Метрология. Контрольные вопросы для самопроверки. Содержание предлагаемого учебного пособия основано на программе дисциплине Технические измерения и приборы
 Скачать 1.03 Mb.
|
|
3.6.2. Градуировки термопар Поскольку термоэлектрические контактные датчики состоят, по крайней мере, из двух разных проводников и двух соединений ( пар) этих проводников, их часто называют термопарами. Они яв- ляются пассивными датчиками, т.к. сами вырабатывают напряже- ние в ответ на изменение температуры и не требуют для этого внешнего источника питания. Термопары относятся к классу отно- 61 сительных датчиков, поскольку их выходное напряжение опреде- ляется разностью температур между двумя спаями и практически не зависит от абсолютной температуры каждого соединения. При измерении температуры при помощи термопары один ее спай слу- жит эталоном, и его температуру необходимо определять при по- мощи отдельного детектора абсолютной температуры, например, термистора, РДТ и т.д. или его надо поместить в материал, нахо- дящийся в физическом состоянии, температура которого точно из- вестна. Тип Т: Сu (+) и константан (-). Такие термопары устойчивы к коррозии (поэтому могут применяться для работы во влажной ат- мосфере) и пригодны для измерения отрицательных температур. При работе на воздухе в агрессивной среде их верхний предел рабочего диапазона ограничен 370 0 C (700 0 F), что связано с окис- лением медного элемента. В других окружающих условиях термо- пары типа Т могут использоваться при более высоких температу- рах. Тип J: Fe (+) и константан (-). Термопары этого типа подхо- дят для работы в вакууме, а также в различных средах: и инерт- ных, и окислительных, и восстановительных. Их рабочий темпера- турный диапазон лежит в интервале 0...760 0 С. При температуре около 540 0 С начинается быстрый процесс окисления железных термоэлементов. Если требуется, чтобы термопары работали дли- тельное время в условиях высоких температур, для их изготовле- ния необходимо применять провода с большим поперечным сече- нием. Термопары типа J не рекомендуется использовать для из- мерения температур ниже точки замерзания воды из-за их хрупко- сти и подверженности ржавлению. В этом температурном диапа- зоне лучше работают термоэлементы типа Т. Тип Е: 10% Ni/Cr (+) и константам (–). Эти термопары реко- мендуется использовать в температурном диапазоне –200...900 0 С в окислительных или инертных атмосферах. В восстановительной атмосфере и в вакууме они имеют те же ограничения, что и термо- пары типа К. Термопары типа Е могут применяться для измерения отрицательных температур, благодаря тому, что они не подверже- ны коррозии при работе в атмосфере с повышенным содержанием влаги. Они способны вырабатывать наибольшую среди всех из- вестных типов термопар э.д.с, поэтому термоэлементы типа Е яв- ляются самыми популярными. Тип К: 10% Ni/Cr (+) и 5% Ni/Al/Si (–). Такие термопары при- меняются для работы в окислительной и полностью инертных сре- дах для измерения температур в диапазоне -200...1260 0 С. Благо- даря своей устойчивости к окислению их часто используют при 62 температурах выше 540 0 С. Однако термопары типа К нельзя при- менять в восстановительных и сернистых атмосферах, а также в вакууме. Тип Л и 5: Pt/Rh (+) и Pt (–). Эти термопары предназначены для непрерывной работы в окислительной и инертной среде в температурном диапазоне 0... 1480 0 С Тип В: Pt/Rh (+) и 6% Pt/Rh (–). Термопары типа В подходят для непрерывной работы в окислительной и инертной атмосфере в температурном диапазоне 870...1700 0 С. Их также можно исполь- зовать для проведения кратковременных измерений в вакууме. Такие термопары не рекомендуется применять в восстановитель- ной среде, содержащей пары металлов и неметаллов. Их нельзя вставлять в металлические защитные корпуса или чехлы. В таблице 3.6.1 приведены градуировки стандартных термо- пар. В таблице 3.6.2 приведены рекомендуемые рабочие атмо- сферы. 