Термопреобразователи сопротивления
Лабораторная работа 1
«Приборы для измерения температуры»
Цель работы: Изучение приборов для измерения температуры, понятие класса точности прибора, сравнение показаний приборов различного типа.
Краткая теория:
Биметаллические датчики температуры
Что такое биметаллический датчик температуры?
Твердые вещества, как правило, расширяются при нагревании. Величина данных изменений зависит от линейных размеров образца, от материала, из которого он изготовлен и величины изменения температуры. Следующая формула применяется для расчета длины материала в зависимости от его температуры:
где,
| длина материала после нагрева |
| первоначальная длина материала |
| коэффициент линейного расширения |
| изменение температуры |
Вот некоторые типичные значения коэффициента линейного расширения α для металлов:
· алюминий 25×10−6 на градус С
· медь 16,6×10−6 на градус С
· железо 12×10−6 на градус С
· олово 20×10−6 на градус С
· титана 8.5×10−6 на градус С
Как Вы видите, значения данного коэффициента α являются весьма незначительными. Это означает, что расширение (или сжатие) небольших образцов при малых перепадах температуры почти незаметно. Но мы можем легко увидеть воздействие теплового расширения для объектов, имеющих большие линейные размеры, такие, как например мосты, где деформационные разрывы должны быть включены в конструкцию для предотвращения разрушения в связи с изменением температуры окружающей среды.
|
|
|
Один из способов сделать заметным движение вследствие теплового расширения, заключается в том, чтобы соединить две полоски разнородных металлов, таких как медь и железо. Если мы возьмем две одинаковых полоски меди и железа, положим их рядом, и затем нагреем их, то мы увидим, что медная полоска удлинилась чуть больше, чем железная:
Если мы соединим эти две полосы металла вместе, дифференциальный рост линейных размеров приведет к движению изгиба, значительно превышающего линейное расширение. Это устройство называется - биметаллическая пластина:
Этого движения изгиба достаточно, чтобы перемещать механизм указателя, приводить в движение электромеханический переключатель, или выполнять большое число других механических задач, делая биметаллическую пластину очень простым и полезным сенсором температуры. Домашние термостаты часто используют этот принцип, чтобы и определять температуру в комнате и приводить в действие электрические выключатели для управления этой температурой. В бойлерах, электрочайниках и т. д. используется этот тип устройства (обычно в форме выпуклого диска bi-металла), чтобы определить перегрев и автоматически отключить питающее напряжение от нагревателя, если температура превышает заданный предел. Если биметаллическую полосу изогнуть по винтовой линии, то она будет иметь тенденцию раскручиваться при нагреве. Это движение скручивания может индицироваться стрелкой, указывая по шкале величину температуры.
|
|
|
Работа биметаллического термометра основана на использовании в конструкции его чувствительного элемента двух металлов с различными коэффициентами линейного расширения. Металлические пластины прочно соединены между собой (чаще всего сваркой) и вместе образуют биметаллический элемент (пластину или спираль), который при нагревании расширяется и вращает соединенную с ней стрелку термометра.
В конструкцию типового биметаллического термометра входит круглый корпус, в котором имеется циферблат, кинематический механизм со стрелкой и чувствительный биметаллический элемент в защитной трубке.
Класс точности приборов составляет 2,5, диапазон измерений — от -70 до +600°С. Погрешность при низких диапазонах составляет около 1 градуса, при более высоких пределах погрешность доходит до 10 градусов.
|
|
|
Достоинствами биметаллических термометров по сравнению с жидкостными является механическая прочность и нечувствительность к скачкам давления. Поэтому использование в котельных по возможности именно биметаллических термометров является более предпочтительным.
Конструкция биметаллического термометра
Устройство биметаллического термометра показано на рис. 1.1
Биметаллический термометр состоит из защитной оболочки 1, фланца крепления 2, стрелки 3, шкалы с подшипником 4, корпуса 5, троса 6 для передачи вращения, биметаллической спирали 7. При изменении температуры биметаллическая спираль закручивается или раскручивается, нижний конец спирали закреплен к оболочке 1, поэтому верхний ко спирали поворачивается на угол, пропорциональный изменению температуры. Через трос 6 угол поворота передается на стрелку 3, показывающую текущую температуру. Диапазон измеряемых температур : от 0°С до 100°С
Рис. 1.1
Термопреобразователи сопротивления
1. Принцип работы термопреобразователя сопротивления
Принцип действия термопреобразователя сопротивления основан на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении их температуры.
|
|
|
Металлические термометры сопротивления платиновые (ТСП) градуировки гр. 20 используются при длительных измерениях в пределах от 0 до 650 °С, а термометры градуировок гр. 21 и гр. 22 - с другими номинальными сопротивлениями при температуре — от —200 до +500 °С. Термометры сопротивления медные (ТСМ) изготавливаются градуировок гр. 23 и гр. 24 для измерения температур от —50 до + 180°С [1].
