_17. Бова, Афанасов. Компенсация свободных концов термопреобразователей

[Leonid]

Исполнители: студент гр. 441-об Бова Дмитрий Евгеньевич,
                              студент гр. 441-об Афанасов Леонид Сергеевич
Научный руководитель: доцент Ожигова Н.М. 

Тема: Компенсация влияния изменения температуры свободных концов термоэлектрических преобразователей на показания приборов

       Термоэлектрические преобразователи, как и термопреобразователи сопротивления, являются наиболее распространенными средствами измерения температуры.
       Термоэлектрический метод измерения температуры основан на зависимости термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), развиваемой термопарой от температуры ее рабочего конца. ТермоЭДС возникает в цепи, составленной из двух разнородных проводников (электродов) А и В  (рисунок 1,а), если значения температуры мест соединения t и t₀ не равны (при равенстве температур термоЭДС равна нулю). Возникающая в цепи термопары ЭДС является результатом действия эффектов Зеебека и Томпсона.
       Эффект Зеебека - появление ЭДС в месте спая двух разнородных проводников, причем величина ЭДС зависит от температуры спая.
       Эффект Томпсона связан с возникновением ЭДС в однородном проводнике при наличии разности температур на его концах.

                                                                     Рисунок 1 - Цепи термопар:
                                                                                          а - соединение двух проводников;
                                                                                          б, в - варианты включения третьего проводника;
                                                                                          г, д - варианты включения измерительного прибора ИП

      Очевидно, что температуру с помощью термопары можно измерить, если выполнить следующие условия:
рабочий конец термопары поместить в контролируемую среду, а температуру другого спая (свободных концов) стабилизировать;
измерить термоЭДС, развиваемую термопарой;
иметь градуировочную характеристику Е(t,t0) термопары - зависимость термоЭДС от температуры рабочего конца (т.е. измеряемой температуры) при определенном значении t0.
       ТермоЭДС, развиваемые в схемах (рисунок 1, б, в), будут одинаковыми, если только будут равны между собой температуры  t' и t'', т.е. при соблюдении условия  t' = t''. На основания изложенного можно представить два способа включения измерительного прибора (ИП) в цепь термопары: в разрыв свободных концов (рисунок 1, г) или в разрыв электрода (рисунок 1, д).
       Два любых разнородных проводника могут образовать термопару, но не любая термопара может использоваться для практических температурных измерений. К материалам для термопар (термоэлектродным материалам) предъявляется ряд требований: жаропрочность, химическая стабильность, воспроизводимость материалов (для обеспечения взаимозаменяемости термопар), заключающаяся в одинаковой зависимости термоЭДС термопары от температуры.
       Термопара - это соединение двух разнородных проводников - электродов. Для практического использования термопары ее электроды должны быть изолированы и помещены в защитную арматуру. Такая конструкция называется термоэлектрическим преобразователем (ТЭП). ТЭП - это термопреобразователь, действие  которого основано на зависимости термоэлектродвижущей силы термопары от температуры.
       Термопара является основным элементом средств измерения температуры - термоэлектрических преобразователей (ТЭП).
В соответствии с ГОСТ Р50431-92 в таблице 1 приведены пределы длительного (кратковременного) применения для некоторых используемых в теплоэнергетике                ТЭП, имеющих следующие обозначения:
ТПП(S,R) - платинородий платиновые;
ТХА(К) - хромель-алюмелевые;
ТХК(L) - хромель-копелевые;
ТХК(Е) - хромель-константановые.

Таблица № 1 - Стандартные термоэлектрические преобразователи

       В соответствии с ГОСТ Р50431 - со стандартом в настоящее время для обозначения НСХ должны использоваться только латинские буквы (приведены в скобках).

Таблица № 2 - Номинальные статические характеристики  термоэлектрических преобразователей

       В таблице 2 и на рисунки 2, а приведены статические характеристики термопар ХА, ХК, ПП. Из графиков видно, что наибольшую термоЭДС развивает термопара ХК, наименьшую (из этих трех) термопара ПП. Поэтому при невысоких температурах целесообразнее использовать термопреобразователи типа ТХК.

