Туяхов И.А. Практическая метрология

Подождите немного. Документ загружается.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

- температура в местах соединения проводников должна быть

различна, т.е. t

≠ t

Возникновение контактной разности потенциалов в месте сопри-

косновения двух проводников можно объяснить также из теории

Ферми, в которой свободные электроны в металлах характеризуются

величиной энергетического потенциала. Величина потенциала ото-

ждествляется с глубиной потенциальной ямы, в которой находятся

электроны. При соприкосновении двух металлов электроны будут

стремится перейти (падать) из менее глубокой потенциальной ямы в

более глубокую, создавая при этом контактную разность потенциалов.

Соединение двух проводников из разных металлов при различной

температуре в местах соединения проводников, выполненное с целью

измерения температуры газообразных, жидких и твердых сред (или

получения электрической энергии) получило название " термопара "

(или термоэлектрический генератор). Согласно вышеприведенному,

можно записать основное уравнение термопары:

ΔΕ=Ε

–Ε

,(2.12)

где ΔΕ - результирующая ЭДС, развиваемая термопарой;

– ЭДС, возникающая в месте соединения при температуре t

;

– ЭДС, возникающая в месте соединения при температуре t

Результирующая ЭДС зависит от рода соединенных между собой

проводников (например, медь – железо, медь – алюминий и др.) и от

значения температур в местах соединения этой пары проводников.

Отсюда следует важный вывод, что для однозначного измерения тем-

пературы в каком – либо месте пространства с использованием термо-

пары необходимо стабилизировать и знать температуру в каком – ли-

бо одном месте (из двух) соединения проводников. В этом случае

можно записать уравнение термопары:

ΔΕ=Ε

– const (2.13)

Вид функциональной зависимости ΔΕ=f(t

, t

) для конкретной па-

ры проводников определить в настоящее время затруднительно, а по-

этому эта зависимость устанавливается экспериментально методом

сравнения с образцовыми термометрами. Этот процесс называется

"градуировка термопары", при этом, температура одного из концов

поддерживается постоянной и равной 0°С. В процессе "градуировки"

получают градуировочную характеристику выбранной пары провод-

ников (термопары), используя которую на практике, можно измерить

температуру по измеренной ЭДС.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

Для измерения термо-ЭДС, развиваемой термопарой, используют

два способа подключения измерительного прибора: в разрыв электро-

да (рисунок 2.13а) и в разрыв спая, т.е. в разрыв места соединения

(рисунок 2.13б) В первом случае у термопары будет четыре конца:

рабочий с температурой t

, свободный с температурой t

и нейтраль-

ные с температурой t

, причем, температуры этих двух нейтральных

концов должны быть постоянными при любом их значении.

Во втором случае у

термопары будет три

конца: рабочий с тем-

пературой t

, погружае-

мый в среду, темпера-

туру которой необхо-

димо измерить, и два

свободных конца, кото-

рые должны находиться

при постоянной темпе-

ратуре t

=сonst.

На практике чаще

используется второй

вариант (б) подключе-

ния измерительного

прибора в цепь термо-

пары, что связано, в ос-

новном, с более простой

конструкцией термопа-

ры, имеющей один спай (одну точку соединения), а не два, как в пер-

вом варианте.

При подключении измерительного прибора в цепь термопары об-

разуется две новые термопары. Определим, как влияет подключение

третьего проводника в цепь термопары (рисунок 2.14). Если темпера-

тура во всех точках подсоединения проводников одинакова, т.е. t

то суммарная ЭДС, развиваемая всеми (тремя) термопарами равна ну-

лю (по второму закону термодинамики энергию можно получить если

имеется разность высот, температур, потенциалов и т.д.):

ΔЕ=Е

2.1

+Е

3.1

+Е

3.2

=0(2.14)

Отсюда:

–Е

2.1

=+(Е

3.1

+Е

3.2

)(2.15)

а – в разрыв электрода;

б – в разрыв места соединения

Рисунок 2.13 – Включение измерительного

прибора в цепь термопары

объект

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

При неравенстве температур, t

≠t

, суммарное ЭДС равно:

