Термоэлектрические термометры (термопары)

 

Термоэлектрический эффект. Зеебек установил, что если элек­трическая цепь состоит из двух различных металлов или сплавов и точки их соединения (спаи) находятся при различных темпера­турах, то в цепи должен протекать ток (рис. 18.11). При размыка­нии цепи на ее концах можно измерить разность потенциалов — так называемую термоэлектродвижущую силу (термоЭДС).

Если же через такую цепь пропус­кать ток, то в зависимости от направ­ления этого тока в одной точке соеди­нения проводников будет выделяться, а в другой — поглощаться теплота (эф­фект Пельтье). Если температура од­ной точки соединения (спая) ф> извес­тна, то получаемая термоЭДС будет мерой разности между измеряемой температурой и контрольной тем­пературой D₀ (холодного спая). Оба места соединения называют также ра­бочим (горячим) и свободным (холод­ным) спаем.

Зависимость между термоЭДС и разностью температур в общем случае нелинейна и может быть выражена уравнением тре­тьей степени. Однако в области температур, обычных при про­мышленных измерениях, обычно достаточно принять квадратич­ную зависимость

Постоянные а, b и с зависят, в первую очередь, от природы обоих металлов или сплавов. Их можно определить путем граду­ировки в реперных точках. При малых изменениях температур характеристики многих термопар могут быть линеаризованы без большого ущерба для точности:

,

где к — коэффициент термоЭДС, зависящий также от уровня температуры, мВ/К.

Используя уравнение для термоЭДС, можно для каждой комбинации материалов термопары построить график зависимости термоЭДС термопары от измеряемой температуры д, (температу­ры рабочего спая), полагая, что температура ее свободного спая Ф₀ равна 0°С (рис. 18.12, а). Если контрольная температура не равна 0 °С, а поддерживается постоянной (как это часто бывает), равной 20, 50 или 60 °С, или не постоянной (как при измерении разности температур), то в измеренное значение термоЭДС Д£ _м нужно внести поправку АЕ_К, которая соответствует отклонению контрольной температуры О₀ от 0 °С:

.

Значения термоЭДС в зависимости от измеряемой температу­ры, а также допустимые отклонения при поставке (рис. 18.12, б)

регламентируются для основных комбинаций материалов фирма- ми-изготовителями и национальными управлениями по стандартизации и указываются в специальных таблицах (при ϑ ₀= 0 °С). Эти допуски считаются гарантированными при поставках, но к погрешностям при последующих измерениях они не относятся.

Материалы термоэлектродов. Выбирать подходящую термо­пару для измерения определенной температуры следует с учетом различных требований, причем в отношении некоторых требова­ний приходится принимать компромиссные решения. К термо­электродам предъявляются следующие требования: высокая чув­ствительность к изменениям температуры (высокий коэффици­ент термоЭДС), линейность характеристики термоЭДС, благо­приятные динамические свойства (малая инерционность), доста­точная механическая прочность при высоких и низких темпера­турах, стойкость к коррозии, стабильность термоэлектрических свойств во времени. Все материалы для термопар подразделяются на две группы: термопары из благородных металлов и термопары из неблагород­ных металлов. Термопары из благородных металлов, преимущественно из платины и ее сплава с родием (PtlORh — Pt и Ptl3Rh — Pt6Rh), обладают высокой точностью и отличаются воспроизводимостью термоэлектрической характеристики. Поэтому платинородий- платиновая термопара PtlORh —Pt используется для воспроизве­дения Международной практической температурной шкалы в интервале температур от 630, 7 до 1064, 4 °С. Эти термопары более устойчивы к коррозии и окислению, чем термопары из неблаго­родных металлов, поэтому они могут быть использованы при более высоких температурах. Так, термопары PtlORh — Pt используются для измерения температур от 0 до 1 600 °С, а термопары Ptl3Rh — Pt6Rh используются для измерения температур от 0 до 1700 °С.

Термопары из неблагородных металлов применяются пре­имущественно для измерения более низких температур. Они де­шевле термопар из благородных металлов, и на их долю прихо­дится абсолютное большинство всех применяемых термопар. К таким термопарам относятся медь —константан, железо —кон- стантан и нихром — никель (хромель —алюмель).

