ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ФАКУЛЬТЕТ «ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ» КАФЕДРА «ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ»

ИЗУЧЕНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Методические указания по курсовому проектированию по дисциплине "Основы автоматизации промышленных печей"

РПК "Политехник" Волгоград 2007

УДК

Р е ц е н з е н т:

Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета

Ласенко, В.В.

Изучение принципа действия, измерения и применения термоэлектри­ческих преобразователей: метод. указания к лабораторной работе по дисци­плине «Основы автоматизации промышленных печей» / Сост. В.В.Ласенко / ВолгГТУ. - Волгоград, 2007, - 31с.

Методические указания помогут студентам освоить принцип работы термоэлектрических преобразователей ТЭП (термопар), методы измерения температуры с помощью термоэлектрических термометров, оценить воз­можность использования тех или иных типов термопар.

Предназначены для студентов очной (по направлению 550500 «Ме­таллургия») и очно-заочной (по специальности 150105 «Металловедение и термическая обработка металлов») форм обучения.

Библиогр.: 4 назв.; 4 рис.

© Волгоградский государственный технический университет, 2007г.

© В.В. Ласенко, 2007

СОДЕРЖАНИЕ

ИЗУЧЕНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 1

Ласенко, В.В. 2

Eabc (t) = eab (t) + ebc (t) + eca (t)=0 (3.3) 7

14. 8

ИЗУЧЕНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 27

Целью работы является ознакомление с устройством и принципом действия и работой термоэлектрических преобразователей ТЭП (термопар) для получения практических навыков их использования при измерении температур.

1. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

   1. Ознакомить студентов с различными типами термопар, их прин­ципом действия, правилами обращения и со схемами их включения.

   2. Провести сборку термопары из предложенных термоэлектродов и измерить их сопротивление. Подобрать к ним компенсационные провода.

   3. Провести градуировку термопар и определить пригодность их к работе.

   4. Научить измерению температуры с помощью ТЭП по разным схемам включения термопар.

   5. Научить определять и оценивать погрешность измерения темпе­ратуры.

   6. Научить рассчитывать отдельные элементы измерительной цепи.

   7. Составить отчет по лабораторной работе.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 3.1. Термоэлектрические преобразователи (ТЭП) К ним относятся термопары, которые являются устройств, предна­значенным для измерения температуры на основе термоэлектрического эф­фекта. Получили наибольшее применение в промышленности, так как об­ладают высокой точностью (погрешность измерения термоэлектродвижу­щей силы составляет несколько процентов за счет неоднородности матери­ала термоэлектродов или 10...100 м В)., надежностью и широким диапазо­ном измерений (от -200 °С до более 2500 °С); могут работать в авто-ма- тичких системах контроля и регулирования любого промышленного агре­гата. Термопары незаменимы в случаях, когда требуется измерить темпе­ратуру в локальной зоне (горячий спай термопары имеет диаметр доли миллиметра). Кроме того, для измерения температур в диапазоне 700... 2000 °С им практически нет альтернативы.

Рисунок 3.1. - Схема термоэлектрической цепи

Схема термоэктрической цепи приведена на рисунке 3.1. Термоэлектродвижущая сила (теро-ЭДС) возникает в цепи, состав­ленной из двух разнородных проводников а и б при неравенстве темпера­тур (t и to)

to

В них используется эффект Зеебека (открыт им в 1821 году): в ТЭП: при нагревании одного конца металлического проводника увеличиваются амплитуды колебания электронов, они сходят со своих орбит, что приво­дит к возрастанию количества свободных электронов в единице нагретого объема и они начинают диффундировать к холодному концу. Холодный конец становится заряженным отрицательно, а горячий положительно. Та­ким образом, в металлическом проводнике возникает разность потенциа­лов, называемая термоэлектродвижущей силой. Значение ее зависит от фи­зической природы проводника. Если составить цепь из двух однородных проводников с разными температурами спаев, возникает круговое движе­ние зарядов по замкнутому контуру, противоположные по знаку и равные по величине, то есть в такой цепи термо-ЭДС равно нулю, независимо от распределения температуры по длине проводника. Если же взять разнород­ные проводники и не обеспечить разность температур в местах спаев, то и в этом случае термо-ЭДС также будет равно нулю.

