Осипова В.А., Астахова Т.В. Автоматизация металлургических производств. Лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КОНТАКТНЫМ МЕТОДОМ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-41-

ского вещества (газа, жидкости), заполняющего герметически замкнутую

термосистему термометра.

Рис. 3.1. Манометрический термометр

Принципиальная схема показывающего манометрического термометра

приведена на рис. 3.1, а

. Термосистема состоит из термобаллона 1, капилля-

ра 2 и манометрической одно или много витковой пружины 3. Капилляр со-

единяет термобаллон с неподвижным концом манометрической пружины.

Подвижный конец пружины запаян и через шарнирное соединение 4, поводок

5, сектор 6 связан со стрелкой прибора 7. При погружении термобаллона в

среду, температура которой измеряется, изменяется давление термометриче-

ского вещества в замкнутой термосистеме, чувствительный элемент которой

(манометрическая пружина) деформируется и её свободный конец перемеща-

ется. Данное изменение положения пружины преобразуется в соответствую-

щее перемещение регистрирующей стрелки относительно шкалы прибора.

Поперечное сечение манометрической пружины, выполненной в виде

полой металлической (сталь, латунь, бронза) изогнутой трубки, либо оваль-

ное (рис. 3.1, б

), либо сложной формы с пережатым средним участком и дву-

мя каналами каплевидной формы (рис. 3.1, в

), что повышает её механиче-

скую прочность, уменьшает внутренний объём и снижает дополнительную

температурную погрешность, связанную с изменением температуры окру-

жающей среды.

Термобаллон обычно изготовляют из коррозионно-стойкой стали, а ка-

пилляр – из медной или стальной трубки с внутренним диаметром 0,15–0,5 мм.

Длина капиллярной трубки может достигать 60 м.

Для защиты от механических повреждений капиллярную трубку поме-

щают в защитную оболочку из стального плетеного рукава.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КОНТАКТНЫМ МЕТОДОМ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-42-

Манометрические термометры просты по устройству, надежны в рабо-

те при отсутствии электропривода диаграммы – взрыво- и пожаробезопасны.

С помощью этих приборов можно измерять температуру в диапазоне от –150

до 600

С. Класс точности – 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

Для работы со вторичными приборами изготавливают манометриче-

ские термометры с электрическими или пневматическими преобразователя-

ми. Различают газовые, жидкостные и конденсационные (парожидкостные)

манометрические термометры. Устройства манометрических термометры

всех типов аналогичны.

Приборы изготавливаются различных модификаций: показывающие,

самопишущие, с сигнальными и регулирующими устройствами, а также с

выходными унифицированными сигналами для включения в систему автома-

тического контроля и регулирования.

На показания манометрических термометров значительное влияние

оказывают внешние условия: изменение температуры окружающего воздуха

(дополнительная температурная погрешность), различная высота расположе-

ния термобаллона и пружины (гидростатическая погрешность), колебания

атмосферного давления (барометрическая погрешность) [7, с.22

Термопреобразователь сопротивления (ТС) представляет собой изме-

рительный преобразователь с чувствительным элементом, который под воз-

действием температуры изменяет активное сопротивление электрическому

току.

Термометры сопротивления применяют в тех случаях, когда требуется

повышенная точность измерений в пределах от –200 до +650

С. Верхний

температурный предел обусловлен механической и химической стойкостью

материала, из которого изготовлено сопротивление. Изменение электросо-

противления данного материала при изменении температуры характеризует-

ся температурным коэффициентом сопротивления α (1/°С), который опреде-

ляется по формуле

α = (R

– R

)/R

·t,

где t – температура материала, ºС; R

, R

– электросопротивление при 0 ºС и

при температуре t, Ом.

Этот коэффициент должен быть постоянным в широком интервале

температур.

В комплект ТС входят чувствительный элемент, соединительные про-

вода, источник питания и прибор, измеряющий активное сопротивление и

проградуированный в единицах измерения температуры. Чувствительный

элемент ТС может быть выполнен из проводникового или полупроводнико-

вого материала.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КОНТАКТНЫМ МЕТОДОМ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-43-

Недостатками термометров сопротивления являются: необходимость

источника питания, значительная инерционность, измерение температуры не

в точке, а в определенном объеме.

