ЭМИ - Лекции / Лекции Уст-4-часть-1-2-термопара-2014-ЭМИ
.docЛекция №4
Пример №4. Метод для определения температуры с помощью термопары.
Рассмотрим компоновку блоков СИ.
Рис. 1. Схема измерения температуры с помощью термопары
1,2 – спаи материалов А и В
Физический процесс в термопаре
В цепи созданы условия (Рис. 1):
1) два термоэлектродных материала A и B соединены в замкнутую цепь,
2) реализуются физические эффекты:
а) скачок потенциала φА – φВ = eAB1 в спае 1,
б) скачок потенциала φВ – φА = eBА2 в спае 2,
3) плотность электронов проводимости подчиняется отношению
ne A (T) > ne B (T)
4) температуры спаев > ,
5) скачки потенциалов ЭДС в спаях 1 и 2 подчиняются отношению
-
| eAB1|
>
| eBА2|
В контуре действует сумма ЭДС, обозначаемая как ЕAB (T,T0) или ТЭДС
ЕAB (T,T0) = eAB1 + eBA2 = eAB1 - eAB2 >0. (1)
Температура Т определяется:
а) из расчетного уравнения Т = f(EAB),
б) из графика функции преобразования ЕAB (T,T0 ) = f(T).
Рис. 2. Функция преобразования СИ.
Вывод сигнала термопары
Рис. 3. Электрическая схема термопары.
eAB1 , eAB2 – скачки ЭДС в спаях 1 и 2
Вывод сигнала с помощью проводов, подсоединенных к разорванному электроду А (Рис. 4).
Рис. 4. Электрическая схема термопары с дополнительными проводами
U – потенциометр; i=0 – ток в контуре, Т3 = Т4, С – дополнительный провод
Определим суммарную ЭДС контура
ЕAB (T,T0) = eAB1 + eBA2 = eAB1 - eAB2 = U34 >0. (2)
Схема метода
Рис. 5. Схема метода
Метод измерения температуры с помощью термопары состоит в том, что
1) a r1– создают контакт спая 1 с Р.Т.;
2) a r2 – поддерживают To= 0 = const;
3) a r3– варьируют U34 и достигают i = 0;
4) am1 – измеряют потенциометром b 1 = U34 = Еконтур,
5) температуру Т определяют по расчетному уравнению метода
Т = f(EАВ(Т,Т0)). (3)
Рис. 6. Расчетное уравнение метода или градуировочная кривая СИ
В лабораторной работе №2 проводится метрологический эксперимент в виде градуировки термопары и исследуется градуировочная кривая Т = f(EАВ(Т,Т0)).
Функция преобразования термопары
ФП термопары может задаваться в аналитическом виде
y . (4)
ФП может задаваться стандартной таблицей Е(Т) или в виде графика. В лабораторной работе №2 приводятся обе формы зависимостей .
Влияние третьего материала на ТЭДС контура
Рис. 7. Электрическая схема термопары, содержащая третий материал C (вспомогательные провода).
eAB , eBС , eСА – скачки ЭДС в месте контактов электродов.
Задаем условие для спаев
Т2 = Т3 = Т0 = 0 0С, Т1 >Т2 . (5)
Рассматриваем два состояния контура:
1) i = 0, Е = eAB (T1) + eBC (T2) +eCA.(T3), (6)
2) i = 0, Т1 =Т0 Е = eAB (T0)+ eBC (T2)+eCA(T3) = 0. (7)
Уравнение (7) представляет собой закон Вольта.
Используя (7), выражаем
eCA = - eAB (T0) - eBC (T2).
Подстановка в (2) eCA дает ТЭДС контура Е в рабочем состоянии
Е = eAB (T1) – e АB (T0) = ЕАВ.(Т, T0). (8)
В лабораторной работе №2 термопара подключена к вольтметру в соответствии со схемой (рис. 2).
Потенциометрический метод (I = var).
Рис. 8. Схема потенциометра.
EAB – термопара, Р – реохорд, b – точка подвижного контакта, Д – движок, НЭ – нормальный элемент, НП – нуль-прибор, ПБ – показывающий блок, Пр – преобразователь, П – переключатель, 1 и 2 – клеммы подключения термопары.
Положение П: I.
1) Осуществляют
Rab = var , IНП → 0.
При условии нулевого тока IНП = 0 выполняются равенства
EAB = Uab’ = I Rab’.
Положение П: II.
2) Осуществляют вариацию
Rab = var. IНП → 0.
При условии нулевого тока IНП = 0 выполняются равенства
EНЭ = Uab’’ = I Rab’’.
Величина EAB связана параметрами, EНЭ, Rab’, Rab’’, которые рассматриваются как первичные данные, зависимостью
EAB = (EНЭ Rab’)/ Rab’’ (5)
Значение EНЭ является известным
EНЭ ≈ 1.0185 В.
Потенциометрический метод предусматривает следующие действия:
1) αr1 – создают тепловой контакт термопары и рабочего вещества и поддерживают T 0 = const,
2) αr2 – варьируют Rab (Rab = var) при положении переключателя I и добиваются IНП = 0,
3) αm1 – измеряют β1 = Rab’,
4) αr3 – варьируют Rab (Rab = var) при положении переключателя II и добиваются IНП = 0,
5) αm2 – измеряют β2 = Rab’’.
Величину EAB определяют по уравнению
EAB = (EНЭ Rab’)/ Rab’’. (9)
Обработка первичных данных (β1, β2) включает: а) вычисление EAB при известном значении EНЭ и б) определение температуры Т по расчетному уравнению T = f(EAB) с учетом поправки на температуру холодных спаев.
