Контактні термоелектричні перетворювачі



Мы поможем в написании ваших работ!


Мы поможем в написании ваших работ!



Мы поможем в написании ваших работ!


ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Контактні термоелектричні перетворювачі



Принцип дії термоелектричних термометрів ( термопар, рис.1) грунтується на ефекті виникнення електрорушійної сили (ТЕРС) в замкнутому ланцюгу, який складається із різнорідних провідників А і В (їх називають термоелектродами, рис.1,а), при умові, що місця їхніх з’єднань мають різну температуру.

а) б) в) г)

Рис.1 Загальна схема ПВП а); загальний вигляд термопари в розрізі б) та ПВП в); схема комунікації термопари та під’єднання вторинного приладу г).

 

Ефект був відкритий одночасно російським вченим Епінусом та німцем Зеебеком і пояснюється тим, що виникнення ЕРС (або її ще називають контактною різницею потенціалів) пов’язане з вільними електронами в металах, які переміщуються з металу, де їх концентрація більша, в метал, у якого концентрація електронів менша.

Значення цієї ЕРС, яку називають термоелектрорушійною силою (ТЕРС) і зображують як Е(tx, t0), залежить: 1) від матеріалу термоелектродів, що з’єднані; 2) від різниці температур місць з’єднань провідників (дротів ): tx – температура робочого (гарячого) спаю, який розміщується в об’єкті, температуру якого вимірюють, таt0– температури холодного спаю ( вільних кінців), що виведені ззовні з об’єкту і знаходиться в місці з постійною температурою.

Суттєвою перевагою термоелектричного перетворювача (термопари, рис.

1,г) є незалежність ТЕРС від введення в його ланцюг інших дротів (рис.1гпоз 12 та 10) при умові, що кінці цих дротів мають одинакову температурув точках поз.11 та поз.13. Практично це означає, що за цієї умови в ланцюг термопари можна вмикати з’єднувальні (компенсаційні та подовжувальні) дроти і вимірювальні прилади.

Значення ТЕРС можна виміряти , наприклад, мілівольтметром постій-

ного струму з достатньою чутливістю, який ввімкнений або в розрив проводу В(рис.1,а),або в розрив ланцюга обох дротів холодного спаю (рис.1,в поз. 8 та до верхніх кінців дротів поз.10 рис1,г).

Висока точність вимірювання температури за допомогою термопари буде забезпечена, тільки при достатньо точній фіксації температури t0 холодного спаю (його розміщують в посудині Дьюара з льодом, де t0=0°С при градуюванні термопари), або розміщують в термостат з автоматично стабілізованою температурою.

Характеристики градуювання термопар є статичними характеристиками перетворення і показують залежність ТЕРС термопари від температури робочого спаю при температурі холодного спаю, що дорівнює 0°С.

 
 

Якщо температура вільних кінців термопари t0= 0°С, то вимірювана температура визначається безпосередньо із характеристики градуювання, яка може задаватись графічно, загальний вигляд Е(tx,0)показано на рис. 2,а; або у вигляді таблиці (табл.3); або заноситись у пам'ять сучасних мікропроцесорних вимірювальних перетворювачів. Характеристики градуювання є індивідуальними для кожного типу термопар і їхній загальний вигляд для основних типів термопар приведений на рис. 2,б.

Е,мВ Е(tx,0) (E tx,t0)

E(t0,0)

а) б)

Рис.2. Загальний вигляд характеристик перетворення термопар

 

Для виготовлення термопар можуть використовуватись будь-які метали, при умові наявності різної концентрації вільних електронів в них, але на практиці

використовують матеріали, які забезпечують найбільш можливе значення

ТЕРС. Найбільше розповсюджені наступні типи стандартних термопар (номер

надалі показує одночасно вигляд характеристики перетворення на рис. 2,б ; а

першим в запису вказується термоелектрод з надлишком електронів і який, після їхнього переміщення до другого електроду термопари, має позитивний заряд):

1) Хромель – копелеві. Хромель - сплав хрому та нікелю (8¸10 % Сr, а залишок - Ni). Копель – сплав міді (Cu є основа – 56%) та Ni (43%) + Mn (0,5% - марганцю). Позначення термопари та характеристики градуювання: ТХК, ХК (Е). Діапазон вимірювання: -200°С ¸ +600°С та розвивають найбільшу ТЕРС – 7мВ на кожні 100°С.

2) Хромель – алюмелеві.Алюмель – сплав нікелю (основа 94% ) та алюмінію, марганецю, кремнію в сумі » 6%. Відповідно позначення термопари: ТХА, ХА(К). Діапазон вимірювання:–50 ¸ +1000°С. Розвивають ТЕРС –1,86 ¸ до 41,32 мВ.

3) вольфрамреній (5% - Re) – вольфрамренієві ( 26% - Re ). Позначення термопари та характеристики градуювання: ТВР (С), ВР –5/20. Діапазон вимірювання: 0°С...+2300°С.

4) Платинородій (склад: 10% родію та 90% платини) – платинові. Позначення термопари ТПП,а її характеристики градуювання ПП (S – міжнародне). Діапазон вимірювання: –20...+1600°С. Розділяються на еталонні, зразкові робочі. Надійно працюють в нейтральному та окислюваному середовищі. На платину шкідливо діють пари металів та вуглецю. Є кращими за комплексною оцінкою до 1600°С. Виготовляються із проводу діаметр

5) ом 0,5...1мм. Розвивають ТЕРС – 0,1...13,13мВ.

