Курс лекций для студентов специальности 092108 Теплогазоснабжение и вентиляция
 Скачать 4.93 Mb.
|
|
2.4.4. Устройствотермоэлектрическихтермометров Для защиты от механических повреждений и воздействия среды , температура которой измеряется , электроды термоэлектрического термометра , защищенные керамической изоляцией , помещаются в специальную защитную арматуру Схема термоэлектрического термометра приведена на рис . 2.15. У промышленно используемых термоэлектрических термометров , применяемых для измерения температуры различных сред , арматура состоит из защитной гильзы 1, неподвижного 2 или передвижного штуцера с сальниковым уплотнением ( на рис . 2.15 не показан ) и головки 3, соединенной с неподвижным штуцером с помощью трубки 6 или непосредственно с гильзой при использовании передвижного штуцера В головке , снабженной крышкой и 2 Длительное применение термопары – работа ее не менее 1000 часов при изменении первоначальной градуировки не более 1%. 3 Кратковременное применение термопары – работа ее до нескольких десятков часов при изменении первоначальной градуировки не более 1%. Обозначения типов термоэлек- трических термометров Наименование материалов термоэлектродов Обозначение градуировки Диапазон измерений при длительном 2 применении, 0 С Допускаемый предел измерений при кратковременном 3 применении, 0 С ТПП Платинородий (10% родия)- платина ПП 0 ÷ 1300 1600 ТПР Платинородий (30% родия)- платинородий (6% родия) ПР30/6 300 ÷ 1600 1800 ТВР Вольфрамрений (5% рения)- вольфрамрений (20% рения) ВР5/20 0 ÷ 2200 2500 ТХА Хромель-алюмель ХА -200 ÷ 1000 1300 ТХК Хромель-копель ХК -200 ÷ 600 800 МК Медь – копель - до +350 до +500 ЖК Железо – копель - до +600 до +800 63 Рис . 2.15- Схема конструкции термоэлектрического термометра патрубком 5 с сальниковым уплотнением , помещена розетка 4 из изоляционного материала с зажимами для присоединения термоэлектродов 7 и проводов , соединяющих термометр с измерительным прибором или преобразователем Длина погружаемой ( монтажной ) части L в измеряемую среду выполняется различной для каждого конкретного типа термоэлектрического термометра Для термопар устанавливаются общие требования , которым должны удовлетворять изоляция электродов , конструкция термометров и защитная арматура , что вызвано необходимос тью их надежной работы Эти требования сводятся к следующему : 1. Должно быть обеспечено изготовление надежного спая рабочего конца термоэлектрического термометра 2. Необходимо обеспечить надежную электрическую изоляцию термоэлектродов термопары При этом изоляция не должна взаимодействовать с термоэлектродами в диапазоне измеряемых температур 3. Защитная арматура , используемая для обеспечения механической прочности термометра , должна выбираться с учетом параметров среды , ее свойств и условий измерения температуры Защитная гильза арматуры термометров в диапазоне измеряемых температур должна быть газонепроницаемой и нечувствительной к дейс твию резких перепадов 64 температуры Материал защитной гильзы не должен загрязнять термоэлектродов термометра в интервале измеряемых температур 4. Конструкция арматуры термоэлектрического термометра должна быть такой , чтобы его электроды не находились в механически напряженном состоянии , так как при этих условиях они быстрее изменяют первоначальные термоэлектрические свойства 5. Головка термоэлектрического термометра должна быть снабжена надежными уплотняющими ус тройствами , исключающими возможность попадания во внутреннюю ее полость и в гильзу влаги и пыли 6. Конструкция термоэлектрических термометров для измерения средних и высоких температур различных сред должна обеспечивать возможность в условиях эксплуатации свободно извлекать электрически изолированные термоэлектроды из защитной гильзы для их периодической поверки , а в случае необходимости осуществлять и их замену 7. Конструкция гильзы термоэлектрических термометров для измерения низких температур должна обеспечивать ее герметичность 8. Конструкция термоэлектрических термометров лабораторных ( повышенной точнос ти ) должна обеспечивать возможность термос татирования свободных концов 9. Необходимо , чтобы материал защитной гильзы обладал