ТОП 10:

Метод компенсации напряжений



На рисунке 9 приведена упрощенная схема устройства автоматического потенциометра. Сигнал термоэлектрического термометра (ТТ) (Е(t2,t0)) сравнивается с компенсирующим напряжением UK, снимаемым с диагонали неуравновешенного измерительного моста ИМ (Б – источник питания). Мостовая измерительная схема является более совершенной и позволяет непрерывно вводить коррекцию на изменяющуюся температуру свободных концов термоэлектрического термометра.

Если E(t2,t0)≠UK, то на вход вибропреобразователя (ВП) подается сигнал дисбаланса ∆U. Происходит преобразование напряжения постоянного тока, который затем усиливается в усилителе и подается на реверсивный двигатель (РД). Последний одновременно перемещает движок реохорда Rp и стрелку относительно шкалы прибора. Изменение положения движка Rp приводит к такому изменению UK, которое влечет за собой уравновешивание измеряемой т.э.д.с. компенсирующим напряжением. При этом ∆U=0 и двигатель остановится. Таким образом, любые изменения т.э.д.с. приводят к перемещению РД, т.е. прибор непрерывно автоматически компенсирует измеряемый сигнал известным напряжением.

Рисунок 9 − Упрощенная принципиальная схема автоматического

потенциометра

 

Описание лабораторной работы представлено в параграфе 2.

Погрешности показаний и записи автоматических потенциометров (и мостов) можно разделить на две группы: ошибки, возникающие в условиях нормальной эксплуатации, и ошибки, являющиеся следствием: а) отклонения различных внешних факторов (температуры и влажности воздуха, напряжения и частоты тока питания, вибрации) от нормальных значений; б) появления внешних магнитных полей и других источников наводок и помех.

Вибрация и погрешности в измерении и регистрации контролируемых величин при нормальных условиях работы приборов возникают вследствие: а) неточной градуировки шкалы; б) неточной установки шкалы и диаграммной бумаги; в) наличия зоны нечувствительности и зазоров в следящей системе автоматической компенсации; г) нестабильности внутренних электромагнитных полей и напряжения источника питания измерительной системы; д) ошибки отсчета показания.

Значительные дополнительные погрешности, часто превышающие допустимые значения, возникают из-за мощных электромагнитных полей, являющихся следствием работы мощных металлургических агрегатов (электродуговые печи, камерные и протяжные печи с электронагревателями сопротивления) или их вспомогательного оборудования (электродвигатели загрузочных кранов, привод роликов и т.п.). Также на точность записи влияет влажность окружающего воздуха: изменение этой величины на 10% может за счет увеличения (при росте влажности) или уменьшения (при ее снижении) ширины диаграммной бумаги увеличить погрешность регистрации контролируемого параметра на 0,15% от диапазона шкалы.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Цель лабораторной работыизучение разностного и компенсационного методов и средств измерения, проведение лабораторного эксперимента по исследованию влияния температуры свободных концов термопары на термо-ЭДС.

Основные понятия

Одним из основных параметров, определяющих ход металлургичес­ких процессов, является температура. Работа печных агрегатов характеризуется температурой металла, шлака, топлива, защитной атмосферы, дымовых газов, кладки, а также других сред и элементов рабочего пространства. От точного и надежного измерения данной величины в значительной мере зависит эффективность функциониро­вания АСУ ТП. Многообразие задач предопределило появление большого числа различных методов и средств контроля температуры [3] .

Тепловое состояние тела (степень его нагретости) определяется средней кинетической энергией поступательного движения молекул данного тела. Следовательно, и температура, характеризующая тепло­вое состояние физического объекта, является статистической величи­ной, поэтому ее измерение имеет смысл только в телах, состоящих из достаточно большого числа молекул.

Разный уровень температур двух тел, находящихся в контакте, определяет направление теплопередачи: тело с более высокой темпе­ратурой отдает свою внутреннюю энергию телу с более низкой темпе­ратурой до тех пор, пока их температуры не станут равными.

Таким образом, температура тела − параметр состояния, который определяет направление передачи тепловой энергии. Измерить темпе­ратуру непосредственно, как плотность или линейные размеры, невозможно, поэтому температуру определяют косвенно, по изменению физических свойств различных тел, получивших название термометрических, например, объемное расширение, изменение электрических свойств: электрической проводимости, термоэлектродвижущей силы (т.э.д.с.) и т.п.

Термоэлектрические термометры

Для измерения температуры в металлургии наибольшее распро­странение получили термоэлектрические термометры, работающие в диапазоне температур от -200 до 2500 град.С и выше. Данный тип устройств характеризуют высокая точность и надежность, возможность использования в системах автоматического контроля и регулирования параметров, в значительной степени определяющих ход технологического процесса в металлургических агрегатах.