Взаимодействие блоков, среди них реохорд Р, движок Д, преобразователь Пр и показывающий блок ПБ, обеспечивает преобразование величины EAB в показание Uab.
Существенный недостаток метода и СИ заключается в том, что величина I меняется во времени.
Потенциометрический метод (I = const)
Рис. 9. Схема потенциометра (I = const).
EAB – термопара, Р – реохорд, Д – движок, b – точка подвижного контакта, НЭ – нормальный элемент, НП – нуль-прибор, ПБ – показывающий блок, Пр – преобразователь, П – переключатель, 1 и 2 – клеммы подключения термопары.
Положение П: К – контроль.
1) Осуществляют
RБ = var и IНП → 0.
При условии нулевого тока IНП = 0 выполняется равенство
EНЭ = I RНЭ. (10)
Положение П: И – измерение.
2) Осуществляют
Rаb = var.
При условии нулевого тока IНП = 0 выполняются равенства
EAB = Uab = I Rab . (11)
Величина EAB может быть связана с первичными параметрами, Rab,EНЭ,RНЭ, зависимостью
EAB = (Rab EНЭ)/ RНЭ , (12)
где EНЭ и RНЭ – известные значения.
EAB является однозначной функцией сопротивления Rab.
Метод измерения EAB с помощью потенциометра, в котором ток через реохорд поддерживается постоянным, предусматривает следующие действия:
1) αr1 – создают тепловой контакт термопары и рабочего вещества и поддерживают T 0 = const,
2) αr2 – варьируют RБ = var при положении переключателя K, снижают величину тока до IНП = 0,
3) αr3 – варьируют Rab = var при положении переключателя И, снижают величину тока до IНП = 0,
4) αm1 – измеряют β1 = Rab.
Величину EAB определяют по расчетному уравнению
EAB = (Rab EНЭ)/ RНЭ. (13)
Обработка первичных данных с целью получения Т включает:
1) вычисление EAB = f(β1) = (Rab EНЭ)/ RНЭ при известных значениях EНЭ и RНЭ и 2) определение температуры Т по градуировочной зависимости T = f(EAB) с учетом поправки на температуру холодных спаев.
Во время работы потенциометра взаимодействие блоков, среди них Р – реохорд, Д – движок, Пр – преобразователь и ПБ – показывающий блок, преобразует Rab в EAB в соответствии с расчетным уравнением.
Виды потенциометров
1. Р 306, класс точности 0.015,
2. Р 309, класс точности 0.005,
3. Р 363/1,2,3 класс точности 0.0015; 0.002; 0.005,
4. Компаратор, класс точности 0.0005,
5. Мультиплексор В7-72,
6. Мультиплексор В7-74-с,
7. Вольтметр универсальный В7-78/1.
Автоматический потенциометр
Рис. 10. Схема автоматического потенциометра.
EAB – термопара, Р – реохорд, Д – движок реохорда, a – точка подвижного контакта, НЭ – нормальный элемент, НП – нуль-прибор, БП – показывающий блок, П – переключатель, БМ – балансирный механизм, ЭД – электродвигатель, I, II, III – функциональные связи БМ с блоками, 1 и 2 – клеммы подключения термопары; RНЭ, RК, Rр , R0 – сопротивления.
Положение П: К– контроль.
Осуществляют
RБ = var и IНП → 0.
При условии IНП = 0 получают уравнения для токов I1 и I2, используя соотношения
EНЭ = I1 RНЭ,
I1 = EНЭ / RНЭ, (14)
Ufc = I1 (RНЭ + RК) = EНЭ(RНЭ + RК)/ RНЭ,
Ufc = I2(Rр + R0),
I2 = Ufc/(Rр + R0) = f(EНЭ,RНЭ,RК). (15)
Значения R0, Rр, RК и EНЭ являются известными и постоянными величинами. При этих условиях I1 и I2 являются также известными и постоянными величинами.
Положение П: И– измерение.
Варьируют Rab
Rab = var и IНП → 0.
При условии нулевого тока IНП = 0 расчетное уравнение для EAB имеет вид
EAB = Uad = Uab + Ubc - Ucd = I2 (Rab + R0) - I1 RK =
= I2 (Rab + R0 – (I1 RK)/ I2) = f(Rab). (16)
EAB является однозначной функцией сопротивления Rab.
R0 и RK играют роль подгоночных сопротивлений.
Балансирный механизм производит следующие действия:
-
определяет величину и знак IНП,
-
подключает движок, Д, реохорда к электродвигателю ЭД, в результате движок, Д, реохорда перемещается в соответствии с величиной IНП,
-
подключает ПБ к электродвигателю, в результате перемещается стрелка ПБ в положение U = EAB.
В итоге Rab преобразуется в EAB в соответствии с расчетным уравнением (3).
Во время работы потенциометра взаимодействие блоков, среди них реохорд Р, движок Д, балансирный механизм БМ, электродвигатель ЭД и показывающий блок ПБ, преобразует Rab в EAB в соответствии с расчетным уравнением.
Метрологические характеристики
Классы точности автоматических потенциометров принимают следующие значения:
γ = 100ΔU/U = 0.1; 0.2; 0.3; …0.6.
В лаборатории каф. ИТФ используются:
мультиплексор В7-72 (γ = 100ΔU/U = 10-3 % ),
мультиплексор В7-74-с (γ = 100ΔU/U = 10-4 % ),
Вольтметр универсальный В7-78/1.