Скачать:  referat.zip [692,21 Kb] (cкачиваний: 568)

Кафедра АИТ

Реферат на тему:

Термоэлектрические термометры

Выполнил

Проверил

Содержание

Введение…………………………………………………………………….3

Общие сведения…………………………………………………………….5

Материалы термопар и их конструкция……………………………………9

Устройство термопар…………………………………………………..….10

Главные преимущества и недостатки термопар…………………….…..12

Источники погрешности термопар………………………………………13

Измерение температуры…………………………………………………..16

Заключение……………………………………………………….………..19

Литература…………………………………………………………………20

Введение

До изобретения такого обыденного и простого для нашей повседневной жизни измерительного прибора как термометр о тепловом состоянии люди могли судить только по своим непосредственным ощущениям: тепло или прохладно, горячо или холодно.

История термодинамики началась, когда в 1592 году Галилео Галилей создал первый прибор для наблюдений за изменениями температуры, назвав его термоскопом. Термоскоп представлял собой небольшой стеклянный шарик с припаянной стеклянной трубкой. Шарик нагревали, а конец трубки опускали в воду. Когда шарик охлаждался, давление в нем уменьшалось, и вода в трубке под действием атмосферного давления поднималась на определенную высоту вверх. При потеплении уровень воды в трубки опускался вниз. Недостатком прибора было то, что по нему можно было судить только об относительной степени нагрева или охлаждения тела, так как шкалы у него еще не было. Позднее флорентийские ученые усовершенствовали термоскоп Галилея, добавив к нему шкалу из бусин и откачав из шарика воздух. В 17 веке воздушный термоскоп был преобразован в спиртовой флорентийским ученым Торричелли. Действие прибора основывалось на расширении спирта при нагревании, - теперь показания не зависели от атмосферного давления. Это был один из первых жидкостных термометров. На тот момент показания приборов еще не согласовывались друг с другом, поскольку никакой конкретной системы при градуировке шкал не учитывалось. В 1694 году Карло Ренальдини предложил принять в качестве двух крайних точек температуру таяния льда и температуру кипения воды. В 1714 году Д. Г. Фаренгейт изготовил ртутный термометр. На шкале он обозначил три фиксированные точки: нижняя, 32 °F - температура замерзания солевого раствора, 96 ° - температура тела человека, верхняя 212 ° F - температура кипения воды. Термометром Фаренгейта пользовались в англоязычных странах вплоть до 70-х годов 20 века, а в США пользуются и до сих пор. Еще одна шкала была предложена французским ученым

Реомюром в 1730 году. Он делал опыты со спиртовым термометром и пришел к выводу, что шкала может быть построена в соответствии с тепловым расширением спирта. Установив, что применяемый им спирт, смешанный с водой в пропорции 5:1, расширяется в отношении 1000:1080 при изменении температуры от точки замерзания до точки кипения воды, ученый предложил использовать шкалу от 0 до 80 градусов. Приняв за 0 ° температуру таяния льда, а за 80 ° температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении. В 1742 году шведский ученый Андрес Цельсий предложил шкалу для ртутного термометра, в которой промежуток между крайними точками был разделен на 100 градусов. При этом сначала температура кипения воды была обозначена как 0 °, а температура таяния льда как 100 °. Однако в таком виде шкала оказалась не очень удобной, и позднее астрономом М. Штремером и ботаником К. Линнеем было принято решение поменять крайние точки местами. М. В. Ломоносовым был предложен жидкостный термометр, имеющий шкалу со 150 делениями от точки плавления льда до точки кипения воды. И. Г. Ламберту принадлежит создание воздушного термометра со шкалой 375 °, где за один градус принималась одна тысячная часть расширения объема воздуха. Были также попытки создать термометр на основе расширения твердых тел. Так в 1747 голландец П. Мушенбруг использовал расширение железного бруска для измерения температуры плавления ряда металлов. К концу 18 века количество различных температурных шкал значительно увеличилось. По данным «Пилометрии» Ламберта на тот момент их насчитывалось 19. Температурные шкалы, о которых шла речь выше, отличает то, что точка отсчета для них была выбрана произвольно. В начале 19 века английским ученым лордом Кельвином была предложена абсолютная термодинамическая шкала. Одновременно Кельвин обосновал понятие абсолютного нуля, обозначив им температуру, при которой прекращается тепловое движение молекул. По Цельсию это -273,15 °С. Такова основная история возникновения термометра и термометрических шкал.