Проводниковые ТС. Материалы, которые используют для изготовления

проводниковых ТС должны обладать следующими свойствами:

устойчивостью к нагреванию, что обусловливает однозначность зави-

симости сопротивления от температуры и стойкость проводника против кор-

розии, а, следовательно, достаточную точность измерений;

большое значение температурного коэффициента α, обеспечивающего

высокую чувствительность прибора;

значительное удельное сопротивление проводника, позволяющее изго-

товить термометры малых размеров;

линейность характеристики температурного коэффициента сопротивления.

Наиболее полно указанным требованиям отвечают платина (интервал

температур от –260 до +750

С) и медь (интервал от –60 до +180

С).

Платина. Электрическое сопротивление проволоки платиновых тер-

мометров сопротивления в интервале температур от 0 до +650

С определяет-

ся по формуле

( )

R R At Bt= ++

, (3.1)

где R

– сопротивление термометра при температуре t,

С; R

– сопротивле-

ние термометра при температуре 0

С; А и В – постоянные коэффициенты

значения которых определяют при градуировке термометра по точкам кипе-

ния кислорода, воды и серы:

А = 3,96847·10

-3

-1

В = –5,847·10

-7

-1

Для платины марки «Экстра»

100

= 1,391,

А = 3,96847⋅10

-3 о

-1

В = 5,847⋅10

-7 о

-2

Сопротивление платины в интервале температур от –200 до 0

С изме-

няется по закону

= R

[1 + At + Bt

+ Ct

(t – 100)], (3.2)

где С – постоянные коэффициенты значения которых определяют при гра-

дуировке термометра по точкам кипения кислорода, воды и серы:

С = – 4,22⋅10

-12 о

-1

Из уравнений (3.1), (3.2) видно, что характеристики платиновых тер-

мометров нелинейны, однако отклонение от линейной характеристики не

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КОНТАКТНЫМ МЕТОДОМ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-44-

превышает 5 % в интервале от 0 до 500

С и 19 % в интервале температур от

–200 до 0

С.

Рис. 3.2. Чувствительный элемент

платинового ТС

На рис. 3.2

показан чувствительный элемент платинового термометра.

Он состоит из двух соединенных последовательно платиновых спиралей 1,

расположенных в каналах керамического каркаса 4. К двум верхним концам

этих спиралей припаяны платиновые или иридиево-родиевые (60 % родия)

выводы 2, к которым приварены выводные проводники, изолированные ке-

рамическими бусами. Для крепления платиновых спиралей и выводов в кера-

мическом каркасе используют глазурь (или термоцемент) 3 на основе окисей

алюминия и кремния. Пространство между платиновыми спиралями и стенка-

ми каналов каркаса заполнено порошком окиси алюминия, который служит

изолятором и улучшает тепловой контакт между спиралями и каркасом.

Для подгонки сопротивления при 0

С изменяют длину нижних концов

платиновых спиралей с последующей пайкой 5.

Для защиты от воздействия химически агрессивных сред и механиче-

ских повреждений чувствительные элементы помещают в кожух, выполнен-

ный из алюминия или нержавеющей стали.

Недостаток платиновых термометров – разрушаемость при вибрации.

Медь. К преимуществам меди следует отнести низкую стоимость, лег-

кость получения ее в чистом виде, сравнительно высокий α = 4,26·10

-3

или нелинейную зависимость сопротивления от температуры:

= R

(1 +at).

Недостатками меди являются малое удельное сопротивление медной

проволоки и высокая окисляемость при температуре выше 100

С.

Полупроводниковые ТС. Полупроводниковые термометры сопротивле-

ния, которые называются термисторами, или терморезисторами, применяют-

ся для измерения температуры в интервале от –90 до +180

С.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КОНТАКТНЫМ МЕТОДОМ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-45-

Чувствительные элементы термисторов, изготовляемые из окислов ме-

ди, марганца, магния, никеля, кобальта и других металлов, имеют форму не-

больших цилиндров, дисков или шариков.