Устройство термоэлектрических термометров

Термоэлектрический термометр (ТТ) – это измерительный преобразователь, чувствительный элемент которого (термопара) расположен в специальной защитной арматуре, обеспечивающей защиту термоэлектродов от механических повреждений и воздействия измеряемой среды.

На рисунке 10 приведена типовая конструкция термоэлектрического термометра. Термоэлектроды 10 по всей длине изолированы друг от друга керамическими изоляторами 9. Концы термоэлектродов сварены между собой и образуют горячий спай 11. Свободные концы термоэлектродов подсоединяются к контактам колодки 5. Термоэлектроды и контактные зажимы помещены в защитную арматуру 8. Для обеспечения виброустойчивости они засыпаны безводной окисью алюминия и герметизированы эпоксидным компаундом 7. К контактным зажимам колодки подсоединены компенсационные провода, которые выводятся из головки термометра через сальниковое уплотнение 3 со штуцером 2. Водозащитная головка термометра 6 закрыта крышкой 4. Сальниковый ввод головки допускает использование кабеля наружным диаметром до 11 мм. Горячий спай термопары изолирован от защитной арматуры керамическим наконечником 1. Инерционность термоэлектрического термометра составляет 20 −120 с.

I − для одинарных термопар; II − для двойных термопар; 1− керамический наконечник; 2 − штуцер; 3 − сальниковое уплотнение; 4 − крышка; 5 − колодка; 6 − водозащитная головка термометра; 7 − эпоксидный компаунд; 8 − защитная арматура; 9 − керамические изоляторы; 10 − термоэлектроды; 11 − горячий спай. Рисунок 10 − Конструкция термоэлектрического термометра типа ТХА/ТХК  

 

 

Сущность термоэлектрического метода заключается в возникновении электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике, концы которого имеют различную температуру. В зависимости от величины перепада температур и природы проводника (состав, физическое состояния) величина ЭДС колеблется в значительных пределах [3].

Принцип действия термопары основан на эффектах Томсона и Зеебека. Эффект Томсона заключается в том, что если проводник, обладающий электронной проводимостью, нагрет по своей длине неравномерно, то на его нагретом конце повышается концентрация свободных электронов, которые диффундируют к холодному концу. При этом горячий конец заряжается положительно, а холодный отрицательно. Если замкнутая цепь состоит из двух различных проводников Х и Y, то т.э.д.с. Томсона в такой цепи равна разности т. э. д. с., возникающих в каждом проводнике, в зависят от температуры спаев t и t0 (tt0).

Эффект Зеебека проявляется в том, что в спаях различных проводников Х и Y возникают контактные разности потенциалов, вызванные диффузией свободных электронов из проводника, где их концентрация больше.
Общая т. э. д. с., обусловленная эффектами Томсона и Зеебека, является функцией температур t и t0 и зависят от физической природы проводников Х и Y. Она может быть записана при обходе контура термопары против часовой стрелки в виде

, (1)

где Еxy (tt0) − общая т.э.д.с, термопары;

eXY (t) и eyx(t0) − т.э.д.с., вызванные эффектами Томсона и Зеебека.

Если t=t0, то ЕXY (tt0) = 0 и тогда

exy (t0) + eyx (tt0)=0или eyx (t0 ) = -exy (t0 ) (2)

Подставляя это равенство в формулу (1), получим выражение т.э.д. с. термопары в виде:
ЕXY(tt0) = еXY(t)- еXY(t0). (3)

Из выражения (3) видно, что т. э. д. с. термопары есть функция двух температур рабочего и холодного спаев, т. е. ЕXY = f(tt0 ). Эту зависимость можно использовать на практике, если поддерживать постоянной , тогда
ЕXY (tt0) = f(t).

Таким образом, если для данной термопары экспериментально найдена зависимость f(t), то измерение неизвестной температуры сводится к определению т. э. д. с. с помощью измерительного прибора. Его включение в цепь термопары приводит к появлению там третьего проводника Z. При обходе контура против часовой стрелки получим:

ЕXYZ (tt0t0)= eXY (t) +eYZ(t0) (4)
Если t=t0 , то EXYZ(t0 t0 t0 )=еXY(t0) + eYZ(t0)+eZX(t0)= 0,

eYZ(t0)+eZX(t0)= —еXY(t0). (5)
Подставляя это равенство в формулу (4), получим

EXYZ(tt0t0)=eXY(t)- eXY(t0),

что точно совпадает с выражением (3) для термопары из двух термоэлектродов Х и Y. Таким образом, включение третьего проводника Z в разрыв холодного спая при условии, что концы этого проводника находятся при одинаковой температуре t0 не влияет на общую т. э. д. с. термопары, т. е.

