-12 -

Міністерство освіти України

Державний університет “Львівська політехніка”

Вимірювання температури термоелектричними перетворювачами

Інструкція

до лабораторної роботи № 02

з курсу “Автоматика, автоматизація і АСКТП”

для студентів технологічних спеціальностей

Затверджено

на засіданні кафедри

Автоматизація теплових та

хемічних процесів

Протокол № 4від8.05.03р.

Львів Львівська політехніка 2003

Вимірювання температури термоелектричними перетворювачами. Інструкція до лабораторної роботи № 02 з курсу ”Контроль та керування технологічними проце­сами” для студентів технологічних спеціальностей. /Укл. В.П.Кореньков, Г.Б. Крих. Львів: ДУ ЛП, 1999. - 11 с.

Укладачі: В.П Кореньков, ст.викл.,

Г.Б. Крих, к.т.н., доц.

Відповідальний за випуск Є.П.Пістун, д.т.н., проф.

Рецензенти: В.І.Грицай , к.т.н., доц.,

В.К.Савицький, к.т.н., доц.

Мета роботи: практичне ознайомлення з методом вимірювання температури термоелектричними перетворювачами та конструктивними особливостями відповідних вторинних приладів.

Необхідна підготовка: Теоретичне знання методу вимірювання температури термоелектричними перетворювачами та принципу дії використовуваних приладів.

Основні відомості

1. Термоелектричні перетворювачі

Вимірювання температури термоелектричними перетворювачами (ТЕП) передбачає використання термоелектричного ефекту. Якщо скласти електричне коло з двох різних провідників, температура обох з’єднань якого буде неоднаковою, то в ньому з’явиться струм, величина якого буде пропорційна різниці температур цих двох з’єднань. Вважається, що кожне з’єднання є джерелом електрорушійної сили (Е.Р.С.), величина якої визначається температурою. Виникнення Е.Р.С. в місці з’єднання пояснюється наявністю в провідниках вільних електронів, кількість яких для різних матеріалів різна. Тому в місці з’єднання електрони переходять з одного провідника в другий в кількості більшій, ніж в зворотному напрямку, внаслідок чого один з провідників заряджається позитивно, а другий негативно. Дифузія електронів залежить від температури, тому електрорушійні сили, що виникають в з’єднаннях з неоднаковою температурою, будуть різні. Загальна електрорушійна сила, що діє в колі, дорівнює алгебраїчній сумі електрорушійних сил, що виникають в з’єднаннях.

Термоелектричний перетворювач (ТЕП) являє собою два різних металевих провідника (термоелектроди), з’єднані один з другим з одного кінця зварюванням. Це з’єднання розміщується в середовищі, температуру якого вимірюють, і називається робочим, або гарячим спаєм ТЕП. Вільні, “холодні” кінці ТЕП з’єднуються з вторинним приладом для вимірювання Т.Е.Р.С. Якщо температура вільних кінців ТЕП однакова і постійна, Т.Е.Р.С. однозначно залежить лише від температури робочого спаю ТЕП.

Термоелектричні матеріали, які використовуються для виготовлення ТЕП, повинні бути хемічно стійкі, давати як найбільшу Т.Е.Р.С. Статична характеристика ТЕП (залежність Т.Е.Р.С. від температури) повинна бути лінійною, стабільною в часі.

Конструктивне виконання ТЕП визначається умовами їх використання. По всій довжині термоелектроди ізолюють один від одного. Для ізоляції використовують керамічні трубки або намиста. Для захисту від вимірюваного середовища ізольовані термоелектроди розміщуються у захисних (металічних або керамічних) чохлах з головками для вмикання з’єднувальних проводів.

ТЕП виготовляються занурювальні і поверхневі; стаціонарні і переносні; разового та багаторазового використання; звичайні, водозахищені, вибухобезпечні; герметичні; вібростійкі; одинарні, подвійні і потрійні; одно- та багатозонні; різної інерційності.

Основні характеристикиі номінальні статичні характеристики перетворення стандартних ТЕП наведені в ГОСТ 3044-84 та в таблиці.