Существенным их преимуществом является большой температурный

коэффициент электрического сопротивления. Вследствие большого удельно-

го электрического сопротивления полупроводников из них можно изготовить

термометры малых размеров с большим начальным сопротивлением, что по-

зволяет не учитывать сопротивление соединительных проводов и других

элементов электрической измерительной схемы термометра.

В узком температурном интервале зависимость электрического сопротив-

ления полупроводникового резистора от температуры выражается уравнением

= A·е

В/Т

где R

– электрическое сопротивление термистора при абсолютной темпера-

туре Т, К; А и В – константы термистора.

На рис. 3.3

показан бусинковый терморезистор, состоящий из полупро-

водникового элемента 1, защищенного стеклянной оболочкой 4. В шарик 1

вмонтированы электроды 2 из платиновой проволоки, соединенные с никеле-

выми выводами 3.

Основным препятствием, ограничивающим широкое внедрение полу-

проводниковых терморезисторов в промышленность, является плохая вос-

производимость их параметров, что исключает их взаимозаменяемость, а

также сравнительно невысокая максимальная рабочая температура (от –60

до 180

С). Чаще всего термисторы используются для сигнализации, также

они нашли широкое распространение как датчики температуры нагрева под-

шипников различных агрегатов [7, с. 25

Термоэлектрический преобразователь (ТЭП) состоит из термоэлемента

(термопары) и подключенного к нему электроизмерительного прибора.

Принцип действия термоэлектрического термометра основан на явле-

нии термоэлектрического эффекта, открытом в 1821 г. Зеебеком и Томпсо-

ном заключающемся в том, что в месте соединения двух проводников А и В

(рис. 3.4

) из разных металлов или сплавов возникает термо-электродвижущая

сила (термоЭДС), величина которой зависит от температуры. В замкнутой

цепи, состоящей из двух или нескольких разнородных проводников, возника-

ет электрический ток в том случае, когда температуры мест их соединений не

одинаковы t и t

. Спай, имеющий температуру t, называется рабочим спаем, а

спай, имеющий постоянную температуру t

– свободным.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КОНТАКТНЫМ МЕТОДОМ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-46-

Рис. 3.3. Бусинковый полупроводниковый

терморезистор

Рис. 3.4. Термоэлектрическая цепь

из двух разнородных проводников

Во всех проводниках имеются свободные электроны, число которых

для различных металлов и сплавов на единицу объема различно и зависит от

природы металлов и температуры. Обычно число свободных электронов в

металлах возрастает с повышением температуры. Предположим, что в спае с

температурой t электроны из электрода А диффундируют в электрода В

в большем количестве, чем в обратном направлении, поэтому электрода А за-

ряжается положительно, а электрода В – отрицательно. Электрическое поле,

возникающее в месте соприкосновения проводников, препятствует этой

диффузии, и когда скорость диффузии электронов станет равна скорости их

обратного перехода под влиянием установившегося электрического поля,

наступает состояние подвижного равновесия. При таком состоянии между

проводниками А и В в точках 1 и 2 возникнут разности потенциалов Е

АВ

(t) и

АВ

), величина которых зависит от материала проводников и от темпера-

туры спаев.

Суммарная электродвижущая сила термопары равна разности ЭДС,

развивающихся в нагретом и холодном концах термопары, т.е.

АВ

(t, t

) = Е

АВ

(t) – Е

АВ

При этих условиях суммарная термоЭДС термопары зависит от темпе-

ратуры t. Следовательно, зная зависимость Е

АВ

(t, t

), от t и поддерживая t

по-

стоянной, можно, измеряя величину Е

АВ

(t, t

), определять значение t.

Если поддерживать температуру t

постоянной, то величина E

) бу-

дет также постоянной и равной С, а уравнение для Е

АВ

(t, t

) примет вид

АВ

(t, t

) = E

(t) – C.

