Міністерство освіти і науки, молоді і спорту України

Національний університет «Львівська політехніка»

ІКТА

Кафедра метрології, стандартизації та сертифікації

Курсова робота з дисципліни

«Сенсори для випробувальних систем»

на тему:

«Проектування термоелектричного сенсора з параметричним корегуванням мультиплікативної похибки від неінформативного параметра (навколишня температура)»

Виконала:

ст.гр. МС – 31

Чикальська Н. Р.

Прийняв:

д. т. н., проф.

Ванько В. М.

Львів 2012

ВСТУП. ОСНОВНІ ВІДОМОСТІ ПРО ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ (ТЕРМОПАРУ)

Термопари - термочутливий елемент у пристроях для вимірювання температури, системах управління та контролю. Складається з двох послідовно сполучених (спаяних) між собою різнорідних провідників або (рідше) напівпровідників. Якщо спаї знаходяться при різних температурах, то в ланцюзі термопари виникає електрорушійна сила (термоелектрорушійної сила), величина якої однозначно пов'язана з різницею температур "гарячого" і "холодного" контактів.

Принцип дії термопари

Принцип дії термоелектричних перетворювачів або термопар заснований на явищі термоелектричного ефекту, яке полягає в тому, що в ланцюзі з двох різних провідників (або напівпровідників), з'єднаних між собою кінцями при різниці температур сполук виникає ЕРС, так звана термоелектрорушійна сила (термо-ЕРС). Такий ланцюг називається термоелектричним перетворювачем або термопарою. Провідники, складові термопари, називаються термоелектроди, а місця їх з'єднання спаями. Робочий кінець термопари, поміщений у вимірюване середовище, називають гарячим спаєм, а вільний (неробочий) - холодним. Один із термоелектродів називається термопозитивний, а другий - термонегативний. Термопозитивним називають той провідник, від якого термо-ЕРС тече в холодному спаї, а термонегативним - той провідник, до якого тече термо-ЕРС в тому ж холодному спаї.

При невеликому перепаді температур між спаями термо-ЕРС пропорційна різниці температур. Величина термо-ЕРС залежить тільки від природи провідників і від температури спаїв і не залежить від розподілу температур між спаями.

Якщо через ланцюг, що складається з двох різних провідників або напівпровідників, пропустити електричний струм, то в одному спаї виділяється тепло, а на іншому поглинається.

У різнорідних провідниках кількість вільних електронів на одиницю об'єму різна.

Застосування термопари у термоелектричних термометрах

Термоелектричними термометрами називають пристрої для вимірювання температури. Вони містять термоелектричний перетворювач, який підключається до електровимірювальні прилади.

Конструкція термоелектричних перетворювачів залежить від умов їх застосування:

• термоелектричні перетворювачі для контролю і виміру температури рідин і газів;

• термоелектричні перетворювачі для контролю і виміру температури твердих тіл.

Термоелектричні перетворювачі з'єднують зі вторинними приладами за допомогою термоелектричних проводів.

Вторинними приладами, що діють в комплекті з термоелектричними перетворювачами, є магнітоелектричні мілівольтметри і потенціометри. Робота магнітоелектричного мілівольтметра заснована на взаємодії рамки, утвореної провідником, по якому протікає струм, з полем постійного магніту.

Струм від термопари, протікаючи по провідниках рамки, створює обертаючий момент.

Потенциометричний або компенсаційний метод вимірювання полягає в зрівноважуванні вимірюваної ЕРС термопари відомим падінням напруги від постійного джерела струму, яке вимірюється з високою точністю. Потенціометри мають високу точність вимірювання, тому широко застосовуються в промисловості і в лабораторній практиці. Для промислового контролю і вимірювання застосовують автоматичні електронні потенціометри.

Загальна характеристика термопари

Принцип роботи термопари заснований на термоелектричному ефекті, який полягає в тому, що в замкнутому контурі, що складається з двох різнорідних провідників виникає термо-ЕРС (напруга), якщо місця спаїв провідників мають різні температури. Якщо узяти замкнутий контур, що складається з різнорідних провідників (термоелектродів), то на їх спаях виникне термо-ЕРС E(t) і E(t0), які залежать від температур цих спаїв t і t0. Оскільки розглянуті термо-ЕРС виявляються включеними зустрічно, то результуюча термо-ЕРС , діюча в контурі, визначатиметься як E(t) - E(t0).

У разі рівності температури обох спаїв результуюча термоЭРС дорівнюватиме нулю. На практиці один із спаїв занурюється в термостат (як правило танучий лід) і відносно нього визначається різниця температур і температура іншого спаю. Спай, який занурюється в контрольоване середовище, називають робочим кінцем термопари, а другий спай - вільним.

У будь-яких пар однорідних провідників величина результуючої термо-ЕРС не залежить від розподілу температури уздовж провідників, а залежить тільки від природи провідників і від температури спаїв. Якщо термоелектричний контур розімкнути і включити в нього різнорідні провідники, то за умови, що усі місця з'єднань, що з'явилися при цьому, знаходяться при однаковій температурі, результуюча термо-ЕРС в контурі, не зміниться. Це явище використовується для виміру величини термо-ЕРС термопари. Що виникає в термопарах ЕРС невелика: вона менше 8 мВ на кожні 100°С і як правило, не перевищує за абсолютною величиною 70 мВ.

За допомогою термопар можна вимірювати температури в інтервалі від - 200 до 2200°С. Для виміру температур до 1100 °С використовують термопари з неблагородних металів, для виміру температури в межах 1100 до 1600 °С - термопари з благородних металів, а також сплавів платинової групи. Для виміру ще вищих температур служать термопари з жаростійких сплавів на основі вольфраму.

