Дембовский В.В. Технологические измерения и приборы в металлургии
Подождите немного. Документ загружается.
21
4. Для чего и как контролируют плотность аэоросмеси при измерении расхода
сыпучих материалов при пневмотранспорте?
6. Измерение температуры
термоэлектрическими термометрами
Комплект термоэлектрического термометра, с помощью которого
измеряют высокие температуры, например, - металлических рас-
плавов, огнеупорной кладки плавильных и термических печей, со-
стоит из первичного прибора (датчика температурного сигнала) в
виде термопары (рис. 6.1а) и вторичного электроизмерительно-
го прибора (рис. 6.1б) .
6.1. Теоретические основы термоэлектрической термомет-
рии
Термопара (рис.6.1,а) представляет собой электрическую цепь,
составленную из двух разнородных проводников или полупровод-
ников А и В. При различии температур отдельных спаев θ,°C, и
θ
0
,°С
в термопаре возникает разность потенциалов, называемая
термоэлектродвижущей силой (ТЭДС). Отметим, что термин
“спай” сложился исторически, так как вначале надежный контакт
между проволочными или иными металлическими электродами
обеспечивали пайкой.
С
θ
0
°
θ
0
° ° θ
0
С
А В
а) А В б)
+ – + – ВП
° °
θ θ
Рис.6.1. Термопара (а) и подключение к ней
вторичного электроизмерительного прибора (б)
22
В настоящее время, особенно в области измерения высоких
температур, вместо пайки применяют сварку.
Спай, погружаемый в измеряемую среду с температурой θ,°C,
называют рабочим (или горячим). Другой спай, находящийся в
окружающей среде с температурой θ
0
,°С, носит название свободно-
го (или холодного).
Причиной возникновения ТЭДС является диффузия свободных
электронов из одного термоэлектрода в другой. При этом вещество
термоэлектрода, менее прочно удерживающее свои электроны, за-
ряжается положительно, а другое – отрицательно.
Значение ТЭДС термопары выражают формулой:
AB 0 AB AB 0
(
;
)()()
,θθ=θ−θEee
(6.1)
где и
AB
()θe
AB 0
()
θe
- частные ТЭДС в отдельных спаях, опреде-
ляемые природой вещества термоэлектродов (А; В) и температу-
рами отдельных спаев.
Зависимость ТЭДС от температуры рабочего спая θ,°C при тем-
пературе свободного спая θ
0
= 0 °C, то есть
AB AB AB
(;0) () (0),
θ
=θ−Eee
(6.2)
называется градуировочной характеристикой термопары. Для
стандартных термопар градуировочные характеристики приводят-
ся в литературе в виде таблиц и графиков. В отличие от этого, каж-
дую партию нестандартных термопар подвергают индивидуальной
градуировке с целью выявить зависимость (6.2).
Е
АВ
(θ,0)
Е
АВ
(θ,θ
0
)
Е
АВ
(θ
0
,0)
0 θ
0
θ θ, °С
Рис. 6.2. Схема введения поправки на температуру свободного
спая термопары.
23
В производственных условиях не удается поддерживать темпе-
ратуру свободных спаев при 0
0
С, и необходимо вводить поправку к
результатам измерения температуры согласно схеме, представ-
ленной на рис.6.2, где
AB 0
(
;
)
θ
θE
– показание вторичного прибора
при ≠ 0 ºС;
0
θ
AB 0
(
;0
)
θE
– поправка;
AB
(;0)
θ
E
– действительный сиг-
нал термопары, приведенный к условиям её градуировочной харак-
теристики.
Принято первым в названии термопары указывать положитель-
ный электрод.
Вторичный прибор ВП (рис. 6.1, б) подключается к термопаре с
помощью соединительных проводов СП. Вторичные приборы бы-
вают показывающие и самопишущие. Показывающий прибор имеет
в своем составе устройство для отображения результатов измере-
ния температуры со шкалой и указателем или – цифровой индика-
тор. Самопишущий прибор непрерывно или периодически регист-
рирует значение измеряемой температуры на диаграммной бумаге,
а современные цифровые приборы выводят результат измерения
температуры на принтер.
