14.74) /8/

где RAB, RFD, RC, RY, RP, RД — сопротивления термоэлектродов АВ, удлинительных проводов FD соединительных линий С, уравнительной катушки, рамки милливольтметра и добавочной катушки соответственно;

RBH = (RAB + RFD + RC + RY )- внешнее по отношению к зажимам аb прибора сопротивление цепи;

RM = (RP + RД ) - внутреннее сопротивление милливольтметра.

Представим (14.74) в виде (14.75) /8/

Из (14.75) можно заключить, что измеряемое милливольтметром напряжение Uab, подведенное к его зажимам аb, всегда меньше, чем ЭДС в цепи, на значение падения напряжения IRBH во внешней цепи, обусловленного проходящим в контуре током.

Рисунок 14.137 – Схема измерения термоЭДС миливольтметром

В силу того что сведение к нулю IRBH при использовании милливольтметра невозможно, принципиально невозможно непосредственное измерение ЭДС милливольтметром. В то же время при соблюдении определенных условий измерения с некоторой погрешностью можно принять, что показания милливольтметра однозначно зависят от развиваемой в цепи термоЭДС.

Подставляя (14.74) в (14.72) получаем (14.76) /8/

показанием ϕ милливольтметра и измеряемой ЭДС была однозначная

зависимость и шкалу милливольтметра можно было бы градуировать в градусах, соответствующих термоЭДС для данного преобразователя АВ. В то же время как RBH, так и RM изменяются в зависимости от температуры окружающей среды, что приводит к погрешности измерения. Покажем, что

уменьшение указанной погрешности может быть достигнуто путем уменьшения отношения RBH/RM и уменьшения RP/RM.

Преобразуем (14.74) к виду (14.75) /8/

Из выражения (14.75) видно, что чем меньше отношение RBH/RM по сравнению с единицей, тем в меньшей мере изменение этого отношения, вызванного, например, изменением температуры окружающей среды, сказывается на линейной связи между Uab и EAB (tt0 ).. Уменьшение отношения

RBH/RM возможно за счет увеличения RM. Так как рамка милливольтметра выполнена из медного провода с сопротивлением RP, то RM увеличивают за счет увеличения последовательно соединенного с рамкой добавочного сопротивления RД, выполненного в виде манганиновой катушки. Значительное увеличение RM приводит к уменьшению чувствительности SU милливольтметра. Обычно RM == 100 — 500 Ом, а отношение RP / RM ≤1/ 3, что значительно

уменьшает температурный коэффициент прибора. Значение RBH стандартизовано в пределах 0,6—25 Ом и указано на шкале прибора.

Таким образом, использование градусной шкалы милливольтметра возможно, если градуировка ТЭП соответствует градуировке, указанной на шкале. При этом необходимо сопротивление у внешней линии подогнать к значению RBH, указанному на шкале прибора, с помощью подгоночного сопротивления RY. Если милливольтметр имеет милливольтовую шкалу, то она наносится без учета сопротивления внешней линии и показания по шкале соответствуют напряжению на зажимах, т. е. Uab, по которому при известных RBH и RM определяют из (14.75) термоЭДС для ТЭП любой градуировки, а затем значение измеряемой температуры по градуировочным таблицам.

Милливольтметры, предназначенные для работы в комплекте с ТЭП, по конструктивному исполнению бывают переносными и стационарными (щитовыми).

Стационарные милливольтметры имеют только градусную шкалу. Промышленностью выпускаются показывающие, самопишущие и регулирующие милливольтметры классов точности 0,5; 1,0; 1,5; 2,0.

Переносные милливольтметры имеют две шкалы (градусную и милливольтовую) или только одну милливольтовую. Эти приборы выполняют как показывающие и имеют классы точности: 0,2; 0,5; 1,0.