ΔЕ=E

2.1

3.1

3.2

(2.16)

Подставив значение Е

2.1

из уравнение (2.15) в уравнение (2.16),

получим:

ΔЕ=E

2.1

–Е

2.1

(2.17)

Таким образом, включе-

ние в цепь термопары третьего

проводника (включение изме-

рительного прибора при по-

мощи третьего проводника) не

оказывает влияния на суммар-

ную ЭДС термопары при усло-

вии, что температура t

будет

одинакова в двух точках под-

соединения третьего провод-

ника. Эти две точки должны

находиться достаточно близко

друг от друга, чтобы обеспечи-

вались одинаковые темпера-

турные условия в этих точках.

Для увеличения чувствительности термоэлектрического метода

измерения температуры в ряде случаев применяют термобатарею: не-

сколько последовательно включённых термопар, рабочие концы кото-

рых находятся при температуре t

, свободные при известной и посто-

янной температуре t

(рисунок 2.15). При таком соединении термо-

ЭДС, развиваемая термопарами, суммируется, т.е. термо-ЭДС термо-

батареи, состоящей из n термопар, в n раз больше термо-ЭДС отдель-

ной термопары. Термобатарея применяется при малых разностях тем-

ператур между объектом и окру-

жающей средой.

Термобатареи применяются

также для получения электроэнер-

гии, которая может питать малые по

мощности потребители ее (напри-

мер, морские буи, сигнализаторы,

радиосхемы и др.).

В некоторых случаях возникает

необходимость измерения разности

Рисунок 2.14 – Включение третьего

проводника в цепь термопары

Ме

Рисунок 2.15 – Термобат

рея

объект

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

температур в двух точках одного тела (например, для определения

теплового потока, проходящего через тело) или в двух однотипных

объектах (например, в системах управления тепловыми процессами в

объектах). На рисунке 2.16 показана дифференциальная термопара,

когда ЭДС одной термопары включают навстречу ЭДС другой термо-

пары.

Термопару можно изгото-

вить из любой пары как чистых

металлов, так и их сплавов, по-

лучая бесчисленное множество

устройств (термоэлектрических

термометров) для измерения

температуры. Однако, не все

проводники могут быть ис-

пользованы для изготовления

термопар. К материалам, ис-

пользуемым для изготовления

термопар, предъявляются такие

требования:

- линейная характеристика, т.е. линейная зависимость между из-

меряемой температурой и вырабатываемой термо-ЭДС;

- стабильность характеристики в течение длительного времени

работы;

- высокая жаростойкость (окалиностойкость), т.е. способность

работать в условиях повышенных температур без окисления

термопарных проводов;

- высокая жаропрочность (сохранение механических свойств при

высокой температуре);

- химическая стойкость при работе в агрессивных средах как

жидких, так и газообразных;

- однозначность характеристики в широком диапазоне температур;

- однородность термоэлектрических свойств по длине проводника;

- легкость технологической обработки материала для получения

термопарного провода;

- хорошие экономические показатели.

Вышеприведенные требования резко уменьшают количество ма-

териалов, из которых можно изготовить термопары. Ниже приводятся

типы термопар, принятых в соответствии со стандартами, применяе-

мых в Украине, в России и в международной практике, а также даются

их основные характеристики.

Рисунок 2.16 – Дифференциальная

те

мопара

объект 1

объект 2

–

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

Платинородий-платиновая термопара применяется для дли-

тельного измерения температур в области от 0 до 1300°С и кратко-

временно – до 1600°С. Градуировочное обозначение этих термопар –

ПП.

Один электрод (отрицательный) состоит из чистой платины, вто-

рой электрод (положительный) представляет собой сплав, состоящий

на 10 % из родия (Rh) и на 90% из платины (Pt). Термоэлектроды этих

термопар изготовляют из проволоки диаметром 0,5 мм, что удовле-

творяет условиям достаточной прочности и приемлемой стоимости

термоэлектродных проводов. Эти термопары сохраняют стабильность

градуировочной характеристики в окислительной и нейтральной сре-

дах. В восстановительной атмосфере платинородий–платиновые тер-

мопары не рекомендуется применять, так как происходит существен-

ное изменение градуировочной стандартной характеристики. Сильное

отрицательное воздействие оказывает контакт этих термопар с угле-

родом и углеродосодержащими веществами (например, CO

др.), парами металлов, соединениями кремния.

