Термоэлектрические термометры (термопары)



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 ЕТ = = 0,16 мВ в диапазоне температур (50...300°С) и ЕТ = 0,16 + + 2х10-4 (t -300) мВ в диапазоне температур 300... 1300°С, а для термопары ТХК ЕТ = 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 ЕТ = 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

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

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. EAB>(t, t0), по которому определяется температура по градуировочной кривой (или таблице), находится из уравнения

 

Еав (t, t0) =EAB (t, t,0) ± EAB{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        EAB {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=ЕавЦ, to) — uabRBJJRM,                                                                                                     (10)

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

RBU— внешнее сопро­тивление, включая сопротивление термопары и добавочного ре­зистора Ry;

 RM — 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 иаь 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 Ry 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: 244; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