Типи ТЕП та їх основні характеристики Таблиця

Тип ТЕП	Умовне позначення номінальної статичної характеристики	Матеріали термоелектродів	Діапазон довготривалого вимірювання температури С	Допустима короткочасна температура С
ТВР	ВР 5/20-1(А)	Вольфрамреній (5%-ренія) – вольфрамре­ній (20% - ренію)	0…2200	2500
ТПП	ПР 30/6 (В)	Платинородій (30% -родію)- пла­тинородій (6% - родію)	300…1600	1800
ТПП	ПП (S)	Платинородій (10%-родія) - пла­тина	0…1300	1600
ТХА	ХА (К)	Хромель – алюмель	-200..1300	1300
ТХК	ХК (L)	Хромель – копель	-200…600	800
ТМК	МК (М)	Мідь – константан	-200…-100	100

Якщо холодні кінці ТЕП знаходяться при температурі , яка відрізняється від 0С, необхідно за табличними даними відповідної номінальної статичної характеристики ввести поправку , використовуючи формулу:

, (1)

де - коректоване значення Т.Е.Р.С. прив умовах вимірювання; - табличне значення Т.Е.Р.С. при ;- поправка для відповідної температури холодних кінців ТЕП.

Якщо ТЕП буде з’єднаний з вторинним приладом звичайними (мідними або алюмінієвими) провідниками, то температура вільних кінців ТЕП буде невідома, нестабільна та неоднакова для двох електродів, що викликатиме похибку вимірювання. Для виключення цієї похибки при з’єднанні ТЕП з вторинним приладом використовують термоелектродні “компенсаційні” провідники з двох різних металів, підібраних так, що в парі вони мають статичну характеристику таку ж ( в межах 100 С), як і сам ТЕП. Завдяки цьому в місці з єднання ТЕП з “компенсаційними” провідниками Т.Е.Р.С. не виникає, а зміна температури головки ТЕП не впливає на покази вторинного приладу. “Компенсаційні” провідники, по суті, продовжують термоелектроди, переносячи вільні кінці ТЕП в місце з постійною і відомою температурою.

2. Прилади для вимірювання Т.Е.Р.С. ТЕП

Для вимірювання Т.Е.Р.С. ТЕП використовують магнітоелектричні мілівольтметри і компенсатори постійного струму (потенціометри).

Принцип дії пірометричного мілівольтметра полягає у взаємодії електро­магнітного поля провідника, який проводить струм, з полем постійного магніту.

Магнітна система мілівольтметра (рис.1) складається з постійного магніту із полюсними наконечниками 2 і концентрично розміщеного осердя 3. В повітряному

з азорі між наконечниками і осердям обертається закріплена на кернах безкаркасна рамка 4, яка виконується з мідного ізольованого дроту. Струм від ТЕП 5 підводиться до рамки через дві спіральні пружини 6, які використовуються також для створення протидіючого моменту. До рамки 4 жорстко прикріплена стрілка 7, що переміщується відносно шкали приладу 8. Вся рухома система мілівольтметра балансується за допомогою противаг 9.

Величина струму, який протікає по рамці, визначається з виразу:

Рис.1. Принципова схема пірометричного мілівольтметра:

1– постійний магніт; 2 – полюсні наконечники; 3– осердя; 4– рамка; 5– ТЕП; 6– спіральні пружини; 7– стрілка; 8– шкала; 9– противаги;R_КП- ’компенсаційні’ проводи;R_ЗК– з’єднувальні проводи;R_ЗП– підгоночний опір котушка.

(2)

де - Т.Е.Р.С., що створюється при температурі робочого кінця і температурі вільних кінців[mB]; - внутрішній опір мілівольтметра[Ом];- зовнішній опір мілівольтметра[Ом].

Опір r складається з опору рамки і додаткового манганінового опору, який розміщується в середині приладу. Зовнішній опірскладається з опору ТЕП, опору “компенсаційних” та з’єднувальнихпроводів та опору підгоночної котушки:

. (3)

Підгоночна котушка обов`язково вмикається в коло кожного мілівольтметра для підгонки зовнішнього опору до значення, при якому був проградуйований мілівольтметр.

Взаємодія електромагнітного поля рамки, яке виникає при протіканні струму і магнітного поля постійного магніту, створює обертовий момент, пропорційний струму в рамці: М_ОБ = к₁ І.

