Фарзане Н.Г., Илясов Л.В. Технологические измерения и приборы

Подождите немного. Документ загружается.

161

его монтажа и стоимости термоэлектродов, продлевать их с помощью

специальных удлиняющих термоэлектродных проводов. Если

термоэлектродные провода правильно выбраны и подключены к ТЭП, то места

их подключения к измерительному прибору рассматривают как свободные

концы.

Условия, которым должны отвечать термоэлектродные провода,

определим из рассмотрения схемы рис. 6.6.

Развиваемая в цепи термоЭДС

)()()()()(

1001

teteteteteE

FACFDCBDAB

++++=

Если принять, что все спаи в цепи имеют одинаковую температуру,

равную t

, то

0)()()()()(

11111

=++++ tetetetete

FACFDCBDAB

Вычитая это выражение из предыдущего и учитывая для соответ-

ствующих членов каждого выражения уравнение (6.18), имеем

[

]

[

]

)()()()()()(

011011

ttEttEteteteteE

FDABFDFDABAB

+=−+−=

(6.24)

Пусть термоэлектродные провода F и D подобраны такими, что они в

паре имеют термоэлектрическую характеристику, совпадающую с

характеристикой используемого термоэлектрического преобразователя АВ в

интервале температур от t

= 0°С до t≈100÷120°С, т. е.

)()(

0101

ttEttE

ABFD

(6.25)

Подставляя (6.25) в (6.24), получим

)()()(

0011

ttEttEttEE

ABABAB

=+=

(6.26)

Из выражения (6.26) следует, что включение в цепь ТЭП тер-

моэлектродных проводов, подобранных в соответствии с (6.25), не создает в

цепи паразитных термоЭДС, и потому не искажается результат измерения.

В практике измерения температуры выбор термоэлектродных проводов

для используемых ТЭП осуществляют по таблицам, приводимым в [16].

Свободные концы, удаленные от объекта измерения термоэлектродными

проводами, подлежат термостатированию. Термостатирование свободных

концов при

t=0°С осуществляется в лабораторных условиях. Это достигается путем

погружения свободных концов преобразователя в пробирку с маслом,

находящуюся в сосуде Дьюара с тающим льдом.

Для поддержания свободных концов при температуре, отличной от 0°С,

используют специальные коробки, снабженные простым автоматическим

биметаллическим терморегулятором. Обычно поддерживается температура

(50+0,5) °С.

162

В ряде случаев при измерении термоЭДС милливольтметром применяют

компенсирующий мост (рис. 6.7) для автоматического введения поправки на

температуры свободных концов преобразователя. Компенсирующий мост

представляет собой электрический неравновесный мост с постоянными

манганиновыми резисторами R

, R

и медным резистором R

. Диагональ ab

питания моста подключена к стабилизированному источнику питания ИПС

через нагрузочное сопротивление R

, предназначенное для изменения

напряжения питания моста при переходе к

преобразователям с различной

градуировкой. Измерительная диагональ cd

моста включена в разрыв между удлиня-

ющим термоэлектродным проводом F и

соединительным проводом С. При

температуре свободных концов t

=0°С мост

находится в равновесии, т. е. напряжение в

диагонали cd равно нулю. Если температура

свободных концов, например, выросла и

стала t

, то сопротивление резистора R

расположенного рядом с концами удлинительных проводов F и D, также

вырастет, в результате чего в диагонали появится напряжение U

- Это

возникшее напряжение компенсирует недостающую термоЭДС на значение

поправки, т. е. Ucd=E

Таким образом, на входе измерительного прибора )()(

ttEUttE

ABcdAB

′

Погрешность выпускаемых в настоящее время компенсирующих мостов для

ТЭП стандартных градуировок при изменении температуры t

в пределах 0—

50°С составляет ±3°С.

Способы соединения ТЭП. Соединяя различным образом между собой

термоэлектрические преобразователи, можно для конкретных задач измерения

значительно улучшить точность.

