Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


Лабораторная работа № 2 (стенд № 9) ПОВЕРКА ТЕРМОПАР



 

Цель работы

 

1) Ознакомиться с принципом действия и устройством термоэлектрических преобразователей.

2) Установить влияние температуры холодного спая на результат измерения.

3) Изучить способы устранения влияния температуры холодных спаев.

 

Общие положения

 

Температура является одним из важнейших параметров технологических процессов. Для измерения температуры существует большое количество методов и технических средств.

Температурой называется статическая величина, характеризующая тепловое состояние тела и пропорциональная средней кинетической энергии молекул газа.

Температура – физическая величина, характеризующая степень нагретости тела (т.е. тепловое состояние тела).

Температурные шкалы - системы сопоставимых числовых значений температуры.

Все предлагаемые температурные шкалы строились (за редким исключением) одинаковым путем: двум (по меньшей мере ) постоянным точкам присваивались определенные числовые значения и предполагалось, что видимое термометрическое свойство используемого в термометре вещества линейно связанно с температурой.

Пересчёт температуры между основными шкалами приведен в табл.1.

Таблица 1

Пересчёт температуры между основными шкалами

 

в\из Кельвин Цельсий Фаренгейт
Кельвин (K) = K = С + 273, 15 = (F + 459, 67) / 1, 8
Цельсий (°C) = K − 273, 15 = C = (F − 32) / 1, 8
Фаренгейт (°F) = K · 1, 8 − 459, 67 = C · 1, 8 + 32 = F

 

Пересчеты с одной шкалы на другую создавали большие трудности и приводили к ряду недоразумений. Поэтому в 1933 г. было принято решение о введении Международной температурной шкалы (МТШ).

Реперные точки шкалы МТШ-90 подразделяются на определяющие и вторичные. Определяющие реперные точки – это наиболее точно измеренные относительно тройной точки воды температуры, для которых результаты измерений в различных странах хорошо совпадают между собой. Список определяющих реперных точек шкалы МТШ-90 дан в табл. 2.

Таблица 2

Определяющие реперные точки шкалы МТШ-90

 

Реперная точка Т, К t°, C Погрешность, К
Тройная точка равновесного водорода 13, 81 - 259, 34 0, 01
Точка кипения равновесного водорода при давлении 3330, 6 Па 17, 042 -256, 108 0, 01
Точка кипения равновесного водорода 20, 28 - 252, 87 0, 01
Точка кипения неона 27, 102 - 246, 048 0, 01
Тройная точка кислорода 54, 361 -218, 789 0, 01
Точка кипения кислорода 90, 188 - 182, 962 0, 01
Тройная точка воды 273, 16 0, 01 Точно по определению
Точка кипения воды 373, 15 0, 005
Точка затвердевания цинка 692, 73 419, 58 0, 003
Точка затвердевания серебра 1235, 08 961, 93 0, 2
Точка затвердевания золота 1337, 58 1064, 43 0, 2

 

Термоэлектрический метод измерения температур основан на строгой зависимости термоэлектродвижущей силы (термо-э.д.с.) термоэлектрического термометра (термопары) от температуры.

Термоэлектрические явления – совокупность физических явлений, обусловленных взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами в металлах и полупроводниках.

Если составить цепь из двух разнородных проводников (или полупроводников) А и В и соединить их между собой концами, причем температуру T1 одного места соединения сделать отличной от температуры Т2 другого, в цепи появится ЭДС, называемая термоэлектродвижущей силой (термо-э.д.с.).

Принцип действия термопары основан на возникновении тока в цепи, составленной из двух разнородных проводников при нарушении теплового равновесия места их контактирования.

Рис. 1. Термопара

 

Термоэлектрические явления:

- явление Томсона;

- явление Зеебека;

- эффект Пельтье.

Явление Томсона относится к термоэлектрическим явлениям и заключается в следующем: при пропускании электрического тока через полупроводник (или проводник), вдоль которого существует градиент температуры, в нем, помимо джоулева тепла, в зависимости от направления тока будет выделяться или поглощаться дополнительное количество тепла (теплота Томсона).