3.6.3. Поправка на температуру свободных концов термоэлектрического преобразователя Введение поправки может производиться следующими спо- собами: 1. применение удлиняющих термоэлектродных проводов, из- готовленных из материалов, имеющих термоэлектрическую харак- теристику, совпадающую с характеристикой используемого термо- электрического преобразователя в интервале температур от 0 до 100 – 200 0 С включенных таким образом, что паразитные термо- ЭДС, образующиеся в местах контактирования, включены встреч- но и равны по величине; 2. применением специального медного сопротивления в ав- томатических потенциометрах; 3. термостатирование свободных концов при постоянной температуре 0 0 С или (50±0,5) 0 С; 63 Таблица 3.6.1 Основные характеристики термоэлектрических термометров ГОСТ.Р 8.585–2001 Химический состав термоэлектродов, % Пределы измерений t, 0 С Тип термопары Градуиров- ка Обозначе- ние Буквенное обозначение положительный отрицательный нижний верхний кратко временно Медь- константановая ТМКн Cu-CuNi T Cu Cu+(40- 45)Ni+ 1,0Mn+0,7Fe -200 350 400 Хромель- копелевая ТХК - L Ni+9,5Cr Cu+(42- 44)Ni+ 0,5Mn+0,1Fe -200 600 800 Хромель- константановая ТХКн NiCr- CuNi E Ni+9,5Cr Cu+(40- 45)Ni+ 1,0Mn+0,7Fe -200 700 900 Железо- константановая ТЖК Fe-CuNi J Fe Cu+(40- 45)Ni+ 1,0Mn+0,7Fe -200 750 900 Хромель- алюмелевая ТХА NiCr-NiAl K Ni+9,5Cr Ni+1Si+2Al+ 2,5Mn -200 1200 1300 Нихром- никелевая ТНН NiCrSi- NiSi N Ni+14,2Cr+1, 4Si Ni+4,4Si+0,1 Mg -270 1200 1300 Платинородий- платиновая ТПП13 ТПП10 - R S Pt+13Rh Pt+10Rh Pt Pt 0 1300 1600 Платинородий- платинородиевая ТПР - B Pt+30Rh Pt+6Rh 600 1700 - Вольфрамре- ний- вольфрамовая А-1 А-2 А-3 - A W+5%Re W+20%Re 0 2200 2500 Медь-копелевая ТМК - M Cu Cu+(42- 44)Ni+ 0,5Mn+0,1Fe -200 400 - 64 Таблица 3.6.2 Рекомендуемые рабочие атмосферы Рабочие атмосферы Чувствительность в диапазоне температур Тип тер- мопар окислительная восстановитель- ная инертная вакуум диапазон, 0 С dE/dT, мкВ/ 0 С ТМКн ++ + + + 0 – 400 40 – 60 ТХК ++ - + + 0 – 600 64 – 88 ТХКн ++ - + + 0 – 600 59 – 81 ТЖК ++ ++ + + 0 – 800 50 – 64 ТХА ++ - + + 0 – 1300 35 – 42 ТНН ++ - + + 0 – 1300 26 – 36 ТПП ++ - + + 600 – 1600 10 – 14 ТПР ++ - + + 1000 – 1800 8 – 12 ТВР ++ Н 2 ++ ++ ++ 1300 – 2500 14 – 7 Примечания: 1.«++» – рекомендуемая атмосфера; «+» – эксплуатация в данной атмосфере возможна; «-» – не рекомен- дуемая атмосфера. 2. Под окислительной атмосферой обычно подразумевается воздух (21% объёма 0 2 ) или смесь газов при избытке кислорода, в которой происходит окисление вещества (потеря атомами и ионами электронов). Присое- динение атомами кислорода (образование оксида) – частный случай реакций окисления. Слабоокислительная атмосфера содержит 0 2 в смеси газов на уровне 2-3%. В восстановительной атмосфере идут химические реак- ции, в которых атомы и ионы присоединяют электроны. При этом происходит понижение валентности элемента. Примеры восстановительных сред – сухой Н 2 , СО, углеродсодержащие газовые среды, эндогаз, экзогаз, коксовый и доменный газы, диссоциированный аммиак, выхлопные газы камер сгорания. Инертная атмосфера существует в газах N 2 , Ar, Не и других инертных. 65 4. применением компенсирующего моста (рис. 3.6.2) для авто- матического введения поправки (коробка холодных спаев). Представ- ляет собой неравновесный мост с постоянными манганиновыми рези- сторами R 1 , R 2 , R 3 и медным резистором R М , находящийся в равно- весии при 0 0 С; при отклонении температуры свободных концов воз- никающий разбаланс моста U ab компенсирует возможное снижение измеряемой термо-ЭДС. Рис. 3.6.2. Автоматическое введение поправки ( коробка холодных спев) 3.6.4. Термопарные сборки Термопарная сборка обычно состоит из следующих компонен- тов: чувствительного элемента (спая), защитной трубки (керамиче- ской или металлической оболочки), теплосборника (необходимого элемента прецизионных датчиков, изготавливаемого в виде просвер- ленного стержня, хорошо отполированного с целью снижения корро- зии) и выводов (контактов, имеющих разную форму соединения: скру- ченного типа, разомкнутого типа, в виде разъемов и т.