Так, при необходимости измерения непосредственно разности температур

используется дифференциальный способ соединения ТЭП, показанный на рис.

6.8, а. Здесь оба конца 1 и 2 ТЭП являются рабочими и каждый из них

погружается соответственно в среду с температурой t

и t

. Нейтральные концы

3 и 4 должны иметь одинаковые температуры to. По развиваемой в контуре тер-

моЭДС )(

ttE определяют разность температур t

–t

, используя

соответствующий участок градуировочной кривой или таблицы ТЭП. Этот

участок градуировки определяют измерением одной из температур t

или t

163

Если температура t измеряемого объекта незначительно отличается от

температуры t

свободных концов ТЭП, то используется термобатарея (рис. 6.8,

б), представляющая собой систему из п последовательно включенных ТЭП.

Спаи, имеющие температуру t, являются рабочими и располагаются в объекте

измерения, а свобод-

Рис. 6.8. Схемы соединений термоэлектрических преобразователей

ные концы, имеющие температуру t

располагаются вне объекта. Суммарная

термоЭДС в контуре термобатареи в п раз больше, чем в отдельном ТЭП, т. е.

равна )(

ttnE

, благодаря чему увеличивается чувствительность измерения.

Термобатареи, собранные в соответствии со схемой рис. 6.8, в. называют

дифференциальными преобразователями, с помощью которых измеряют малую

разность температур. Здесь спаи 1 и 2 являются рабочими и располагаются в

средах соответственно с температурой t

и t

, а спаи 3 и 4 — нейтральные с

одинаковой температурой t

. Результирующая термоЭДС здесь равна )(

ttnE

Требования к материалам термоэлектродов и устройство ТЭП. Несмотря

на то что любые два проводника создают в паре между собой термоЭДС, лишь

ограниченное число термоэлектродов используется для создания ТЭП.

К материалам термоэлектродов предъявляется ряд требований:

однозначная и по возможности близкая к линейной зависимость термоЭДС от

температуры, жаростойкость и механическая прочность с целью измерения

высоких температур; химическая инертность; термоэлектрическая

однородность материала проводника по длине, что позволяет восстанавливать

рабочий спай без переградуировки, а также менять глубину его погружения;

технологичность изготовления с целью получения взаимозаменяемых по тер-

моэлектрическим свойствам материалов; дешевизна и, наконец, наиболее

существенное — стабильность и воспроизводимость термоэлектрических

свойств, что позволяет создать стандартные градуировки. Ни один из

существующих в настоящее время материалов

164

165

не удовлетворяет полностью всем требованиям, в результате чего для

различных пределов измерения используются термоэлектроды из различных

материалов.

В настоящее время в СССР в основном применяются пять стандартных

градуировок ТЭП, характеристики которых приведены в табл. 6.4.

Для предохранения от механических повреждений и вредного влияния

объекта измерения термоэлектроды преобразователя помещают в защитную

арматуру.

На рис. 6.9, а показано устройство стандартного термоэлектрического

термометра.

В жесткой защитной гильзе 1 расположены термоэлектроды 3 с надетыми

на них изоляционными бусами 4. Спай 2 касается дна защитной гильзы или

может быть изолирован от него с по-

мощью керамического наконечника. К

термоэлектродам в головке 8 винтами 6 на

розетке 5 подсоединяются

удлинительные провода 7. Защитная

гильза с содержимым вводится в объект

измерения и крепится на нем с

помощью штуцера 9. Для обеспечения

надежного контакта спай 2

изготавливают сваркой, реже пайкой или

скруткой (для высокотемпературных

ТЭП). Защитную гильзу 1 выполняют в виде

цилиндрической или конической труб- ки

из газонепроницаемых материалов

диаметром примерно 15—25 мм и

длиной в зависимости от потребности

объекта измерения от 100 до 2500— 3500 мм. Материалом для защитной

гильзы обычно служат различные стали. Для более высоких температур

используются гильзы из тугоплавких соединений, а также кварц и фарфор.

