Термоэлектрические измерительные преобразователи. Измерение температуры
 Скачать 170.24 Kb.
|
|
ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра информационно-измерительной техники и метрологии Отчет о выполнении практической работы № 4.4 «Термоэлектрические измерительные преобразователи. Измерение температуры» Выполнили студенты гр. 16ПП2 Урваев И.Н. Линяева Н.Р, Принял:Трофимов А.А.Пенза 2019 1. Цель работы Ознакомление с устройством и применением термоэлектрических измерительных преобразователей (термопар), изучение их функций преобразования, приобретение навыков измерения температуры, знакомство со вторичными приборами, работающими с термопарами, и с современными средствами сбора и обработки экспериментальных данных. 2. Описание применяемого оборудования Лабораторный стенд представляет собой LabVIEW компьютерную модель, располагающуюся на рабочем столе персонального компьютера. На стенде (рис.1) находятся модели потенциометра постоянного тока, пирометрического милливольтметра (пирометра), термометра, а также модель электрической печи с помещенными в нее двумя термопарами - образцовой J-типа (железо-константановой) и поверяемой К-типа (хромель-алюмелевой), входящий и комплект проверяемого прибора.  Рисунок 1 – лабораторный стенд для измерения температуры (компьютерная модель): 1 – электрическая печь с установленными термопарами J-типа и K-типа, 2 – потенциометр постоянного тока; 3 – пирометрический милливольтметр; 4 – термометр. Модели средств измерений при выполнении работы используются для решения следующих задач. При помощи модели электрической печи производится имитация регулируемого изменения температуры, во время которого осуществляется поверка комплекта пирометра и термопары. Модель потенциометра в комплекте с образцовой термопарой J-типа обеспечивает измерение термоЭДС с образцовой точностью. Модель пирометрического милливольтметра (пирометра) служит поверяемым средством измерений в составе комплекта «термопара К-типа - пирометрический милливольтметр». Модель термометра служит для определения температуры свободных концов образцовой термопары с целью внесения необходимой поправки. Схема соединении приборов при выполнении работы видна на рис.1. 3.Описание используемых методов измерений Термоэлектрический преобразователь является генераторным измерительным преобразователем и представляет собой цепь, состоящую из двух различных проводников Р иQсоединенных между собой в двух точках (спаях), один из Pили Qэтих спаев принято называть свободным спаем, а другой - рабочим спаем термопары (рис. 2).  Рисунок 2 – цепь соединения спаев. Если температуру одного спая сделать отличной от температуры другого спая, то в цепи потечет ток под действием ЭДС, называемой термоэлектродвижущей силой (термоЭДС) и представляющей собой разность функций температур мест соединения проводников: '  Если в цепи, показанной на рис. 2., температуры точках 1 и 2 равны, то термоЭДС также равна нулю. Следует, что ЭДС термопары является функцией двух независимых температур Е = Е  , являющихся температурами ее спаев, и не зависит от температур других точек термопары. При небольшом перепаде температур между спаями термоЭДС в первом приближении можно считать пропорциональной разности температур и равной Е . Для определения измеряемой температуры  , по значению термоЭДС нужно либо зафиксировать температуру  либо в измерения , вносить поправку расчетным путем или автоматически. Расчетное введение поправки основано на следующем свойстве.Если термопара имеет температуры спаев и , то ее термоЭДС равна алгебраической сумме двух ЭДС, одна из которых генерируется при температуре спаев и , другая - при температурах и . Это свойство и используется при измерении температуры спая . Для этого определяют функцию и используют полученную зависимость качестве номинальной статической характеристики (НСХ) данной термопары, так как по ней можно определить температуру , если известно значение термоЭДС  . Если же температура свободного спая отличается от температуры  , при которой была произведена градуировка термопары, то значение определяется по формуле, представленной выше. При этом значение  определяется экспериментально, а значение  - по значению температуры при помощи НСХ. По вычисленному значению посредством той же НСХ определятся измеряемая температура .