Рисунок 14.138 - Принципиальная схема потенциометра

14.5.2 Потенциометры

Принцип действия этих приборов основан на уравновешивании (компенсации) неизвестной ЭДС известным падением напряжения, создаваемым током от дополнительного источника. Схема, поясняющая компенсационный метод измерения ЭДС, показана на рисунке 14.138 Замкнутый контур 1 содержит дополнительный источник тока напряжением Eб

иреохорд (компенсационный резистор) Rab. Этот контур называют

выполняющий функцию нуль-индикатора (НИ), а также часть Rac реохорда от точки а до подвижного контакта движка с. Функция нуль-индикатора состоит в обнаружении тока в цепи. Измеряемый источник EAB (tt0 ) включен навстречу

дополнительному источнику Еб так, что токи от обоих источников на участке Rac идут в одном направлении. Если обозначить ток, проходящий в контуре /,

сопротивления нуль-индикатора и внешних проводов, включая ТЭП, откуда IT = [EAB (tt0 )− Iб Rac ]/(RBH + RНИ + Rac ). Перемещая движок С, можно добиться того, чтобы IT стал равным нулю. Это определится показанием нульиндикатора, и тогда справедливо равенство (14.76) /8/

Полученное равенство указывает на то, что если в контуре, где расположен источник измеряемой ЭДС, ток равен нулю, то падение напряжения на участке Rac служит мерой измеряемой ЭДС. Преимуществом компенсационного метода измерения термоЭДС является отсутствие тока в цепи в момент измерения. Это исключает необходимость учета значений

сопротивления внешней цепи и изменения сопротивления этой цепи от температуры.

Компенсирующее напряжение IбRac можно изменять двумя методами:

1) поддерживая значение тока Iб на постоянном уровне, изменять сопротивление Rac;

2) сохраняя сопротивление Rac постоянным, изменять значение рабочего

тока Iб.

Наибольшее распространение получил потенциометр с постоянной силой рабочего тока, показанный на рисунке 14.139

Рисунок 14.139 – Схема потенциометра с постоянной силой рабочего тока Для контроля за постоянством тока Iб предусмотрен дополнительный контур /// — контур нормального элемента. Нормальный элемент представляет собой образцовую меру ЭДС, равную EНЭ=1,0186 В и сохраняющую это значение рабочего тока при кратковременных и малых нагрузках в течение

длительного времени.

При установке ключа Кл в положение К (контроль) проводят сравнение ЭДС нормального элемента EНЭ с падением напряжения Uda на постоянном резисторе RK .Если при этом стрелка нуль-индикатора не на нуле, т. е. в контуре

/// проходит ток, а это означает, что EНЭ ≠U da , то с помощью реостата Rб

изменяют ток Iб в контуре / до тех пор, пока стрелка нуль-индикатора не установится на нуле. Тогда EНЭ =U da .Так как U da = I б RK и RK = 509,3 Ом, то I б = EНЭ / RK = 1,0186/509,3 =2 мА. После стандартизации значения тока Iб ключ

Кл переводят в положение И (измерение) и перемещают движок С реохорда Rab до установления стрелки нуль-индикатора на нуле. При этом справедливо равенство (14.77) /8/

При равномерной намотке реохорда сопротивления его участков пропорциональны соответствующим длинам, т. е. Rac / Rab = l / L , и тогда

получаем равенство (14.78) /8/

где k = (EНЭ / RK )(Rab / L)= const.

Таким образом, измерение термоЭДС сводится к измерению длины l участка реохорда, которая проградуирована в единицах напряжения. Потенциометры, работающие по указанной схеме, имеют высокий класс точности, вплоть до 0,0005.

Схема потенциометра с переменной силой рабочего тока Iб показана на рисунке 14.140. Измеряемая термоЭДС ЕAB(tt0) компенсируется здесь падением напряжения IбRab на постоянном и известном сопротивлении Rab путем изменения значения тока Iб в компенсационном контуре / с помощью реостата Rб. Движок последнего перемещается до тех пор, пока нуль-индикатор НИ в контуре // не покажет нуль, при этом отсчитывается значение тока Iб по шкале миллиамперметра. Ввиду того что измеряемая термоЭДС зависит от точности и стабильности показаний миллиамперметра, рассматриваемый потенциометр уступает по точности потенциометру с постоянной силой рабочего тока.

Рисунок 14.140 - Схема потенциометра с переменной силой рабочего тока

В то же время схема потенциометра с переменной силой рабочего тока находит применение, в частности, при построении нормирующих токовых преобразователей.

14.5.3 Автоматические потенциометры

Измерительная схема автоматического потенциометра (рисунок 14.141) основана на схеме потенциометра с постоянной силой рабочего тока (смотри