- •1. Основные понятия и определения
- •2. Планирование и организация измерений
- •3. Методы уменьшения погрешностей измерений
- •3.1. Методы уменьшения случайных погрешностей
- •3.2. Методы уменьшения систематических погрешностей
- •3.2.1. Уменьшение постоянных систематических погрешностей
- •3.2.2. Уменьшение переменных систематических погрешностей
- •4. Электромеханические приборы прямого преобразования
- •4.1. Структурная схема и уравнение преобразования
- •4.2. Основные характеристики электромеханических приборов.
- •4.3. Магнитоэлектрические приборы
- •4.3.1. Устройство и принцип действия магнитоэлектрического им
- •4.3.2. Области применения, достоинства и недостатки
- •4.3.3. Погрешности магнитоэлектрических приборов
- •4.4. Электромагнитные приборы
- •4.4.1. Устройство и принцип действия электромагнитного им
- •4.4.2. Области применения, достоинства и недостатки
- •4.4.3. Погрешности электромагнитных приборов
- •4.5. Электродинамические приборы
- •4.5.1. Устройство и принцип действия электродинамического им
- •4.5.2. Области применения, достоинства и недостатки
- •4.5.3. Погрешности электродинамических приборов
- •4.6. Ферродинамические приборы
- •4.6.1. Устройство и принцип действия ферродинамического им
- •4.6.2. Области применения, достоинства и недостатки
- •4.6.3. Погрешности ферродинамических приборов
- •4.7. Электростатические приборы
- •4.7.1. Устройство и принцип действия электростатического им
- •4.7.2. Области применения, достоинства и недостатки
- •4.7.3. Погрешности электростатических приборов
- •4.8. Индукционные им и приборы на их основе
- •4.8.1. Устройство, принцип действия и области применения
- •4.8.2. Погрешности индукционных приборов
- •5. Измерительные преобразователи (ип) неэлектрических величин
- •5.1. Общие сведения и характеристики ип
- •5.2. Классификация измерительных преобразователей
- •5.3. Резистивные измерительные преобразователи
- •5.3.1. Общие вопросы построения рип
- •5.3.2. Основные характеристики рип:
- •5.3.3. Реостатные преобразователи
- •5.3.4. Тензорезистивные ип
- •5.3.5. Теплорезистивные ип
- •5.3.7. Измерительные цепи резистивных ип
- •6. Термоэлектрические ип
- •6.2. Области применения и материалы термоэлектрических ип
- •6.3. Характеристики термоэлектрических преобразователей
- •6.4. Конструкции термоэлектрических ип
- •6.5. Измерительные цепи термоэлектрических ип
- •7. Емкостные ип (еип)
- •7.1. Принцип действия, конструкции, характеристики еип
- •7.2. Области применения, достоинства и недостатки еип
- •7.3. Погрешности еип
- •7.4. Измерительные цепи еип
- •8. Электромагнитные ип.
- •8.1. Индуктивные ип
- •8.1.1. Принцип действия, конструкции, достоинства и недостатки
- •8.1.2. Основные характеристики и области применения
- •8.1.3. Погрешности индуктивных ип
- •8.1.4. Измерительные цепи индуктивных ип
- •8.2. Трансформаторные ип
- •8.2.1. Принцип действия, конструкции, достоинства и недостатки
- •8.2.2. Погрешности трансформаторных ип
- •8.3. Магнитоупругие ип
- •8.3.1. Принцип действия, конструкции магнитоупругих ип
- •8.3.2. Характеристики и области применения
- •8.3.3. Погрешности магнитоупругих ип
- •8.3.4. Измерительные цепи
- •9. Пьезоэлектрические ип
- •9.1. Принцип действия и материалы пьезоэлектрических ип
- •9.2. Характеристики и применение пьезоэлектрических ип
- •9.3. Погрешности пьезоэлектрических ип
- •9.4. Измерительные цепи пьезоэлектрических ип
6.3. Характеристики термоэлектрических преобразователей
Основными характеристиками термоэлектрических ИП являются:
1) градуировочная характеристика; 2) чувствительность; 3) погрешность; 4) показатель тепловой инерции (постоянная времени).