      Для получения численных значений измеряемой  температуры к термопреобразователю необходимо при подключении показывающего прибора, измеряющий термоЭДС термопары (вторичный прибор), шкала которого должна быть в градусах. Такое соединение называется термоэлектрическим термометром. В дальнейшем будут использоваться все эти термины. Чтобы температурная шкала вторичного прибора была равномерной, желательно, чтобы коэффициент преобразования термопары (преобразователя) S не зависел бы от измеряемой температуры t в пределах диапазона измерения, в противном случае возникает необходимость в применении линеаризации. При оценке зависимости S = f(t) температурный интервал ∆t в выражении S = ∆E/∆t следует брать возможно малым - теоретически нужно использовать производную S = dE/dt.
       Используя «теорему о третьем проводнике» - включение в цепь термопары «АВ» третьего проводника «С» из любого материала не вызовет искажений термоЭДС, если температуры мест присоединения этого проводника одинаковы. Из этой теоремы вытекает ряд важных практических положений. Рабочий спай термопары может быть образован сваркой любым материалом, если только температура во всех точках сварного слоя будет одинаковой (рисунок 2, б).
Теорема о третьем проводнике имеет ряд практических выводов (рисунок 2, в), Температуру массивного металлического бруска можно измерить по схеме 1 - прикрепив к металлу каждый электрод в отдельности, если температура во всех точках поверхности бруска одинакова, или по схеме 2 - прикрепив к металлу рабочий спай термопары.
       Рассмотрим конструкцию термоэлектрического пребразователя.
       Условно термоэлектрические преобразователи подразделяются на термопреобразователи общепромышленного назначения и специальные. Термоэлектрический преобразователь -- это термопара с изолированными электроламп, помещенными в защитную арматуру.
Рассмотрим вначале первую группу. Существует большое разнообразие конструктивных исполнений преобразователей. На рисунке 3 представлена схема устройства одной из разновидностей преобразователя общепромышленного назначения. Электроды 1 термопреобразователей ТХК и ТХА общепромышленного назначения обычно выполняются из проволоки диаметром, обеспечивающим пренебрежимо малое сопротивление термопары и достаточную механическую прочность.

      При этом можно не учитывать изменение сопротивления электродов при изменении температуры, что важно при использовании некоторых типов милливольтметров в качестве вторичных приборов. Рабочий спай 2 обычно выполняется сваркой.
       Для изоляции термоэлектродов используют кварцевые (до 1000 °С) или фарфоровые (до 1400 °С) трубки или бусы. При более высоких температурах применяются оксиды металлов: алюминия, магния, бериллия и т.п. На рисунке 3 в качестве изолятора изображена трубка 3, представляющая стержень с двумя продольными отверстиями, в которые пропущены электроды. Рабочий спай может быть защищен керамическим наконечником 5. Материалом защитной арматуры 4 обычно является нержавеющая сталь (до 900 °С), при высоких температурах используются специальные сплавы. Арматура заканчивается головкой 7, в которой расположена сборка 8 с зажимами 9, к которым подведены электроды термопары и через герметизированный ВВОД 11 -- термоэлектродные удлиняющие провода 10. Внутренняя полость защитной арматуры может быть герметизирована заливкой 6 верхней части. На наружной поверхности арматуры располагаются элементы 12 (например, штуцера) для крепления защитной арматуры к объекту. Защитная арматура может не иметь штуцера, либо штуцер может быть подвижным (при невысоких давлениях контролируемой среды). Длина монтажной части L различных модификаций составляет (0,08...2,5) м, диаметр рабочей части (5…25) мм.
Специальные термопреобразователи изготовляются на основе кабельных (рисунок 4) термопреобразователей типов КТХАС, КТХАСП, КТХКС. Они предназначены для измерения температуры от --50 до 1000 °С и в основном используются в реакторной термометрии.