Платинородий–платиновые термопары (ПП) относятся к числу

лучших термоэлектрических термометров по точности и воспроизво-

димости термо–ЭДС, поэтому они применяются в основном в качест-

ве эталонных и образцовых термометров. В этой функции они разде-

ляются на следующие три разновидности: эталонные (ТПП - Э), об-

разцовые (ТПП - О), рабочие повышенной точности (ТПП - РПТ) и

технические (ТПП).

Эталонные платинородий–платиновые термопары служат для

воспроизведения Международной практической температурной шка-

лы от 630,74 до 1064,43° С. Для этой области температуру рассчиты-

вают по уравнению

E(t, t

)=а+b⋅t+c⋅t

(2.18)

где a, b, c – экспериментально найденные константы (приводятся в

метрологических справочниках).

Предел допустимой основной погрешности термопары ПП рас-

считывается по формуле:

ΔΕ=0,01+2,5⋅10

-5

⋅(t – 300), мВ (2.19)

Платинородий–платинородиевые термопары получили большое

распространение в промышленности и в лабораторной практике для

длительного измерения высоких температур от 300 до 1600

С и крат-

ковременно – до 1800

С. Положительный электрод – сплав из 30%

родия и 70% платины, а отрицательный – из 6% родия и 94% платины.

Градуировочное обозначение этих термопар – ПР 30/6 (цифры указы-

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

вают содержание родия в одном и втором термоэлектродном проводе),

и они обладают теми же положительными и отрицательными характе-

ристиками, что и термопары с градуировкой ПП. Однако, они отлича-

ются большей стабильностью градуировочной характеристики чем

термопары ПП, но при меньшем значении развиваемой ЭДС, т.е.

имеют меньшую чувствительность. Предел допустимой основной по-

грешности термопары ПР 30/6 рассчитывается по формуле в пределах

температур от 300 до 1800

С:

ΔΕ=0,01+3,3⋅10

-5

⋅(t – 300), мВ (2.20)

Хромель – копелевые термопары широко применяются для изме-

рения температур различных сред в пределах от – 50 до 600 °С. Гра-

дуировочное обозначение этих термопар ХК. Из всех существующих в

настоящее время типов термопар хромель–копелевые обладают наи-

большей термо-ЭДС (при температуре 600 °С они развивают более

49 мВ) а, значит, имеют наибольшую чувствительность. В качестве

положительного электрода используется хромель – сплав на основе

никеля (89%Ni+9,8%Cr+10%Fe+0,2%Mn), а отрицательного – копель,

сплав меди и никеля (64% Сu+46% Ni). Термопары типа ХК могут

эксплуатироваться как в окислительной так и в восстановительной

атмосферах в указанном диапазоне измерения температур и применя-

ются для измерения температуры продуктов сгорания в дымоотводя-

щих трактах печей, для контроля температуры различных деталей,

работающих в условиях повышенных температур и в других областях.

Хромель–алюмелевые термопары с градуировочной характери-

стикой ХА применяются для измерения температур от –200 до 1100

(кратковременно можно измерять температуру 1300

С). Положитель-

ным термоэлектродом является хромелевая проволока, отрицатель-

ным служит алюмель, представляющий собой магнитный сплав на

никелевой основе (94%Ni+2%Al+2,5%Mn+1%Si+0,5% примесей).

Термопары типа ХА применяются для измерения температуры в рабо-

чем пространстве тепловых агрегатов (печей, котлов и др.), темпера-

туры газовых сред, пара и жидкости. Отличительной особенностью

этих термопар является достаточно высокая стабильность градуиро-

вочной характеристики при высокой интенсивности ионизирующих

излучений, что позволяет использовать их при различных темпера-

турных измерениях на атомных электростанциях.