Развиваемая термопарой термоэлектродвижущая сила определяется уравнением (основное уравнение ТЭП)

E_ab (t, to ) = е_аь (t) - e_ab (to) Ф 0, (3.1)

где eab (t) - разность потенциалов при температуре t; eab (to) - то же, при температуре to

Таким образом, термо-ЭДС термопары является функцией темпера­туры ее рабочего и свободного концов. Термо-ЭДС, возникая при переходе от проводника (а) к (b) с температурой to противоположна по знаку термо- ЭДС, возникающей при переходе от (b) к (а) и не равна. При размыкании цепи на ее концах можно измерить термо-ЭДС по величине в м В. Это яв­ление можно объяснить следующим образом. С одной стороны, вследствие различия уровней Ферми различные металлы имеют различную работу вы­хода электронов, поэтому при соприкосновении двух разнородных метал­лов возникает контактная разность потенциалов (открыл Томсон). С дру­гой стороны концентрация свободных электронов зависит от наличия перепада температуры, что вызывает их диффузию, приводящей к образо­ванию разности потенциалов на концах проводников. Таким образом тер- мо-ЭДС равна сумме скачков потенциалов в контактах термоэлектродов и сумме изменения потенциала вызванных диффузией электронов и зависит от химического состава проводников и температуры их спаев и не зависит от геометрических размеров термопары и размера спаев.

Следует отметить, что в явном виде зависимость (3.1) для конкретно­го используемых термоэлектродных материалов пока не может быть полу­чена аналитически с достаточной точностью. Поэтому, при измерении тем­ператур, эта зависимость для различных используемых ТЭП устанавлива­ется экспериментально путем градуировки и последующего табулирования или построения графика зависимости термо-ЭДС от температуры, при этом температура свободных концов ТЭП должна поддерживаться посто­янной на уровне t₀ = 0°C, при которой зависимость E_AB (t, 1₀) = f (t). Практи­чески температуру t0 поддерживают постоянной (градуировку проводят при to = 0°C), поэтому выражение E(t, to) = f (t) называется градуировочной характеристикой термопары. Ее получают экспериментально, измеряя т.э.д.с. при известной температуре рабочего конца с поддержанием свобод­ных концов при 0 °С. Градуировочные характеристики для различных ТЭП показаны на рисунке 3.2.

Один термоэлектрод, в котором в спае с меньшей температурой ток идет к другому, становится положительным, а другой - отрицательным термоэлектродом а в совокупности называется - термопарой или термо­электрическим преобразователем (ТЭП). Спай, помещаемый в измеряемую среду, называют горячим или рабочим концом термопары, а спай, темпера­туру которого поддерживают постоянной - холодным или свободным кон­цом.

Для измерения термо-ЭДС в цепь термоэлектрического термометра

Е.мВ

¹ 250 Ј00 750 1000 1150 1500 t, С

Рисунок 3.2. - Градуировочные характеристики термопар

включают измерительный прибор, причем его включение вводит в цепь по крайней мере еще один, третий проводник (с). Термо-ЭДС при равенстве температур всех мест соединений будет

Eabc (t) = eab (t) + ebc (t) + eca (t)=0 (3.3)

В результате преобразований получаем

E abc (t, to ) = eab (t) - eabb (to), (3 .4)

т.е. термо-ЭДС цепи, составленной из трех разнородных проводников, не отличается от термо-ЭДС цепи, составленной из двух проводников, если температура мест подсоединения третьего проводника равна. Таким об­разом можно сделать следующие выводы: включение одного, двух или нес-кольких проводников в цепь термоэлектрического термометра (ТЭТ) не вызывает искажения термо-ЭДС термометра, если места подсоединения каждого из этих проводников будут иметь одинаковую температуру; рабо­чий конец ТЭП можно изготовлять путем сварки или пайки, если темпера­

тура во всех точках спая будет одинакова.