Общие сведения

Принцип действия термоэлектрического преобразователя основан на возникновении электрического тока в цепи, составлен­ной из двух разнородных проводников, при нарушении теплового равновесия мест их контактирования. Замкнутая электрическая цепь (рис.9), состоящая из двух разнородных проводников-термоэлектродов а и b, образует термоэлектропреобразователь (в даль­нейшем термопара). Спай Т₁ погружаемый в измеряемую среду, называется рабочим или горячим спаем термопары, второй спай Т₂ носит название холодного или свободного.

рис.1.Распределение потенциалов в цепи идеальной термопары

Согласно электронной теории, во всех проводниках имеются свободные электроны. Число электронов, приходящихся на еди­ницу объема, различно для проводников. По мере повышения температуры проводника концентрация свободных электронов о единице его объёма возрастает. Эти свободные электроны диф­фундируют из мест с большей концентрацией в места с меньшей, т.е. в общем случае, когда концы проводника имеют разную температуру, свободные электроны диффундируют от горячего конца проводника к холодному. Следовательно, при электронной проводимости холодный конец проводника заряжается отрицательно, а нагретый - положительно. Термоэлектродвижущая сила, развивающаяся па концах однородного проводника (термоЭДС Томсона), зависит от его природы. Величина этой термоЭДС Е_Ta дляконкретною проводника а определяется соотношением

(1)

где - коэффициент Томсона для данного проводника, зави­сящий от его материала а.

Если замкнутая цепь состоит из двух различных однородных проводников а и б, то суммарная термоЭДС (Томсона) в цепи рав­на разности термоЭДС, возникающих в каждой ветви, и определя­ется по формуле

(2)

т.е. в замкнутой цепи, состоящей из пары проб, сум­марная термоЭДС зависит от абсолютных температур Т₁ и Т₂ в местах их соединений.

Зеебек, проводя исследования термоэлектрических явлений в замкнутых цепях разнород­ных проводников, обнаружил, (что в цепи, состоящей из двух разнородных проводников а и Ь, находя­щихся в соприкосновении при одинаковой температуре, в месте контакта возникает термоЭДС (явление Зеебека), вследствие раз­ности концентраций свободных электронов в ка­ждом из проводни­ков и контактной разности потенциалов. Если число свободных электронов, приходящихся на единицу объёма, обозначить соответственно через N_a и N_b и принять, что N_a > N_b, , то электро­ны проводника а будут диффундировать в проводник b в большем количе­стве, чем обратно из проводника b в проводник а. Вслед­ствие этого проводник а будет заря­жаться положительно, проводникb отрицательно, при этом свободные концы проводников бу­дут иметь некоторую разность потенциалов

(3)

где е -заряд электрона;

k-постоянная Больцмана.

Изложенные выше закономерности позволяют заключить по термоЭДС в цепи, соста­вленной из двух разнородных проводников, имеющих различные температуры мест их кон­тактиро­вания T₁ и Т₂определится в следующем виде:

(4)

Таким образом, если одно из мест контактирования термо­пары, составленной из термо­электродов а и Ь, выдерживать при постоянной температуре (Т₂ = const), то термоЭДС ее Е_ab(T1) будет зависеть только от температуры Т₁. Следовательно, проградуировав ее, т. е. построив зависимость термоЭДС термопары от температуры Т₁ (рабочего конца) и выдерживая посто­янной тем­пературу Т₂ (свободного конца), можно в дальнейшем по величи­не измеренной термоЭДС определить температуру рабочего спая. Обычно градуировку термопары производят при температуре сво­бодных концов Т₂ = 273,75 К (0°С)

Следует отметить, что рассматриваемый термоэлектриче­ский эффект обладает и обрат­ным свойством, заключающимся в том, что если в такую цепь извне подать электри­ческий ток, то в зависимости от направления тока один из спаев будет на­греваться, а другой охлаждаться (эффект Пельтье).