Термопары медь — константан (Си —Konst) особенно пригод­ны для измерения низких температур — от -250 до +400 °С. При более высоких температурах медь не обладает достаточной стой­костью к кислороду воздуха. Эти термопары наряду с железо-кон- стантановыми имеют наиболее крутую температурную характери­стику, но их характеристика недостаточно линейна.

Железо-константановые термопары (Fe — Konst) допускают более широкий диапазон измерения — от -250 до +700 °С, если коррозионно-активная среда не препятствует их применению (при некоторых условиях железо сильно ржавеет и покрывается окалиной). Постоянство термоэлектрических свойств во време­ни тоже надежно не обеспечивается.

Термопары нихром — никель (почти то же, что хромель—алю- мель) имеют среди термопар из неблагородных металлов самый высокий температурный диапазон измерения — от -200 до +1300 °С. Эти термопары отличаются точностью и устойчиво­стью, однако их температурный коэффициент термоЭДС меньше, чем термопар медь—константан и железо —константан. Характе­ристика их в достаточной степени линейна.

На диаграмме (см. рис. 18.12, а) характеристики термопар в области повышенных температур изображены штриховыми лини­ями. Это означает, что термопары при этих условиях могут быть использованы ограниченно (либо в защитной атмосфере, либо на короткое время).

 

Устройство термоэлектрических термометров (конструк­тивные формы). Надежность измерения температуры с помощью термоэлектрических термометров зависит от их конструкции, расположения и возможности их контакта с измеряемой средой. Если физические и химические условия допускают это, то термо­пара может быть введена в измеряемую среду без защитной обо­лочки (чехла). В этом случае она имеет преимущество перед дру­гим контактными термопарами, поскольку ее можно разместить в самых труднодоступных местах, а ее размеры могут быть при­няты практически сколь угодно малыми, чем обеспечивается бла­гоприятное динамическое поведение (малая инерционность). При высоких температурах или агрессивных средах термопара должна быть помещена в защитную арматуру (чехол).

Схемы подключения термоэлектрических термометров. Длину термопар в связи с их высоким сопротивлением, а также с учетом их стоимости следует принимать как можно меньшей. Поэтому место подключения так называемого компенсационно­го или термоэлектродного провода (кабеля) предусматривают в непосредственной близости от места измерения — обычно в под­соединительной головке защитной трубы. К компенсационным проводам предъявляется меньше требований, поскольку они не подвергаются воздействию неблагоприятных условий окружаю­щей среды. По термоэлектрическим свойствам они идентичны термоэлектродам, так что в местах соединения не может возник­нуть разность напряжений.

На рис. 18.13 представлены схемы подключения термоэлектри­ческих термометров. Наиболее простая схема подключения тер­мопар получается при непосредственном подсоединении термо­электродных проводов к показывающему прибору (рис. 18.13, а). При этом место сравнительного измерения («холодный спай») переносится к клеммам измерительного прибора, температура которых неизвестна, а обычно также и непостоянна. Вследствие этого такой метод неточен и ненадежен; его следует применять только для ориентировочных измерений.

В правильной схеме (рис. 18.13, 6) должно быть предусмотре­но отдельное место для свободных концов термопары («холодный спай»), температура которого (сравнительная температура) под­держивается термостатом постоянной, обычно равной 50 °С.

В том же корпусе обычно подключают к прибору провода, которые могут быть медными, если все клеммы имеют одинако­вую температуру ϑ

На рис. 18.13, в...е приведены схемы измерения разности тем­ператур (встречное включение термопар), увеличения измеряе­мой термоЭДС (последовательным включением нескольких тер­мопар в виде «термостолбика»), формирования среднего значения

(при параллельном включении термопар) и контроля нескольких температур одним из показывающих устройств (переключатель точек измерения, логометр, сканирующий мультиплексор).

При лабораторных измерениях температуру свободного кон­ца термометра (холодного спая ϑ ₀) лучше всего поддерживать постоянной, равной О °С, используя сосуд Дьюара, заполненный тающим льдом.