При подключении вторичного прибора к термопаре в её цепь
оказывается введённым третий проводник C в виде медного или
специального провода. Тогда ТЭДС термопары оказывается рав-
ной:
AB 0 AB BC 0 CA 0
(
;
)()()()
.θθ = θ+ θ + θEeee
(6.3)
Для цепи, составленной из трёх проводников (рис.6.3), на осно-
вании закона Вольта, являющегося частным выражением закона
сохранения энергии, справедливо равенство
AB 0 BC 0 CA 0
() () ()
0.θ+ θ+ θ =eee
(6.4)
Отсюда следует
BC 0 CA 0
() ()
θ
+θee
= - e
AB
(θ
0
) . (6.5)
Подставляя выражение
BC 0 CA 0
() ()
θ
+θee
из (6.5) в (6.3), получа-
ем результат, идентичный уже знакомому уравнению (6.1).
В результате можно утверждать, что включение третьего про-
водника в цепь термопары практически не изменяет ее ТЭДС. Од-
24
нако, сказанное справедливо при условии, что температуры всех
свободных спаев одинаковы. Подобный вывод можно распростра-
нить на любое число дополнительных проводников в термоэлек-
трической цепи.
6.2. Термопары
К числу стандартных термопар относят те термопары, свойства
термоэлектродов которых с высокой точностью воспроизводятся
при массовом изготовлении и достаточно стабильны в процессе
эксплуатации.
Серийно выпускаются термопары с проволочными термо-
электродами (ГОСТ 3044-84), изготовляемыми из чистых металлов
или специальных сплавов (табл. 6.1). Погрешности стандартных
термопар с термоэлектродами из неблагородных металлов на-
ходятся в пределах 0,5…1,0 % от измеряемой температуры, а тер-
мопары с термоэлектродами из благородных металлов обладают
погрешностью 0,25…0,5 %.
При измерении температуры расплавов защиту рабочего конца
термопары осуществляют с помощью защитных наконечников (уг-
леродистая или жароупорная сталь, плавленые кварц, глинозём,
магнезит, диборид циркония и пр.), выбор которых производят в со-
ответствии с условиями измерения.
Для периодического измерения температур расплавов получили
распространение термопары со сменными блоками [7]. Известны
конструкции механизированных термопар, вводимых в расплав че-
рез отверстия в стенке плавильных печей [8].
При многократных периодических измерениях температур рас-
плавов представляет интерес динамический метод, для реализации
которого к термопаре подключают микропроцессорный блок. По-
следний после погружения термопары в расплав и выдержки в нем
в течение нескольких секунд “предсказывает” значение конечной
температуры по темпу нагрева рабочего спая термопары. При этом
может производиться автоматическая коррекция результата изме-
рения по тепловой инерции защитного наконечника с оставшимся
на нем слоем шлака от предыдущего погружения термопары. После
компьютерной обработки сигнала ТЭДС термопара до достижения
конечной температуры извлекается из расплава, например, с по-
мощью специального механизма. В результате оказывается воз-
можным измерять высокие температуры агрессивных сред с помо-
щью низкотемпературных дешевых термопар.
25
При необходимости непрерывного контроля температуры жид-
кой стали на протяжении всего периода рафинирования применяют
комбинированные – многослойные защитные наконечники [8] с на-
ружным чехлом из плавленого кварца (SiO
2
), внутренним – из плав-
леного Al
2
O
3
с добавлением 1,5 % TiO
2
при засыпке пространства
между ними порошкообразным утрамбованным глиноземом (Al
2
O
3
).
