ФЭА / АИТ / Доклад По курсу "Технологические измерения и приборы" на тему: «Термопары»
(автор - student, добавлено - 22-11-2013, 21:25)
Скачать:
Министерство образования и науки РТ ГБОУ ВПО «Альметьевский Государственный Нефтяной Институт» Кафедра АИТ Доклад По курсу "Технологические измерения и приборы" на тему: «Термопары» Альметьевск 2009 Содержание ВВЕДЕНИЕ 3 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ 4 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ ТИПА ТЕРМОПАРЫ 7 1. ТЕРМОПАРЫ ИЗ НЕБЛАГОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ 7 2.ТЕРМОПАРЫ ИЗ БЛАГОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ 8 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 10 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 11 Введение Термопара (рис.1) – старейший и до сих пор наиболее распространенный в промышленности температурный датчик. Действие термопары основано на эффекте, который впервые был открыт и описан Томасам Зеебеком в 1822 г. Наиболее правильное определение этого эффекта следующее: a difference of potential will occur if a homogeneous material having mobile charges has a different temperature at each measurement contact. (Если гомогенный материал, обладающий свободными зарядами, имеет разную температуру на измерительных контактах, то между контактами возникает разность потенциалов). Для нас более привычно обычно приводимое в литературе несколько другое определение эффекта Зеебека – возникновении тока в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при наличии градиента температур между спаями. Второе определение, очевидно, следует из первого и дает объяснение принципу работы и устройству термопары. Однако, именно первое определение дает ключ к пониманию эффекта возникновения ТЭДС не в месте спая, а по всей длине термоэлектрода, что очень важно для понимания ограничений по точности, накладываемых самой природой термоэлектричества. Поскольку генерирование ТЭДС происходит по длине термоэлектрода, то показания термопары зависят от состояния термоэлектродов в зоне максимального температурного градиента. Поэтому поверку термопар следует проводить при той же глубине погружения в среду, что и на рабочем объекте. Учет термоэлектрической неоднородности особенно важен для рабочих термопар из неблагородных металлов. Рис.1 Термопара Общие сведения и особенности работы Наиболее точные термопары – с термоэлектродами из благородных металлов: платинородий-платиновые ПП (тип S ( Pt-10%Rh / Pt) (тип R (Pt-13%Rh / Pt), платинородий-платинородиевые ПР (тип В (Pt-30%Rh / Pt-6%Rh)). Преимуществом является значительно меньшая термоэлектрическая неоднородность, чем у термопар из неблагородных металлов, устойчивость к окислению, вследствие чего высокая стабильность. Преимуществом термопары типа ПР также является практически нулевой выходной сигнал при температурах вплоть до 50 °С, таким образом устраняется необходимость термостатирования холодных спаев. Недостатком является высокая стоимость и малая чувствительность (около 10 мкВ/К при 1000 °С). Хотя платинородиевые термопары превосходят по точности и стабильности термопары из неблагородных металлов и сплавов, минимальная расширенная неопределенность результата измерения температуры в диапазоне до 1100 °С составляет 0,2-0,3 °С. Причины нестабильности термопар связаны с загрязнением, окислением и испарением материалов термоэлектродов. При температурах 500-900 °С формируется стабильный окисел родия. Недостаток родия изменяет состав платино-родиевого термоэлектрода, что приводит к изменению зависимости ЭДС от температуры и к возникновению термоэлектрических неоднородностей. В последние годы за рубежом были разработаны и исследованы термопары из чистых металлов: золото-платиновые и платина-палладиевые. По результатам опубликованных исследований можно сделать вывод о их лучшей стабильности и точности по сравнению с платинородий-платиновыми термопарами. Термопары из неблагородных металлов очень широко используются во всех отраслях промышленности. Они дешевы и просты в обращении, устойчивы к вибрациям, могут выпускаться во взрывозащищенном исполнении. Особенно удобны в обращении кабельные термопары, электроды которых заключены в специальный герметичный гибкий кабель с минеральной изоляцией. Такая конструкция позволяет расположить термопару в самых сложных конструктивных узлах объекта. Преимуществом