Контрольные вопросы

 

1. Каковы области применения термометров наиболее распростра­ненных типов?

1. Какие приняты температурные шкалы и единицы измерения тем­пературы?

2. Что представляют собой реперные точки?

3. Какие существуют механические контактные термометры?

4. По каким принципам работают дилатометрические и биметалли­ческие термометры?

5. Какие имеются разновидности жидкостных термометров?

6. Каков принцип работы термометров сопротивления? Какие их разновидности применяются?

7. Какими характеристиками обладают термометры сопротивления?

8. Какой эффект лежит в основе работы термоэлектрических термометров (термопар)?

9. Какие основные типы термопар используются при измерении температур и каковы их характеристики?

 

 

Тема 7. Измерение давления (2 часа)

Классификация методов и средств измерений давления. Гравитационные, деформационные, электрические приборы для измерения давления. Основные конструктивные особенности и характеристики.

Измерения давления ([1], Глава 4)

Общие сведения

 

Давлением называют отношение силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности. Давление — одна основных величин, определяющих термодинамическое состояние веществ. Давлением во многом определяется ход технологического процесса, состояние технологических аппаратов и режимы их функционирования. С задачей измерения давления приходится сталкиваться при измерениях некоторых технологических параметров, Пример расхода газа или пара, при изменяющихся термодинамических параметрах, уровня жидкости, и др.

Различают следующие виды давления: атмосферное, абсолютное, избыточное и вакуум (разрежение).

Атмосферное (барометрическое) давление — давление, создаваемое массой воздушного столба земной атмосферы. " Абсолютное давление — давление, отсчитанное от абсолютного нуля. За начало отсчета абсолютного давления принимают давление внутри сосуда, из которого полностью откачан воздух.

Избыточное давление—разность между абсолютным и барометрическим давлениями.

Вакуум. (разрежение)— разность между барометрическим и абсолютным давлениями.

В Международной системе единиц (СИ) за единицу давления 'Принят паскаль (Па) -давление, создаваемое силой в 1 ньютон (Н), равномерно распределенной по поверхности площадью 1 м² и направленной нормально к ней.

Разнообразие видов измеряемых давлений, а также областей применения в технологии и научных исследованиях обусловило использование наряду с системной единицей давления и внесистемных: единиц. К их числу относятся бар, миллиметр ртутного столба, килограмм-сила на квадратный сантиметр, килограмм-сила на квадратный метр, миллиметр водного столба. Соотношения единиц давления, допущенных к применению, приведены в приложении 3. 'Средства измерений давления классифицируют по виду измеряе­мого давления и принципу действия. По виду измеряемого давления средства измерений подразделяют на:

манометры избыточного давления — для измерения избыточного давления;

манометры абсолютного давления—для измерения давления, отсчитанного от абсолютного нуля;

барометры—для измерения атмосферного давления;

вакуумметры—для измерения вакуума (разрежения);

|мановакуумметры. — для измерения избыточного давления и вакуума (разрежения).

Кроме перечисленных средств измерений в практике измерений получили распространение:

напоромеры—манометры малых избыточных давлений (до 1кПа);

тягомеры—вакуумметры с верхним пределом измерения не более—40 кПа;

тягонапоромеры—мановакуумметры с диапазоном измерений 120-20 кПа;

вакуумметры остаточного давления—вакуумметры, предназначенные для измерения глубокого вакуума или остаточного давления, т. е. абсолютных давлений менее 200 Па;

дифференциальные манометры. — средства измерений разности давлений.

|По принципу действия средства измерений давления подразделяют на: жидкостные, поршневые, деформационные (пружинные), ионизационные, тепловые, электрические. Такое подразделение не является исчерпывающим и может быть дополнено средствами измерений, основанными на иных физических явлениях. (В настоящее время существует большой парк средств измерений давления, позволяющий осуществить измерение давления в диапазоне 10^-12—10¹¹ Па (рис. 4.1).

Далее рассмотрены средства измерений давления, широко применяемые в качестве рабочих при технологических измерений. Средства измерений, применяемые в качестве образцовых, рассмотрены в гл. 15.

 

⇐ Предыдущая78910111213141516Следующая ⇒

Поделиться: