Термоэлектрические первичные преобразователи: теория и практика подключения термопар к измерительным приборам; термокомпенсация; термопарные сборки; тонкоплёночные термопары; соединение термопар.

Схема подключения термопары к измерительному прибору в свободный конец термопары (в раз­рыв холодного спая) представ­лена на рисунке.

Рассмотрим второй способ подключения измерительного прибора к термопаре: в разрыв одного из термоэлектро­дов.

Термоэлектрический контур, состоящий из термоэлектродов 3 и 4, холодного спая при темпера­туре Т₂ и горячего спая при темпе­ратуре Т₁ можно разомкнуть в любом месте и включить в него один или несколько разнородных провод­ников (в нашем случае это медные подводящие провода 2 и мед­ные провода рамки милливольтметра 1) . Если все по­явившиеся при этом места соединений нахо­дятся при одинаковой температуре Т₃, то результирующая ТЭДС, действую­щая в контуре, не изме­няется.

Схема подключения термопары к прибору в разрыв холод­ного спаяпо правилу промежуточных проводов

Схема подключения термопары к прибору в разрыв одного из термоэлектродов

При измерении температуры свободные концы термопары (холодный спай) должны находиться при постоянной тем­пературе, но, как правило, свободные концы термопары конструктивно выведены на зажимы головки термопарной сборки, а, следовательно, распо­ложены в непосредственной близо­сти от объектов, температура которых измеряется. Чтобы отнести эти концы в зону с постоянной температурой, применяются удлиняющие провода, состоящие из двух жил, изготовленных из метал­лов или сплавов, имеющих одина­ковые термоэлектрические свойства с термоэлектродами. Для тер­мопар из неблагородных металлов удлиняющие провода изготавли­ваются чаще всего из тех же мате­риалов, что и основные термоэлектроды, тогда как для датчиков из благородных металлов в целях экономии удлиняющие провода вы­полняются из материалов, развивающих в паре между собой в диапазоне температур 0 – 150°С ту же ТЭДС, что и элек­троды термопары. Так, для термопары типа платина – платинородий применяются удлинительныетермоэлек­троды измеди и специального сплава, образующие термопару, идентичную по ТЭДС термопаре платина-платинородий в диапа­зоне 0 – 150°С. Для термопары хромель – алюмель удлинительные термоэлектроды изготавливаются из меди и констан­тана, а для термопары хромель – копель удлинительными являются основные термо­электроды, но выполненные в видегибких проводов. При неправильном подключении удлинитель­ных термоэлектродов возникаетсущественная погреш­ность. Для подключения термопар к удален­ным при­борам необходимо использовать компенсационные провода с метал­лической экранирующей оплеткой, так как ТЭДС термопар очень мала, и в условиях сильных электрических полей ли­тейного цеха сигнал может искажаться. Для усиления сигнала можно в этом случае использовать несколько последова­тельно включенных термопар, обеспечив одинаковую температуру всех холодных и всех горячих спаев.

В лабораторных условиях температура холодного спая поддерживается равной 0°С путемпоме­щения их в сосудДью­ара, напол­ненный истолченным льдом с водой. В современных приборах ком­пенсация температуры холодного спаяосу­ществляется с использо­ванием полупроводниковых датчи­ков температуры, расположенных рядом с холодным спаем.

На рисунке приведена схема термоэлектрического термометра, в котором измерительная цепь включена в разрыв же­лезного тер­моэлектрода термопары железо-константин, а для измерения тем­пературы холодного спая используется по­лупроводниковый детектор.

Термопара на практике является частью термопарной сборки, которая обычно состоит из следую­щих компонентов: чувствитель­ного элемента (спая), защитной трубки (керамической или металличе­ской оболочки), изоляторов термоэлек­тродов и выводов (контак­тов, имеющих разную форму соеди­нения: скрученного типа, разомкнутого типа, в виде разъ­емов и т.д.). На рисунке 3.29 представлены несколько примеров термопарных сборок.

Примеры термопарных сборок

Проводники остаются либо оголенными, либо покрываются изоляционным материалом. Для ра­боты в условиях высо­ких темпера­тур используются керамические изоляторы, обладающие достаточ­ной гибкостью. Проводники термопар без электрической изоляции могут быть источниками измери­тельных погрешностей. Назначение изоляторов также заключа­ется в защите от воздействия влаги, аб­разивных веществ, сильных перепадов температур, химических реагентов, механи­ческих напряже­ний и ядерного излучения.