Протидіючий момент пропорційний деформації спіральних пружин 6, тобто куту повороту рухомої системи мілівольтметра: М_ПР = к₂ .

При зміні Т.Е.Р.С. змінюється сила струму І в рамці, яка обертається доти, доки обертовий момент не стане рівним протидіючому, тобто доки не виникне рівність М_ОБ = М_ПР.. Звідки: , (4)

де - коефіцієнти пропорційності.

Отже, кут повороту рамки , а разом з нею кут повороту стрілки відносно шкали залежить від сили струму

. (5)

Ось чому зміна опорів кола мілівольтметра впливає на покази мілівольтметра.

Мілівольтметр має коректор нуля, за допомогою якого можна змінювати початкове положення стрілки приладу. Коректором користуються при введенні поправки на температуру холодних” кінців ТЕП. Для цього при від’єднаному ТЕП коректором встановлюють стрілку приладу на відмітку шкали, що відповідає температурі “холодних” кінців ТЕП. Якщо вона постійна, то таке зміщення забезпечує автоматичне усунення похибки від підвищення температури “холодних” кінців в цілому діапазоні вимірювань

Пірометричні мілівольтметри виготовляються з класами точності 1; 1,5.

Більшу точність вимірювання Т.Е.Р.С. ТЕП забезпечує компенсаційний метод вимірювання, який полягає в зрівноваженні вимірювальної електрорушійної сили відомим спадом напруги на опорі. Метод покладений в основу роботи лабораторного потенціометра, спрощена схема якого показана на рис.2. Схема складається з трьох взаємопов’язаних кіл: робочого 1, вимірювального 2 і контрольного 3. Під дією Е.Р.С. батареї Д в робочому колі 1 протікає струм І, оберненопропорційний сумі опорів резисторів ,та опору реохорду. При постійному струмі І₁ реохорд можна розглядати як джерело напруги, величина якого визначається положенням повзунка, а полярність - напрямком струму І₁. При встановленні перемикача П в положення “В” - “вимірювання” вимірювана Т.Е.Р.С. ТЕП (Е ( t, t_o )) вмикається зустрічно до напруги V_AB між точками АВ реохорду. Якщо V_АВЕ (t, t_o), в колі 2 протікає струм І₂ , який виявляється по відхиленню стрілки нуль гальванометра НГ. Змінюючи положення повзунка, досягають компенсації або рівноваги І₁ R_АВ = Е (t, t_o ). Повзунок реохорда зв’язаний зі стрілкою, яка показує на шкалі виміряну величину Т.Е.Р.С. Результат вимірювання буде правильним лише при певному постійному значенні І₁ . Для підтримання постійності значення струму І₁ необхідно періодично контролювати його за допомогою стандартної міри електрорушійної сили ( нормального елемента НЕ), який характеризується великою стабільністю Е.Р.С. (при температурі оточуючого середовища 20С, Е_НЕ = 1,0186 В). Для контролю струму І₁ перемикач 2 ставиться в положення “К” (Контроль). При цьому замикається контрольне коло 3 і розмикається коло 1. Контроль струму І₁ здійснюється також компенсаційним методом, тобто порівнянням Е.Р.С. нормального елементу Е_НЕ зі спадом напруги, що створюється струмом І₁ на постійному опорі R_K. Якщо струм I₁ дорівнює заданому значенню, то спад напруги на опорі R_K буде зрівноважуватись з Е.Р.С. НЕ, тобто I₁ R_K = E_НГ. При цьому струм І₃ через НГ повинен бути відсутній. Якщо стрілка НГ відхиляється від нульової відмітки, необхідно струм І₁ відрегулювати, змінюючи величину опору змінного резистора R₁. Контроль і регулювання струму необхідно проводити перед початком вимірювань.

Рис.2. Принципова схема лабораторного потенціометра:

1 – робоче коло; 2 – вимірювальне коло; 3 – контрольне коло.

Д – джерело постійного струму; R₁ - змінний резистор;R_р- реохорд;R_К- контрольний резистор; П – перемикач; НГ – нуль-гальванометр; НЕ – нормальний елемент.