Диаметр термоэлектродов составляет 2—3 мм, кроме термоэлектродов

платиновой группы, диаметр которых 0,5 мм, что связано с их высокой

стоимостью. Стандартные ТЭП выпускают одинарными, двойными и

поверхностными — для измерения температуры стенок объекта, когда доступ

внутрь объекта затруднителен или невозможен.

166

В настоящее время широкое применение находят термоэлектрические

термометры кабельного типа (рис. 6.9, б, в).

В тонкостенной оболочке 1 размещены термоэлектроды 3, изолированные

друг от друга, а также от стенки оболочки термостойким керамическим

порошком 4. Рабочий спай 2 может иметь контакт с оболочкой (рис. 6.9, б) или

изолируется от нее (рис. 6.9, в). Оболочку выполняют из высоколегированной

нержавеющей стали с наружным диаметром 0,5—6 мм, длиной 10—30 м.

Благодаря указанным размерам кабельные термоэлектрические термометры

являются весьма гибкими при достаточной механической прочности. Выпус-

каемые хромель-алюмелевые и хромель-копелевые кабельные термометры

можно использовать в интервале температур от —50 до 300°С при давлении 40

мПа. Внутрь оболочки кабеля помещены от одного до трех ТЭП.

Выбор соответствующей конструкции ТЭП осуществляют в зависимости

от конкретных условий измерения из [16].

Динамическая характеристика термоэлектрических термометров в общем

виде описывается передаточной функцией

⋅−

)(

Значения постоянной времени T и транспортного запаздывания т зависят

от конструктивных размеров и используемых материалов защитного чехла. Для

выпускаемых в настоящее время термоэлектрических термометров эти

величины находятся в пределах T=1,5÷8 мин и τ=9÷30 с, а τ/T=0,11÷0,78 [43].

§ 6.6. Средства измерений сигналов термоэлектрических

термометров

В качестве средств измерений, работающих в комплекте с ТЭП, ис-

пользуются милливольтметры магнитоэлектрической системы, потенциометры

и нормирующие преобразователи.

Магнитоэлектрический милливольтметр. Схема его измерительного

механизма показана на рис. 6.10. Механизм состоит из рамки 2, вращающейся в

кольцевом зазоре между полюсными наконечниками постоянного магнита NS и

цилиндрическим сердечником 1 из мягкой стали. Рамка 2 вместе со стрелкой 7

для отсчета показаний по шкале 6 прибора закреплены на кернах 5,

опирающихся на подпятники 3. Установленные на кернах спиральные

пружинки 4, создающие противодействующий повороту рамки момент, кре-

пятся одним концом к оси 5, а другим — к неподвижной части прибора. Кроме

того, эти пружинки являются токоподводящими элементами рамки. Рамка,

закрепленная на кернах, изготавливается как с горизонтальной, так и с

вертикальной осью вращения.

Для обеспечения большей чувствительности милливольтметров,

гальванометров и самопишущих милливольтметров их рамка крепится на

вертикальных ленточных растяжках из фосфористой бронзы. Эти ленты при

повороте рамки, скручиваясь, создают противодействующий момент, и

одновременно по ним осуществляется подвод

167

тока в рамку. Рамка представляет собой прямоугольник длиной l и шириной 2r

и состоит из п витков тонкой медной проволоки, скрепленных между собой

лаком. Благодаря сердечнику 1, расположенному внутри рамки, последняя

оказывается под действием равномерного и радиального магнитного поля, в

силу чего, независимо от угла поворота рамки, плоскость ее оказывается

параллельной вектору магнитной индукции В. Таким образом, при протекании

по рамке электрического тока / на подвижную систему действует

магнитоэлектрический момент

rlBIM

МЭ

(6.27)

Противодействующий момент М

пр

создаваемый спиральной пружиной или

подвеской, равен

пр

(6.28)

где W — удельный противодействующий

момент.

