Скачиваний:
75
Добавлен:
02.05.2014
Размер:
3.1 Mб
Скачать

3.6. Выбор и принцип работы термопары

Наиболее важной технической реализацией эффекта Зеебека в металлах является термопара - термочувствительный элемент в устройствах для измерения температуры. Термопара состоит из двух последовательно соединенных пайкой или сваркой разнородных металлических проводников М1 и М2. В сочетании с электроизмерительными приборами термопара образует термоэлектрический термометр, шкала которого градуируется непосредственно в К или °С. 

Рис. 3.5. Термопара

На рис. 3.5 показаны схемы включения термопары в измерительную цепь: 

Погрешности и методы компенсации.

Термоэлектрические термометры имеют следующие погрешности:

- температурные методические погрешности (изменение температуры холодного спая)

- температурные инструментальные погрешности (изменение параметров указателя и электрической цепи при изменении температуры окружающей среды)

- погрешности от паразитных ТЭДС

- погрешности от неполного контакта приемника с окружающей средой.

- погрешности от влияния посторонних магнитных полей.

Компенсация методической температурной погрешности осуществляется биметаллическим компенсатором, воздействующим на упругость противодействующей пружины, подбором характеристик термопар, как это сделано в термометрах типа ТВГ, применением специальных электрических схем компенсации.

Погрешности от паразитных ТЭДС компенсируются правильным подбором характеристик соединительных проводов. Например, соединительные провода делают из тех же сплавов, что и термопары.

Погрешности от влияния магнитных полей устраняются экранированием магнитной системы указателя.

Термоэлектрический термометр состоит из термопары, соединительной цепи и гальванометра (рис. 14), d, lэ –диаметр и длина электродов

Рис. 3.6 Схема термометра

.

Таблица 3.1

Тип термопары:

Х-К

Напряжение питания

=15 В.

Диапазон измерений:

300 – 1200 ОС

Суммарная погрешность %:

1,5

Выход

аналоговый

3.7 Расчет элементов термометра.

При расчете элементов прибора выбираются конструктивные параметры и определяются статические и динамические характеристики звеньев.

Рис. 3.7. Структурная схема термометра.

Структурная схема прибора показана на рис.15. Здесь W1(p), W2(p), W3(p), W4(p) – соответственно передаточные функции термопары, электрической цепи, магнитоэлектрического преобразователя и подвижной системы гальванометра.

3.8 Расчет термопары

Звено 1чувствительный элемент (термопара). Без защитного чехла передаточная функция будет:

(3.2)

где S1 – чувствительность, определяемая по градуированным характеристикам;

1 – постоянная времени термопары;

здесь СР – среднее значение теплоемкости спая электродов [Дж/кг С]

d – диаметр одного электрода [м];

k – коэффициент теплоотдачи от среды к электродам [Вт/м2 С];

1, 2, - соответственно плотности материалов электродов спая [кг/м3].

Выражение для чувствительности будет

где е1 – Э.Д.С. при MAX,

е2 – Э.Д.С. при 0.5MAX.

е1=25 мВ.

е2=12,5мВ.

a=0.011 b= 0

;

Рис. 3.8. Принципиальная электрическая схема

Звено 2 – электрическая цепь , преобразующая Э.Д.С. в силу тока i

Передаточная функция звена имеет вид:

(3.3)

где постоянная времени 2 равна:

Здесь: Rтп – сопротивление датчика температуры

RIIГ – сопротивление гальванометра

Lp – индуктивность рамки гальванометра.

Сопротивление соединительных проводов и электродов термопары:

(3.4)

где ’ – удельное сопротивление [Ом*м];

 - температурный коэффициент сопротивления [1/град];

l – длина соединительных проводов или электродов [м];

- площадь поперечного сечения электродов (принимаем d=dСП).

Исходя из колебаний температуры окружающей среды ( от –60 до +250 С) и задаваясь допустимой погрешностью измерения сопротивления прибора

можно определить сопротивление гальванометра

(3.5)

где изменения сопротивления внешней цепи в функции термопары не превышаю величены

Задаваясь допустимой погрешностью от измерения сопротивления иможно определить по формуле (2) сопротивление гальванометра

Если удовлетворить условию:

то сила тока I в гальванометре обращается в нуль, и мост находится в равновесии.

Если одно из сопротивлений плеч моста, например Rx, является переменным, зависящим от измеряемого параметра x, то сила тока I при этом изменяется. Следовательно между силой тока I и величиной сопротивления Rx при постоянных значениях других сопротивлений и при постоянном напряжении питания U существует однозначная зависимость вида

I=f(x),

Позволяющая преобразовать изменение сопротивления в изменение силы тока.

В магнитоэлектрических гальванометрах угол отклонения подвижной системы пропорционален корню квадратному из мощности Pг=Rг*I2, рассеиваемой в рамке.

Наибольшая мощность соответствует согласованию сопротивления гальванометра (нагрузки) и эквивалентного генератора т.е.