Для измерения термоЭДС в цепь термопары включается измерительный прибор (милли­вольтметр, потенциометр и т.п.) по одной из двух схем (рис.2).

Подключение измерительного прибора в контур термопары по обеим схемам одинаково правомочно. Влияние третьего проводника с не оказывается при равенстве температур 2 и 3 (см. рис.2, а) или 3 и 4 (см. рис.2, б).

Рис. 2. Схемы включения измерительного прибора в цепь термоэлектрического пре­образователя

Если температура свободных концов отлична от нуля, то по­казания приборов будут отличаться от градуировочной. Введение поправки на температуру свободных концов может производиться следующими спо­собами:

1) применением удлиняющих термоэлектродных проводов, изготовленных из материалов, имеющих термоэлектрическую характеристику, совпадающую с характеристикой исполь­зуемого термоэлектрического преобразователя в интервале температур от 0 до 100 - 200° С, включенных таким образом, что паразитныетермоЭДС, образующиеся в местах контактирования включены встречно и равны по величине;

2) применением компенсирующего моста (рис.3) для автоматического введения поправки (ко­робка холодных спаев), который представляет собой неравновесный мост (см.рис.3) с по­стоянными манганиновыми резисторами R1, R2, R3 и медным резистором R_m, находящимся в равновесии при 0° С, при отклонении темпе­ратуры свободных концов возникающий раз­баланс моста U_ab компенсирует возможное снижение измеряемой термоЭДС;

3) применением специального медного сопротивления в автоматических потенциометрах;

4) термостатированием свободных концов при постоянной температуре 0° С или (50±0,5) °С.

Рис.3. Схема автоматической компенсации температуры свободных концов.

Материалы термопар и их конструкция

К материалам термоэлектродов предъявляется ряд требо­ваний:

а) однозначная и по возможности близкая к линейной зависимость термоЭДС от темпера­туры;

б) жаростойкость и механическая прочность с целью измерения высоких температур;

в) химическая инертность;

г) термоэлектрическая однородность материала проводника по длине, что позволяет восста­навливать рабочий спай без переградуировки, а также менять глубину его погружения;

д) технологичность (воспроизводимость) изготовлении с целью получения взаимозаменяе­мых по термоэлектрическим свойствам материалов;

е) стабильность градуировочной характеристики;

ж) дешевизна.

Среди этих требований есть желательные и обязательные. К числу обязательных относятся воспроизводимость и стабильность. Наиболее полно этим требованиям отвечают стандартные термопары (СТ СЭВ 1059-78).

Для удобства применения термоэлектрический термометр специальным образом армиру­ется. Его помещают в защитные металлические или керамические трубы (чехлы). Термо­электроды изолируют один от другого с помощью керамических трубочек (бусинок) и вставляют в трубу. Вид и материал защитных труб выби­рают в соответствии со свойствами изме­ряемой среды. Многочис­ленные конструктивные формы и необходимые принадлежности в значительной части регламентированы стандартами и другими нормативными документами.

Если физические и химические условия допускают это, то термопара может быть введена в измеряемую среду без защитной оболочки. При этом размеры ее могут быть приняты ма­лыми, чем обеспечивается благоприятное динамическое поведение.