Предел допустимой основной погрешности для термопары типа

ХА рассчитывается по формуле (в пределах от 300 до 1300°С)

ΔΕ=0,16+2,0⋅10

-4

⋅(t – 300), мВ (2.21)

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

Вольфрам–рениевые термопары с градуировочной характери-

стикой ВР применяются сравнительно редко и предназначены для

длительного измерения температур от 0 до 2200°С, кратковременно –

до 2500°С. Наибольшее распространение среди этих типов термопар

получила термопара ВР 5/20. Положительным термоэлектродом явля-

ется сплав "вольфрам–рений" с 5% рения, отрицательным – "вольф-

рам–рений" с 20% рения. Термопары типа ВР применяют для измере-

ния температуры расплавленной стали. Они могут быть использованы

для измерения температуры в вакууме, в нейтральной или восстанови-

тельной среде. Пределы допустимой основной погрешности термопа-

ры типа ВР 5/30 рассчитывается по формуле (в пределах температур

от 1000 до 1800

С);

ΔΕ=0,08+4,0⋅10

-5

⋅(t – 1000), мВ (2.22)

В настоящее время разрабатываются типы термопар из тугоплав-

ких соединений для измерения высоких и сверхвысоких температур,

способных работать в различных условиях (в вакууме, в сильноагрес-

сивных средах, различных расплавах солей, щелочей, в жидких ме-

таллах и др.). Среди таких типов можно выделить следующие:

- термопары из молибдена с рением (MoRe20/40, MoRe 20/50)

применяют для измерения температур в средах, содержащих углерод,

т.к. и Re и Mo слабо поддаются процессам карбидизации. Верхний

предел измерения температур 2200°С;

- термопары из дисилицида молибдена (MoSi

), дисилицида

вольфрама (WSi

), борида циркония (ZrB

), карбида титана (TiC) и

графита (C). Например, термопара с электродами MoSi

- WSi

- для

измерения температур до 1700°С газовых сред, некоторых расплав-

ленных солей, стекломасс и металлов; термопара с электродами С-

ZrB

- для измерения температур до 1800°С расплавов стали, чугуна,

цветных и редких металлов; термопара с электродами С-TiC для изме-

рения температур до 2500°С восстановительных, нейтральных, инерт-

ных газовых сред в вакууме; термопара с электродами Zr

C–NbC

(цирконий-углерод – ниобий-углерод) и NbC–HfC (ниобий-углерод –

гафний-углерод) для измерения температур до 3500°С.

2.6 Способы повышения качества измерения температуры термо-

парами

Один из основных недостатков измерения температуры с исполь-

зованием термопар является влияние температуры свободных концов

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

термоэлектродных проводов на точность измерения температуры в

объекте. На практике применяется несколько способов устранения

или уменьшения влияния изменения температуры окружающей среды

на термо-ЭДС термопары.

Применение холодильника с температурой 0

С. Самым точным

методом измерения температуры термопарами является помещение

свободных концов термопары в специальный холодильник, где под-

держивается температура 0°С (рисунок 2.17)

Такой способ из-

мерения не требует

введения поправки на

температуру свобод-

ных концов, и показа-

ние измерительного

прибора принимается

за действительное зна-

чение температуры в

объекте.

В качестве холо-

дильника используется

небольшое изолиро-

ванное от внешней среды компактное устройство, работающее на эф-

фекте Пельтье, который является обратным эффекту Зеебека. На

внутренней стенке холодильника располагается батарея термопар,

свободные концы которой находятся ближе к внешней поверхности.

Через батарею термопар пропускают постоянный ток, при этом, рабо-

чие концы охлаждаются, а свободные нагреваются и таким образом

внутри холодильника устанавливается температура 0º С при расчет-

ном значении пропускаемого тока.

Применение термостата со стабильной температурой (рису-

нок 2.18). Если при измерении температуры не требуется повышенная

точность и при этом температура в том месте, где располагаются сво-

бодные концы, не меняется заметно, то можно использовать пассив-

ный термостат для размещения в нем свободных концов термопары.