В производственных условиях для устранения необходимости введе­ния поправок в термоэлектрических цепях применяют, так называемые, компенсационные провода, то есть разнородные провода, которые в паре между собой развивают такую же термо-Э Д С, не влияют на погрешность измерения , в интервале до 150 °С, но они более дешевые.

Рисунок 3.3. - Схема термоэлектрического термометра

3

трубками 4 и заключены в защитный чехол 5. В головке 6 оба термоэлектро­да посредством зажимов, укрепленных на колодке 7, соединены с жилами 8 и 9 компенсационного провода, к которому посредством медных соедини­тельных проводов 10 подключен в точках 11 и 12, являющихся свободны­ми концами термопары, вторичный электроизмерительный прибор 13. Постоянная температура свободных концов поддерживается термостатом

14.

Могут быть использованы два варианта включения измерительного прибора ИП в цепь ТЭТ: в разрыв электрода (рисунок 3.4,а) и в разрыв спая свободного конца (рисунок 3.4,б), где ТЭП имеет один рабочий спай 1 и два свободных спая 2 и 3. При включении прибора в разрыв одного из термоэлектродов ТЭП имеет рабочий 1, свободный 2 и два нейтральных (3

ТЭП являются неотъемлемой частью термоэлектрического термо­метра, схема которого приведена на рисунке 3.3. Термоэлектроды 1 и 2, об­разующие рабочий конец 3, изолированы друг от друга фарфоровыми

и 4) при постоянной температуре спая t. При неравенстве температур спаев 2 и 3 (рисунок 3.3,а) или 3 и 4 (рисунок 3.4,6) в контуре образуется пара­зитная термо ЭДС.

По значению полученного результата из градуировочной таблицы или графика находят искомую температуру t для конкретного ТЭП.

Для решения отдельных задач измерений температуры применяют различные способы соединения ТЭТ.

а б

Рисунок 3.4. - Схемы включения измерительного прибора: а - к свободным концам термопары; б - в разрыв термоэлектрода

h

Для увеличения коэффициента преобразования ТЭТ применяют по­следовательное включение (рисунок 3.5а), нескольких n термопар (термо­батарею), дающих в n раз больше термо-ЭДС отдельной термопары. Ис­пользуется, если температура t измеряемого объекта незначительно отли­чается от температуры t₀ свободных концов ТЭП, а также для измерения низких температур и уменьшения погрешности измерения:

E(t,to).= ei(ti, to) + to) + es(ts, to) + ... + e_n(t_n, to) (3.6)

Параллельное включение n термопар, имеющих одинаковые сопро­тивления, дает термо-ЭДС, среднюю между термо-ЭДС отдельных термо­пар (рисунок 3.5 б):

E = [ei(ti, to) + e2(t2, to) + e₃(t₃, to) +.+ e_n(t_n, to)] / n (3.6)

Дифференциальное соединение (рис. 3.5 в) служит для замера разно­сти температур в двух точках одновременно: включение термопар навстре­чу друг другу

E(ti,t2) = e(ti) - e(t2) (3.6)

Здесь спаи 1 и 2 являются рабочими и располагаются в средах соот­ветственно с температурой ti и t₂, а спаи 3 и 4 - нейтральные с одинаковой температурой to.

Абв Рисунок 3.5. - Схемы включения термоэлектрических термометров, где а - параллельное; б - последовательное (термобатарея); в - для измерения разности температур (дифференциальное)

Для измерений в металлургии наиболее широко применяются ТЭП со стандартной градуировкой: платинородий-платиновые (ТПП), пла- тинородий-платинородиевые (ТПР), хромель-алюмелевые (ТХА), хромель- копелевые (ТХК), вольфрамрений-вольфрамрениевые (ТВР). В ряде случа­ев используют также ТП с нестандартной градуировкой: медь-константа- новые, вольфрам-молибденовые (ТВМ) и др. Основные стандартизованные типы термопар и их характеристики приведены в таблице 3.1.