Градуировочная характеристика устанавливает зависимость между значением термоЭДС и температурой рабочего спая термопары. Обычно градуировочная характеристика определяется при температуре свободных концов термопары равной 0 0С и представляется табличном виде. По значениям термоЭДС, взятым из таблиц, могут быть определены соответствующие им температуры. Промежуточные значения температур, не указанные в таблицах, определяются методом интерполяции по формуле
ТХ = Тmin + (Тmax - Тmin)(E - Еmin)/( Еmах - Еmin), (6.5)
где Тmin, Еmin, Тmax, Еmах - табличные значения температуры и термоЭДС, между которыми лежит измеренное значение ЭДС термопары Е.
Чувствительность термопар ST зависит от температуры и при температуре Т0 = 0 0С может быть найдена как
ST = ET/T = 1Т + 2Т2 + … +nТn. (6.6)
Чувствительность для различных термопар составляет значение от единиц до десятков микровольт на градус. Например термопара платина-родий имеет чувствительность ST 10 мкВ/0С, у пары вольфрам-рений чувствительность ST 20 мкВ/0С, термопара медь-константан имеет значение ST до 60 мкВ/0С.
Для повешения выходной ЭДС часто используется несколько термопар, образующих термобатарею.
Основными причинами погрешности термопар являются: отклонение характеристики термопары от стандартной; нестабильность характеристики термопары во времени; потери тепла за счет лучеиспускания и теплопроводности защитной арматуры; отклонение температуры свободных концов от градуировочного значения; тепловая инерция.
Отклонение характеристики термопары от стандартной обусловлено различными причинами: различием в составе сплава термоэлектродов, механическими напряжениями и др. Для промышленных термопар в соответствии с ГОСТ допускаются отклонения реальных термоЭДС от градуировочных значений от сотых до десятых долей милливольта.
Нестабильность характеристик термопар во времени обусловлена рекристаллизационными и диффузионными процессами. Эта погрешность не превышает значения тысячных долей процента в час.
При отклонении температуры свободных концов Т/0 от градуировочного значения Т0 термоЭДС будет отличаться от градуировочной, что приводит к погрешности преобразования (измерения) температуры. При измерении температуры для уменьшения этой погрешности необходимо ввести соответствующую поправку. Поправка Т к показаниям термометра приближенно может быть определена соотношением
Т = k(Т/0 - Т0), (6.7)
где k - коэффициент, зависящий от температуры и вида термопары.
Для термопары хромель-копель k = 0,8 - 1; для хромель-алюмелевой термопары k = 0,98 - 1,11; для платинородий-платиновой - в пределах 0,82 - 1,11. При небольшой разности температур (Т/0 - Т0) иногда можно считать k =1 [10]. Коэффициент k неодинаков для различных температур рабочего спая, но в некотором интервале температур его с достаточной точностью можно считать постоянным. Коэффициент k можно определить из характеристики термопары. На рис. 6.3 приведена характеристика некоторой термопары. Если температура свободных концов термопары Т/0 > Т0 , то термоЭДС уменьшится на величину Е = Е(Т/0, Т0) и станет равной Е(ТХ, Т/0). При этом показания прибора будут соответствовать температуре Т/Х, не равной измеряемой температуре ТХ. Считая участки Т0 - Т0 и Т/Х - ТХ характеристики ЕТ= f(Т) линейнымы, получим
Е= Е(Т/0 ,Т0) = (Т0 - Т0) tg1= (ТХ - Т/Х)tg. (6.8)
Из (6.8) найдем значение поправки к показаниям прибора
Т = (ТХ - Т/Х) = tg1/ tg (Т0 - Т0) = k(Т0 - Т0), (6.9)
и измеряемое значение температуры будет равно ТХ = Т/Х + k(Т0 - Т0).
На практике чаще всего введение поправки осуществляется автоматически. При измерении термоЭДС автоматическая коррекция может осуществляться с помощью устройства, показанного на рис. 6.4. Схема работает по принципу неуравновешенного моста. В одно плечо моста включается терморезистор RT из медной или никелевой проволоки, находящийся в тех же температурных условиях, что и свободные концы термопары. Остальные плечи моста выполнены из манганиновых резисторов. При температуре свободных концов, равной градуировочной Т0, мост уравновешивается с помощью одного из манганиновых резисторов и на выходной диагонали моста напряжение будет равно нулю. При изменении температуры свободных концов изменяется термоЭДС на величину Е и изменяется значение сопротивления RТ. При этом мост выйдет из равновесия, т. е. на его выходе появится напряжение, которое корректирует изменение тер-моЭДС термопары. Так как характеристика преобразования термопар нелинейна, полной коррекции погрешности, обусловленной изменением температуры сво-бодных концов, получить не удается. Остаточная погрешность таких устройств не пре-вышает 0,04 мВ на 10 градусов [10].