      Для ТЭП обязательной является процедура проверки герметичности оболочки и измерение сопротивления изоляции. По существующим нормам сопротивление должно быть не менее 1000 МОм.
       Для измерения температуры в нескольких точках могут использоваться кабельные многозонные термопреобразователи (рисунок 4, 6). Такой преобразователь (ТЭП) имеет три или пять рабочих спаев при расстоянии между ними 1 или 1,5 м при общей длине 25 м и внешнем диаметре оболочки 3 или 6 мм. Число выводов ТЭП соответственно равно 4 или 6. Из       рисунка 4,6 видно, что для измерения температуры в точке t1, прибор нужно подключить к выводам 1 и 4, а для измерения в точке t3 -- к выводам 3 и 4. Все материалы и элементы многозонного ТЭП аналогичны однозонному (рисунок 4, а). Достоинства такого ТЭП очевидны -- возможность измерения температуры в нескольких точках в труднодоступных местах благодаря большой протяженности и малому диаметру при малом количестве металла, вводимого в контролируемую зону.
       В комплект термоэлектрического термометра, помимо термопары и измерительного прибора ИП входят удлиняющие провода, которыми соединяются клеммы термопары и зажимы измерительного прибора. Причем длина этих проводов в каждом случае индивидуальна и зависит от взаимного расположения термопары и измерительного прибора. В этом случае в измерительной цепи появляются два дополнительных проводника: ТЭ1 и ТЭ2 ( рисунок 5).

      При прокладке соединительной линии между термопарой и измерительным прибором свободные концы термометра, находящиеся на зажимах в его головке, будут расположены около нагретых поверхностей, т.е. в зоне переменной температуры t1. Чтобы отнести эти концы в зону с постоянной и более низкой температурой t0 применяется так называемые термоэлектродные компенсационные (удлиняющие) провода, состоящие из двух жил изготовленных из металлов или сплавов, имеющих одинаковые или схожие термоэлектрические свойства с термоэлектродами термометра.
Посредством удлиняющих проводов производится «наращивание» термоэлектродов термометра, позволяющая отнести свободные концы от места его установки в более благоприятные условия.
       Для термометров из неблагородных металлов удлиняющие провода изготавливаются чаще всего из тех же материалов, что и термоэлектроды, тогда как для термометров из благородных металлов в целях удешевления удлиняющие провода выполняются из материалов, развивающих в паре между собой примерно туже термоЭДС, что и термометр, для которого они предназначены. Во избежание неправильного подключения компенсационного провода, изоляцию его жил имеет определенную расцветку в зависимости от используемого материала. В таблице 3 приведены характеристики основных типов компенсационных проводов.

      Если термоэлектродные провода правильно выбраны и подключены к ТЭП, то места их подключения к измерительному прибору рассматривают как свободные концы. Термоэлектродные провода подбираются таким образом, что в паре они имеют характеристику, совпадающую с характеристикой используемого ТЭП в заданном интервале температур.
       Если температура свободных концов термопары отлична от 0, в показании термоэлектрического термометра должна быть внесена поправка, либо свободные концы термопары подлежат термостатированию. Термостатирование способ поддержания постоянства температуры свободных концов в сосуде Дьюара.
Для измерения температуры в промышленных условиях термостатирование не является приемлемым вариантом ввиду громоздкости термостатирующих устройств и потребности в постоянном за ними наблюдении. В промышленном условиях вводится поправка на температуру свободных концов, которые компенсируют разницу между градуировачной температурой t0 (0 °C) и текущей температурой в помещении t_0^'.
Существует два способа введения поправки: ручной и автоматический.
В настоящее время широко применяется автоматическое введение поправки с помощью компенсационного устройства УК. Теперь измерительный комплект для измерений температуры термоэлектрическим методом состоит (рисунок 6): термоэлектрический преобразователь (ТЭП), компенсационное устройство (УК) для автоматического введения поправки на изменении температуры свободных концов преобразователя, удлиняющих термоэлектродных проводов ТЭ1 и ТЭ2 между ТЭП и УК и измерительного прибора (ИП).

      Целиком измерительный комплект называется термоэлектрическим термометром.