Таблица 6.1
Характеристики стандартных термопар при θ
0
= 0 °С
Материал термоэлектродов
Тип
термо-
пары
Условное
обозначе-
ние граду-
ировочной
характе-
ристики
положительного
отрицательного
Диа-
пазон
изме-
рения,
°С
Верхний
предел изме-
рения при
кратковре-
менном
пользова-
нии, °С
ТВР
ВР
Сплав вольфрам –
рений 95% W +
5% Re
Сплав вольфрам –
рений 80% W +
20% Re
0 …
2200
2500
ТПР
ПР
Сплав платиноро-
дий 70% Pt + 30%
Rh
Сплав платиноро-
дий 94% Pt + 6%
Rh
300 …
1600
1800
ТПП
ПП
Сплав платиноро-
дий 90% Pt + 10%
Rh
Платина (Pt) 0 …
1300
1600
ТХА ХА Сплав хромель* Сплав алюмель** –200
…
+1000
1300
ТХК ХК Сплав хромель* Сплав копель*** –200
…
+600
800
ТМК МК Медь (Cu) Сплав копель*** –200
…
+100
100
Составы сплавов : * хромель 90,5 % Ni + 9,5 % Cr; ** алюмель 94,5 % Ni + 5,5 % Al,
Si, Mn, Co; *** копель 56 % Cu + 44 % Ni.
Известны также «производственные» названия термопар, такие
как «вольфрам – рений» (ТВР), «платинородий – платина» (ТПП),
«хромель – алюмель» (ТХА) и др.
Наряду с металлическими термопарами для измерения темпе-
ратур расплавов находят применение неметаллические термопа-
ры. Они изготовляются из тугоплавких соединений типа боридов,
силицидов, нитридов, карбидов и пр. методами металлокерамики,
то есть спеканием прессованных из порошков изделий (рис. 6.4). В
26
этом случае наружный термоэлектрод 1 одновременно выполняет
роль защиты внутреннего электрода 2. Из числа подобных термо-
пар для длительного (до 50 … 100 ч) измерения температуры рас-
плавленных чугуна и стали известна термопара ТГБЦ – 350м с на-
ружным термоэлектродом из борида циркония и внутренним из
графита. Перспективным для изготовления наружных термоэлек-
тродов является дисилицид молибдена, который не смачивается
жидкой сталью.
1 2 3,5
∅ 6
∅ 20
455
Рис.6.4. Неметаллическая термопара
6.3. Вторичные приборы к термопарам
В комплекте с термопарами используются вторичные приборы
следующих разновидностей:
1) милливольтметры,
2) потенциометры,
3) цифровые приборы.
Милливольтметры являются электроизмерительными прибо-
рами магнитоэлектрической системы. Несмотря на многообразие
форм таких приборов, их общий принцип действия основан на от-
клонении проводника с током в поле постоянного магнита. На про-
водник при этом действует сила, Н
(6.5)
,F=IBl
где I - ток, А;
B - магнитная индукция, Тесла ;
l - длина проводника, м.
Примечание. 1 Тесла (Т) в системе производных единиц СИ имеет
размерность 1 Н / ( А · м).
Под действием силы F проводник и связанная с ним стрелка
прибора отклоняются на угол φ (рис. 6.5)
27
ϕ
=kI ,
( 6.6)
где k – конструктивный коэффициент пропорциональности, М –
милливольтметр, Т – термопара.
После этого подвижная система прибора уравновешивается уп-
ругим противодействием спиральных пружинок, имеющихся в со-
ставе милливольтметра.
0 θ°С М
ϕ
т
°
Рис. 6.5. К пояснению принципа действия милливольтметра
С учетом закона Ома для всей цепи:
AB 0
i
1
(; )
,
=
θ
θ
=
∑
n
i
E
I
R
(6.7)
где n - сумма всех сопротивлений цепи, Ом, в состав которой вхо-
дит сопротивление самой термопары, соединительных проводов и
внутреннее сопротивление прибора, уравнение (6.6) преобразуется
к виду
AB 0
i
1
(
;
)
,
=
θ
θ
ϕ=
∑
n
i
E
k
R
(6.8)
Отсюда следует, что показания милливольтметра определяются
не только величинами
AB 0
(
;
)
θ
θE
, но зависят также от суммарного
сопротивления термоэлектрической цепи. Это считается недос-
28
татком милливольтметров как вторичных приборов к термопарам,
требующим стабилизации значения
i
1
=
∑
n
i
R
. Номинальное сопротив-
ление внешней цепи указывается на шкале милливольтметра.
