_16. Самойлова. Термоэлектрический метод измерения температур

Автор nastyalova, Суббота, апреля 09, 2016, 01:10:24

« предыдущая тема - следующая тема »
Вниз

nastyalova

Суббота, апреля 09, 2016, 01:10:24 Последнее редактирование: Среда, апреля 13, 2016, 02:53:25 от ran
Исполнитель: студент гр. 443-об Самойлова Анастасия
Тема: ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР
Научный руководитель: доцент Ожигова Н.М.


ВВЕДЕНИЕ
Современная термодинамика определяет температуру как величину, выражающую состояние внутреннего движения равновесной макроскопической системы и определяемую внутренней энергией и внешними параметрами системы.
Непосредственно температуру измерить невозможно, можно лишь судить о ней по изменению внешних параметров, вызванному нарушением состояния равновесия благодаря теплообмену с другими телами. Каждому методу определения температуры, в основе которого лежит зависимость между каким-либо внешним параметром системы и температурой, соответствует определенная последовательность значений параметра для каждого размера температуры, называемая температурной шкалой.
Исходным эталоном температуры является комплекс изготовленных в разных странах мира газовых термометров, по показаниям которых определяются численные значения реперных точек по отношению к точке кипения химически чистой воды при давлении 101325 Па, температура которой принята равной 100,00°С .
Весь температурный диапазон перекрывается семью шкалами, для воспроизведения которых в зависимости от области шкалы используются различные методы: от 1,5 до 4 К -- измерение давления паров гелия-4, от 4,2 до 13,8 К -- германиевые терморезисторы, от 13,8 до 273,16 К и от 273,16 до 903,89 К-- платиновые терморезисторы от 903,89 до 1337,58 К -- термопары платинородий -- платина, от 1337,58 до 2800 К -- температурные лампы и от 2800 до 100 000 К -- спектральные методы.
Нас будут интересовать термоэлектрический метод измерения температуры, основанный на использовании зависимости термоэлектродвижущей силы от температуры.



ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР
Термоэлектрический метод измерения температур основан на функциональной зависимости термоэлектродвижущей силы от температуры. Термометры, в которых реализуется данный принцип, состоят из чувствительного элемента, представляющего два спаянных разнородных металла, и электроизмерительного прибора. Данные термоэлектрические термометры используются для измерения температур в диапазоне от минус 200 до 2500 0С.
В цепи из двух разнородных проводников (электродов) А и В возникает термоЭДС. Конструкция из двух изолированных электродов помещенных в защитную оболочку называется термоэлектрическим преобразователем (ТЭП). ТЭП - это термопреобразователь, действие которого основано на зависимости термоэлектродвижущей силы термопары от температуры. Термоэлектрические преобразователи являются наиболее распространенными средствами измерения температуры.
Развиваемая термоЭДС зависит от значения обеих температур tи t0, причем она увеличивается с ростом  разности (t- t0). Обозначим ЭДС термопары условно  символом E(t, t0).

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 градуированную характеристику E(t, t0) термопары  - зависимость термоЭДС от температуры рабочего конца (т.е. измеряемой температуры) при определенном значении t0.

Поэтому термоЭДС, развиваемые в схемах (рисунок 2, а, б), будут одинаковыми, если только будут равны между собой температуры tꞋи tꞋꞋ, т.е. при соблюдении условия tꞋ= tꞋꞋ . Следовательно,можно представить два способа включения измерительного прибора (ИП) в цепь термопары: в разрыв свободных концов (рис. 3, в) или в разрыв электрода (рис. 3, г).



Термопару могут образовать два любых разнородных проводника, но не любая термопара может использоваться для практических температурных измерений. К материалам для термопар (термоэлектродным материалам) предъявляется ряд требований: механическая прочность, жаропрочность, химическая  стойкость; стабильность и линейность градуировочной характеристики и высокая чувствительность.
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 ТЭП, применяемых в теплоэнергетике. Они  имеют  следующие обозначения:
ТПП(S, R) - платинородий платиновые;
ТХА(K) - хромель-алюмелевые;
ТХК(L) - хромель-копелевые.



