Термоэлектрические термометры (термопары)

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 6Следующая ⇒

Термопары применяются для измерения температур в диапазоне от —200 до 2500°С. Они обладают достаточно высокой точностью и могут быть использованы в автоматизированных системах сбора и обработки экспериментальных данных .

В основу термоэлектрического метода измерения температуры положен эффект Зеебека; суть его заключается в том, что в разомкнутой цепи, составленной из двух различных и термоэлектрически однородных проводников, спаи которых помещены в среды с различными температурами, возникает термо-э.д.с, пропорциональная разности температур спаев.

В практике измерения температур в воздушной и нейтральной средах широкое распространение получили термопары, изготовленные из неблагородных металлов и их сплавов, вследствие их низкой стоимости и достаточно высокой чувствительности. Основным недостатком термопар из неблагородных металлов является то, что для их изготовления практически очень трудно получить термоэлектрически однородную проволоку, а следовательно, и обеспечить хорошую воспроизводимость стандартной градуировочной кривой.

Хромель (84% Ni + 9,8% Cr+10% Fe+0,2%Mn )-копелевые (56% Cu + 44% Ni) термопары (ТХК).

ТХК имеют наибольшую термо-э.д.с. [Е (100°С, 0°С) =6,88 мВ] но сравнению с другими термоэлектрическими измерителями температуры, но сравнительно невысокий верхний предел длительного использования (500...600°С) в воздушной среде.

Хромель-алюмелевые (94% Ni + 2% Al + 2,5% Mn+1% Si+ + 0,5% примеси) термопары (ТХА). ТХА имеют более высокий температурный предел (1000°С), но меньшую термо-э.д.с.

Стандартные градуировочные зависимости ТХА и ТХК приведены в справочниках. Допустимые отклонения термо-э.д.с. от указанных в таблице весьма значительны, но не должны превышать для термопары ТХА Е_Т = = 0,16 мВ в диапазоне температур (50...300°С) и Е_Т = 0,16 + + 2х10^-4 (t -300) мВ в диапазоне температур 300... 1300°С, а для термопары ТХК Е_Т = 0,2 мВ в диапазоне температур -50... 300°С.

Платинородий (90% Pt+10% Rh)-платиновые (100% Pt) термопары (ПП). Термопары ПП применяются для измерения температур 300... 1600°С в окислительной и нейтральной средах. Они обладают наибольшей точностью и используются в качестве эталонных измерителей температуры с допустимой погрешностью, равной Е_Т = 0,01+2,5-10^-5 (t -300) мВ в диапазоне 300...1600°С.

Термопара (рисунок 4) представляет собой два разнородных проводника, составляющих общую электрическую цепь (4). Если температура мест соединений (спаев) проводников t и t₀, неодинакова, то возникает термо-э.д.с. и по цепи протекает ток.

Величина ЭДС однозначно зависит от разности температур t и t₀, поэтому по величине термо-э.д.с. термопары судят о температуре.

Рис. 5. схема подключения термопары к измерительному прибору

1-горячий спай; 2- медные провода; 3- холодный спай

Горячий спай термопары (1) помещают в среду, температуру которой нужно измерить, а холодный спай (3) соединяют с электроизмерительным прибором (рис.5). Обычно градуировка термопар производится при температуре холодных спаев термопары равной 0⁰С. По результатам градуировки составляются градуировочные кривые t=E(t,t₀) или таблицы (табл.1), если при измерении температуры среды, имеющей t⁰С, температура холодных спаев отличается от 0⁰С и равна t₀, то значение термо-э.д.с. Е(t,0), по которому находят искомое значение температуры t, определяется по формуле

Е(t,0)= E(t,t₀)+Е(t₀,0), (7)

Где E(t,t₀)- показание милливольтметра, mV;

Е(t₀,0)- поправка на температуру холодного спая, которая находится по градуировочной кривой или табл. 1 по температуре t, равной t₀⁰С.

Для изготовления термопар применяют целый ряд материалов: платина-платинородий, хромель-алюмель, хромель-копель, железо-константан, вольфрам, молибден и другие материалы.

Градуировочная таблица термопары хромель-алюмель при температуре холодного спая 0⁰С.