Нині найчастіш для виготовлення термопар використовують платину, платиноридійовий, хромель, алюмель.

При вимірювані температури в широкому інтервалі необхідно враховувати нелінійність функції перетворення термопари. Наприклад, функція перетворення мідь-константанових термопар для діапазону температури від - 200 до 300 °С з погрішністю, приблизно, ±2 мкВ описується формулою

E = At2 + Bt + C

де A, B і C - постійні, які визначаються шляхом виміру термо-ЕРС при трьох температурах, t - температура робочого спаю при °С.

Постійна часу (інерційність) термоелектричних перетворювачів залежить від конструкції термопари, якості теплового контакту робочого спаю термопари і досліджуваного об'єкту. Для промислових термопар постійна часу знаходиться на рівні декількох хвилин. Проте існують і малоінерційні термопари, у яких постійна часу лежить в межах 5 - 20 секунд і навіть нижче.

Вимірювальний прилад підключається до контура термопари у вільний кінець термопари і в один з термоэлектродов.

Як зазначено вище, при вимірі температури вільні кінці термопари повинні знаходитися при постійній температурі. Якщо довжини самої термопари недостатньо, то щоб відвести ці кінці в зону з постійною температурою, застосовують дроти, які складаються з двох жив, виготовлених з матеріалів (металів) тих, що мають однакові термоелектричні властивості з електродами термометра.

Для термопар з неблагородних металів подовжуючі дроти виготовляються найчастіше з тих же матеріалів, що і основні термоелектроди. Для термопар з благородних металів подовжуючі дроти виконуються з інших (не дорогих) матеріалів, що розвивають в парі між собою в інтервалі температур 0 - 150°С ту ж термо-ЕРС, що і електроди термопари. Наприклад, для термопари платина - платинородий подовжувальні термоэлектроды роблять з міді і спеціального сплаву, які утворюють термопару, ідентичну по термо-ЕРС термопарі платина-платинородий в інтервалі 0 - 150 °С. Для термопари хромель - алюмель подовжувальні термоэлектроды виготовляють з міді і константана, а для термопари хромель - копель подовжувальними можуть бути основні термоэлектроды, виконані у вигляді гнучких дротів. Якщо неправильно підключити подовжувальні термоэлектроды, то може виникати істотна погрішність.

У лабораторних умовах температура вільного кінця термопари підтримується рівною 0 °С шляхом приміщення його в посудину. Дьюара, наповнену стовченим льодом з водою. У промислових умовах температура вільних кінців термопари зазвичай відрізняється від 0 °С і як правило дорівнює кімнатній температурі(температурі в приміщенні). Оскільки градуювання термопар здійснюється при температурі вільних кінців 0°С і таблиці градуювання приводяться відносно 0 °С, то ця відмінність може стати джерелом істотної погрішності; для зменшення вказаної погрішності, як правило, вводять поправку у свідчення термометра. При виборі поправки враховуються як температура вільних кінців термопари, так і значення вимірюваної температури (це пов'язано з тим, що функція перетворення термопари нелінійна); це утрудняє точну корекцію погрішності.

На практиці для усунення погрішності широко застосовується автоматичний вступ поправки на температуру вільних кінців термопари.

Для цього в ланцюг термопари і мілівольтметра включається міст, одним з плечей якого є мідний терморезистор, а інші плечі бразованы манганиновыми терморезисторами. При температурі вільних кінців термопари, рівної 0°С, міст знаходиться в рівновазі; при відхиленні температури вільних кінців термопари від 0°С напруга на виході моста не дорівнює нулю і складається з термо-ЕРС термопари, при цьому вносячи поправку до показань приладу (значення поправки можна регулювати спеціальним резистором). Внаслідок нелінійності функції перетворення термопари повної компенсації погрішності не вдається добитися, але вказана погрішність істотно зменшується.

На практиці при використанні термопари найчастіше застосовуються наступні схеми (залежно від необхідної точності) :

А) схема, при якій вільний кінець знаходиться при постійній температурі (танучий лід). термо-ЕРС утворюється за рахунок різниці температур робочого і вільного спаїв.

В) в цій схемі температура вільного кінця, можна вважати, дорівнює температурі приміщення і відносно неї розраховується (коригується) температура в області робочого спаю. В цьому випадку термо-ЕРС в термопарі утворюється за рахунок різниці температур робочого спаю і температури приміщення.

Для виміру термо-ЕРС використовують вольтметри з високоомним входом або іншого типу гальванометри.

Для визначення температури використовують градуювальні таблиці, які побудовані для умови, що вільний кінець термопари знаходиться при нулі градусів Цельсія.

Виготовлення термопар

Покази термопари правильні, якщо виконуються такі умови: в неізотермічних областях електроди повинні бути однорідними; там де однорідність неможлива, неабхідна ізотермічність. При вимірюванні температури об’єктів під напругою, в яких знаходяться великі градієнти і швидкості зміни температури, важливу роль відіграє місце з’єднання (спаю) термопар. Спай повинен задовольняти таким вимогам: мати високу механічну міцність:

1) місце спаю не повинне бути менш міцним, ніж матеріал термоелектродів;

2) мати високу хімічну стійкість: в агресивних середовищах спай не повинен піддаватися корозії швидше, ніж матеріал термоелектродів;

3) мати низький омічний опір;

4) зона неоднорідності у місці спаю повинна бути мінімальною;

5) перелічені вище вимоги повинні виконуватись у всьому діапазоні вимірюваних температур, для якого проектувалася термопара.