EXYZ(tt0t0)=EXY(tt0).

Термопары, как правило, градуируются при температуре холодного спая t0= 0 °С. действительная же температура холодного спая термопары может быть постоянной t0= const, но отличаться от 0°С, Поэтому для нахождения действительной температуры горячего спая t необходимо вводить поправку, которую находят следующим образом.

Пусть t0 = const и t0>t0, тогда ЕXY (tt0)> ЕXY (tt0) и, следовательно,
ЕXY (tt0)- ЕXY (tt0)= еXY (t) - еXY (t0)- еXY (t)+ еXY (t0) = еXY (t0) - еXY (t0)= EXY(t0t0)

Таким образом, с учетом поправки истинная т. э. д. с. термопары будет равна:
ЕXY (tt0) = ЕXY(tt'0)± EXY(t’0t0), (5)
где знак плюс относится к случаю, когда t’0 > t0, а минус − к случаю, когда t’0< t0 .
Повышение температуры свободных концов ТТ приводит к уменьшению перепада температур, снижению т.э.д.с. термопары и появлению погрешности измерения, которую исключают введением соответствующей поправки.

Пример. Термоэлектрический термометр ТХА измеряет температуру в печи в комплекте с потенциометром. При градуировке ТХА температура свободных концов принималась 0 oC в условиях измерения она составила t'0 =50 oC. Сигнал, измеренный потенциометром, ЕXY(t,50)=40,98 мВ, что соответствует температуре 993 оС. Величина поправки может быть определена либо по градуировочной кривой (см. рисунок 11), либо по таблице: ЕXY(50,0)=2,02 мВ.

ЕXY (t,0)= ЕXY(t,50)+ ЕXY(50,0)=40,98+2,02=43,00 мВ,

что соответствует температуре рабочего спая t= 1044 oC.

t= 1044 oC

Рисунок 11Градуировочные характеристики термопар

Для исключения влияния изменения температуры концов ТТ в технике измерения пользуются двумя способами:

1) эвакуацией свободных концов из зоны непосредственного измере­ния с помощью компенсационных проводов;

2) стабилизацией темпе­ратуры свободных концов с помощью термостатов.

Наибольшее распространение получил первый способ как более на­дежный и экономичный. Термостатировать головку термометра очень трудно из-за изменяющихся условий теплообмена с окружающей сре­дой. Поэтому свободные концы термопары стремятся удалить как мож­но дальше от агрегата в такое место, где можно установить термо­стат. Однако для благородных термопар удлинение термоэлектродов невозможно, так как это приведет к значительному перерасходу платины. Необходимо отметить, что провода, выводимые из головки ТТ, работают при температурах, не превышающих 80-90 °С. Следова­тельно, соединительные провода для исключения паразитных т.э.д.с. должны иметь в интервале температур от 0 до 100 оС такие же термоэлектрические ха­рактеристики, как и термопара ТТ, что позволяет перенести свободные концы термометра непосредственно к измеритель­ному прибору. На рисунке 12 представлена принципиальная схема комплекта для из­мерения температуры,t включающего: тер­мопару с электродами Х и Y, удлинитель­ные (компенсационные) провода А1 и В1 , медные провода Си измерительный при­бор ИП (например, автоматический потенциометр, милливольтметр, цифровой вольтметр) либо это может быть информационно-измерительная система или информационно-вычислительный комплекс.

Рисунок 12Принципиальная схема соединений комплекта для измере-

ния температуры с помощью термопары

 

 

Для повышения чувствительности таких термометров иногда объединяют последовательно несколько термопар в термобатарею (рисунок 13, б). При этом рабочие концы всех термопар находятся при температуре исследуемого объекта θ1 , а свободные — при постоянной (или известной) температуре θ2 . Суммарная выходная термоЭДС, естественно, будет равна сумме термоЭДС отдельных ТП.

а − возникновение термоЭДС; б − термобатарея;

в − дифференциальная тер­мопара

Рисунок 13 Термоэлектрические преобразователи (термопары)

 

Для нахождения разности температур двух объектов применя­ются так называемые дифференциальные термопары, которые состоят из двух встречно включенных ТП (рисунок 13, в). Рабочие концы ТП имеют разную температуру (θА и θБ), а свободные — одинаковую θ2. В результате выходное напряжение пропорционально разности температур.

В соответствии с общепринятой международной классифика­цией термоэлектрические преобразователи (термопары) подраз­деляются на несколько типов в зависимости от применяемых ма­териалов и характеристик. Характеристики некоторых основных типов ТП приведены в таблице 2.

