методические указания по лабораторной работе / исследование характеристик теплоэлектрических преобразователей

Министерство образования и науки Российской Федерации

Саратовский государственный технический университет

Балаковский институт техники, технологии и управления

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине "Элементы и устройства систем управления"

для студентов специальности 220201 «Управление и информатика в технических системах»

всех форм обучения

Одобрено

редакционно-издательским советом

Балаковского института техники,

технологии и управления

Балаково 2010

Цель работы - ознакомление с принципом действия, конструкцией,

определение статических и динамических характеристик теплоэлектриче-

ских преобразователей.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Существуют две основные группы датчиков температуры: контакт-

ные и бесконтактные. При контактном способе о степени нагретости веще-

ства судят по изменению температурозависимых свойств чувствительных элементов датчиков, которые предварительно приводятся в состояние теп-

лового равновесия с объектом измерения. К бесконтактным преобразова-

телям относятся пирометры излучения, действие которых основано на за-

висимости лучеиспускания нагретых тел от температуры.

По принципу действия контактные датчики температуры подразде-

ляются на:

- термометры расширения (жидкостные и деформационные), осно-

ванные на зависимости изменения объема (для жидкостных) и линейных размеров твердых тел (для деформационных) от изменения температуры;

- манометрические (жидкостные, газовые, паровые), основанные на зависимости изменения давления жидкости, газа или пара, заключенных в емкость постоянного объема, приводящего к перемещению свободного конца чувствительного элемента (мембраны, сильфона, трубчатой пружи-

ны), от изменения температуры;

- термоэлектрические преобразователи, которые преобразуют изме-

нение фактического значения температуры в изменение электрического сигнала.

В системах автоматического регулирования и управления измерение температуры осуществляется с помощью теплоэлектрических преобразо-

вателей, к которым относятся термометры сопротивления и термоэлектри-

ческие термометры (термопары).

2

Действие термоэлектрических термометров основано на явлении термоэлектрического эффекта: свойстве металлов и сплавов генерировать термоЭДС, величина которой зависит от разности температур в местах со-

единения концов двух разнообразных проводников (горячего и холодного спаев), образующих чувствительный элемент термометра – термопару. Ве-

личина выходного напряжения термопары Uвых зависит от разности темпе-

ратур горячего спая t1 и холодного спая to :

На рис. 1 показаны статические характеристики некоторых термопар.

Е,мВ

1

2

3

4

t,ºC

Рис.1. Статические характеристики термопар:

1 – хромель-копель; 2 – хромель-алюмель; 3 – никеле-кобальтовый сплав – сплавы алюминия; 4 – железоникелевый сплавсплавы копеля

В качестве материала электродов термопар используются:

–драгоценные металлы (платина, золото) и их сплавы;

–неблагородные металлы (сталь, медь, никель) и их сплавы;

–полупроводники (кремний, теллур, арсенид галлия, германий).

На рис. 2 показано устройство термоэлектрического термометра.

Термоэлектроды 1 расположены так, что их спай 2 касается защитного чехла 3. На термоэлектроды надеты изоляционные бусы 4. На концах за-

щитного чехла крепится головка термометра 5. В головке расположена ко-

3

лодка 6 с зажимами 7 для термоэлектродов и соединительных проводов 8.

Рабочий спай чаще всего изготавливается путем сварки или пайки.

Рис. 2. Устройство термоэлектрического термометра

Принцип действия термометров сопротивления основан на зависимо-

сти электрического сопротивления их чувствительных элементов от темпе-

ратуры.

Требования к материалам чувствительных элементов термометров

сопротивления. Материалы чувствительных элементов должны быть химически инертными (не окисляться при высоких температурах); иметь устойчивые при высоких температурах физические и химические свойства; иметь большой и по-

стоянный температурный коэффициент сопротивления; близкую к линейной ста-

тическую характеристику.

В качестве материалов чувствительных элементов используются провод-

ники и полупроводники.

В проволочных (проводниковых) термометрах сопротивления в качестве материалов чувствительных элементов используются чистые металлы: платина,

медь, никель.

4

Наибольшее распространение получили платиновые терморезисто-

ры. Используется платиновая проволока диаметром 0,05 - 0,2 мм. Темпера-

турный коэффициент сопротивления платины составляет 0,0039ºС-1.

Статическая характеристика платиновых терморезисторов в диапазоне

эффициенты: А = 3,96847·I0-3 0C-1; В = – 5,847·I0-7 0C-1 .

Для длительного использования в диапазоне температур от -200 ºС

до +200 ºС применяют медные терморезисторы.

Достоинствами медных терморезисторов являются дешевизна, про-

стота получения тонкой медной проволоки (диаметр 0,08 – 0,1 мм) в раз-

личной изоляции, линейность статической характеристики:

К недостаткам относятся высокая окисляемость при невысоких тем-

пературах и малое удельное сопротивление (1,7·10-8Ом·м). Температурный коэффициент сопротивления меди составляет 0,00426ºС-1.

Никелевые терморезисторы применяются для измерения температу-

ры в диапазоне от -60 ºС до +300 ºС.

Достоинствами никелевых терморезисторов являются высокий темпе-

ратурный коэффициент сопротивления 0,00666ºС-1 и большое удельное сопро-

тивление 12,8·10-8 Ом·м.

К недостаткам относятся окисляемость при повышенных температурах и нелинейная статическая характеристика

Rt R0 1 At Bt 2 .