Наиболее точной является платинородий-платиновый ТЭП, который используется также в качестве образцовых рабочих эталонов и термомет­ров 1-го, 2-го и 3-го разрядов. Однако вследствие высокой стоимости и не­большой величины развиваемой термо-ЭДС.

Платинородий-платиновые термопары имеют наивысший темпера­турный предел и небольшую величину развиваемой термо-ЭДС, поэтому применяются преимущественно для измерения температур более 1300 °С.

Требования, предъявляемые к материалу термоэлектродов. Термо­пару можно изготовить, комбинируя бесчисленное множество различных материалов: чистых металлов, их сплавов, полупроводниковых и тугоплав­ких соединений. Однако использование большинства из них в термоэлек­трических термометрах широкого применения невозможно, так как они не удовлетворяют ряду требований, предъявляемых к термоэлектродным ма­териалам: высокое значение развиваемой термо-ЭДС стабильность харак­теристики в течение значительного периода времени и высоких темпера­тур; воспроизводимость и линейная зависимость термо-ЭДС от тем-пера- туры; однородность термоэлектрических свойств по длине про-водника (для восстановления рабочего спая без переградуировки и для изменения глубины его погружения); легкость технологической обработки и получе­ния сплава одинакового состава; химическая инертность; хорошие эконо­мические показатели.

Большое значение развиваемой т. э. д. с. определяет высокое значе­ние чувствительности устройства: отношения AE/AT, т. е. отношения при­ращения термо-ЭДС AE к величине изменения температуры AT, вызвавшее данное приращение сигнала. Данный показатель для технических термо­электрических термометров находится в пределах 0,01...0,06 мВ/°С. Чем больше это значение, тем менее чувствительный, но более дешевый и на­дежный вторичный прибор можно использовать в комплекте с термопарой.

Выбор материалов термоэлектродов в значительной степени опреде­ляется уровнем температуры и агрессивным воздействием измеряемой сре­ды. Платина и ее сплавы с родием хорошо работают в окислительной и нейтральной средах, вольфрам, молибден, рений и их сплавы - в вакууме, нейтральной и восстановительной средах. Науглероживание проволоки ис­кажает термоэлектрическую характеристику платины и приводит к по­грешностям в измерении. Значительный опыт эксплуатации различных термопар привел к тому, что в настоящее время количество применяемых в

технике измерений материалов невелико.

Для измерения температур в диапазоне 600...1000 °С наиболее широ-

Типы термопары	Обозначе­ние (новое) старое	Химический состав термоэлектродов			Пределы измерений °С				Термо ЭДС, мВ приt=100°С t0 = 0°С
		положительный	отрицательный	нижний		длитель­ный	крат- ковремен- ный
Медь-копелевая	МК	100% Си	55% Cu +45% Ni	-200		100	-	4,72
Медь-медноникеле- вая	(Т) ММ	100% Си	35% Cu +65% Ni	-200		400		4,28
Железо-меднонике- левая	(Д)ЖМН	100% Fe	35% Cu +65% Ni	-200		700	900	5,27
Хромель-копелевая	ХК	89%Ni+9,8%Cr+ 1%Fe+0,2%Mn	55% Cu +45% Ni	-50		600	800	6,88
Никельхром-медно- никелевая	(E) НМК	-	-	-100		700	900	6,32
Хромель-алюмеле- вая (никельхром-ни- кельалюминиевая)	(К) ХА	89%Ni+9,8%Cr +1%Fe+0,2%Mn	94% Ni + 2% Al + 2,5%Mn + 1%Si + 0,5%Fe	-200		1000	1300	4,09
Платинородий (10%) - платиновая	(S) ПП-1	90%Pt + 10%Rh	100% Pt	0		1300	1600	0,65
Платинородий (30%) -платинородий (6%)	(В)ПР30/6	70%Pt+30%Rh	94% Pt + 6% Rh	300		1600	1800	-
Вольфрамрений(5%) вольфрамренивая (20%)	ВР 5/20	95% W + 5% Re	80% W + 20% Re	0		2200	2500	1,33
Вольфрам-молибде­новая	ВМ	100 % W	100% Mo	1250		2000	2100	0,4±0,03