хорошей теплопроводностью Конструкция термоэлектрического термометра была компактной , а теплочувствительная часть его имела как можно меньшие массу и воздушную прослойку между рабочей частью термоэлектродов и электрической изоляцией , а также защитной гильзой Спай рабочего конца должен иметь хороший тепловой контакт с нижней частью защитной гильзы Степень соблюдения этих условий определяет инерционнос ть термоэлектрического термометра , характеризуемую показателем тепловой инерции ε ∞ Показатель тепловой инерции ε ∞ характеризует условия теплообмена для конкретных условий измерения и определяет тепловую инерцию выпускаемых 65 термопар : малоинерционные – до 5 секунд ; средней инерционности – до 60 секунд ; большой инерционности – до 180 секунд При изготовлении термопар используют различные способы выполнения горячего ( рабочего ) спая : путем сварки , пайки или скрутки На рис .2.16 показаны способы изготовления рабочего конца термопары Наибольшее распространение получил способ изготовления спая с помощью сварки , а пайку применяют только в специальных случаях Скрутку рабочего конца часто применяют для термопар вольфрамрениевой и вольфраммолибденовой групп Сварку электродов термопары производят либо со скруткой термоэлектродов , так и без скрутки Обычно скрутку делают не более двух оборотов , в противном случае спай рабочего конца может фактически находиться не в месте сварки , а на конце скрутки , где расходятся термоэлектроды Это может привести к значительным и не поддающимся учету погрешнос тям при измерении температуры Другим вариантом изготовления спая рабочего конца является приварка электродов к дну защитной гильзы Это позволяет уменьшить инерционнос ть термометра , однако это не дает возможности в условиях эксплуатации производить периодическую поверку термометра , а в случае необходимости замену термоэлектродов Это является существенным недостатком конструкции , т к арматура термометра имеет значительно больший срок работы , чем его термоэлектроды Термоэлектроды для термопар платиновой группы изготовляются из проволоки диаметром 0,5 мм , что обеспечивает оптимальное соотношение стоимости термопар и их технических характерис тик , а для термопар из Рис . 2.16 - Способы изготовления рабочего конца термопары : а - скрутка ; б - пайка ; в - сварка в ) б ) а ) 66 неблагородных металлов диаметр проволоки составляет 1,2 мм при длине погружаемой части от 120 до 2000 мм Для электрической изоляции электродов термопар , предназначенных для измерения температур до 1300 0 С , используются фарфоровые бусы или трубки При измерении температур в области 1300-1900 0 С в качестве материала изолятора используется керамика или окись алюминия Для изоляции рабочего конца от внутренней поверхности защитной арматуры в термопарах типа ТХА и ТХК используют керамический наконечник Защитные гильзы термопар , применяемых в промышленных условиях , изготовляются из нержавеющей стали марки ОХ 13 или 1 Х 18 Н 9 Т и имеют унифицированную конс трукцию , которая приведена на рис . 2.17. Эта защитная арматура используется также и для термометров сопротивления , отличающаяся в зависимости от условного давления измеряемой среды Р у , и штуцеров Как отмечалось выше , при измерении температуры термоэлектрическими термометрами в промышленных условиях необходимо вводить поправку на температуру свободных концов термометра Она может быть введена на основании расчетных данных , если их температура известна и пос тоянна , или автоматически При подключении термоэлектрического термометра к измерительному прибору свободные концы его необходимо удалять от нагретых поверхностей оборудования , в котором измеряется температура в зону , где может быть установлено термостабилизирующее оборудование или прибор , обеспечивающий автоматическое введение коррекции на температуру свободных концов Для этого используются удлинительные провода , которые в паре между собой развивают ту же термо - э д с ., что и рабочие термоэлектроды Соблюдение этого условия позволяет избавиться от дополнительной погрешности , а также использовать дешевые материалы 67 Рис . 