 

Таблица 2 − Основные характеристики некоторых типов термопар

 

Тип ТП Материал ТП Диапазон измерения (кратковремен­ный), град С Коэффициент преобразования при20°С, мкВ/ °С
Е Хромель — константан -270… + 1000
J Железо — константан -210…+1000 (1200)
К(ТХА) Хромель — алюмель -200…+1000 (1372)
R (ТПП) Платина — платинородий (13% родия) -50…+1500 (1700)
S (ТПП) Платина — платинородий (10% родия) -50…+1600 (1768)
Г(ТМК) Медь — константан -270…+400 (400)
О (ТПР) Платинородий (30% родия)— платинородий (6% родия)   +300…+1600 (1800) -
L(ТХК) Хромель-копель -200…+600 (800)
М (ТВР) Вольфрам - рений 0…+2200 (2500)
(ТВМ) Вольфрам - молибден +1250…+2000 (2000)

Выбор материалов термоэлектродов в значительной степени определяется уровнем температуры и агрессивным воздействием измеряемой среды. Платина и ее сплавы с родием хорошо работают в окислительной и нейтральной средах, вольфрам, молибден, рений и их сплавы – в вакууме, нейтральной и восстановительной средах. Науглероживание проволоки искажает термоэлектрическую характеристику платины и приводит к погрешностям в измерении. Значительный опыт эксплуатации различных термопар привел к тому, что в настоящее время количество применяемых в технике измерения материалов невелико.

Отметим, что в России приборостроительными фирмами ТП типа Е и J не выпускаются.

Графическая иллюстрация характеристик основных типов ТП приведена на рисунке 10. Наглядно видно, какие типы обеспечивают наибольший диапазон измерения, максимальную чувствительность или наилучшую линейность.

В практике типовых температурных измерений чаще всего используются ТП трех типов: J, К, Т. Термопары типа J имеют минимальную стоимость, высокую чувствительность, умеренную точность, но не могут (не долж­ны) использоваться длительное время при экстремальных темпе­ратурах (выше 1 000 °С), так как нарушается их градуировочная ха­рактеристика.

Термоэлектрические термометры выпускают двух видов: погружаемые и поверхностные. У последних рабочий спай приводится в непосредственный контакт с измеряемой поверхностью. Приборостроительная промышленность изготовляет устройства различных модификаций, отличающихся: по значению и условиям эксплуатации, по материалу защитного чехла, по способу установке термометра в точке измерения, по герметичности и защищенности от действия окружающей среды, по устойчивости к механическим воздействиям, по степени тепловой инерционности т.п.

Цифровой термометр

Рассмотрим один из наиболее распространенных вариантов устройства цифрового термометра (ЦТ), входным датчиком кото­рого является термопара (ТП).

На рисунке 14 приведена упрощенная структура контактного ЦТ, которая напоминает структуру любого цифрового измерительно­го прибора.

Термопара подключается к входу усилителя, назначение кото­рого поднять уровень входного сигнала с единиц-десятков мил­ливольт до единиц вольт. Аналого-цифровой преобразователь пре­образует усиленный сигнал ТП в цифровой код, пропорциональный уровню термоЭДС и, следовательно, значению измеряемой температуры. В автономных ЦТ, как правило, применяются АЦП, использующие интегрирующие методы преобразования, обеспе­чивающие высокие точность, чувствительность, разрешающую способность, высокое подавление периодических помех общего и нормального вида, уровень которых может быть значительным. Выходной код аналого-цифрового преобразователя (АЦП) запоминается (и затем некоторое время хра­нится) в регистре и выводится на цифровой индикатор (цифро­вое отсчетное устройство). Микропроцессорный контроллер уп­равляет работой всех узлов прибора. С помощью клавиатуры опера­тор задает режимы работы. В структуре прибора может присутствовать интерфейс для обмена информацией с внешними цифровыми устройствами (например, для передачи результатов регистра­ции в персональный компьютер и (или) в систему автоматизиро­ванного управления).

Известны модели многоканальных ЦТ (чаще двухканальных). Отличие этих приборов − наличие коммутатора входных ТП, который позволяет поочередно подключать датчики ко входу усили­теля. Двухканальные ЦТ обычно имеют режим измерения разно­сти температур. Такие приборы называются дифференциальными термометрами. Современные ЦТ отличаются малыми габаритными размерами и массой (100...500 г), сравнительно низкой стоимостью, доста­точно высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

 

Рисунок 14 − Структура контактного цифрового термометра




Последнее изменение этой страницы: 2016-04-07; Нарушение авторского права страницы

infopedia.su не принадлежат авторские права, размещенных материалов. Все права принадлежать их авторам. Обратная связь - 54.166.203.76