Температура в термостате должна измеряться жидкостным стеклян-

ным термометром для введения постоянной поправки на температуру

свободных концов. Ниже приводится методика расчёта поправки на

температуру свободных концов термопары.

Пример 2.3. Определить поправку при измерении температуры

термопарой с градуировкой ХК, если измерительный прибор показы-

1 – объект измерения; 2 – термопара; 3 – холо-

дильник; 4 – измерительный прибор

Рисунок 2.17 – Схема стабилизации температу-

ры свободных концов термопары с использова-

нием холодильника

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

вает 360º С, а темпера-

тура свободных концов,

помещённых в

термостат составляет

+40º С.

Расчёт поправки

проводится по следую-

щей схеме:

- по градуировоч-

ной таблице для термо-

пары ХК определяется

термо-ЭДС при темпе-

ратуре свободных кон-

цов:

мВ66,2Е

С40t

°=

- по температуре, которую показывает измерительный прибор,

определяется термо-ЭДС этой же термопары:

t=360°C

=29,01мВ.

- определяется сумма термо-ЭДС:

tд

t=40°C

t=300°C

=2,66+29,01=31,67мВ.

- по градуировочной таблице определяется действительное зна-

чение температуры:

=f(E

tд

)=403

C .

Поправка для данного случая измерения температуры составляет 3°С.

Применение специальных термоэлектродных удлиняющих (ком-

пенсационных) проводов. При измерении температуры в реальных ус-

ловиях производства с использованием термопар расстояние между

измерительным прибором (которое часто располагается на щите

управления агрегатом) и собственно термопарой составляет от не-

скольких до десятков метров. Если соединить термопару с

измерительным прибором, например, алюминиевыми или медными

проводами, то в точках соединения этих проводов и свободных

концов термопар возникнут новые термопары, что приведет к

появлению паразитной термо-ЭДС. Для исключения паразитных

термо-ЭДС применяют так называемые удлиняющие (или

компенсационные) провода, которые в паре между собой должны

развивать ту же термо-ЭДС при температуре свободных концов , что и

сама термопара (рисунок 2.19), т.е.

пров

)t,t(

терм

)t,t(

0101

ЕE = (2.23)

1 – объект измерения; 2 – термопара;

3 – термостат; 4 – термометр; 5 – измеритель-

ный прибор

Рисунок 2.18 – Схема стабилизации темпера-

туры свободных концов термопары с исполь-

зованием термостата

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

При подключе-

нии проводов к тер-

мопаре необходимо

соблюдение поляр-

ности.

Таким образом,

при применении уд-

линяющих проводов

происходит перенос

свободных концов

термопары из точек

с температурой t

(эти точки находятся

в непосредственной

близости от объекта, где могут происходить колебания температур

примерно от 0 до 100

С) в точки с температурой t

, т.е. возле клемм

измерительного прибора, где температура более стабильна.

Для каждого типа термопар применяются свои собственные уд-

линяющие термоэлектродные провода, которые подбираются из усло-

вия формулы 2.23. Рекомендуемые удлиняющие термоэлектродные

провода для наиболее распространенных типов термопар приведены в

таблице 2.4, где указана полярность каждого провода для правильного

подключения их к соответствующим проводам термопары.

Таблица 2.4 – Рекомендуемые удлиняющие термоэлектродные

провода

Удлиняющие провода

положительныйотрицательный

Тип

термопары

материал

цвет

оплетки

материал

цвет

оплетки

Обозначение

проводов

ХКХромельФиолетовыйКопельЖёлтыйХК

ХАМедьКрасныйКонстантанКоричневыйМ

ППМедьКрасный

Сплав ТП

(99,4%Cu+0,6%Ni)

ЗелёныйПП

ВРМедьКрасныйСплав МН 2,4 СинийМ-МН

Применение внешнего источника питания. Как было указано

выше, повышение температуры свободных концов термопары приво-

дит к уменьшению общей термо-ЭДС термопары и занижению ре-

1 – термопара; 2 – удлиняющие провода;

3 – измерительный прибор

Рисунок 2.19 – Схема соединения термопары

с измерительным прибором удлиняющими

проводами