2.17 - Унифицированная конструкция защитной арматуры термопар и термометров сопротивления : 1- гильза , 2- подвижный штуцер для измерения температуры сред с низким давлением ; 3- гильза , 4- неподвижный штуцер для сред с невысоким давлением ; 5- гильза с неподвижным штуцером для сред с высоким рабочим избыточным давлением ; 6- гильза со штуцером для газовых и паровых сред со сверхкритическими параметрами Эти провода для ряда электродов могут быть изготовлены из тех же материалов , что и электроды термопар , однако при применении термометров из благородных металлов экономически невыгодно ориентироваться на удлинительные провода , сделанные из того же материала Поэтому в промышленности применяют специальные провода , используемые в соответс твии с типом градуировки термопары Основные технические Р У = 0,4 МПа Ø 1 0 68 характеристики стандартных удлиняющих термопроводов приведены в таблице 2.11 4 К удлиняющим термопроводам не предъявляется требований по жаростойкости , т к они обычно эксплуатируются в диапазоне температур 60 – 80 0 С Это позволяет считать свободными концами термоэлектрического термометра места соединения термопроводов к монтажным медным проводам или с зажимами измерительного прибора Таблица 2.11 - Основные характеристики стандартных термопроводов Термоэлектродные провода Т ип те рм оп ар ы Положительный Отрицательный О бо зн ач ен ие пр ов од ов Термо- э.д.с., мВ Д оп ус к на от кл он ен ие те рм о- э. д. с, мВ ТХК Хромель Фиолетовый Копель Желтый ХК 6,95 ±0,20 ТХА Медь Красный Константан Коричневый М 4,10 ±0,15 ТПП Медь Красный Сплав ПП (99.4%Cu + 0,6% Ni) Зеленый ПП 0,64 ±0,03 В некоторых случаях для термоэлектрических термометров типа ТХА применяют термоэлектродные провода с жилами из хромеля и алюмеля , а для термоэлектрических термометров типа ТВР применяют термоэлектродные провода с жилами из меди и медно - никелевого сплава (98,2% Cu +1,8% Ni). 2.5. Измерительныеприборы, применяемыестермопарами К основным измерительным приборам , работающими совместно с термоэлектрическими преобразователями температуры , относятся различные типы переносных и с тационарных милливольтметров и потенциометров , 4 Характеристики удлиняющих термопроводов приводятся в паре между его жилами при температуре рабочего конца 100 0 С и свободных концов при 0 0 С. 69 которые могут быть показывающими , автоматическими и самопишущими При этом шкалы этих приборов градуируются для каждой конкретной градуировки термопар Эти шкалы могут быть как двойными , так и обычными ( одинарными ). На двойных шкалах наносятся милливольты и соответствующие им значения температуры На одинарных шкалах наносятся милливольты или градусы Цельсия На промышленных стационарных измерительных приборах шкала обычно нанесена в градусах Основное требование , выдвигаемое к измерительным приборам , работающим в составе с термопарами – высокая чувствительность , т к они предназначены для измерения сигналов низкого уровня 2.5.1. Милливольтметры Милливольтметры , используемые для работы с термопарами , называются пирометрическими вольтметрами и предс тавляют собой приборы магнитоэлектрической системы 5 Принцип дейс твия пирометрического милливольтметра основан на взаимодействии между проводником , по которому протекает электрический ток , и магнитным полем постоянного магнита Сила dF, действующая на находящийся в магнитном поле проводник dl, по которому протекает ток I, определяется в соответс твии с выражением : ) , sin( B dl B dl I C dF ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = , (2.18) где С - коэффициент пропорциональности , зависящий от выбора единиц измерения ; В - магнитная индукция , являющаяся основной характеристикой магнитного поля Направление этой силы определяется правилом левой руки Рамка выполняется из нескольких десятков или сотен последовательных витков тонкой изолированной , обычно медной , реже алюминиевой проволоки 5 В настоящее время приборы магнитоэлектрической системы вытесняются цифровыми милливольтметрами и преобразователями. 