7.9 Нормирующие преобразователи термопреобразователей сопротивления

В нормирующем преобразователе сопротивления используется компенсационный метод измерения, что видно на схеме.

Достоинства: 1. Не влияет Rвн на результаты измерения, а влияет только на чувствительность;

2. Не влияют характеристики электричества охваченные обратной связью Kу, Uпит, Rнагр. (че-т бред какой-то, но так написано в лекции  )

Класс точности К=0.2-0.4

Мост для введения поправки на измерение Tо

R1, R2, R3 – манганиновые сопротивления

Rм – медное сопротивление

ΔU=EAB(t,to)+Uab-I*Roc

Uab = E(to,0)

Нормирующие преобразователи как для ТЭП, так и для ТС явля­ются устройствами с отрицательными обратными связями. Преобразователи для ТЭП, обеспечивают получение унифицированного токового сиг­нала, пропорционального измеряемой температуре. От преобразо­вателей для ТС они отличаются только входными измерительными схемами.

Преобразователь ТЭП подключается к зажимам термоэлектродными удлиняющими проводами TЭ1 и ТЭ2 (по составу они разные). Это сделано для того, чтобы вывести сво­бодные концы ТЭП к входным зажимам НП 1, 2, рядом с которыми внутри НП находится термочувствительный элемент, входящий в схему компенсации изменения термоЭДС при изменении темпера­туры свободных концов t₀ ТЭП. В простейшем случае схемой ком­пенсации является мостовая схема МТК. Одно из плеч моста состав­ляет медный резистор R_M при трех других неизменных резисторах R₁, R₂, R₃. При изменениях t₀ меняется термо­ЭДС. Эти изменения компенсируются сигналом небаланса моста U_{2 3}, который вызван изменением R_M в соответствии с изменением t₀. Скорректированная на t₀ термоЭДС ТЭП поступает на входной усилитель УС_ВХ, который и последующие элементы аналогичны эле­ментам преобразователей для ТС. Выходное напряжение усилителя УС_ВХ изменяется в пределах (0...1) В, независимо от пределов измере­ния (напряжение равно нулю на нижнем пределе измерения и 1 В — на верхнем).Следующей ступенью является устройство гальванического раз­деления входных и выходных цепей НП (это повышает помехозащи­щенность измерительной линии, в которую включен НП); Ф — фильтр, обеспечивающий подавление помехи переменного напряже­ния. К выходу последнего подключен выходной усилитель с унифици­рованным выходным сигналом по току или напряжению (изображена схема для токового выходного сигнала). УС_ВЫХ представля­ет собой дифференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления, на вход 1 которого поступает напряжение U_] с фильтра Ф (пропорциональный измеряемой термоЭДС), а на вход 2 — напряжение с резистора обратной связи Rос, равное (IвыхRос). Усилитель реагирует на разностный сигнал ΔU=U₁-I_выхR_ос и устанавливает такой ток, при котором ΔU=0.

7.10 Термоэлектрические преобразователи. Принцип действия. Конструкция

Еще в 1821 г. Зеебеком было открыто явление, названное его именем, заключающееся в том. что в состоящей из разных проводниковых материалов замкнутой цепи появляется э. д. с. (так называемая термо-э. д. с), если места контакта этих материалов поддерживаются при разных температурах.

В простейшем виде, когда электрическая цепь состоит из двух различных проводников, она носит название термоэлемента, или термопары.

Сущность явления Зеебека заключается в том, что энергия свободных электронов, обусловливающих возникновение электрического тока в проводниках, различна и по-разному изменяется с температурой. Поэтому если вдоль проводника имеется перепад температур, на его горячем конце электроны будут иметь большие энергии и скорости по сравнению с холодным, что обусловит возникновение в проводнике потока электронов от горячего конца к холодному. В результате на обоих концах будут накапливаться заряды — отрицательный на холодном и положительный на горячем.

Так как у разных проводников эти заряды различны, то при соединении двух из них в термоэлемент появится разностная термо-э. д. с. Для анализа проходящих в термоэлементе явлений удобно считать, что образующаяся в нем термо-э. д. с. Е является суммой двух контактных электродвижущих сил е, возникающих в местах их контакта и являющихся функцией температуры этих контактов (рис. 1,а).

Рис. 1.Схема термоэлектрической цепи из двух и трех проводников, схема включения электроизмерительного прибора в спай и термоэлектрод термопары.

 

Термоэлектродвижущая сила, возникающая в цепи из двух разнородных проводников, равна разности электродвижущих сил на их концах.

Из этого определения следует, что при равенстве температур на концах термоэлемента его термо-э. д. с. будет равна нулю. Отсюда может быть сделан чрезвычайно важный вывод, обусловливающий возможность использования термопары, как датчика для измерения температуры.

Электродвижущая сила термопары не изменится от введения в ее цепь третьего проводника, если температуры на его концах будут одинаковыми.

Этот третий проводник может быть включен как в один из спаев, так и в разрез одного из проводников (рис. 1,6,в). Этот вывод может быть распространен и на несколько проводников, вводимых в цепь термопары, лишь бы температуры на их концах были одинаковы.