6) Платинородій (30% родію) –платинородієві (6% родію). Позначення:

ТПР, а характеристик градуюванняПР(В). Діапазон вимірювання: до 600 - 1800°С. Не потребують введення поправки на температуру холодних спаїв, так як при t=20°С мають мале значення ТЕРС 0,002мВ.

7) Залізо-констатанові. Констатан - сплав Cu та Ni. Позначення термопари

та градуювальної характеристики І. Діапазон вимірювання: –210 ¸

+1200°С. Абсолютна похибка вимірювання складає не більше ±2,2°С.

8) Мідь-констатанові. Позначення термопари та характеристики градуюванняТ.Діапазон вимірювання: –270 ¸ +400°С. Абсолютна

похибка вимірювання складає не більше Dt=±1°С.

Якщо температура вільних кінців t0 ¹ 0 (рис. 2,а), то для отримання значення ТЕРС Е(tx,0), що відповідає характеристиці градуювання, необхідно до Е(tx,t0), тобто, ТЕРС, що розвиває термопара при температурі холодного спаю t0, додати значення ТЕРС E(t0,0), яке розвиває термопара при значенні температури гарячого спаю t0 та значенні температури холодного спаю = 0°С :

E(tx,0) = E(tx,t0) + E(t0,0). (1)

При відхиленні температури холодного спаю від 0 в сторону збільшення,

до значення t0, ТЕРС, що розвиває термопари, зменшується із-за збільшення температури холодного спаю (вільних кінців) до t0.

В простих випадках використовується, так зване, пряме ввімкнення

термопари, коли в комплекті з термопарою (в якості вторинного приладу, що вимірює ТЕРС) використовується мілівольтметр (електро-вимірювальний прилад магнітоелектричної системи), шкала якого градуююється при температурі холодного спаю, як правило, що дорівнює 0°С. Якщо в умовах використання ця температура інша, то в покази приладу необхідно вводити поправки (проводити інтерполяцію), тому що в іншому випадку такі вимірювання будуть супроводжуватися великими похибками. Різні термопари розвивають різні ТЕРС при однакових температурах як гарячого спаю, так і холодного.

Існують декілька способів компенсації зміни температури холодного спаю темопари і усунення похибок, що пов’язані з цим.

Один із способів є розрахунковий і його формула в загальному має вигляд:

, (2)

де - істинна температура; - температура, яку показує приклад; - коефіцієнт інтерполяції, який залежить від типу термопари та інтервалу вимірювальної температури; та - відповідно температура холодного спаю термопари в реальних умовах вимірювання та при її градуюванні.

Ефективним методом усунення похибки від впливу зміни температури

холодного спаю є використання компенсаційних термоелектродних (рис.1,б поз. 12) па подовжувальних (рис.1,б поз. 10) дротів, які входять в комплект термопари і слугують для відведення холодного спаю на певну відстань, де можливе його розташування в зоні відносно постійної температури. Такі з’єднувальні дроти повинні бути термоелектрично подібні термоелектродам термопари і виробляються в більшості із тих же металів, що і електроди. Для платинородій - платинових (ТПП) термопар в якості продовжуваних дротів використовується, наприклад, пара мідь та сплав міді і нікелю (99,4% Си + 0.6 Ni), яка при температурі 100°С розвиває ТЕРС, яка дорівнює ТЕРС ТПП. Для термопар типу ТВР використовують термоелектроді дроти із міді (98,2%) та нікелю (1,8%). Для правильного вимірювання обов'язково повинна виконуватись умова рівності температур в точках 2 та 3 (рис. 1,б поз.11), що забезпечується їх розташуванням одна біля одної в головці термопари.

Одним із найбільш ефективних, є метод

використання мостових схем для введення поправок на нестабільність температури холодного спаю при зміні температури

Рис.3. навколишнього середовища (рис.3). Термопару і вимірювальний (вторинний) прилад ВП вмикають послідовно з вимірювальною діагоналлю мостової схеми з опорами та , яка живиться від джерела струму ДЖС. В якості вторинного приладу використовується мілівольтметр магнітоелектричної системи. Опори і виготовляють із матеріалу з

малим значенням температурного коефіцієнту опору (манганіту); а із міді

або нікелю. Схема мосту розташовується в безпосередній близькості від

холодного спаю термопари.

При початковій температурі холодного спаю t0 міст балансується за допо-

могою одного із стабільних опорів, наприклад, . В процесі роботи, якщо температура холодного спаю підвищується, то зменшиться ТЕРС термопари із-за зменшення різниці температури між спаями, але в той же час збільшується опір (мідного опору), що приводить до розбалансування мосту і збільшенні напруги у вимірювальній діагоналі , яке компенсує зменшення ТЕРС термопари. Точність компенсації за допомогою такої схеми оцінюється значенням порядку 0,04 мВ на 10°С зміни температури t0 холодного спаю. За такою схемою випускаються мілівольтметри типів Щ4500, Щ4540 з однопозиційним регулюванням, та Щ4516 з аналоговими законами регулювання. Класи точності від 0,5 до 2,5. Вони призначені вимірювання відносно високих температур в об'єкті в комплекті з термоелектричними перетворювачами відповідного градуювання: ХК; ХА; ПП; ТВР тощо. Градуювання обов'язково вказуються на шкалах мілівольтметрів і головках термопар, оскільки ТЕРС термопар різні.

 



Последнее изменение этой страницы: 2016-04-26; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 35.175.191.36 (0.01 с.)