Рис. 6.3 Рис. 6.4
Для уменьшения погрешности, обусловленной отклонением температуры свободных концов от градуировочного значения, свободные концы должны находиться при постоянной температуре, соответствующей градуировочной (обычно 0 0С). Следует отметить, что не всегда возможно сделать термоэлектроды достаточно длинными и гибкими, чтобы разместить свободные концы термопары на достаточном удалении от рабочего спая [10]. Для этой цели используются провода из другого материалы, так называемые удлинительные термоэлектроды, которые должны в паре между собой развивать в диапазоне возможных температур (примерно в диапазоне от 0 до 100 0С) такую же термоЭДС, как и термопара. Кроме того, места присоединения удлинительных термоэлектродов к основным термоэлектродам должны иметь одинаковую температуру. В этом случае при включении удлинительных электродов термоЭДС не изменится.
Для термопар из неблагородных металлов, например, для термопары хромель-копель, могут использоваться удлинительные электроды из тех же материалов, что и основные электроды, но выполненные в виде гибких проводов. Для термопары хромель-алюмель удлинительные электроды выполняются из меди и константана. Для термопары платинородий-платина применяются провода из меди и сплава ТП. Эти же материалы с измененными знаками полярности применяются для термопары вольфрам-молибден.
В термоэлектрических термометрах, использующих милливольтметры для измерения термоЭДС, может возникать погрешность из-за падения напряжения на всех элементах, составляющих цепь термоЭДС, которая включает в себя рабочие и удлинительные термоэлектроды, соединительные провода. Например, падение напряжения Е на сопротивлении самой термопары составит
Е =ЕТ RТ /( RТ + RЛ + RВ), (6.10)
где RТ - сопротивление термопары; RЛ - сопротивление соединительных проводов; RВ - внутреннее сопротивление милливольтметра.
Для уменьшения этой погрешности милливольтметры градуируются по температуре в комплекте с термопарой с указанием сопротивления линии. Изменение сопротивления внешней цепи милливольтметра также приводит к погрешности термоэлектрического термометра.
Использование в качестве измерительного прибора термоЭДС потенциометра постоянного тока позволяет данную погрешность исключить.
При работе термоэлектрического преобразователя в газовой среде вблизи поверхностей, температура которых отличается от температуры преобразователя между поверхностью и термоэлектрическим ИП происходит лучистый теплообмен, вызывающий погрешность.
Потери тепла за счет теплопроводности различных конструктивных элементов, в частности защитной арматуры, термоэлектрического ИП также приводят к погрешности измерения температуры.
Одной из составляющих погрешности термопар является погрешность, обусловленная тепловой инерцией. Тепловая инерция характеризуется показателем тепловой инерции, под которым понимается постоянная времени термопары, определяемая при погружении ее в воду. Постоянная времени зависит от конструкции термопары и толщины проводов и определяет быстродействие термоэлектрического ИП, которое может находиться от в диапазоне от миллисекунд до минут [3].
В табл. 6.1 приведены основные параметры, обозначения и градуировки промышленных термопар.
Таблица 6.1
-
Материал
Термоэлектродов
Тип
термопары
Обозначение
Градуировки
Погреш-
ность, %
Пределы измерения при длительном применении, ОС
Медь-константан
-
-
1
-200 … +200
Медь-копель
-
-
-
-200 … +100
Хромель-копель
ТХК
ХК(L)
-
-200 …+600
Хромель-алюмель
TXA
XA(K)
2 3
-200 … +1000
Платинородий (10%)- платина
ТПП
ПП(S)
0,10,5
0 … +1300
Платинородий (30%)- платинородий (6%)
ТПР
ПР
-
+300 … +1600
Вольфрамрений (5%)-
Вольфрамрений (20%)
ТВР
ВР(А)-1
-
0 … +2500