Явление Зеебека объясняется тем, что средняя энергия электронов проводимости зависит от природы проводника и по-разному растет с температурой. Если вдоль проводника существует градиент температур, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном; в полупроводниках в дополнение к этому концентрация электронов проводимости растет с температурой. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному и на холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остаётся нескомпенсированный положительный заряд. Процесс накопления заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет поток электронов в обратном направлении, равный первичному, благодаря чему установится равновесие. Алгебраическая сумма таких разностей потенциалов в цепи создаёт одну из составляющих термоэдс, которую называют объёмной.

Эффект Пельтье́ — процесс выделения или поглощения тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников. Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида контактирующих веществ, силы тока и времени прохождения тока, то есть количество выделяемого тепла пропорционально количеству прошедшего через контакт заряда:

Причина возникновения явления Пельтье заключается в следующем. На контакте двух веществ имеется контактная разность потенциалов, которая создаёт внутреннее контактное поле. Если через контакт идет ток, то это поле будет либо способствовать прохождению тока, либо препятствовать. Если ток идет против контактного поля, то внешний источник должен затратить дополнительную энергию, которая выделяется в контакте, что приведет к его нагреву. Если же ток идет по направлению контактного поля, то он может поддерживаться этим полем, которое и совершает работу по перемещению зарядов. Необходимая для этого энергия отбирается у вещества, что приводит к охлаждению его в месте контакта.

Термопары широко применяются для измерения температур до 2500°С. Для измерения в области низких температур термопары получили меньшее распространение, чем термометры сопротивления.

К числу достоинств термопар можно отнести достаточно высокую точность измерения.

Способы введения поправки на температуру холодных концовтермопары

 

При измерении температуры термоэлектрическим термометром его свободные концы должны иметь постоянную температуру, так как колебания последней отражаются на показаниях вторичного прибора. В случае отклонения температуры свободных концов от градуировочного значения, равного 0°С, к показаниям вторичного прибора вводится соответствующая поправка. Поддержание постоянства температуры свободных концов термометра может производиться с помощью специальных термостатов, что значительно облегчает введение этой поправки, величина которой в этом случае остается постоянной.

В настоящее время широко применяется автоматическое введение поправки на температуру свободных концов термометров при помощи специальных компенсирующих устройств, что не требует обеспечения постоянства этой температуры. Эти устройства располагаются отдельно или встраиваются во вторичный прибор.

Способы введения поправки:

1. Применение удлиняющих термоэлектродных проводов.

При прокладке соединительной линии между термоэлектрическим термометром и вторичным прибором свободные концы термометра, находящиеся на зажимах в его головке, будут расположены около нагретых поверхностей, т.е. в зоне переменной температуры. Чтобы отнести эти концы в зону с постоянной и более низкой температурой, применяются так называемые термоэлектродные удлиняющие провода.

Прокладывать термоэлектродные провода на такие большие расстояния не всегда рационально, особенно если термопара выполнена из благородных металлов. Кроме того, термоэлектродные провода обычно имеют значительное удельное электрическое сопротивление, что приводит к увеличению сопротивления цепи термопары. Поэтому для подключения термопар к измерительным приборам применяют удлинительные (так называемые компенсационные) провода, более дешевые, чем термоэлектродные, и имеющие меньшее сопротивление.

Основное требование к компенсационным проводам: они должны развивать в диапазоне температур (0…100)°С такую же термоЭДС, как и термоэлектродные.

Компенсационные провода состоят из двух жил, изготовленных из металлов или сплавов, имеющих одинаковые термоэлектрические свойства с термоэлектродами термопары. Посредством удлиняющих проводов производится как бы наращивание термоэлектродов термометра, позволяющее отнести свободные концы от места его установки в более благоприятные условия.

Для термометров из неблагородных металлов удлиняющие провода изготавливаются чаще всего из тех же материалов, что и термоэлектроды, тогда как для термометров из благородных металлов в целях удешевления удлиняющие провода выполняются из материалов, развивающих в паре между собой примерно ту же термоЭДс, что и термометр, для которого они предназначены.

2. Применение специального медного сопротивления в автоматических потенциометрах.

3. Термостатирование холодных концов, т.е. Т2=const, при этом обычно используются термостаты или ванна с тающим льдом.

4. Применение компенсирующего моста для автоматического введения поправки. Схема представляет собой неуравновешенный мост с постоянными манганиновыми резисторами R1, R2, R3 и медным резистором R4, находящийся в равновесии при 0°С. При отклонении температуры свободных концов от нуля возникающий разбаланс моста Uab компенсирует возможное снижение измеряемой ЭДС.