[Leonid]

         Компенсационные устройства предназначены для автоматической компенсации влияния изменения температуры свободных концов ТЭП на показания вторичных приборов или выходной сигнал нормирующего преобразователя. Основой схемы устройства является четырехплечий неуравновешенный мост    (рисунок 7), питаемый источником постоянного напряжения.

         Мост состоит из трех резисторов постоянного сопротивления R1, R2, R3. Четвертый резистор Rt изготовлен из медной или платиновой проволоки, его сопротивления увеличивается с ростом температуры. Этот резистор всегда должен иметь температуру свободных концов, поэтому термопреобразователь, например ХА, подключается с компенсатору удлиняющими проводами ТЭ1, ТЭ2 (если термопреобразователь длинный, он подключается к УК непосредственно). Сама мостовая схема включается в линию только одного провода (между зажимами a и b), вторая пара зажимов a'-b' соединяется перемычкой. Между компенсаторами и измерительным прибором прокладываются одинаковые монтажные провода. Питание мостовой схемы осуществляется от блока питания (БП).
         Принцип компенсации заключается в том, что между точками a и b мостовой схемы должно вырабатываться напряжение Uab, численно равное убыли ЭДС E(t0, 0) при t0>0: Uab=E(t0, 0) при упрощенном условии, что мост должен быть сбалансирован при t0=0 °C. Это напряжение должно алгебраически суммироваться с ЭДС термопары, поэтому на входе ИП будет действовать суммарное напряжение Uвх:
Uвх = E(t, t0) + Uab= E(t, t0) + E(t0, 0) = E(t, 0)
       Требование к компенсатору: напряжение Uab должно изменяться при изменении t0, причем при любой  t0 должно выполняться условие        
Uab = E(t0, 0).
       При анализе схем, содержащих мостовой компенсатор, важно следить за полярностью термоЭДС и компенсирующего напряжения Uab. Используя общее выражение:
Uвх = E(t, t0) + Uab
следует помнить:
в правильно работающем компенсаторе Uab должно быть равно E (t,t0 ) при любом t0;
в правильно собранной схеме входное напряжение прибора Uвх должно быть равно E(t,0).
       Для мостовой схемы при нулевом внутреннем сопротивлении источника и бесконечно большом сопротивлении нагрузки:
                                  U_ab=U_пит  (R₁ R_t-R₂ R₃)/((R₁+R₃)(R₂+R_t))
       При нулевом значении t0 поправку вводить не нужно, т.е. Uab должно быть нулевым и мост уравновешен. Для этого нулевым должен быть числитель, т.е. должно выполняться условие равновесия моста
                                               R₁ R_t=R₂ R₃
       С ростом t0 при постоянных R1,R2,R3 увеличивается Rt и растет Uab.
       Рассмотрим погрешность введения поправки. Для точного введения поправки необходимо обеспечение точного равенства Uab=E(t0,0) при любом значении t0 в диапазоне ее изменения. В действительности это условие обеспечить трудно (рисунок 8). На рисунке представлен график зависимости   E(t0,0)=f(t0) - это по сути участок градуировачной характеристики термопары в диапазоне возможного изменения t0. Здесь же изображена зависимость Uab=f(t0), определяющая входное напряжение прибора.

      Кривые имеют разную форму, поэтому равенство Uab=E(t0,0) при любом значении t0 обеспечить нельзя, а значит появится погрешность температурной компенсации. Эта погрешность в градусах при температуре t0 может быть подсчитана по формуле   ∆=(U_ab-E(t_0,0))/S,
где S - коэффициент преобразования термопары при температуре рабочего конца t0. При использовании удлиняющих проводов возникает дополнительная погрешность.
       Поэтому необходимость их применения отпадает при использовании термопар со встроенным в головку нормирующим преобразователем, в котором вводится поправка на изменение температуры свободных концов термопары и создается на выходе унифицированный токовый или цифровой сигналы. К таким преобразователям относятся ТХАУ, Метран 281. С термоэлектрическими преобразователями работают преобразователи температуры SITRANS T.

[knoppix]

А что в итоге?