д.). Проводники остаются либо оголенными, либо покрываются изоляционным мате- риалом. Для работы в условиях высоких температур используются керамические изоляторы, обладающие достаточной гибкостью. Про- водники термопар без электрической изоляции могут быть источника- ми измерительных погрешностей. Назначение изоляторов также за- ключается в защите от воздействия влаги, абразивных веществ, сильных перепадов температур, химических реагентов, механических 66 напряжений и ядерного излучения. Для проведения прецизионных измерений необходимо учитывать свойства и ограничения исполь- зуемых изоляционных материалов. Некоторые изоляторы обладают естественной влагонепроницаемостью. Тефлон, поливинилхлорид и некоторые типы полиимидов являются представителями этой группы. На рис. 3.6.4 представлены некоторые типы термопарных сборок. а) б) в) г) Рис. 3.6.4. Некоторые типы термопарных сборок а) скрученная и сваренная термопара с неизолированным проводом; б) термопарные проводники в пластмассовой трубке; в) скрученная и сварен- ная термопара с изолированным проводом; г) термопара со сваркой провод- ников встык и керамическим изолятором При использовании изоляционных материалов волоконного ти- па для защиты от влаги применяют пропитки специальными состава- ми на основе резины и силикона. Однако следует заметить, что даже при однократном воздействии очень высоких температур на такие ма- териалы происходит испарение этой пропитки, и материал теряет свои защитные свойства. К сожалению, изоляционные материалы не всегда могут пре- дотвратить попадание влаги внутрь сборки. Например, если термопа- ра проходит через зоны высокой и низкой температуры, может про- 67 изойти конденсация водяных па ров, что может привести к возникно- вению погрешностей измерения. В этих случаях требуется герметиза- ция термопарной сборки. Самыми распространенными изоляторами для термопар, рабо- тающих при высоких температурах, являются стекловолокно, волок- нистое кварцевое стекло и асбест (который надо использовать с соот- ветствующими мерами предосторожности, чтобы не нанести вред че- ловеческому здоровью). В дополнение к этому термопары должны быть защищены от влияния агрессивных атмосфер. Защитные трубки выполняют две функции: предохраняют термопары от механического разрушения и экранируют проводники от окружающей среды. Защит- ные трубки выполняются из углеродистой стали (для работы в окис- лительной среде в температурном диапазоне до 540 0 С), нержавею- щей стали (для температур до 870 0 С), нержавеющей стали на основе трехвалентного железа и никелевых сплавов (для работы в окисли- тельных средах при температурах до 1150 0 С). Практически все термопары на основе металлических провод- ников либо подвергаются высокотемпературной обработке, либо про- ходят специальную температурную подготовку, целью которой явля- ется стабилизация характеристик термопар. Обычно такой подготовки бывает достаточно, но иногда перед проведением прецизионных из- мерений рекомендуется провести отжиг термопары. Хотя термопары новых типов на основе Pt и Pt/Rh отжигаются при изготовлении, во многих лабораториях перед проведением калибровки проводят до- полнительный отжиг всех термопар R, S и В типов, который обычно заключается в электрическом нагреве термопары в воздухе. При этом термопары обычно закрепляются между двумя зажимными устройст- вами, расположенными довольно близко друг к другу, таким образом, чтобы при нагреве их натяжение было минимальным. Температура нагрева проводников определяется при помощи оптического пиро- метра. Большинство механических напряжений в проводниках значи- тельно снижается в течение первых нескольких минут прогрева при температуре 1400...1500 0 С. Тонкопленочные термопары формируются на основе соедине- ния двух пленок разных металлов. Такие термопары бывают двух ти- пов. Толщина металлической фольги, применяемой для изготовления термопар, составляет порядка 5 мкм, поэтому она обладает очень маленькой массой и теплоемкостью. Тонкая плоская термопара фор- мирует плотный тепловой контакт с поверхностью