Динамическая характеристика термоэлектрических термо­метров в общем виде описыва­ется передаточной функцией

(5)

Значение постоянной времени и транспортного запаздывания - зависит от конструктив­ных размеров и используемых материалов защитного чехла. Для выпускаемых в настоя­щее время термо­электрических термометров эти величины находятся в пределах . Т = 1,5 ÷ 8 мин, =9 ÷300 с, а = 0,11 + 0,78

Устройство термоэлектрических термометров

Термоэлектрический термометр (ТТ) – это измерительный преобразователь, чувствительный элемент которого (термопара) расположен в специальной защитной арматуре, обеспечивающий защиту термоэлектродов от механических повреждений и воздействия измеряемой среды. На рисунке 1 показана конструкция технического термоэлектрического термометра. Арматура включает защитный чехол 1, гладкий или с неподвижным штуцером 2, и головку 3, внутри которой расположено контактное устройство 4 с зажимами для соединения термоэлектродов 5 с проводами, идущими от измерительного прибора к термометру. Термоэлектроды по всей длине изолированы друг от друга и от защитной арматуры керамическими трубками (бусами) 6.

Рис.4 Устройство термопары

Защитные чехлы выполняются из газонепроницаемых материалов, выдерживающих высокие температуры и агрессивное воздействие среды. При температурах до 10000 С применяют металлические чехлы из углеродистой или нержавеющей стали, при более высоких температурах – керамические: фарфоровые, карбофраксовые, алундовые, из диборида циркония и т. п.

В качестве термоэлектродов используется проволока диаметром 0.5 мм (благородные металлы) и до 3 мм (неблагородные металлы). Спай на рабочем конце 7 термопары образуется сваркой, пайкой или скручиванием. Последний способ используется для вольфрам-рениевых и вольфрам-молибденовых термопар.

Термоэлектрические термометры выпускаются двух типов: погружаемые, поверхностные. Промышленность изготавливает устройства различных модификаций, отличающихся по назначению и условиям эксплуатации, по материалу защитного чехла, по способу установки термометра в точке измерения, по герметичности и защищенности от действия измеряемой среды, по устойчивости к механическим воздействиям, по степени тепловой инерционности и т. п.

Главные преимущества и недостатки термопар

Преимущества термопар:

- широкий диапазон рабочих температур, это самый высокотемпературный из контактных датчиков.

- спай термопары может быть непосредственно заземлен или приведен в прямой контакт с измеряемым объектом.

- простота изготовления, надежность и прочность конструкции.

Недостатки термопар:

- необходимость контроля температуры холодных спаев. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового сенсора и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.

- возникновение термоэлектрической неоднородности в проводниках и, как следствие, изменение градуировочной характеристики из-за изменения состава сплава в результате коррозии и других химических процессов.

- материал электродов не является химически инертным и, при недостаточной герметичности корпуса термопары, может подвергаться влиянию агрессивных сред, атмосферы и т.д.

- на большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.

- зависимость ТЭДС от температуры существенно не линейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.

- когда жесткие требования выдвигаются к времени термической инерции термопары, и необходимо заземлять рабочий спай, следует обеспечить электрическую изоляцию преобразователя сигнала для устранения опасности возникновения утечек через землю.

Источники погрешности термопар

Принцип действия термопар и особенности преобразования и передачи сигнала приводят к следующим возможным проблемам при их эксплуатации, вызывающим ошибку в определении температуры:

1.Дефекты формирования рабочего спая;

2.Возникновение термоэлектрической неоднородности по длине термоэлектродов и изменение градуировочной характеристики;

3.Электрическое шунтирование проводников изоляцией и возможное возникновение гальванического эффекта;

4.Тепловое шунтирование;

5.Электрические шумы и утечки.

1.Формирование спая

Существует много способов формирования рабочего спая термопары: механическое скручивание, пайка, сварка и т.д. При сварке в спай добавляется третий метал, но т.к. температуры проводников, исходящих из спая одинаковы, это не может привести к какой-либо погрешности. Проблема заключается в том, что третий метал, как правило, имеет более низкую температуру плавления и при высоких температурах спай может разорваться. Более того, может происходить загрязнение электродов чужеродным испаряющимся металлом. Поэтому рекомендуется производить сварку рабочего спая. Однако процесс сварки тоже требует особого внимания, т.к. перегрев может повредить термопарную проволоку и газ, используемый для сварки, может диффундировать в проволоку. Дефектная сварка может привести в разрыву спая при эксплуатации. В программном обеспечении, используемом для считывания и обработки сигнала термопары всегда есть специальный тест на разрыв спая.