Величину a, характеризующую изменение электросопротивления металлов при изменении температуры, называют температурным коэффициентом сопротивления. Если Rt электрическое сопротивление при некоторой температуре t, a Rо электрическое сопротивление при 0°С, то температурный коэффициент сопротивления можно определить по формуле
Для изготовления термометров сопротивления используются металлы: Pt, Cu, Ni, Fe.
Медь (Cu). К достоинствам меди следует отнести дешевизну, легкость получения ее в чистом виде, сравнительно высокий температурный коэффициент a и линейную зависимость сопротивления от температуры.
Недостатки: малое удельное сопротивление (р = 0,017 ом·мм2/м) и легкая окисляемость при температуре выше 100° С.
Никель и железо (Ni и Fe). Эти металлы обладают сравнительно высоким температурным коэффициентом a и относительно большим удельным сопротивлением.
Однако этим металлам присущи и недостатки. Никель и железо трудно получить в чистом виде, что препятствует изготовлению взаимозаменяемых термометров сопротивления. Зависимости сопротивления железа и, особенно, никеля от температуры выражаются кривыми, которые не могут быть представлены в виде простых эмпирических формул. Никель и, особенно, железо легко окисляются даже при сравнительно низких температурах. Эти недостатки ограничивают применение никеля и железа для изготовления термометров сопротивления.
Полупроводниковые термометры сопротивления (термисторы) изготавливаются из окислов различных металлов с добавками. Наибольшее распространение имеют термометры сопротивления кобальто-марганцевые (КМТ) и медно-марганцевые (ММТ), использумые для измерения температур в пределах от —90 до +180 °С. Используемые материалы: оксиды Ti, Fe, Mn, Co, Ni, Cu, Ge.
Устройство термопреобразователя сопротивления (терморезистивного преобразователя) показано на рис. 1.2.
Термопреобразователь сопротивления состоит из корпуса 4 с фланцем крепления, проводов 5, термосопротивления 2 и 3, теплопроводящего электроизолятора 1. Термосопротивление состоит из катушки 3 с намотанной на нее металлической проволокой 2. При изменении температуры корпуса 4, тепловой поток через электроизолятор 1 проходит к проволоке 2, ее температура меняется и, как следствие, меняется электрическое сопротивление. Электрическое сопротивление катушки пропорционально ее температуре.
К термопреобразователю сопротивления присоединяется вторичный электронный прибор, измеряющий сопротивление преобразователя и переводящий его в значения температуры.
Диапазон измеряемых температур : от 0°С до 100°С
Рис. 1.2
Порядок выполнения работы:
Лабораторная работа выполняется на Типовом комплекте учебного оборудования "Измерительные приборы давления, расхода, температуры" ПФ-ИПДРТ001
1. Для заполнения емкости для нагрева воды (18), в которую смонтированы два терморезистивных преобразователя (датчики температуры типа ДТС035-50М.В3.250) и один термометр, включить насос(16) и открыть краны (кр1), (кр2),(кр5). После наполнения емкости закрыть кран (кр5), выключить насос.
2. Дождаться установления стабильных показаний датчиков и биметаллического термометра. Занести показания в таблицу 1.1.
3. Включить процесс нагрева. Нагреть жидкость в емкости на 3-5 °С
4. Дождаться установления стабильных показаний датчиков и биметаллического термометра. Занести показания в таблицу 1.1.
5. Повторить пункты 3,4 до достижения температуры 50°С.
6. Слить воду из емкости открыв краны (кр5),(кр9) и(кр10).
7. Вычислить средние значения температур, абсолютную и относительную погрешность измерения для датчиков температуры и биметаллического термометра для каждой температуры. Результаты занести в таблицу 1.1.
8. Сравнить вычисленные погрешности с классом точности приборов (см. инструкции на приборы).
9. Сделать выводы об оптимальных диапазонах измерения приборов.
Таблица 1.1
| Номер измерения | T1,oC | T2,oC | T3,oC | Tср,oC | ∆Т1,oC | ∆Т2,oC | ∆Т3,oC | δТ1, % | δТ2, % | δТ3, % |
T1, oC - показания датчик температуры 1
T2, oC - показания датчик температуры 2
T3, oC - Биметаллического термометра
Контрольные вопросы:
1. Что такое биметаллический датчик температуры?
2. Опишите работу биметаллического термометра
3. Опишите Конструкцию биметаллического термометра
4. Принцип работы термопреобразователя сопротивления
5. Из каких металлов изготавливают термометры сопротивления
Дата добавления: 2019-03-09; просмотров: 155; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!