Основна похибка потенціометра суттєво менша ніж мілівольтметра, а додаткові похибки за рахунок зміни температури оточуючого середовища практично дорівнюють нулю, оскільки всі резистори схеми виготовляють з манганіну.

Лабораторні потенціометри широко використовуються в лабо­раторній практиці для епізодичних вимірювань і перевірки вторинних приладів. Автоматичні потен­ціометри відрізняються від лабо­раторних тим, що компенсація вимірюваної Т.Е.Р.С., в них здійс­нюється автоматично і безперер­вно. Вимірювальні схеми різних типів автоматичних потенціомет­рів в принципі однакові і подібні до схеми лабораторного потенці­ометра, тільки замість нуль-галь­ванометра вони містять в собі електронний підсилювач. Вихідна напруга підсилювача керує електродвигуном, який переміщує повзунок реохорда, виконуючи операцію, яка в лабораторному потенціометрі робилась ручно. Автома­тичні потенціометри, призначені для роботи з ТЕП, виготовляють зі шкалами про­градуйованими в градусах температури, мають клас точності 0,25, 0,5 і можуть об­ладнуватись реєструючими, сигналізуючими і регулюючими пристроями. Принци­пова схема електронного, автоматичного, реєструючого потенціометра показана на рис.3. У вимірювальну діагональ СD мостової схеми потенціометра послідовно з електронним підсилювачем ЕП увімкнено ТЕП. Увімкнення здійснено через елект­ричний фільтр RC, призначений для зменшення впливу наводок від зовнішніх маг­нітних полів (на рис.3 показана спрощена схема RC-фільтра). В діагональ живлення АВ мостової схеми увімкнено джерело стабілізованої напруги ДСН, яке забезпечує постійність робочого струму у вимірювальному колі, тому в автоматичних потенціометрах відсутній нормальний елемент.

На вхід електронного підсилювача ЕП подається напруга небалансу, яка дорівнює різниці між Т.Е.Р.С. і напругою в діагоналі CD мостової схеми. Якщо ця напруга більша за чутливість ЕП, вона підсилюється до величини, достатньої для приведення в рух реверсивного двигуна РД. РД при русі в напрямі (який залежить від знаку небалансу вимірювальної схеми) за допомогою механічної передачі

Рис.3. Принципова схема автоматичного потенціометра:

ДСН – джерело стабілізованої напруги; ПС – електронний підсилювач; РД – реверсивний двигун; СД – синхронний двигун; R_С, R_М- обмежую­чі резистори; R_Ш- шунтуючий резистор; R_П- підгоночний резистор; R_Б- баластний резистор; R_Р- реохорд; R_Н- резистор настроювання почат­ку шкали; СПМ – стрічкопротяжний механізм.

переміщує повзунок реохорда доти, доки сигнал небалансу не дорівнюватиме нулю. Одночасно РД переміщує стрілку та перо потенціометра.

У вимірювальну схему автоматичного потенціометра входить також ряд елементів, призначених для забезпечення нормальної роботи приладу. Резистори R_ш (шунт), R_П (підгонка) служать для підгонки опору реохорду R_P з врахуванням градуювання і діапазону вимірювання. Резистор R_Н призначений для настроювання початку шкали. Резистор R_Б є баластним опором. Резистори R і R використовуються для обмеження і регулювання робочого струму від джерела живлення ДСН. Резистор R призначений для автоматичної компенсації впливу зміни температури вільних кінців ТЕП. Резистор R виготовляється з мідного дроту і розміщується у колодці клем потенціометра, до якої під’єднуються “компенсаційні” провідники. Одночасно зі зміною температури оточуючого середовища змінюється і Т.Е.Р.С. холодних кінців ТЕП, і спад напруги на резисторі R, які взаємно компенсуються.

Конструкції автоматичних потенціометрів побудовані за модульним принципом. Прилади складаються з окремих уніфікованих блоків і вузлів, з`єднаних між собою. Потенціометр типу КСП складається з вимірювальної схеми, реохорду, напівпровідникового підсилювача, джерела стабілізованої напруги, реверсивного двигуна, реєструючого пристрою з механізмом протягування стрічки, який приводиться в рух від синхронного двигуна, що рухається з постійною швидкістю.