При некотором угле поворота φ

имеем:

МЭпр

MM =

т. е.

rlBIW 2

или

rlBI

=ϕ

(6.29)

где

rlB

— чувствительность измерительного механизма к току, рад/А.

Для получения зависимости угла поворота рамки от напряжения U,

подведенного к зажимам прибора с внутренним сопротивлением R

, из (6.29)

имеем

==ϕ

(6.30)

где

S = — чувствительность прибора к напряжению.

Из (6.30) следует, что чувствительность прибора к напряжению тем

меньше чувствительности к току, чем больше внутреннее сопротивление

прибора.

Измерение термоЭДС милливольтметром осуществляется по схеме

рис. 6.11. Генерируемая ТЭП термоЭДС E

(tt

) создает в замкнутой цепи ток

ДPyCFDAB

RRRRRR

ttE

+++++

)(

(6.31)

168

где

ДPyCFDAB

RRRRRR ,,,,, — сопротивления термоэлектродов АB, удлинительных

проводов FD, соединительных линий С, уравнительной катушки, рамки

милливольтметра и добавочной катушки соответственно;

вн

= (R

)—внешнее по отношению к зажимам ab прибора

сопротивление цепи; R

= (R

) — внутреннее сопротивление

милливольтметра. Представим (6.31) в виде

ВНABMab

IRttEIRU −== )(

(6.32)

Из (6.32) можно заключить, что измеряемое

милливольтметром напряжение U

аь

подведенное к его зажимам ab, всегда

меньше, чем ЭДС в цепи, на значение

падения напряжения

ВН

во внешней цепи,

обусловленного проходящим в контуре

током.

В силу того что сведение к нулю

ВН

при использовании милливольтметра невоз-

можно, принципиально невозможно

непосредственное измерение ЭДС милливольтметром. В то же время при

соблюдении определенных условий измерения с некоторой погрешностью

можно принять, что показания милливольтметра однозначно зависят от

развиваемой в цепи термоЭДС. Подставляя (6.31) в (6.29), имеем

MВН

ttE

)(

(6.33)

Отсюда следует, что если бы имело место

MВН

RR + = const, то между

показанием φ милливольтметра и измеряемой ЭДС была однозначная

зависимость и шкалу милливольтметра можно было бы градуировать в

градусах, соответствующих термоЭДС для данного преобразователя АВ. В то

же время как R

BН

, так и R

изменяются в зависимости от температуры

окружающей среды, что приводит к погрешности измерения. Покажем, что

уменьшение указанной погрешности может быть достигнуто путем

уменьшения отношения R

вн

и уменьшения R

. Преобразуем (6.31) к виду

MВН

Mab

ttE

IRU

)(

(6.34)

Из выражения (6.34) видно, что чем меньше отношение

MВН

RR / по

сравнению с единицей, тем в меньшей мере изменение этого отношения,

вызванного, например, изменением температуры окружающей среды,

сказывается на линейной связи между

U и )(

ttE

. Уменьшение отношения

MВН

RR / возможно за счет увеличения

R .

169

Так как рамка милливольтметра выполнена из медного провода с

сопротивлением R

, то R

увеличивают за счет увеличения последовательно

соединенного с рамкой добавочного сопротивления R

, выполненного в виде

манганиновой катушки. Значительное увеличение R

приводит к уменьшению

чувствительности S

милливольтметра. Обычно R

=100÷500 Ом, а отношение

≤1/3, что значительно уменьшает температурный коэффициент прибора.

Значение R

ВН

стандартизовано в пределах 0,6—25 Ом и указано на шкале

прибора.

Таким образом, использование градусной шкалы милливольтметра

возможно, если градуировка ТЭП соответствует градуировке, указанной на

шкале. При этом необходимо сопротивление внешней линии подогнать к

значению R

, указанному на шкале прибора, с помощью подгоночного

сопротивления R

. Если милливольтметр имеет милливольтовую шкалу, то она

наносится без учета сопротивления внешней линии и показания по шкале соот-

ветствуют напряжению на зажимах, т. е. и

ь,

по

которому при известных R

ВН

определяют из (6.34) термоЭДС для ТЭП любой градуировки, а затем

значение измеряемой температуры по градуировочным таблицам.