70 Рис .2.18 - Рамка в магнитном поле Такая рамка , помещенная в магнитное поле , схематически предс тавлена на рис 2.18. Полость этой рамки параллельна магнитным линиям , а ее ось вращения - перпендикулярна к ним Ток , протекающий через рамку , вызывает появление двух сил F 1 и F 2 , которые стремятся повернуть рамку в направлении , показанном на рис .2.18. Величина сил F 1 и F 2 определяется путем интегрирования уравнения (2.18). Если взять прямоугольную рамку , состоящую из п витков , при условии В = const и sin (d l,B) = l, то F = C ·n·B·I·l (2.19) Чтобы силы F 1 и F 2 были равны , активные с тороны рамки должны иметь одинаковое число витков провода Для этого токовые вводы располагают с одной стороны рамки Тогда вращающий момент М , стремящийся повернуть рамку вокруг ее оси , при условии совпадения направления магнитного потока с плоскостью рамки может быть выражен следующим образом : I B n s I B n l d r F M ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = 2 , (2.20) где r – радиус рамки , м ; d = 2r – средняя ширина одного витка , м ; l – длина активной стороны каждого витка , м ; s – активная площадь обмотки рамки , м 2 ; n – количество витков Для того , чтобы вращающий момент не зависел от угла поворота рамки , ее помещают в радиальное магнитное поле , для чего внутри нее размещают неподвижный цилиндрический сердечник из мягкой стали Снаружи сердечник и рамка окружены полюсными наконечниками подковообразного постоянного магнита В наиболее распространенных показывающих пирометрических милливольтметрах подвижная рамка 71 монтируется на растяжках , представляющих собой упругие нити или ленты , изготовленные из фосфористой бронзы шириной от 0,1 до 0,3 мм и толщиной 0,01 – 0,025 мм Эти растяжки служат для подвода тока в рамку , а также создают противодействующий момент вращающему моменту рамки , линейно возрастающий с углом поворота рамки Под дейс твием этого момента рамка с током будет поворачиваться до тех пор , пока вращающий и противодействующий моменты не станут равными На рис . 2.19 представлена рамка пирометрического милливольтметра на растяжках , а на рис . 2.20 – схема измерения термо - э д с милливольтметром Рис . 2.19 - Рамка прибора на растяжках 1- рамка ; 2- стрелка ; 3- грузики ; 4- растяжки Рис . 2.20 - Схема подключения милливольтметра к термопаре При подключении милливольтметра к термопаре ( рис .2.20) в замкнутой цепи потечет ток , определяемый в соответствии с выражением : У П 0 R ) , ( + + = R R t t E I M , (2.21) где R M – сопротивление рамки прибора ; R П – сопротивление соединительных проводов ; R У – добавочное манганиновое сопротивление b a t t 0 Ry M 1 2 1 3 4 4 72 Принимая во внимание , что сумма сопротивления проводов и добавочного сопротивления прибора предс тавляют собой внешнее сопротивление R вн , определим напряжение U ab на зажимах милливольтметра : M M M R Rвн R t t E R I U ⋅ + = ⋅ = ) , ( 0 ab (2.22) или M вн M R t t E R U R U ⋅ = ⋅ + ⋅ ) , ( 0 ab ab , разделив данное выражение почленно на R M , получим : M вн R R U t t E U ab 0 ab ) , ( − = (2.23) Отсюда следует , что , чем больше сопротивление рамки милливольтметра , тем точнее прибор будет измерять термо - э д с ., развиваемую термопарой , т к второе слагаемое в выражении (2.23) будет стремиться к нулю Но поскольку внутреннее сопротивление рамки практически не может быть увеличено , то увеличивают добавочное манганиновое сопротивление Кроме того , включение манганинового резис тора последовательно с сопротивлением рамки позволяет существенно снизить влияние температуры окружающего воздуха на показания милливольтметра за счет того , что температурный коэффициент сопротивления манганина близок к нулю ( α = 0,6 · 10 -5 0 С -1 ). Рис . 2.21- Общий вид милливольтметра типа М - 64 В настоящее время применяются пирометрические милливольтметры как переносные ( лабораторные ), так и стационарные ( щитовые ). На рис . 2.21 представлен общий вид узкопрофильного щитового милливольтметра типа М -64. Переносные милливольтметры выпускаются с классами точности 0,2; 73 0,5 и 1,0, ( типы МП -18, МП -28, МС -28 и т д .), а щитовые , как показывающие , так и самопишущие – 0,5; 1,0; 1,5 и 2,5 ( типы М -64, МР -64-02, МВР -6, МВУ -6 и т д .). Цифровые приборы , используемые с термопарами - приборы типа Ф -226 и А -565 с классом точности 0,1, имеющие унифицированный выходной сигнал , обеспечивающие работу их с ЭВМ |