ко применяются хромель-алюмелевые термопары. Для измерения темпера­тур до 600°С широко применяются термопары с хромель-копелевыми элек тродами, развивающие самую высокую термо-ЭДС. Однако эти термопары имеют существенно нелинейную характеристику по сравнению с хромель- алюмелевой термопарой.

При низких температурах (до 600 °С) наиболее предпочтительным является ТЭП типа ТХК. В интервале температур 600.. .1000 °С обычно применяется ТЭП типа ТХА. Они развивают значительную термо-ЭДС. (особенно ТХК), дешевы, хорошо противостоят окислению в воздушной среде и являются самыми распространенными.

Вольфрам-рениевая термопара позволяет измерять температуры до 2000...2500°С в жидкой стали. вакууме, нейтральной и восстановительной средах

Устройство термоэлектрических термометров. Термоэлектриче­ский термометр - это измерительный преобразователь, чувствительный элемент которого (термопара) расположен в специальной защитной арма­туре, обеспечивающей защиту термоэлектродов от механических повре­ждений и воздействия измеряемой среды. На рисунке 3.5 показана конструкция технического ТЭП. Арматура включает защитный чехол 1, гладкий или с неподвижным штуцером 2, и головку 3, внутри которой рас­положено контактное устройство 4 с зажимами для соединения термоэлек­тродов 5 с

Рисунок 3.5. - Схема общего вида термоэлектрического преобразователя. проводами, идущими от измерительного прибора к термометру. Термо­электроды по всей длине изолированы друг от друга и от защитной арма­туры керамическими трубками (бусами) 6.

Основным вопросом при конструировании термопар промышленно­го типа является выбор материала защитного корпуса, в котором монтиру­ется чувствительный элемент - горячий спай термопары, и материала изо­ляции термоэлектродов. Защитный корпус должен оградить термопару от действия горячих химически активных газов и жидкостей. Поэтому он дол­жен быть герметичен, хорошо проводить тепло, быть механически проч­ным и устойчивым к воздействию температуры и активной среды. Кроме того, он не должен выделять при нагреве газов, разрушающих термопару.

Чаще всего корпус изготавливают из обычной (для температур до 600°С) или легированной (для температур до 1100°С) стали. Для темпера­тур до 1400 °С корпус изготавливают из кварца и фарфора, однако эти ма­териалы дороги и механически непрочны. При более высоких температу­рах - керамические (карбофракс, алунд, диборид циркония и т. п.).

В качестве термоэлектродов используется проволока диаметром 0,5 мм (благородные металлы) и до 3 мм (не благородные металлы). Спай на рабочем конце 7 термопары образуется сваркой, пайкой или скручиванием. Последний способ используется для вольфрам-рениевых и вольфрам-мо­либденовых термопар. Конструкцией предусмотрена возможность в про­цессе эксплуатации извлекать из защитной арматуры термоэлектроды в сборе для поверки или замены. Головка снабжена уплотнением, исключаю­щим попадание пыли и влаги во внутреннюю полость устройства. Термо­электрические термометры выпускаются двух типов: погружаемые и по­верхностные. У последних рабочий спай приводится в непосредственный контакт с измеряемой поверхностью. Промышленность изготавливает устройства различных модификаций, отличающихся по назначению и условиям эксплуатации, по материалу защитного чехла, по способу уста­новки термометра в точке измерения по герметичности и защищенности от действия измеряемой среды, по устойчивости к механическим воздействи­ям, по степени тепловой инерционности и т. п.