измеряемого объ- екта. Термопары из фольги обладают хорошим быстродействием (ти- повое значение постоянной времени равно 10 мс) и могут использо- 68 ваться с любым стандартным электронным интерфейсом. При изме- рении температуры датчиком, обладающим небольшой массой, все- гда надо учитывать тепловые потери через соединительные провода. Поскольку пленочные термопары имеют большую величину отноше- ния длины к толщине (порядка 1000), тепловые потери на проводах обычно очень малы. Для присоединения пленочных термопар к объекту разработано несколько способов. Это и применение различных цементирующих материалов, и плазменное нанесение керамических покрытий. Для упрощения эксплуатации плоские термопары часто формируют на промежуточном носителе из полиимидной пленки, обладающем проч- ностью, гибкостью и постоянными геометрическими размерами, а также устойчивостью к нагреванию и инертностью. В процессе креп- ления термопары к объекту этот промежуточный слой просто удаля- ется при помощи небольшого нагрева. Освобожденная плоская тер- мопара наносится на тонкую пленку; формируя при этом изолирован- ное соединение. При выборе цементов для крепления термопар не- обходимо внимательно изучать их состав, чтобы там не было никаких коррозионных компонентов. Например, не рекомендуется использо- вать цементы на основе ортофосфорной кислоты в термопарах, в ко- торых одним из проводников является медь. 3.7. Термоэлектрический метод измерения температур Термоэлектрический метод измерения температур основан на строгой зависимости термоэлектродвижущей силы (термоЭДС) тер- моэлектрического термометра (термопара) от температуры. Термопары широко применяются для измерения температур до 2500° С в различных областях науки и техники. Они могут использо- ваться для измерения температуры от -200°С, но в области низких температур термопары получили меньшее распространение, чем термометры сопротивления. Основные достоинства этих термомет- ров достаточно высокая степень точности, возможность централиза- ции контроля температуры путем присоединения нескольких термо- пар, через переключатель к одному измерительному прибору, воз- можность автоматической записи измеряемой температуры с помо- щью самопишущего прибора, возможность раздельной градуировки измерительного прибора и термометра. ТермоЭДС, развиваемую термоэлектрическим термометром, измеряют двумя методами, прямым и компенсационным, первый реа- лизуют милливольтметры, а второй потенциометры. 69 В качестве вторичных приборов используются милливольтмет- ры магнитоэлектрической системы, потенциометры и нормирующие преобразователи, преобразующие сигнал с термоэлектрического пре- образователя в стандартный сигнал ГСП (0-5 мА, 0-20 мА, 4-20 мА, 0- 10 В), приборы ДИСК-250, ДИСК-250М. 3.7.1. Милливольтметр Магнитоэлектрические милливольтметры получили широкое применение для измерения температур в комплексе с термоэлектри- ческими термометрами. Принцип действия милливольтметра основан на взаимодействии тока, проходящего через подвижную рамку прибо- ра, с магнитным полем постоянного магнита (рис.3.7.1). Рис. 3.7.1. Устройство милливольтметра Основными частями милливольтметра являются постоянный магнит 1 с полюсными наконечниками 2, сердечник 3 из магнитомяг- кой стали, рамка 4 из большого числа витков (как правило, медной проволоки). Рамка жестко скреплена со стрелкой и образует подвиж- ную систему милливольтметра, которая может поворачиваться вокруг своей оси. Подвод тока к рамке осуществляется через спиральные 70 пружинки, которые соединены одним концом с рамкой, а другим с не- подвижными контактами. Последовательно с рамкой включен доба- вочный резистор R Д При прохождении тока от термоэлектрического преобразовате- ля через рамку создается вращающий момент М ВР , и она будет пово- рачиваться до тех пор, пока не уравновесится упругими силами пру- жинок. , М M ПР ВР = , RBI ln 2 М ВР = где l – длина проводника, м; n – число витков; R – радиус рамки, м; B – магнитная индукция, Тл; I – сила тока в проводнике, А. Учитывая, что многие конструктивные параметры остаются по- стоянными, можно записать: , C RBI ln 2 М ВР ϕ = = SI C RBI ln = = ϕ Коэффициент S представляет собой чувствительность прибора, т.