2.Образование термоэлектрической неоднородности. Искажение

градуировочной характеристики

Это наиболее серьезный и трудно диагностируемый источник погрешности, т.к. результат отсчета ТЭДС может показаться вполне приемлемым и в то же время быть ошибочным. Термоэлектрическая неоднородность может быть результатом диффузии примесей из окружающей атмосферы при высоких температурах, высокотемпературным отжигом или механической обработкой электродов. Она может образоваться в результате протягивания электродов, неосторожного обращения, ударов и вибраций, вызывающих напряжения в проволоке. Изменение состава сплава может наблюдаться на отдельном участке проволоки, находящейся длительное время в зоне резкого температурного градиента. Однако неоднородность влияет на изменение градуировочной характеристики только в том случае, если она попадает в зону температурного градиента при измерении. Чем больше градиент температуры, тем больше погрешность, возникающая из-за неоднородности. Один из способов уменьшения данной погрешности – сделать более плавным изменение температуры на длине термоэлектрода, например, используя металлические рукава и чехлы.

3.Сопротивление изоляции

Сопротивление изоляции термоэлектродов уменьшается с повышением температуры по экспоненциальному закону. При высокой температуре, в отдельных случаях, этот эффект может привести к образованию так называемого «виртуального» спая, т.е. фактического замыкания электродов в средней точке термопары. Таким образом, термопара будет измерять температуру не в области рабочего спая, а температуру в средней области. При высоких температурах следует также очень тщательно подбирать материал для изоляции, т.к. примеси и химические вещества изоляции могут проникнуть в электроды и изменить их свойства.

Гальванический эффект

Красящие вещества, применяемые в некоторых видах изоляции, могут вызвать образование электролита при попадании воды. Это может привести в гальваническому эффекту, который по силе превышает эффект Зеебека. Необходимо принимать меры для защиты термопарной проволоки от вредной атмосферы, проникновения воды и других жидкостей.

4.Тепловое шунтирование

Необходимо помнить, что термопара, как и любой другой контактный датчик, при введении в объект измерения меняет его температуру. Поэтому, если объект мал, термопара тоже должна иметь малые размеры. Однако термопара, изготовленная из тонкой проволоки, более подвержена эффектам загрязнения, отжига, возникновения напряжений, электрическому шунтированию. Чтобы минимизировать эти эффекты применяют удлинительные провода, которые соединяют термоэлектроды термопары с измерительным вольтметром и имеют коэффициент Зеебека близкий к коэффициенту термопары данного типа. Обычно удлинительный провод имеет больший диаметр, его сопротивление, включенное последовательно с термоэлектродом, не вызывает потерь при передаче сигнала на длинные расстояния. Кроме того, удлинительный провод проще протянуть через подводящий измерительный канал, чем тонкую термопарную проволоку. Поскольку требования к допускам удлинительных проводов установлены только в узком интервале температур, и сам провод может быть подвержен механическим повреждениям и натяжению, следует обеспечить минимальный температурный градиент вдоль провода.

5.Электрические шумы

Широкополосный шум может быть подавлен аналоговым фильтром. Единственный тип шума, который не может подавить система считывания и обработки сигнала – сдвиг, обусловленный утечкой постоянного тока в системе. Хотя обычно такие утечки не вызывают больших погрешностей, возможность их возникновения должна всегда приниматься во внимание и, по-возможности, предотвращаться, особенно если термоэлектроды очень малы и их сопротивление велико.

Измерение температуры

При измерении температуры воздушного потока или потока жидкости термоэлектрическим термометром (прибором для измерения температуры, приемной частью которого является термопара) его чувствительный элемент (точку спая) устанавливают перпендикулярно потоку или под углом к нему (навстречу потоку).