Конструктивное оформление ТЭП весьма разнообразно, что позволя­ет их применять в различных условиях. Имеется также унифицированная арматура, которая обеспечивает взаимозаменяемость ряда моделей термо­электрических термометров с термометрами сопротивления.

Каждая модель изготавливается с различной длиной погружаемой (монтажной) части ТЭП, которая изменяется от 40 до 2000 мм.

Разработаны ряд термопар из тугоплавких неметаллических соедине­ний (полупроводников), которые устойчивы при температуре выше 1500°С в углеродсодержащих газах, даже при измерениях выше 1700°С не требу­ется защитной арматуры. В ряде случаев, особенно при высокотемператур­ных исследованиях, начали использовать термоэлектрические термометры из тугоплавких соединений, таких как борид циркония, карбид титана, гра­фит, дисилицид вольфрама и т. п. Заслуживает внимание графит-вольфра­мовая термопара (рисунок 2.18), которая может быть изготовлена с относи­тельно, небольшим наружным диаметром и работать в агрессивных средах.

Рисунок 3.6. - Графито-вольфрамовый термоэлектрический термометр, где

1-графитовый наконечник; 2- вольфрамовый стержень; 3-окись алюминня; 4-графито- вая трубка; 5 - холодильник; 6 - изолятор; 7 - контактная гильза; 8, 9 - прижимные пру- жинаы, 10 - нажимной винт

Большое распространение в последнее время получают термоэлек­трические термометры кабельного типа [3] Они представляют собой два термоэлектрода, помещенные в гибкую тонкостенную защитную трубку оболочку (рисунок 3.7). Пространство между термоэлектродами и оболоч­кой заполняется специальной изолирующей засыпкой (порошок MgO или А1₂О₃). Оболочка изготавливается из нержавеющей или жаропрочной ста­ли. Наружный диаметр оболочки ТЭП составляет от 0,5 до 6 мм, а длина - до 25 м, Выпускаются хромель-алюмелевые и хромель-копелевые термо­преобразователи с изолированным (рисунок 3.7,а) и неизолированным (ри­сунок 3.7,6) спаями.

Рисунок 3.7 -. Устройство ТЭП кабельного типа: а) - с изолированным; б) - с неизолированным спаями

Основные параметры и размеры кабельных термопреобразователей приведены в таблице 3.2.

Они применяются в интервале температур от -50 до 900 ^оС (в обо­лочке из жаропрочной стали - до 1100°С) при давлении до 40 МП в техно­логических процессах различных отраслей промышленности. Достоинство кабельных термопар состоит в том, что в процессе монтажа их можно изгибать (радиус гиба равен 5 диаметрам), а малый диаметр позволяет укладывать их в труднодоступные каналы.

Кроме того кабельные термопары защищены от воды, пара, пыли, имеют высокую вибропрочность, работают в условиях агрессивных сред и мощных радиационных полей, позволяющая им работать в энергетических реакторах АЗС, повышенная стойкость к тепловым ударам, вибрации, и механическим нагрузкам, имеют малый показатель тепловой инерции и повышенный в 2-3 раза рабочий ресурс.

Таблица 3.2. - Технические характеристики кабельных термопреобразова­телей

Тип	КТХАС	КТХКС	КТХАСп
Диапазон изме­рения, °C	-40...+800	-40...+600	-40...+1000
Тип ТЭП	ХА(К)	ХК^)	ХА(К)
Класс допуска	1, 2	2	1,2
Материал за-
щитной	12Х18Н10Т	12Х18Н10Т	ХН78Т
оболочки
Возможные диа-
мет	1,5; 3; 4; 5; 6
ры (D), мм
Возможные длины (L), мм	320, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3200, 4000, 5000, 5600, 6300, 7100, 8000, 9000, 10000,11000, 12500, 18000, 20000.