Поэтому в цепь термопары можно включить измерительный прибор (также состоящий из проводников) и ведущие к нему соединительные провода, не вызвав изменения развиваемой ею термо-э. д. с, если только температуры точек 1 и 2 или 3 и 4 (рис. 1, г и д) будут равны. При этом температура этих точек может отличаться от температуры на выводах прибора, но температура обоих выводов должна быть одинакова.

Если сопротивление цепи термопары будет оставаться неизменным, то проходящий в ней ток (а следовательно, и показание прибора) будет зависеть только от развиваемой ею термо-э. д. с, т. е. от температур рабочего (горячего) и свободного (холодного) ее концов.

Далее, если поддерживать неизменной температуру свободного конца термопары, показание прибора будет зависеть только от температуры рабочего конца термопары. Такой прибор будет показывать непосредственно температуру рабочего спая термопары.

Таким образом, термоэлектрический пирометр состоит из термопары (термоэлектродов), электроизмерительного прибора постоянного тока и соединительных проводов.

Из вышесказанного можно сделать следующие выводы.

1. Способ изготовления рабочего конца термопары (сварка, пайка, скрутка и т. д.) не влияет на развиваемую ею термо-э. д. с, если только размеры рабочего конца таковы, что температура во всех его точках одинакова.

2. Так как параметром, измеряемым прибором, является не термо- э. д. с, а ток цепи термопары, не обходимо, чтобы сопротивление цепи в эксплуатации оставалось неизменным и равным его значению при градуировке. Но так как осуществить это практически невозможно потому, что сопротивление термоэлектродов и соединительных проводов меняется с изменением температуры, возникает одна из принципиальных погрешностей метода: погрешность от несоответствия сопротивления схемы ее сопротивлению при градуировке.

Для уменьшения этой погрешности приборы для тепловых измерений выполняются высокоомными (50—100 Ом при грубых измерениях, 200—500 Ом при более точных) и с малым температурным электрическим коэффициентом, с тем чтобы суммарное сопротивление схемы (а следовательно, и связь между током и термо-э. д. с.) менялось в минимальной степени при колебаниях окружающей температуры.

3. Термоэлектрические пирометры градуируются всегда при вполне определенной температуре свободного конца термопары — при 0°С. Обычно в работе эта температура отличается от градуировочной, в результате этого возникает вторая принципиальная погрешность метода: погрешность на температуру свободного конца термопары.

Так как эта погрешность может достигать десятков градусов, то необходимо в показания прибора вносить соответствующую поправку. Эта поправка может быть высчитана, если известна температура свободных концов.

Так как температура свободного конца термопары при градуировке to равна 0°С, а в эксплуатации она, как правило, выше 0°С (свободные концы находятся обычно в помещении, часто они расположены близко к печи, температура которой замеряется), то пирометр дает заниженное против действительной измеряемой температуры показание и значение последнего надо увеличить на величину поправки.

Обычно это осуществляется графическим путем. Это вызывается тем, что обычно отсутствует пропорциональность между термо-э. д. с. и температурой. Если же зависимость между ними пропорциональная, то градуировоч-ная кривая представляет прямую линию и в этом случае поправка на температуру свободного конца термопары будет равна непосредственно его температуре.

Конструкция и типы термопар

К материалам для термоэлектродов предъявляются следующие требования:

1) высокая термо-э. д. с. и близкий к пропорциональному характер ее изменения от температуры;

2) жаростойкость (неокисляемость при высоких температурах);

3) неизменяемость физических свойств с течением времени в пре делах измеряемых температур;

4) высокая электрическая проводимость;

5) малый температурный коэффициент сопротивления;

6) возможность производства в больших количествах с неизменными физическими свойствами.

В настоящее время применяются следующие стандартные термопары.

П латинородий-платиновая термопара. Эти термопары могут быть применены для измерения температур до 1300°С при длительном применении и до 1600 °С при кратковременном, при условии их использования в окислительной газовой среде. При средних температурах платинородий-платиновая термопара зарекомендовала себя как очень надежная и стойкая, поэтому она применяется как образцовая в интервале 630 - 1064°С.

Хромель-алюмелевая термопара. Эти термопары предназначены для измерения температур при длительном применении до 1000 °С и при кратковременном — до 1300°С. Они надежно работают в этих пределах в окислительной атмосфере (если отсутствуют агрессивные газы), так как на поверхности электродов при нагреве образуется тонкая защитная пленка окислов, препятствующая проникновению кислорода в металл.

Хромель-копелевая термопара. Эти термопары позволяют измерять температуры длительно до 600°С и кратковременно до 800 °С. Они успешно работают как в окислительной, так и в восстановительной атмосфере, а также в вакууме.

Железо-копелевая термопара. Пределы измерений — те же, что и хромель-копелевых термопар, условия работы — такие же. Она дает меньшую термо-э. д. с. по сравнению с термопарой ХК: 30,9 мВ при 500 °С, но ее зависимость от температуры ближе к пропорциональной. Существенным недостатком термопары ЖК является коррозия ее выполненного из железа электрода.

Медь-копелевая термопара. Так как медь в окислительной атмосфере начинает интенсивно окисляться уже при 350°С, то пределы применимости этих термопар — 350 °С длительно и 500 °С кратковременно. В вакууме эти термопары можно применять до 600 °С.