е.: T S ϕ = Проанализируем возможные причины, вызывающие погрешно- сти при измерении термоЭДС милливольтметром. Показания милливольтметра определяются формулой: , R R R R ) t , t ( SE SI ПК CП T MB 0 + + + = = ϕ где SЕ(t,t 0 ) – термоЭДС термопара при температурах рабочего конца t и свободного конца t 0 ; R MB – сопротивление рамки милливольтметра; R T – сопротивление термометра; 71 R СП – сопротивление соединительных и удлиняющих проводов; R ПК – сопротивление подгоночной катушки. Изменение показаний милливольтметра может возникнуть как в результате изменения сопротивления внешней цепи, куда вводят R Т , R СП , R ПК , так и изменения самого милливольтметра R MB Чтобы уменьшить влияние изменения сопротивления внешней цепи на пока- зания милливольтметра, необходимо уменьшить сопротивления внешней цепи R Т , R СП , R ПК , чтобы их доля в общем, сопротивлении была незначительной, а сопротивление милливольтметра ( R рамки + R Д ) делается в сотни раз больше, чем сопротивление внеш- ней цепи. Кроме того, сопротивление внешней цепи выполняется стандартным ( R ВН = 5; 15; 25 Ом). Для уменьшения изменений показаний милливольтметра, вы- зываемого отклонением температуры окружающего воздуха от нор- мальной температуры 20 ± 5° С (или 20 ± 2° С), последовательно с мед- ной обмоткой рамки R Р включают добавочный резистор R Д , из манга- нина. Температурный коэффициент электрического сопротивления милливольтметра α m с добавочным резистором может быть вычис- лен по формуле: α m = 20 м Р t 1 R R ⋅ α + α ⋅ , R М =R Р +R П где R Р - сопротивление рамки милливольтметра, Ом; α - температурный коэффициент электрического сопротивления медной проволоки ( α = 0,00425 0 C). Применяют также и другие способы уменьшения значения тем- пературного коэффициента, например, последовательно с обмоткой рамки и добавочным сопротивлением включают терморезистор, имеющий отрицательный температурный коэффициент электрическо- го сопротивления (рис3.7.2). Кроме сопротивления измерительной цепи на показания мил- ливольтметра могут оказывать влияние следующие факторы: элек- трические заряды могут образовываться на стекле прибора, внешние магнитные поля от других приборов и ферромагнитного щита, изме- 72 нение наклона прибора относительно рекомендованного технически- ми условиями положения. Рис.3.7.2. Схема введения температурной компенсации с помощью терморезистора R ТР В измерительной цепи термоэлектрическийтермометр - милли- вольтметр может возникнуть большаяпогрешность вследствие несо- ответствия температуры свободных концов термоэлектрического тер- мометра градуировочному значению. Если температура свободных концов термометра не равна 0 0 С, то необходимо вводить поправку. В промышленных условиях стараются расположить свободные концы термоэлектрического термометра в таких местах, где темпера- тура мало изменяется. В этом случае постоянную по значению по- правку на температуру свободных концов можно ввести путем сме- щения корректором стрелки милливольтметра на отметку, соответст- вующую температуре свободных концов. Часто применяют устройство для автоматического ввода по- правки на температуру свободных концов. Это устройство (рис. 3.6.2) представляет мостовую схему, питаемую постоянным током. Три со- противления R 1 , R 2 , R 3 выполнены из манганина, а четвертое R t – из меди, которое изменяет свое сопротивление в зависимости от темпе- ратуры. Вместо ИП – подключается милливольтметр. При температуре 0 0 С мост находится в равновесии. Если тем- пература моста будет отличаться от 0 0 C, то между вершинами a и b возникнет разность потенциалов U ab , компенсирующая влияние тем- пературы свободных концов U ab =E(t 0 ,0). Промышленность выпускает показывающие, самопишущие и регулирующие милливольтметры, имеющие класс точности 1,0; 1,5; 2,0; и 2,5 Шкала прибора градуируется либо в градусах Цельсия, либо |