ТЭП состоит из изолированных друг от друга керамическими изолято-

рами термоэлектродов. Концы их сварены между собой и образуют горячий

спай. Свободные концы термоэлектродов подсоединены к контактам специ-

альной колодки. Термоэлектроды и контактные зажимы помещены в защит-

ную арматуру.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КОНТАКТНЫМ МЕТОДОМ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-47-

Допустим, что при градуировке термопары температура свободных кон-

цов была t

, а при измерении изменилась в большую сторону и стала t'

. В этом

случае необходимо вносить поправку. Если t'

> t

, то Е

АВ

(t, t'

) < Е

АВ

(t, t

). Вели-

чину поправки можно записать в виде Е

АВ

(t'

, t

) и получить для данного ТЭП

из градуировочной таблицы. Тогда Е

АВ

(t, t

) = E

(t, t'

) + E

(t'

, t

Рис. 3.5. Схемы термоэлектрических цепей: а – включение измеритель-

ного прибора в разрыв холодного спая; б – включение измерительного

прибора в разрыв одного из термоэлектродов

Правильное измерение температуры возможно лишь при постоянстве

температуры свободных концов ТЭП. Это достигается применением специ-

альных схем подключения ТЭП к измерительному прибору (рис. 3.5

), для че-

го разрывают цепь в свободном конце (рис. 3.5, а

) или один из термоэлектро-

дов (рис. 3.5, б

). В первом случае у термопары будет три спая: один горячий – 1

и два холодных – 2 и 3 с постоянной температурой t

. Во втором случае у

термопары окажется четыре спая: один горячий 1, один холодный 2 и два

нейтральных 3 и 4 с одинаковой температурой t

[7, с. 35].

В качестве измерительных приборов ТС применяют уравновешенные

(неуравновешенные) мосты и логометры.

Автоматические уравновешенные мосты широко используются для из-

мерения и регистрации температуры в комплекте с ТС, а также других пара-

метров, изменения, значения которых могут быть преобразованы в измене-

ние активного сопротивления. Их характеризуют высокая точность и воз-

можность использования в системах автоматического регулирования. Они

выпускаются различных модификаций одно- и многоточечные, с дисковой и

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КОНТАКТНЫМ МЕТОДОМ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-48-

ленточной диаграммой, с дисковой и ленточной диаграммой, сигнальными

устройствами и др.

На рис. 3.6

приведена принципиальная схема автоматического уравно-

вешенного моста, работающего на переменном токе.

Рис. 3.6. Принципиальная схема автоматического уравновешенного моста: R

–

реохорд; R

, R

– известные сопротивления; R

– термопреобразователь сопро-

тивления; R

–сопротивление проводов; ЭУ – электронный усилитель; РД – ре-

версивный электродвигатель

Мостовая схема находится в равновесии, если напряжение на измери-

тельной диагонали U

= 0, следовательно, ротор РД не вращается, т.к. на-

пряжения на вход электронного усилителя не подается.

При изменении температуры в объекте изменяется сопротивление R

напряжение разбаланса на вершинах моста а и b подается на вход электрон-

ного усилителя ЭУ. В нем оно усиливается до величины, достаточной для

приведения в действие реверсивного электродвигателя РД. Ротор двигателя

вращается в ту или другую сторону (в зависимости от знака разбаланса) и че-

рез систему передач перемещает движок компенсирующего переменного ре-

зистора (реохорда) R

, уравновешивая измерительную схему моста, а также

перемещает показывающую стрелку и соответствующие элементы выходных

устройств (ВУ).

Современные автоматические мосты комплектуются различными (в за-

висимости от модификации) выходными устройствами: регулирующими,

сигнализирующими, датчиками для дистанционной передачи показаний при-

бора, задатчиками и т.д. Одно из таких устройств – реохордное устройство

для дистанционной передачи показаний, которое состоит из дополнительного

реохорда R′

, движок которого жестко связан с движком измерительного рео-

хорда R

. Оба движка реохордов R

и R′

перемещаются одновременно, и,

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КОНТАКТНЫМ МЕТОДОМ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-49-

следовательно, каждому значению измеряемой величины соответствует рав-

нозначное положения движка реохорда дистанционной передачи показаний

прибора.