Rг=a1*R2+a2*Rx, где

a1=R1/(R1+R2), a2=R3/(R3+Rx)

При заданном Rx для увеличения Рг сопротивление R1 необходимо уменьшить до предела. На практике не удается уменьшить R1 до сопротивления, меньшего Rx, так как начинают сказываться другие факторы (нагрев сопротивления плеч моста, потребная мощность источника тока и др.)

В том случае, когда R1=R3, R2=Rx максимум выражения для мощности Рг будет при R1=Rx/2, таким образом Rг=(3/2)Rx.

Отсюда Rx=R3=66.3 Ом. R1=R3=50 Ом.

(3.6)

где RP – сопротивление рамки при гальванометра.

=16.6 Ом - сопротивление термоконпенсации;

 - температурный коэффициент (для медной обмотки =4*10-3 1/град);

1 – температурный коэффициент резистора термокомпенсации (для резистора ММТ-13 ГОСТ 10688-63 1=-2.4*10-2 1/град);

Rд – дополнительное сопротивление (принимается не более 0.2 от RГ). Rд 20 Ом

Таким образом, из выражения (3) можно определить сопротивление рамки гальванометра RP

Звено 3магнитная система гальванометра, преобразующая силу тока в цепи рамки при взаимодействии его с полем постоянного магнита во вращающий момент рамки

ДВ).

При выборе и расчете параметров гальванометра следует определить размеры магнита, активную площадь рамки F, магнитную индукцию в зазоре B, число витков рамки  и определить чувствительность S3.

Статическая характеристика имеет вид

где - ток в рамке при e=5.36*10-3 i=58 мкА;

- чувствительность;

В – индукция магнитного зазора;

F=2rl – активная площадь рамки;

r,l – соответственно радиус и длина рамки;

 - число витков рамки.

Передаточная функция 3-го звена будет

Для расчета статической характеристики необходимо расчищать параметры магнитной цепи.

Размеры магнита выбираются из условия получения для данного материала необходимого коэффициента запаса

(3.7)

где LМ, FМ – развернутая длина и площадь сечения магнита [м];

LЗ, FЗ – общая длина и площадь сечения воздушного зазора [м];

Для сплава литого ЮНДК 25А КЗ=23

Учитывая что

Где  - угол шкалы прибора (=360)

b,l,r – ширина, длина и радиус рамки ()

Задавшись l=0.02 м получим

Принимая FЗ=FМ и задаваясь величиной зазора 2=LЗ=4*10-3 м по формуле (16) можно определить длину магнита

После выбора материала и размеров постоянного магнита по кривой размагничивания определят рабочую индукцию в зазоре. Для этого рассчитывают угловой коэффициент примой проводимости tg

, (3.8)

Где - проводимость в рабочем зазоре;

FP,FЗ,FМ – площади рабочего зазора, воздушного зазора и магнита (обычно SМ= FP=FЗ=FМ);

- коэффициент масштабов В и Н по диаграммам размагничивания;

 - коэффициент рассеяния (=2).

GP=11.25

Рабочая индукция в зазоре B=1.31.

Определим параметры рамки прибора. Длина одного витка равна

где lP и 2r – длина активной и неактивной стороны рамки

Число витков рамки находится по формуле

где  - удельный вес обмотки рамки (для меди =8.3*102 Н/м3)

 - удельное сопротивление (для меди =1.75*10-8 Ом*м)

Q – вес изоляции [Н] (Q=2*10-2 Н).

2680

Найдя кол-во витков рамки далее определим активную площадь раки F, и определим чувствительность:

F=0.0056 м2

S3=1.966

МДВ=1.14*10-4 г/м

Звено 4 подвижная система, осуществляющая преобразование момента MДВ в угловое перемещение стрелки указателя .

Статическая характеристика имеет вид

где СЖ- суммарная жесткость двух пружин.

Чувствительность 4-го звена будет

Передаточная функция звена 4, если пренебречь постоянной демпфера, определяется выражением:

(3.9)

где - постоянная времени;

0 – собственная частота (Обычно приf0=7.5 0=47.1 Гц)

T=0.021

J – приведенный момент инерции рамки и связанных с ней деталей (Обычно J=(1.9…3..9)*10-4 кг*м2) J=2*10-4 кг*м2

 - коэффициент относительного демпфирования (следует выбирать в переделах =0.7..1.0)

КД – коэффициент демпфирования

(Обычно КД=(4..6)*10-4 Н*м*с) КД=5 )*10-4 Н*м*с

Жесткость одной пружины определяется по формуле

где b,h,L – соответственно ширина, толщина и длина спиральной пружины;

E – модуль упругости материала пружины,

обычно принимают b=(0.5…0.7)*10-3 м, b=0.6*10-3м Е=11.7 Тпа – для фосфористой бронзы.

Толщина пружины находится из соотношения

где MAX – допустимое напряжение материала пружины (для фосфористой бронзы MAX=6*105 г/см2)

Длина пружины

следовательно жесткость двух пружин составит

СЖ=0.0035

S4=280

Соседние файлы в папке Система автоматического управления двухвальным ГТД с селектором