5. Введение поправки вручную.

Требования, предъявляемые к термопарам

  1. Однозначная и линейная зависимость между эдс и температурой.
  2. Высокое значение развиваемой термоЭДС.
  3. Жаростойкость и механическая прочность.
  4. Химическая инертность (материал термопар не должен вступать в контакт с окружающей средой).
  5. Термоэлектрическая однородность материала проводника по всей длине, позволяет восстанавливать рабочий спай без переградуировки.
  6. Стабильность градуировочной характеристики (т.е. с течением времени должна оставаться постоянной)
  7. Технологичность (воспроизводимость) материала.

 

Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют стандартные термопары, основные из которых приведены в табл.3.

Таблица 3

Стандартные термопары

 

Тип термопары Обозначе-ние Химический состав термоэлектродов Пределы измеряемых t, °С
положи-тельный отрицатель-ный нижний верхний кратко-вре-менно
Медь – константановая ТМК (Т) медь константант -200
Хромель – копелевая ТХК (L) хромель копель -200
Хромель - алюмелевая ТХА (К) хромель алюмель -200
Платинородий - платиновая ТПП(S) платиноро-дий платина
Платинородий - платнородиевая ТПР(В) платино-родий платиноро-дий -
Вольфрамрений – вольфрамрение-вая ТВР(А) вольфрам-рений вольфрам-рений

 

При введении в цепь термопары третьего проводника, если концы последнего имеют одинаковые температуры, термоЭДС термопары не изменяется (то же относится и к нескольким проводникам). Поэтому включение в цепь термопары соединительных проводов, измерительных приборов и подгоночных сопротивлений не отражается на точности измерения.

 

Описание установки

 

Установка для поверки термопар (рис.1) имеет следующие приборы:

а) образцовая платинородий - платиновая термопара типа ПП(S), ТП1, показания которой регистрируются вторичным прибором Диск-250;

б) поверяемая хромель - алюмелевая термопара типа ХА(К), ТП2, показания которой регистрируются вторичным прибором Диск-250;

в) хромель-копелевая термопара ХК(Е) для измерения температуры свободных концов поверяемой термопары ТПЗ, показания которой ХК регистрируются вторичным прибором - милливольтметром типа Ш-4540/1;

г) для нагрева рабочих концов поверяемой термопары имеется электропечь сопротивления П1;

д) электропечь сопротивления П2 производит нагрев свободных концов поверяемой термопары ХА и рабочего спая термопары ХК;

е) универсальный переключатель УП.

При включении УП в положение П1 включается нагревательная печь для подогрева рабочего спая поверяемой термопары. При переключении УП в положение П2 включается печь П2 для нагрева холодных концов поверяемой термопары. Печь П1 при этом остается включенной через позиционный регулятор, встроенный в Диск-250.

 

Порядок выполнения работы

 

  1. Ознакомиться с инструкцией по проведению работы и установкой.
  2. Подготовить табл. 4 для проведения эксперимента.
  3. Включить вторичные приборы Диск-250 и Ш4540/1.
  4. Включить универсальный переключатель УП в режим нагрева рабочего спая П1.
  5. С интервалом в 15 с фиксировать показания образцовой и поверяемой термопары, до тех пор, пока температура в печи П1 не достигнет установившегося значения (задается преподавателем). Записывать показания в соответствующие графы табл. 4
  6. После достижения установившегося значения в печи П1, включить УП в положение П2, при этом включается печь П2 для нагрева холодных спаев поверяемой термопары.
  7. С интервалом 15 с фиксировать показания всех трех термопар ТП1, ТП2, ТП3 до тех пор, пока температура в печи не достигнет 120 °С
  8. Отключить установку. УП установить в положение " Выкл".

 

 

Рис. 1. Функциональная схема для поверки термопар:

 

1а – образцова термопара ПП(S);

1б – вторичный прибор (Диск-250);

2а – поверяемая термопара ХА(K);

2б – вторичный прибор (Диск-250);

3а – термопара ХК(L);

3б - вторичный прибор (милливольтметр Ш4540/1).