На рис. 3.7

показана схема логометра. Это магнито-электрические при-

боры, подвижная система которых состоит из двух жестко скрепленных ме-

жду собой рамок, расположенных под некоторым углом.

Рис. 3.7. Принципиальная схема логометра

Постоянный магнит снабжен полюсными наконечниками N и S с ци-

линдрическими выточками. Центры выточек полюсных наконечников сме-

щены относительно центра сердечника. Между полюсными наконечниками

расположен цилиндрический сердечник из стали, во круг которого вращается

подвижная система из двух рамок – R

и R

. К рамкам прикреплена стрелка,

перемещающаяся вдоль шкалы. Напряженность магнитного поля в зазоре

между полюсами и сердечником различна: она уменьшается от середины по-

люсных наконечников к их краям из-за увеличения воздушного зазора. Что-

бы повысить чувствительность прибора, подвод тока осуществляется с по-

мощью безмоментных вводов, выполненных в виде тонких золотых ленточек

или спиральных пружинок.

К рамкам подводится ток от общего источника питания А. В рамку R

ток поступает через резистор R

постоянного сопротивления, в рамку R

–

через R

и ТС R

. Обе рамки имеют одинаковое число витков и включены так,

что вращающие моменты М

и М

направлены навстречу один другому.

Направление сил тока I

и I

таково, что вращающие моменты рамок

оказываются направленными навстречу один другому.

Вращающие моменты рамок равны:

= С

· В

· I

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КОНТАКТНЫМ МЕТОДОМ



Автоматизация металлургических производств. Метод. указания к лабораторным работам

-50-

= С

· В

· I

где С

, С

– постоянные, геометрических размеров и числа витков рамок; В

– индукции в зоне расположения рамок.

Если сопротивление рамок одинаковое R

= R

, R

= R

+ R

, то токи I

, протекающие по рамкам, будут одинаковые, следовательно, и вращающие

моменты рамок будут равны между собой: M

= M

. При этом подвижная сис-

тема находится в среднем положении. При изменении сопротивления термо-

метра вследствие нагрева (или охлаждения) через рамку потечет ток большей

силы, равенство моментов нарушится, подвижная система начнет поворачи-

ваться в сторону действия большего момента. При вращении подвижной сис-

темы рамка, по которой течет ток большей силы, попадает в зазор с меньшей

магнитной индукцией, вследствие чего действующий на нее момент умень-

шается. При этом другая рамка входит в зазор с большей магнитной индук-

цией и ее момент увеличивается. Вращение рамок продолжается до тех пор,

пока их вращающие моменты станут снова равны.

Угол поворота подвижной системы является функцией сопротивления

термометра R

, поэтому по величине отклонения стрелки можно судить о ве-

личине R

, а следовательно, и о температуре в объекте измерения. Угол пово-

рота в определенных пределах не зависит от изменения напряжения источни-

ка питания. Так, при колебаниях напряжения питания ± 20 % возникает угло-

вая погрешность ∆ϕ ≈ 0,5–1 %.

Показания прибора не зависят от колебания напряжения источника пи-

тания только в определенных границах. К рамкам логометра ток подводится

тремя тонкими спиральными волосками, служащими одновременно для воз-

вращения стрелки прибора к началу шкалы при прекращении питания при-

бора током [7, с. 28

Для измерения термоЭДС термопары применяют магнитоэлектриче-

ские милливольтметры и потенциометры.

Магнитоэлектрические милливольтметры основаны на взаимодействии

проводника, по которому течет ток, и магнитного поля постоянного магнита.

В результате взаимодействия этих полей возникает вращающий электромаг-

нитный момент, действующий на проводник. На рис. 3.8

приведена электри-

ческая схема милливольтметра, которая образована подвижной рамкой и по-

стоянным магнитом.