Таблица 1.

t⁰С	0	1	2	3	4	5	6		7	8	9
t⁰С	Термо-э.д.с.
0	0	0,04	0,08	0,12	0,16	0,20	0,24	0,28		0,32	0,36
10	0,40	0,44	0,48	0,52	0,56	0,60	0,64	0,68		0,72	0,76
20	0,80	0,84	0,88	0,92	0,96	1,00	1,04	1,08		0,12	0,16
30	1,20	1,24	1,28	1,32	1,36	1,41	1,45	1,49		1,53	1,57
40	1,61	1,65	1,69	1,73	1,77	1,82	1,86	1,90		1,94	1,98
50	2,02	2,06	2,10	2,14	2,18	2,23	2,27	2,31		2,35	2,39
60	2,43	2,47	2,51	2,56	2,60	2,64	2,68	2,72		2,77	2,81
70	2,85	2,89	2,93	2,97	3,01	3,06	3,10	3,14		3,18	3,22
80	3,26	3,30	3,34	3,39	3,43	3,47	3,51	3,55		3,60	3,64
90	3,68	3,72	3,76	3,81	3,85	3,89	3,93	3,97		4,02	4,06
100	4,10	4,14	4,18	4,22	4,26	4,31	4,35	4,39		4,43	4,47

Предел измерения температур стандартными термометрами представлены в табл. 2.

Характеристика стандартных термопар.

Таблица 2.

Наименование термопары	Тип	Термо-э.д.с. t₀=0⁰C, t=100⁰C	Верхний предел,^0C
Наименование термопары	Тип	Термо-э.д.с. t₀=0⁰C, t=100⁰C	При длительном применении	При кратковременном применении
Платинородий (90%Pt+10%Rt) Платина	ТПП	1,04	1300	1600
Хромель (90%Ni+10%Cr₂)- Алюмель (95%Ni+5%Al)	ТХА	4,10	1000	1300
Хромель-копель (56%Cu+44%Ni)	ТХК	6,95	600	800

В качестве вторичного прибора для измерения термо-э.д.с. применяются чувствительные электроизмерительные приборы: милливольтметры, потенциометры и др.

Достоинством термоэлектрических пирометров является широкий диапазон измерений, достаточно высокая точность, возможность дистанционной передачи и автоматической записи показаний, высокая чувствительность, незначительная тепловая инерционность, возможность измерения температуры в точке поверхности или объема.

Изготовление термопар.В теплотехнических измерениях чаще всего используют термоэлектродную проволоку диаметром ~0,5 мм, так как проволока меньшего диаметра обладает большей неоднородностью материала.

Рабочий конец термопары (горячий спай) изготовляют путем сварки, спайки или скрутки. Лучше всего использовать сварку, так как скрутка с числом оборотов более двух может привести к значительным и не поддающимся учету погрешностям измерения температуры. Сварка обычно дуговая угольным электродом при напряжении 15...20 В либо контактная конденсаторная. Иногда предварительно скрученный спай приваривают с помощью конденсаторной сварки непосредственно к поверхности, температура которой измеряется. Холодный спаи термопары обычно изготовляют пайкой оловом (с канифолью).

Термопару перед градуировкой лучше отжечь целиком при температуре, несколько превышающей рабочую.

При измерении температур до 1300°С для изоляции термоэлектродов применяют одноканальные и двухканальные, фарфоровые, а при измерении более высоких температур керамические трубки (соломку). При температурах ниже 200°С используют «чулки», изготовленные из стеклоткани

Поправка на температуру холодного спая.При градуировке термопар тем пературу холодного спая обычно поддерживают равной 0°С. Однако при технических и лабораторных измерениях температура холодного спая t'₀ бывает постоянна, но не равна 0°С, что вызывает необходимость введения поправки. В этом случае значение термо-э.д.с. E_AB>(t, t₀), по которому определяется температура по градуировочной кривой (или таблице), находится из уравнения

Еав (t, t₀) =E_AB (t, t^,₀) ± E_AB{t'₀, t₀) , (8)

где знак плюс соответствует случаю t₀'>t₀, а знак минус - случаю t₀'<t₀. Следует иметь в виду, что расчет в предположении линейной зависимости E_AB {t, t₀)=F(t), т. е. t = t'+t₀', может привести к существенной погрешности измерения температуры.

Погрешности измерения температуры термопарами из неблагородных металлов и их сплавов. Допустимое отклонение, например, термо-э.д.с. ТХА от стандартной градуировочной зависимости в диапазоне -50...300°С составляет 0,16 мВ, что соответствует 4°С. Эта погрешность может быть значительно уменьшена (до 0,25°С) путем индивидуальной тарировки термопары. Однако, на самом деле, действительная погрешность измерения температуры во много раз больше.