 

 

Обработка результатов

 

По результатам измерений необходимо заполнить остальные графы табл. 4. Расчетное значение определяется на основании показаний поверяемой термопары ТП2 и температуры ее свободных концов (показания ТП3). График зависимости термоЭДС от температуры соответствует условию, когда температура свободных концов термопары равна нулю. Если же температура свободных концов отличается от градуировочной, то необходимо вводить поправку (как в нашем случае).

Эта поправка определяется по формуле:

(10)

 

где знак плюс относится к случаю, когда Т2> Т0, а минус к случаю, когда Т2< Т0.

Таким образом, расчетное значение температуры поверяемой термопары складывается из показаний поверяемой термопары плюс значение температуры по градуировочной зависимости хромель-алюмелевой термопары, найденной по показаниям термопары холодного спая. Например, Диск 250 показывает 380 °С, при этом милливольтметр показывает 120 °С. Пользуясь градуировочной табл. 5 для ХА термопары, находим, что при 120 °С ХА термопара дает 4, 919 мВ, при 380 °С – 15, 552. Сумма термоЭДС равна 4, 919 + 15, 552 = 20, 471 мВ. И по ней определяем истинную температуру, (пользуясь той же градуировочной таблицей) она равна 496 °С. Результаты расчетов заносим в таблицу.

Далее необходимо построить графики изменения показаний приборов во времени, а также показаний поверяемой термопары с учетом поправки на температуру свободных концов. Примерные графики приведены на рис.2.

 

Содержание отчета

 

Отчет составляется каждым студентом и включает в себя:

  1. Наименование работы.
  2. Цель работы.
  3. Краткое описание устройства и принципа действия термоэлектрических преобразователей. Способы введения поправки.
  4. Результаты работы в виде таблицы и графиков.
  5. Выводы по работе.

 

7 Контрольные вопросы

 

1. На каких явлениях основано действие термоэлектрических термометров?

2. Почему при подсоединении термопары к измерительному прибору, пользуются компенсационными проводами?

3. Как вводится поправка на температуру свободных концов термопары в автоматических и переносных потенциометрах, милливольтметрах?

4. Для каких термопар не требуется компенсационных проводов?

5. Пределы измерений стандартных термоэлектрических термометров?

 

Таблица 4

Экспериментальные данные и оценка погрешности

 

№ п/п Показания термопар Погрешность измерения
Образцовая ТП1, °С Горячий спай ТП2, °С Холодный спай ТП3, °С Показания поверяемой термопары с учетом поправки, ТП4 °С Абсолют-ная, °С Относи-тельная, %
             

 

Рис. 2. График изменения температуры


Таблица 5

Номинальная статическая характеристика преобразования термопары ХА(К)

 

Температура рабочего конца, °С ТермоЭДС, мВ при температуре °С
0, 000 0, 039 0, 079 0, 119 0, 158 0, 119 0, 238 0, 277 0, 317 0, 357
0, 397 0, 437 0, 477 0, 517 0, 557 0, 597 0, 637 0, 677 0, 718 0, 758
0, 798 0, 838 0, 879 0, 919 0, 960 1, 000 1, 041 1, 081 1, 122 1, 162
1, 203 1, 244 1, 285 1, 325 1, 366 1, 407 1, 448 1, 489 1, 529 1, 570
1, 611 1, 652 1, 683 1, 734 1, 776 1, 817 1, 858 1, 899 1, 940 1, 981
2, 022 2, 064 2, 105 2, 146 2, 188 2, 229 2, 270 2, 312 2, 353 2, 394
2, 436 2, 477 2, 159 2, 560 2, 601 2, 643 2, 684 2, 726 2, 767 2, 809
2, 850 2, 892 2, 933 2, 975 3, 016 3, 058 3, 100 3, 151 3, 183 3, 224
3, 266 3, 307 3, 349 3, 390 3, 432 3, 478 3, 515 3, 556 3, 598 3, 639
3, 681 3, 722 3, 764 3, 805 3, 847 3, 888 3, 930 3, 971 4, 012 4, 054
4, 095 4, 137 4, 178 4, 219 4, 261 4, 302 4, 343 4, 384 4, 426 4, 467
4, 508 4, 549 4, 590 4, 632 4, 673 4, 714 4, 755 4, 796 4, 837 4, 878
4, 919 4, 960 5, 001 5, 042 5, 083 5, 124 5, 164 5, 205 5, 246 5, 287
5, 327 5, 368 5, 409 5, 450 5, 490 5, 531 5, 571 5, 612 5, 652 5, 693
5, 733 5, 774 5, 814 5, 855 5, 895 5, 936 5, 973 6, 016 6, 057 6, 097
6, 137 6, 177 6, 218 6, 258 6, 298 6, 338 6, 378 6, 419 6, 459 6, 499
6, 539 6, 579 6, 619 6, 659 6, 699 6, 739 6, 779 6, 819 6, 859 6, 899
6, 939 6, 979 7, 019 7, 059 7, 099 7, 139 7, 179 7, 219 7, 259 7, 299
7, 338 7, 378 7, 418 7, 458 7, 498 7, 538 7, 578 7, 618 7, 658 7, 697
7, 737 7, 777 7, 817 7, 857 7, 897 7, 937 7, 977 8, 017 8, 057 8, 097
8, 137 8, 177 8, 217 8, 257 8, 297 8, 337 8, 377 8, 417 8, 457 8, 497
8, 537 8, 577 8, 617 8, 657 8, 697 8, 737 8, 777 8, 817 8, 857 8, 898
8, 98 8, 978 9, 018 9, 058 9, 099 9, 139 9, 179 9, 220 9, 260 9, 300
9, 341 9, 381 9, 421 9, 462 9, 502 9, 543 9, 583 9, 624 9, 664 9, 705
9, 745 9, 786 9, 856 9, 867 9, 907 9, 948 9, 989 10, 029 10, 070 10, 111
10, 151 10, 192 10, 233 10, 274 10, 315 10, 355 10, 396 10, 437 10, 478 10, 519
10, 560 10, 600 10, 641 10, 682 10, 723 10, 764
Продолжение таблицы 5
10, 805