НСХ часто представляется в виде градуировочной таблицы. Градуировочная таблица термопары J-типа, используемой в данной работе в качестве образцового измерительного преобразователя. Таким образом, термоэлектрические преобразователи используются для измерительного преобразования температуры в ЭДС. Сведения о характеристиках наиболее широко используемых термопар приведены. В зависимости от конструктивного исполнения термопары диапазон измеряемой температуры может несколько отличаться от приведенного в таблице. Промышленная термопара устроена следующим образом. Термоэлектроды изолируются друг от друга керамическими бусами или керамическими трубками. Одни концы термоэлектродов свариваются, а другие присоединяются к зажимам головки, служащей для подключения внешних проводов. Чехол, в который помещаются термоэлектроды, делается из жаропрочной стали, а при измерении очень высоких температур - из керамики или кварца. Место соединения термоэлектродов называется горячим, или рабочим, спаем. Противоположные концы называются холодными, или свободными. Обычно в месте свободного спая термопара разомкнута. ЭДС термопары чаще всего не превосходит 50 мВ. Рабочий конец термопары погружается в среду, температуру которой требуется измерить. Свободные концы подключаются к вторичному прибору. Если температура свободных концов постоянна, то подключение может быть сделано медным проводом, а если непостоянна, то оно выполняется специальнымиудлинительными (компенсационными) проводами. В качестве последних используются два провода из разных материалов. Провода подбираются так, чтобы при температуре свободных спаев и в парс между собой они имели такие же термоэлектрические свойства, как и рабочая термопара. При подсоединении к термопаре компенсационные провода удлиняют ее и дают возможность отвести холодный спай образованной составной термопары в такое место, где температура остается постоянной. Вторичными преобразователями, измеряющими напряжение термопары и проградуированными в единицах измеряемой величины - температуры, служат магнитоэлектрические пирометрические милливольтметры, потенциометры постоянного тока, а в последнее время - цифровые средства измерений. В лабораторной практике используются потенциометры с ручной компенсацией, а в производственной - автоматические потенциометры. Одним из источников погрешностей при измерении температуры с использовании термопар является несоответствие температуры их свободных концов температуре, при которой производилась градуировка. Чтобы устранить эту погрешность, необходимо вводить поправку, что делается либо вручную, либо автоматически. Кроме того, возможно появление погрешности термоэлектрического термометра вследствие изменения сопротивления измерительной цепи. Правда, термометр с потенциометром свободен от указанной погрешности, поскольку в момент компенсации по внешней цепи ток не течет и на ее сопротивлении отсутствует падение напряжения. Напротив, показания пирометрического милливольтметр зависят от сопротивления источника термоЭДС и сопротивления соединительных проводов. Поэтому пирометрический милливольтметр должен работать с таким источником и такими соединительными проводами, при которых он градуировался. 4.Результаты эксперимента и их обработка Результаты эксперимента и их дальнейшая обработка сведены в таблицу 1. Для определения термоЭДС  была использована градуировочная таблица. Столбец значений действительной температуры печи заполнен по показаниям термоЭДС с помощью термоЭДС .Абсолютная погрешность рассчитана как разность показаний образцового прибора θ и действительной температуры печи θ1. Приведенная погрешность рассчитана как отношение абсолютной погрешности и действительной температуры в печи θ1.  6.Выводы Приведенная погрешность изменяется обратнопропорционально температуре в печи, т.е. уменьшается при увеличении данной температуры. Высокие значения погрешности измерения температуры в начальный момент измерений (при температурах 20 и 30 градусов) объясняются несоответствием температуры свободных концов термопары температуре, при которой проводилась градуировка. Устранить данную погрешность возможно с помощью введения поправки. Кроме того, возможно появление погрешности термоэлектрического термометра вследствие изменения сопротивления измерительной цепи. Показания пирометрического милливольтметра зависят от сопротивления источника термоЭДС и сопротивления соединительных проводов. |