В обозначениях преобразователей первым указывается положительный электрод (например, у преобразователя ТХК положительный электрод - хромелевый, отрицательный - копелевый). На условных графических изображениях положительный электрод обозначается тонкой линией, отрицательный - толстой. Зависимости термоЭДС от температуры для термопар нелинейны, поэтому в пределах диапазона применения изменяется их коэффициент преобразования (чувствительность). В таблице 1 приведены округленные значения чувствительности в начале и конце диапазона применения.




В таблице 2 и на рисунок 4 приведены статические характеристики термопар ПП, ХА, ХК. Из графиков видно, что наибольшую термоЭДС развивает термопара ХК, наименьшую (из этих трех) термопара ПП. Поэтому при невысоких температурах целесообразнее использовать термопреобразователи типа ТХК.




Наиболее линейная характеристика у термопар ХА. Наиболее точной из этих трех является термопара ПП. Отклонение реальнойградуировочной характеристики от номинальной определяются классом ТЭП. Классы обозначаются цифрами 1, 2, 3 (в порядке увеличения погрешности), причем внутри класса погрешность может зависеть от измеряемой температуры (табл. 3).




Коэффициентом преобразования (чувствительностью) термопары называется отношение изменения термоЭДС, вызванной изменением температуры рабочего конца к значению этого изменения S=ΔE/Δt(мВ/град) при небольших значениях Δt.
Для получения численных значений измеряемой температуры к термопреобразователю необходимо подключить показывающий прибор, измеряющий термоЭДС термопары (вторичный прибор), шкала которого должна быть в градусах. Такое соединение называется термоэлектрическим термометром. 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 Δt в выражении S=ΔE/Δt следует брать возможно малым - теоретически нужно использовать производную S = dE/dt.
Согласно «теоремы о третьем проводнике»: включение  в цепь термопары третьего проводника из любого материала «С»  не вызоветискажения термоЭДС, если температуры мест присоединения  этого проводника одинаковы.  Из этой теоремы вытекает ряд важных практических положений. Рабочий слой термопары может быть образован сваркой любым материалом. Если только температура сварного слоя будет одинаковой (рисунок 5).




В настоящее время в промышленности используется достаточнобольшоеразнообразие термопар, состоящих из различных термоэлектродов.
При выборе термоэлектродных материалов учитывается также технология их изготовления, стоимость и возможность получения взаимозаменяемых по термоэлектрическим свойствам. Надежная работа термопар в промышленных условиях определяется нетолько качеством и свойством термоэлектродных материалов, но и качествомконструкции арматуры термоэлектрического термометра. Принимая во внимание то, что термо-э.д.с., развиваемая большинством термопар сметаллическими электродами невелика, предпочтение следует отдаватьтермопарам, имеющим при прочих равных условиях большую термо-э.д.с. Это позволяет использовать менее чувствительные и, следовательно, болеенадежные и недорогие измерительные приборы.
Наиболее распространенными термопарами, применяемыми в термоэлектрических термометрах, являются термопары из благородных и неблагородных металлов.
Для защиты от механических повреждений и воздействия среды, температура которой измеряется, электроды термоэлектрического термометра, защищенные керамической изоляцией, помещаются в специальную защитную арматуру. Схема термоэлектрического термометра приведена на рисунке 6.




Защитная арматура, используемая для обеспечения механической прочности термометра, должна выбираться с учетом параметров среды, ее свойств и условий измерения температуры. Защитная гильза арматуры термометров в диапазоне измеряемых температур должна быть газонепроницаемой и нечувствительной к действию резких перепадов температуры. Материал защитной гильзы не должен загрязнять термоэлектродов термометра в интервале измеряемых температур.
Выбор термоэлектрического термометра должен быть сделан в соответствии с поставленными задачами и требуемой точностью при измерении температуры среды. Допустимые погрешности при измерении температуры определяют те требования, которые должны быть предъявлены к термометру по точности.
Точность измерения температуры зависит не только от точности применяемого термометра, но и от правильной установки термопары.
При измерении температуры газов или пара, протекающего в трубопроводах, следует считать образцовой установку термоприемника, показанную на рисунке 7. Этот способ установки может быть рекомендован для всех типов термоприемников.




ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В заключении можно сделать вывод, что рассмотренные способы измерения температуры поверхностей применяются преимущественно при проведении исследовательских работ. В промышленности же для технических целей применяются специальные поверхностные термопары.

Вверх