10, 846 10, 887 10, 928
10, 969 11, 010 11, 051 11, 051 11, 093 11, 134 11, 175 11, 216 11, 257 11, 339
11, 381 11, 422 11, 463 11, 463 11, 504 11, 546 11, 578 11, 628 11, 669 11, 752
11, 793 11, 835 11, 876 11, 876 11, 911 11, 959 12, 000 12, 042 12, 083 12, 166
12, 207 12, 249 12, 290 12, 332 12, 373 12, 415 12, 456 12, 539 12, 581
12, 623 12, 664 12, 706 12, 747 12, 789 12, 831 12, 872 12, 914 12, 955 12, 997
13, 039 13, 080 13, 122 13, 164 13, 205 13, 247 13, 289 13, 331 13, 372 13, 414
13, 456 13, 497 13, 539 13, 581 13, 623 13, 665 13, 705 16, 748 13, 790 13, 832
13, 874 13, 915 13, 957 13, 999 14, 041 14, 083 14, 125 14, 167 14, 208 14, 250
14, 292 14, 334 14, 376 14, 418 14, 460 14, 502 14, 544 14, 586 14, 628 14, 670
14, 712 14, 754 14, 796 14, 838 14, 880 14, 992 14, 964 15, 006 15, 048 15, 090
15, 132 15, 174 15, 216 15, 258 15, 300 15, 342 15, 384 15, 426 15, 468 15, 510
15, 552 15, 594 15, 636 16, 679 15, 721 15, 763 15, 805 15, 847 15, 889 15, 931
15, 974 16, 016 16, 058 16, 100 16, 142 16, 184 16, 227 16, 269 16, 311 16, 353
16, 395 16, 438 16, 480 16, 522 16, 564 16, 607 16, 649 16, 691 16, 733 16, 776
16, 818 16, 860 16, 902 16, 945 16, 987 17, 029 17, 072 17, 114 17, 165 17, 199
17, 241 17, 283 17, 326 17, 368 17, 410 17, 453 17, 495 17, 537 17, 580 17, 662
17, 664 17, 707 17, 749 17, 792 17, 834 17, 876 17, 919 17, 961 18, 004 18, 046
18, 088 18, 131 18, 173 18, 126 18, 258 18, 301 18, 343 18, 385 18, 428 18, 470
18, 513 18, 555 18, 598 18, 640 18, 623 18, 325 18, 768 18, 810 18, 853 18, 895

 

 


Поделиться:



Последнее изменение этой страницы: 2017-03-14; Просмотров: 1452; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2024 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.059 с.)
Главная | Случайная страница | Обратная связь