Дело заключается в том, что условия работы термопары, как правило, отличаются от условий ее градуировки. Поэтому вследствие имеющихся термоэлектрических неоднородностей электродов и различных механических повреждений проволоки возникают дополнительные термо-э.д.с, значения которых невозможно заранее предусмотреть. Кроме того, при высокой температуре в электродах термопары происходят необратимые структурные изменения, которые также приводят к изменению термо-э.д.с.

Рис. 6. Способы заделки горячего спая термопары

Вследствие указанных причин точность измерения температуры в диапазоне 400 ... 500°С не выше ±1,5°С, а в диапазоне 800... 900°С не выше ± 3... 4°С.

Точность измерения температуры поверхности зависит также от способа установки (заделки) рабочего спая термопары, который необходимо плотно соединить с поверхностью теплообмена сваркой, спайкой или приклеиванием для обеспечения равенства температуры рабочего спая / термопары и поверхности теплообмена 4 (рис.6, а - в).

Однако даже в этом случае может иметь место методическая погрешность, вызываемая нарушением первоначального распределения температуры в месте установки рабочего спая термопары — в основном за счет отвода теплоты вдоль электродов.

Способ, показанный на рис. 6, а, является наиболее неблагоприятным, так как в этом случае отвод теплоты вдоль электродов 2 может существенно исказить температурное поле в месте заделки рабочего спая термопары. Установка металлической пластинки 3 (рис. 6, б) из материала с высокой теплопроводностью приводит к уменьшению искажения температуры в месте заделки вследствие увеличения контактной поверхности.

Методическая погрешность измерения температуры поверхности Может быть практически сведена к нулю, если электроды термопары, как показано на рис.6,в, укладывать вдоль поверхности теплообмена на длину (150...200) d..

Измерение термо-э.д.с. термопар милливольтметрами. Милливольтметры в комплекте с термопарами находят широкое применение и практике измерения температур.

а) б) Рис.7. Рамка в магнитном поле (а). Схема соединения милливольтметра с термопарой (б)

Принцип действия милливольтметра основан на использовании силы взаимодействия между постоянным током, протекающим по обмотке подвижной рамки, и магнитным полем постоянного магнита (рис. 7 а).

Сила, действующая на каждую сторону рамки, согласно закону Био — Савара,

F=lnBI, (9)

где /—активная сторона одного витка;

В — магнитная индукция; / — сила тока;

п — число витков.

Схема соединения милливольтметра с термопарой показана на рис. 7 б Напряжение на зажимах милливольтметра

U'ав=Е_авЦ, to) — u_abR_BJJR_M, (10)

где E_AB{t, to)—термо-э.д.с. термопары;

R_BU— внешнее сопротивление, включая сопротивление термопары и добавочного резистора R_y;

R_M — внутреннее сопротивление милливольтметра.

Таким образом, напряжение на зажимах милливольтметра всегда меньше термо-э.д.с. на значение падения напряжения во внешней цепи. В свою очередь, падение напряжения и_аь тем меньше, чем больше внутреннее сопротивление милливольтметра. Поэтому для увеличения точности измерения термо-э.д.с. милливольтметры должны быть высокоомными с малым собственным потреблением мощности.

На стабильность показаний милливольтметра существенное влияние оказывает изменение температуры окружающей среды, приводящее к изменению тока в цепи прибора. Для уменьшения этого эффекта в цепь милливольтметра включают добавочное сопротивление R_y из манганина, температурный коэффициент электрического сопротивления которого равен нулю.

В зависимости от назначения милливольтметры подразделются на переносные и стационарные классов точности: 0,5; 1,0; 1,5; 2,5. Класс точности и внутреннее сопротивление прибора указываются на его циферблате. Милливольтметры переносные выполняются как с градуировкой в мВ, так и с двойной градуировкой — в мВ и 0°С. Стационарные приборы, предназначенные для работы со стандартными термопарами, выпускаются со шкалой, градуированной в 0°С.

Стационарные милливольтметры МВУ6-41А, которыми оснащены лабораторные установки, включенные в практикум по термодинамике и теплопередаче, выпускаются классов точности 0,5 и 1,0. Они снабжены устройством К.Т-3, для автоматической компенсации изменения термо-э.д.с, вызванного отклонением температуры холодного спая от градуировочной, равной 0°С. Погрешность компенсации термо-э.д.с. с помощью блока К.Т-3 в диапазоне от 0 до 50°С для термопар ТХА и ТХК не превышает ±3°С.

Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 2088; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!