Для того, чтобы исключить влияние температуры свободных
спаев на результат измерения, эту температуру в некоторых конст-
рукциях поддерживают постоянной путем автоматической стабили-
зации на уровне, например, θ
0
= 50
0
C.
Практически чаще поправку на температуру свободных спаев
термопары вводят путем смещения стрелки милливольтметра с ну-
ля на фактическое значение θ
0
,
0
С перед началом измерения при
разомкнутой цепи термопары.
Класс точности промышленных милливольтметров не выше, чем
1,0 … 1,5.
Потенциометры являются более совершенными, но и более
сложными вторичными приборами. Их принцип действия основан
на уравновешивании (компенсации) измеряемой ТЭДС термопары
разностью потенциалов от вспомогательного источника электропи-
тания. С достижением такого уравновешивания ток в цепи термо-
пары исчезает. Поэтому сопротивление термоэлектрической цепи
не оказывает никакого влияния на результат измерения.
Приведение измерительной системы к равновесию в различных
конструкциях приборов осуществляется как вручную (прецизионные
потенциометры для экспериментальных исследований), так и авто-
матически.
Принципиальная схема автоматического электронного потен-
циометра (рис. 6.6) содержит следующие элементы:
- сетевой источник питания стабилизированный ИПС;
- реохорд R, представляющий собой калиброванное переменное
сопротивление со скользящим контактом С, изготовленное таким
образом, что на каждую единицу длины приходится одинаковое ко-
личество Ом;
- термопара Т;
- входное сопротивление R
вх
системы уравновешивания;
- электронный блок ЭБ;
- реверсивный электродвигатель РД.
Через реохорд постоянно протекает рабочий ток i
р
= const.
Перемещая скользящий контакт по реохорду, можно найти такое
его положение, при котором ТЭДС термопары E
т
окажется уравно-
вешенной разностью потенциалов между точками А и С рео-
хорда:
AС
U
29
т AС
,
=
EU
(6.8)
причем на основании закона Ома
AСрAC
,
=
⋅UiR
(6.9)
где R
AC
- сопротивление участка АС реохорда.
Из свойств реохорда как равномерного сопротивления
AC AC
,
=
⋅Rkl
(6.10)
где l
AC
- длина участка АС реохорда, служащая координатой поло-
жения скользящего контакта;
k – конструктивная постоянная.
Рис.6.5. Принципиальная схема автоматического
электронного потенциометра
Поэтому в момент равновесия схемы имеем
30
TAС 0pAC
(
;
)
.=θθ=⋅⋅EE kil
(6.11)
Таким образом, мерой измеряемой ТЭДС термопары здесь яв-
ляется координата положения скользящего контакта на реохорде в
равновесном состоянии измерительной системы.
При всяком нарушении равенства (6.11) через входное сопро-
тивление R
вх
, находящееся в термоэлектрической цепи, начинает
протекать ток и возникает входное напряжение U
вх
Этот сигнал с
помощью электронного блока ЭБ из постоянного преобразуется в
переменный, усиливается сначала по напряжению, а затем по
мощности. В ответ приводится в действие электродвигатель ЭД,
перемещающий скользящий контакт С и связанный с ним указатель
прибора относительно показанной на рис. 6.6 шкалы Ш до восста-
новления равновесия схемы.
Электронные потенциометры автоматически вводят поправку на
температуру свободных спаев. Для этого к термопаре подключают
специальные термоэлектродные провода, концы которых выводят
на клеммы потенциометра. Материалы этих проводов выбраны с
таким расчетом, чтобы в цепи термопары не возникало паразитной
ТЭДС. Класс точности автоматических электронных потенциомет-
ров 0,25 или 0,5.
Современные цифровые вторичные приборы также действуют
по компенсационному принципу (рис. 6.7).
E
т
U
к
0 t, c
Рис. 6.7. К объяснению принципа действия цифрового
вторичного прибора