На рис. 3 показано устройство платинового термометра сопротивле-

ния. Чувствительный элемент термометра сопротивления выполнен в виде спирали из проволоки 1, помещенной в четырехканальный керамический

5

каркас 2. Для защиты от механических повреждений и вредного воздейст-

вия измеряемой среды чувствительный элемент помещен в защитную обо-

лочку 2, которая уплотнена керамической втулкой 4. Выводы 5 чувстви-

тельного элемента проходят через изоляционную керамическую трубку 6.

Эти элементы находятся в защитном чехле 7, устанавливаемом на объекте измерения с помощью резьбового штуцера 8. На конце защитного чехла располагается соединительная головка 9 термометра. В головке на-

ходится изоляционная колодка 10 с винтами 11 для крепления выводов термометра и подключения соединительных проводов, которые выводятся через штуцер. Для уменьшения влияния внешних электрических и магнит-

ных полей чувствительные элементы терморезисторов делаются с безин-

дуктивной намоткой.

Рис. 3. Устройство платинового термометра сопротивления

Так как терморезисторы являются элементами САР и САУ необхо-

димо знать их статические и динамические характеристики.

6

ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Схема для исследования характеристик терморезисторов (рис.4)

включает блок коммутации, собранный на переключателях SA1 – SA5; не-

уравновешенный мост со стабилизированным источником питания

(НМИПС); миллиамперметр; платиновый термометр сопротивления RT

(ПТ-100); нагревательный блок (НБ). Нагревательный блок включает об-

разцовый стеклянный ртутный термометр, ѐмкость для рабочей жидкости и электроводонагреватель, поверочные резисторы R4 и R3 (100 Ом и

139,1Ом), соответствующие нулю и ста градусам Цельсия; индикаторные неоновые лампы L1 и L2.

Рис. 4.Схема для исследования характеристик терморезистора

Для измерения сопротивлений термометров в лабораторной установ-

ке используется неуравновешенный мост.

На рис.5 показана принципиальная схема неуравновешенного моста.

R1, R2 и R3 – постоянные резисторы плеч моста; Rt – сопротивление тер-

мометра; mV – милливольтметр с внутренним сопротивлением Rм; RK –

7

контрольный резистор; П – переключатель, позволяющий включать либо термометр сопротивления (положение ключа И), либо контрольный рези-

стор (положение К).

R1

RT

Рис. 5. Схема неуравновешенного моста

Если при положении И переключателя П сопротивление термометра изменится, то через милливольтметр, включенный в измерительную диа-

гональ моста, потечет ток, и его указатель отклонится. Угол отклонения указателя милливольтметра, следовательно, и сила тока будет тем больше,

чем значительнее нарушено равновесие моста, что позволяет судить о тем-

пературе термометра, следовательно, и о температуре среды, в которой он находится.

Для поддержания постоянства напряжения между точками c и d ис-

пользуют регулировочный резистор R1, выполненный в виде реостата, а

также стабилизированный источник питания. Для обеспечения контроля напряжения предусматривается постоянный, не зависящий от температуры контрольный резистор Rк, включаемый в схему моста вместо термометра сопротивления с помощью переключателя П. При включении Rк указатель

8

милливольтметра должен встать на контрольную отметку. Резистор Rк

обычно имеет сопротивление, равное сопротивлению прибора и соедини-

тельных проводов.

Для исследования характеристик термоэлектрического термометра используется схема, представленная на рис. 6. Исследуется термопара

"хромель-копель", термоэлектроды 1 которой погружены в рабочую жид-

кость. Возникающая при этом термоЭДС передается по соединительным проводам и фиксируется с помощью милливольтметра 2, отградуирован-

ного непосредственно в градусах Цельсия.

Рис. 6. Схема для исследования характеристик термопары

Повышая температуру рабочей жидкости с помощью электронагре-

вателя, фиксируем показания милливольтметра и образцового стеклянного ртутного термометра в диапазоне от 0 до 1000С (если рабочей жидкостью является вода).

ТРЕБОВАНИЯ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ

При выполнении лабораторной работы необходимо выполнять об-

щие правила техники безопасности:

– установку включать в сеть только после ознакомления с ее устрой-

ством и только по разрешению преподавателя;

9

– перед включением установки в сеть предупредить всех присутст-

вующих членов бригады;

– при обнаружении неисправности (искрение, запах) немедленно от-

ключить установку от сети и сообщить преподавателю;

–категорически запрещается производить устранение неисправности при включенном стенде;

–аккуратно работать с нагревательным элементом при увеличении температуры более 300С;

–работать на установке разрешается в составе бригады из двух сту-

дентов.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Ознакомиться с лабораторной установкой, записать технические дан-

ные исследуемых устройств и приборов, подготовить необходимые таблицы для записи результатов наблюдений.

2. Подготовка стенда к работе:

– разъем XPI подключается к питающей сети переменного тока на-

пряжением 220 В (для защиты от опасных перегрузок по току в схеме ис-

пользуется плавкий предохранитель (см. рис. 4,6));

– замыкают контакты спаренного переключателя SA1, при этом заго-

рается индикатор L2, и напряжение подается на НМИПС;

– замыкают контакты переключателя SA4, при этом включается по-

верочный резистор R4, сопротивление которого соответствует 00С;

– регулировкой моста "min" выставляют показания миллиампермет-

ра, отградуированного непосредственно в градусах Цельсия, на 00С;

– после установки стрелки миллиамперметра на 00C, контакт SА4

размыкают;

10