Милливольтметры, предназначенные для работы в комплекте с ТЭП, по

конструктивному исполнению бывают

переносными и стационарными (щитовыми).

Стационарные милливольтметры имеют

только градусную шкалу. Промышленностью

выпускаются показывающие, самопишущие и

регулирующие милливольтметры классов

точности 0,5; 1,0; 1,5; 2,0.

Переносные милливольтметры имеют две

шкалы (градусную и милливольтовую) или

только одну милливольтовую. Эти приборы

выполняют как показывающие и имеют классы

точности: 0,2; 0,5; 1,0.

Потенциометры. Принцип действия этих

приборов основан на уравновешивании

(компенсации) неизвестной ЭДС известным

падением напряжения, создаваемым током от дополнительного источника.

Схема, поясняющая компенсационный метод измерения ЭДС, показана на рис.

6.12. Замкнутый контур / содержит дополнительный источник тока

напряжением Ее и реохорд

(компенсационный резистор) R

. Этот контур называют компенса-

сионным. Контур измерения II включает в себя ТЭП, термоЭДС )(

ttE

которого измеряется, и высокочувствительный гальванометр, выполняющий

функцию нуль-индикатора (НИ), а также

170

часть R

реохорда от точки а до подвижного контакта движка с. Функция нуль-

индикатора состоит в обнаружении тока в цепи. Измеряемый источник E

(tt

)

включен навстречу дополнительному источнику Е

так, что токи от обоих

источников на участке R

идут в одном направлении. Если обозначить ток,

проходящий в контуре I, через I

(рабочий ток), а ток для контура II при неко-

тором положении движка С через I

, то на основании закона Кирхгофа для

контура II справедливо равенство

(tt

) =I

ВH

+ I

HИ

+ I

, где R

HИ

и R

ВH

– сопротивление нуль -

индикатора и внешних проводов, включая ТЭП, откуда I

= [E

(tt

–

]/(R

ВH

HИ

). Перемещая движок С, можно добиться того, чтобы I

стал равным нулю. Это определится показанием нуль-индикатора, и тогда

acбAB

RIttE =)(

(6.35)

Полученное равенство указывает на то, что если в контуре, где

расположен источник измеряемой ЭДС, ток равен нулю, то падение

напряжения на участке R

служит мерой измеряемой

ЭДС. Преимуществом компенсационного метода

измерения термоЭДС является отсутствие тока в цепи в

момент измерения. Это исключает необходимость учета

значений сопротивления внешней цепи и изменения

сопротивления этой цепи от температуры.

Компенсирующее напряжение I

можно изменять

двумя методами:

1) поддерживая значение тока /б на постоянном

уровне, изменять сопротивление R

;

2) сохраняя сопротивление R

постоянным,

изменять значение рабочего тока I

Наибольшее распространение получил

потенциометр с постоянной силой рабочего тока,

показанный на рис. 6.13.

Для контроля за постоянством тока I

предусмотрен дополнительный

контур III— контур нормального элемента. Нормальный элемент представляет

собой образцовую меру ЭДС, равную Е

НЭ

= 1,0186 В и сохраняющую это

значение при кратковременных и малых нагрузках в течение длительного

времени.

При установке ключа Кл в положение К (контроль) проводят сравнение

ЭДС нормального элемента Е

НЭ

с падением напряжения U

на постоянном

резисторе R

. Если при этом стрелка нуль-индикатора не на нуле, т. е. в контуре

/// проходит ток, а это означает, что Е

НЭ

≠ U

, то с помощью реостата R

изменяют ток I

в контуре I до тех пор, пока стрелка нуль-индикатора не

установится