Рабочий спай термопары желательно располагать на оси потока. Если термопара устанавливается в камере технологического оборудования или воздухопроводе, то выступающая часть должна быть не менее 20 мм. Если термопара устанавливается горизонтально, то выступающая ее часть при длине свыше 500 мм должна иметь опору.

Перед установкой термопары к стенкам технологического оборудования приваривают патрубки или бобышки, которые служат для установки термометров.

Свободные концы термопары при помощи соединительных проводов соединяют с измерительным прибором через колодку зажимов. Сумма сопротивления соединительных проводов и термопары должна быть меньше значения, указанного на шкале милливольтметра. Если это условие не выполняется, то для подгонки сопротивления пользуются добавочным резистором (подгоночной катушкой). Одна из особенностей работы с термоэлектрическими термометрами заключается в том, что с целью уменьшения погрешности измерений необходимо обеспечивать постоянство температуры свободных концов. Поскольку в зоне расположения головки температура может колебаться, то при помощи специальных компенсационных проводов, близких по характеристикам к термоэлектродам термопар, эти свободные концы стремятся удалить подальше от объекта, в зону постоянной температуры к вторичному прибору. Однако при значительной длине соединительной линии это не всегда удается. В этом случае компенсационные провода доводят до зоны постоянной температуры, а далее прокладывают медные соединительные провода. Для автоматической компенсации температуры в схемах применяют коробки типа КТ-54, представляющие собой неуравновешенный мост с питанием от источника постоянного тока. При отклонении температуры окружающей среды от 20 °С равновесие моста нарушается. Значение разности потенциалов в диагонали моста всегда равно изменению ЭДС термопары, но с противоположным знаком; таким образом компенсируется температурная погрешность измерения. При использовании коробки КТ-54 перед измерением при отключенном приборе при помощи корректора устанавливают стрелку на нуль. При подключении измерительных приборов следует соблюдать полярность. Полярность термоэлектродов указана на термопаре.

Для градуировок термоэлектрических термометров компенсационные коробки снабжены сменными добавочными резисторами, параметры которых указаны в техническом паспорте коробки. При длительной эксплуатации термоэлектрических термометров необходимо периодически проверять их по графикам и специальным градуировочным таблицам. Термоэлектрические термометры удобно применять для измерений высоких температур и в труднодоступных местах. Удобно пользоваться термопреобразователями, когда необходимо знать разность температур между какими-то двумя точками, в одну из которых помещают одну термопару, а в другую - вторую термопару. Термопары при этом включают встречно, и тогда измерительный прибор измеряет разность термо-ЭДС, которая и пропорциональна разности температур. Шкалу такого измерительного прибора можно отградуировать непосредственно в градусах.

Целесообразно применять термопары при измерении средней температуры нескольких точек. В этом случае точки спая термопар помещают в точки измерения, термопары включают параллельно между собой . Измерительный прибор в этом случае показывает среднее значение термо-ЭДС, которое, в свою очередь, пропорционально средней температуре нескольких точек.

Заключение

Таким образом, термоэлектрический термометр основан на использовании зависисмости термоэлектродвижущей силы от температуры. Хотелось бы отметить, что термоэлектрические термометры являются универсальным средством измерения температуры. У термопар много преимуществ, они имеют широкий диапазон рабочих температур, это самый высокотемпературный из контактных датчиков, спай термопары может быть непосредственно заземлен или приведен в прямой контакт с измеряемым объектом. Термоэлектрический термометр прост в изготовлении, надежен и очень прочен.

Хотелось бы отметить ряд рекомендаций по работе с термопарами. 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;

Литература

1. С.Ф.Чистяков ,Д.В.Радун "Технические измерения и приборы", М.: "Высшая школа" 1972

2. О.М.Блинов, А.М.Беленький, В.Ф.Бердышев "Теплотехнические измерения и приборы", М.: "Металлургия" 1993

3. А.И.Сергеев, "Методические указания к лабораторным работам по дисциплине "Метрология, стандартизация и сертификация"", Магнитогорск:МГТУ, 1999.