термопар также является высокая чувствительность. Существенным недостатком является образование термоэлектрической неоднородности в зоне максимального градиента температур, что может привести к ошибке в градуировке более 5 °С. Этот недостаток делает очень сомнительной саму возможность периодической поверки термопар в лабораторных условиях и диктует необходимость поверять термопары из неблагородных металлов на месте их рабочего монтажа. Наименьшая термоэлектрическая неоднородность характерна для термопары нихросил/нисил (тип N). Одной из существенных составляющих неопределенности измерений термопарами является учет температуры холодных спаев или точность компенсации спаев в цифровых преобразователях. Для измерения высоких температур до 2500 °С используют вольфрам-рениевые термопары. Особенностью их использования является необходимость устранения окислительной атмосферы, разрушающей проволоку. Для вольфрам-рениевых термопар используют специальные герметичные конструкции чехлов, заполненные инертным газом, а также танталовые и молибденовые чехлы с неорганической изоляцией из оксида бериллия и оксида магния. Одно из важных применений вольфрам-рениевых термопар состоит в измерении температур в ядерной энергетике в присутствии потока нейтронов. Особенностью работы с термопарами является применение стандартных удлинительных и компенсационных проводов. Провода позволяют передавать сигнал с термопары на сотни метров к измерительному прибору, внося минимальную потерю точности. Удлинительные провода изготавливаются из того же материала, что и термоэлектроды термопары, но с более низкими требованиями по качеству материалов. Компенсационные провода изготавливаются из совершенно других материалов, чем термоэлектроды и применяются для термопар из благородных металлов. Так, для термопары ПР в качестве компенсационной может использоваться медная проволока. Применение компенсационных проводов может стать доминирующим источником неопределенности измерения температуры в промышленности, если разность температур двух концов провода существенна. Так, например, если для термопары типа S используется компенсационный провод, температура которого изменяется от 23 °С (головка термопары) до 0 °С (лед), то возникает дополнительная ЭДС около 15 мкВ, что приведет к ошибке в измерении 1,4 °С для температуры 900 °С. Стандарт МЭК 60584-3 на компенсационные провода(Thermocouples - Part 3: Extension and compensating cables - Tolerances and identification systems) введен в обращение в апреле 2008 г. Рекомендации по выбору типа термопары 1. Термопары из неблагородных металлов Тип J (железо-константановая термопара) • Не рекомендуется использовать ниже 0 °С, т.к. конденсация влаги на железном выводе приводит к образованию ржавчины; • Наиболее подходящий тип для разряженной атмосферы; • Максимальная температура применения – 500 °С, т.к выше этой температуры происходит быстрое окисление выводов. Оба вывода быстро разрушаются в атмосфере серы. • Показания повышаются после термического старения. • Преимуществом является также невысокая стоимость. Тип Е (хромель-константановая термопара) • Преимуществом является высокая чувствительность. • Термоэлектрическая однородность материалов электродов. • Подходит для использования при низких температурах. Тип Т (медь-константановая термопара) •Может использоваться ниже 0 °С; • Может использоваться в атмосфере с небольшим избытком или недостатком кислорода; • Не рекомендуется использование при температурах выше 400 °С; • Не чувствительна к повышенной влажности; • Оба вывода могут быть отожжены для удаления материалов, вызывающих термоэлекрическую неоднородность. Тип К (хромель-алюмелевая термопара) • Широко используются в различных областях от – 100 °С до +1000 °С (рекомендуемый предел, зависящий от диаметра термоэлектрода); • В диапазоне от 200 до 500 °С возникает эффект гистерезиса, т.е показания при нагреве и охлаждении могут различаться. Иногда разница достигает 5 °С; • Используется в нейтральной атмосфере или атмосфере с избытком кислорода; • После термического старения показания снижаются; • Не рекомендуется использовать в разряженной атмосфере, т.к. хром может выделяться из Ni-Cr вывода (так называемая миграция), термопара при этом изменяет ТЭДС и показывает заниженную температуру; • Атмосфера серы вредна для термопары, т.к. воздействует на оба электрода. Тип N (нихросил-нисиловая термопара) • Это относительно новый тип термопары, разработанный на основе термопары типа К. Термопара типа К может легко загрязняться примесями при высоких температурах. Сплавляя оба электрода с кремнием, можно тем самым загрязнить термопару заранее, и таким образом снизить риск дальнейшего загрязнения во время работы. • Рекомендуемая рабочая температура до 1200 °С (зависит от диаметра проволоки). • Кратковременная работа возможна при 1250 °С; • Высокая стабильность при температурах от 200 до 500 °С (значительно меньший гистерезис, чем для термопары типа К); • Считается самой точной термопарой из неблагородных металлов. Общие советы по выбору термопар из неблагородных металлов ниже нуля – тип Е, Т комнатные температуры – тип К, Е, Т до 300 °С – тип К от 300 до 600°С – тип N выше 600 °С – тип К или N 2.Термопары из благородных металлов Тип S (платнородий-платиновая термопара) • Рекомендуемая максимальная рабочая температура 1350 °С; • Кратковременное применение возможно при 1600 °С; • Загрязняется при температурах выше 900 °С водородом, углеродом, металлическими примесями из меди и железа. При содержании железа в платиновом электроде на уровне 0,1%, ТЭДС изменяется более, чем на 1 мВ (100°С) при 1200 °С и 1,5 мВ (160 °С) при 1600 °С. Такая же картина наблюдается при загрязнении медью. Таким образом, термопары нельзя армировать стальной трубкой, или следует изолировать электроды от трубки газонепроницаемой керамикой. • Может применяться в окислительной атмосфере. • При температуре выше 1000 °С термопара может загрязняться кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных керамических материалов. Важно использовать керамические трубки, состоящие из высокочистого оксида алюминия. • Не рекомендуется применять ниже 400 °С, т.к ТЭДС в этой области мала и крайне не линейна. Тип R (платнородий-платиновая термопара) • Свойства те же, что и у термопар типа S. Тип В (платнородий-платинородиевая термопара) • Рекомендуемая максимальная температура рабочего диапазона 1500 °С (зависит от диаметра проволоки); • Кратковременное применение возможно до 1750 °С; • Может загрязняться при температурах выше 900 °С водородом, кремнием, парами меди и железа, но эффект меньше, чем для термопар типа S и R; • При температуре выше 1000 °С термопара может загрязняться кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных керамических материалов. Важно использовать керамические трубки, состоящие из высокочистого оксида алюминия. • Может использоваться в окислительной среде; • Не рекомендуется применение при температуре ниже 600 °С, где ТЭДС очень мала и не линейна. Заключение Для сохранение целостности и точности измерительной системы, включающий термопарный датчик, необходимо: - Использовать проволоки большого диаметра, которая, однако, не будет изменять температуру объекта измерения; - Если необходимо использовать миниатюрную термопару из очень тонкой проволоки, следует использовать ее только в месте измерения, вне объекта следует использовать удлинительные провода; - Избегать механических натяжений и вибраций термопарной проволоки; - Если необходимо использовать очень длинные термопары и удлинительные провода следует соединить экран повода с экраном вольтметра и тщательно перекручивать выводы; - По-возможности избегать резких температурных градиентов по длине термопары; - Использовать термопару только в пределах рабочих температур, желательно с запасом; - Использовать подходящий материал защитного чехла при работе во вредных условиях, чтобы обеспечить надежную защиту термопарной проволоки; - Использовать удлинительные провода в их рабочем диапазоне и при минимальных градиентах температур; - Вести электронную запись всех событий и непрерывно контролировать сопротивление термоэлектродов; - Для дополнительного контроля и диагностики измерений температуры применяют специальные термопары с четырьмя термоэлектродами, которые позволяют проводить дополнительные измерения температуры, электрических помех, напряжения и сопротивления для контроля целостности и надежности термопар Список использованной литературы 1. Бейлип В.М., Рогельберг И.Л. Сплавы для термопар. Справочное издание. – М.: издательство "Металлургия", 1983. 2. Крамарухин Е.Ю. Приборы для измерения температуры. – М.: издательство "Машиностроение", 1990. Похожие статьи:
|
|