Самыми распространенными изоляторами для термопар, работающих при высоких температурах, являются стеклово­локно, волок­нистое кварцевое стекло и асбест (который надо использовать с соот­ветствующими мерами предосторожно­сти, чтобы не нанести вред человеческому 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. Защитные трубки выполняются из углеродистой стали (для работы в окислительной среде в температурном диапазоне до 540°С), нержавеющей стали (для температур до 870°С), нержавеющей стали на основе трехвалентного же­леза (AISI400), никеле­вых сплавов типа Nichrome и т.д. (для работы в окислительных средах при температурах до 1150 °С) и керамики. Ниже приведены технические характеристики высоко­температурных термопар для ра­боты в агрессив­ных средах.

Практически все термопары на основе металлических проводников либо подвергаются высоко­температурной обра­ботке, либо про­ходят специальную температурную подготовку, целью которой является стабилизация характеристик термопар. Обычно такой подго­товки бывает достаточно, но иногда перед проведением прецизионных измерений реко­мендуется провести отжиг термопары. Хотя термопары на основе Pt и Pt/Rh отжигаются при изготовлении, во многих ла­бораториях перед проведением калибровки проводят до­полнительный 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 устройствами, расположенными довольно близко друг к другу, таким образом, чтобы при нагреве их натяжение было минимальным. Температура нагрева провод­ников определяется при помощи оптиче­ского пирометра.

Большинство механических напряжений в проводниках значительно снижается в течение первых нескольких минут прогрева при температуре 1400...1500°С.

Динамической характеристикой термопарной сборки является величина времени тепловой инер­ции (время прогрева сборки), кото­рая составляет, как правило, десятки секунд.

Тонкопленочные термопары формируются на основе соединения двух пленок разных металлов. Толщина металли­ческой фольги, применяемой для изготовления термопар, составляет порядка 5 мкм, поэтому она обладает очень малень­кой массой и теплоемкостью. Тонкая плоская термопара формирует плотный тепловой контакт с поверхностью измеряе­мого объекта. Термопары из фольги обла­дают хорошим быстродействием (типовое значение постоянной времени равно 10 мс) и могут использоваться с любым стандартным электронным интерфейсом. При измерении температурыдат­чиком, обладающим небольшой массой, всегда надо учитывать тепловые потери через соединитель­ные провода. Поскольку пле­ночные термопары имеют большую величину отношения длины к тол­щине (по­рядка 1000), тепловые потерина проводах обычно очень малы.

Термопары могут включаться последовательно или параллельно. Последовательное включение нескольких термопар увеличивает суммарную ТЭДС полученного в результате термоэлемента (тер­мобатареи). Параллельное включение усредняет ТЭДС от нескольких термопар. Таким способом можно измерить среднюю температуру в объекте, разместив в его разных точках несколько термопар с па­раллельным подключением к измерительному прибору.

21. Вторичные приборы для измерения ТЭДС термопары.

В качестве вторичных приборов для измерения ТЭДС можно использовать:

• магнитоэлектрические милливольтметры;• компенсаторы потенциометрические показывающие КПП и самопишущие КПС (другое назва­ние - потенцио­метры);• цифровые приборы;• аналоговые ≪таблетки≫ для преобразования напряжения термопары в токовый универсальный сигнал 4…20 мА.

1. Показания магнитоэлектрические милливольтметров определяются значением тока в термо­электрической цепи. Сопротивление этой цепи оказывает влияние на показания прибора, что является недостатком данных приборов.

Для того, чтобы исключить влияние температуры холодных спаев на результат измерения, эту температуру в некото­рых кон­струкциях поддерживают постоянной путем автоматической стабили­зации на заданном уровне.

Практически чаще поправку на температуру свободных спаев термопары вводят путем смещения стрелки милли­вольтметра с нуля на фактическое значение текущей температуры холодного спая (определенной внешним термометром) перед началом измерения при разомкнутой цепи термопары.

Ещё один способ – использование моста и дополнительного источника внешнего напряжения. Для этого в цепь тер­мопары и мил­ливольтметра включается мост, одним из плеч которого является медный терморезистор. При температуре свободных концов термо­пары, равной 0°С, мост находится в равновесии (напряжение в измерительной диагонали равно 0); при отклонении температуры сво­бодных концов термопары от 0°С напряжение на выходе моста не равно 0 и сумми­руется с ТЭДС термопары, внося поправку в пока­зания прибора

2. Основными преимуществами компенсационного метода измерения ТЭДС по сравнению с из­мерением с помощью милливольт­метра является большая точность и чувствительность.

Поэтому сопротивление термоэлектрической цепи не оказывает никакого влияния на результат измерения. Приведе­ние измери­тельной системы к равновесию в различных конструкциях приборов осуществляется как вручную (прецизи­онные компенсаторы для экспериментальных исследований), так и автоматически при помощи переменного резистора (реохода). Таким образом, мерой измеряе­мой ТЭДС термопары в ручных приборах является координата положения скользящего контакта на реохорде в равновесном состоянии измерительной системы. В автоматических компенсаторах потен­циометрических при всяком нарушении равенства между напряжением термопары и уравновешива­ющим его напряжением от источника, в цепи появляется ток, который является выходным сигналом, который преобразуется, уси­ливается и т.д. В ответ приводится в действие электродвигатель, переме­щающий скользящий контакт переменного рези­стора (реохода) и связанный с ним указатель прибора относительно шкалы до восстановления равновесия схемы. Класс точности в зависимости от модели составляет 0.25; 0.5; 1.0, что соответствует абсолютной погрешности от ±2.5°С до ±10°С при темпе­ратуре 1000°С.

3. Цифровые приборы являются наиболее современным и точным типом вторичных приборов. Принцип их работы выглядит следующим образом: слабое напряжение термопары усиливается пред­варительным операционным усилителем (см. рисунок 3.28 выше по тексту), имеющим регулируемый стабильный коэффициент усиления a, и подается на вход микросхемы аналого-цифрового преоб­разо­вателя (АЦП). АЦП преобразует текущее значение напряжения в целое число, по значению которого определяется температура. Усиление напряжения термопары необходимо для его согласования с диапазоном входных напряжений АЦП.

Суть оцифровки текущего усиленного напряжения термопары на входе АЦП состоит в его разби­ении на определен­ное количество равных частей, количество которых описывается целым числом (современные АЦП имеют глубину кван­тования 16 бит, что соответ­ствует 65536 дискретным значе­ниям напряжения). При этом используется компенсационный метод измерения напряжения. АЦП по­дает с очень высокой точностью своё компенсационное напряжение на термопару ≪ступеньками≫ величиной ∼ 0,000015 В, увеличи­вая его суммарное значение до тех пор, пока соб­ственное усилен­ное напряжение термопары не скомпенсируется, т.е. на входе АЦП разница между входным напря­жением и напряжением компенсации не примет значение 0 В. При этом АЦП непре­рывно измеряет те­кущую разницу между входным напряже­нием и напряжением компенсации, а также считает коли­чество ступенчатых приращений напряжения компенсации с со­хранением в виде целого числа. Эта процедура повторяется через определенные интервалы времени. По­лученные це­лые числа удобно хранить и обрабатывать с использованием даже маломощных микроконтроллеров.

 (FlukeCorporation, США — один из ведущих разработчиков и производителей электронных кон­трольно-измери­тельных прибо­ров). Максимальная абсолютная погрешность измерений для хромель-алюмелевой термопары при темпе­ратуре 1372°C составит Ѓ}0,98°C. Разрешение дисплея 0.1°C при Т< 1000°C и 1°C при Т > 1000°C.

4. Современный термоэлектрический датчик температуры представляет собой не просто чув­ствительный элемент, заключен­ной в кожух и через колодку и линию связи в виде экранированных компенсационных проводов, подключаемой к прибору, а закон­ченное устройство с интегрированной в головку аналоговой электроникой. Операционный усилитель усиливает ТЭДС термопары и преоб­разует напряжение с учетом температуры холодного спая в аналоговый универсаль­ный токовый сиг­нал в одном или нескольких стандартных диапазонах. Этот сигнал подвержен воздействию помех в го­раздо меньшей степени и передается по обычному кабелю на значительные расстояния на универ­сальный вход вторич­ного прибора. Термопарные сборки с преобразующей электроникой (а и б), с преобразующей электроникой и блоком ин­дикации, предназначенным для непосредственного визу­ального контроля температуры объ­екта (в) и их технические ха­рактеристики. Приведенная погреш­ность измерения от ±0,1% до ±0,25%, чтосоответствует абсолютной погрешности от ±1°С до ±2.5°С при температуре 1000°С.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: