Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
МегаЛекции

Термоэлектрические термометры




 

Общие положения. Для измерения температуры в металлургии наиболее широкое распространение получили термоэлектрические термометры, работающие в интервале температур от -200 до 2500 0С и выше. Данный тип устройств характеризуют высокая точность, и надежность, возможность использования в системах автоматического контроля и регулирования параметра, в значительной мере определяющего ход технологического процесса в металлургических агрегатах.

Сущность термоэлектрического метода заключается в возникновении электродвижущей силы (э.д.с.) в проводнике, концы которого имеют различную температуру. В зависимости от величины перепада температур и природы проводника (состав, физическое состояние) величина э.д.с. колеблется в значительных пределах.

Для того, чтобы измерить возникшую э.д.с, ее сравнивают с э.д.с. другого проводника, образующего с первым термоэлектрическую пару АВ, в цепи которой течет ток.

 

 

Рисунок 2.13 - Схема термопары

 

Результирующая термоэлектродвижущая сила (т.э.д.с.) цепи, состоящей из двух разных проводников А и В (однородных по длине) равна:

 

 

или

,

 

где и - разности потенциалов проводников А и В соответственно при температурах t2 и t1, мВ.

Т.э.д.с. данной пары зависит только от температур t1 и t2 и не зависит от размеров термоэлектродов (длины, диаметра), величин теплопроводности и удельного электросопротивления. При отсутствии перепада температур, т.е. t1 = t2, т.э.д.с. каждого проводника равна 0 и результирующая т.э.д.с. .

По этой причине включение в цепь третьего проводника С, имеющего одинаковую температуру концов, в один из спаев или в разрыв одного термоэлектрода не изменяет т.э.д.с. термопары, так как собственная э.д.с. проводника равна нулю.

Для получения зависимости т.э.д.с. только от одной температуры t2 необходимо температуру t1 поддерживать на постоянном уровне, обычно при 0 или 20 0С. Спай, помещаемый в измеряемую среду, называют горячим или рабочим концом термопары; спай, температуру которого поддерживают постоянной, холодным или свободным концом.

Для измерения возникающей т.э.д.с. в контур термопары в холодный спай или в разрыв одного из термоэлектродов с помощью проводов С включают измерительный прибор ИП. В первом случае в схеме три спая: горячий 1 и два холодных 2 и 3, которые должны находиться при постоянной температуре. Во второй схеме включения имеются четыре спая: горячий 1, холодный 2 и нейтральные 3 и 4, причем температура последних t3 должна быть одинаковой.

 

 

а - к свободным концам термопары; б - в разрыв термоэлектрода

Рисунок 2.14 - Схемы включения измерительного прибора в цепь термопары

 

Необходимо еще раз подчеркнуть, что для правильного включения ИП температуры в обоих местах присоединения третьего, проводника должны быть одинаковыми, что исключает образование дополнительных "паразитных" термопар, т.э.д.с. которых искажала бы сигнал основной термопары.

Для увеличения чувствительности термоэлектрического метода измерения температуры в ряде случаев применяют термобатарею: несколько последовательно включенных термопар, рабочие концы которых находятся при температуре t2, а свободные - при известной и постоянной температуре t1. При параллельном включении происходит усреднение сигнала т.э.д.с.

Для контроля разности температур двух объектов или различных точек одного объекта используется дифференциальная термопара, у которой одноименные электроды А включены навстречу друг другу, а к другим В подключен ИП. Рабочие спаи имеют разные температуры, а свободные концы - одинаковую.

Требования к материалу термоэлектродов. Термопара может быть получена путем комбинации бесчисленного множества различных материалов: чистых металлов, их сплавов, полупроводниковых и тугоплавких соединений. Однако использование большинства из них в термоэлектрических термометрах широкого применения невозможно в силу того, что они не удовлетворяют ряду требований, предъявляемых к термоэлектродным материалам: высокое значение развиваемой т.э.д.с; стабильность характеристики в течение значительного периода времени и высоких температур; воспроизводимость и линейная зависимость т.э.д.с. от температуры; однородность термоэлектрических свойств по длине проводника; легкость технологической обработки и получения сплава одинакового состава, хорошие экономические показатели (низкая стоимость, недефицитность).

Большое значение развиваемой т.э.д.с. определяет высокое значение чувствительности устройства: отношения ∆Е/∆t, т.е. отношения приращения т.э.д.с. Е к величине изменения температуры t, вызвавшее данное приращение сигнала. Данный показатель для технических термоэлектрических термометров находится в пределах 0,01-0,06 мВ/0С. Чем больше это значение, тем менее чувствительный, но более дешевый и надежный вторичный прибор можно использовать в комплекте с термопарой.

Выбор материалов термоэлектродов в значительной степени определяется уровнем температуры и агрессивным воздействием измеряемой среды. Платина и ее сплавы с родием хорошо работают в окислительной и нейтральной средах, вольфрам, молибден, рений и их сплавы - в вакууме, нейтральной и восстановительной средах. Науглероживание проволоки искажает термоэлектрическую характеристику платины и приводит к погрешностям в измерении. Значительный опыт эксплуатации различных термопар привел к тому, что в настоящее время количество применяемых в технике измерения материалов невелико.

Устройство термоэлектрических термометров. Термоэлектрический термометр (ТТ) - это измерительный преобразователь, чувствительный элемент которого (термопара) расположен в специальной защитной арматуре, обеспечивающей защиту термоэлектродов от механических повреждений и воздействия измеряемой среды. Арматура включает защитный чехол 1, гладкий или с неподвижным штуцером 2; и головку 3, внутри которой расположено контактное устройство 4 с зажимами для соединения термоэлектродов 5 с проводами, идущими от измерительного прибора к термометру. Термоэлектроды по всей длине изолированы друг от друга и от защитной арматуры керамическими трубками (бусами) 6.

 

 

Рисунок 2.15 – Конструкция технического термоэлектрического термометра

 

Специальная замазка 8 герметизирует внутреннее пространство защитного чехла термометра, который выполняется из газонепроницаемых материалов, выдерживающих высокие температуры и агрессивное воздействие среды. При температурах до 1000 °С применяют металлические чехлы из углеродистой или коррозионностойкой стали, при более высоких температурах - керамические чехлы: фарфоровые, карбофраксовые, алундовые, из диборида и т.п.

В качестве термоэлектродов используется проволока диаметром 0,5 мм (благородные металлы) и до 3 мм (неблагородные металлы). Спай 7 на рабочем конце термопары образуется сваркой, пайкой или скручиванием. Последний способ используется для вольфрам-рениевых и вольфраммолибденовых термопар.

Конструкция технического ТТ предусматривает возможность в процессе эксплуатации извлекать из защитной арматуры термоэлектроды в сборе для проведения поверки или замены. Головка снабжена уплотнением, исключающим попадание пыли и влаги во внутреннюю полость устройства.

Термоэлектрические термометры выпускают двух видов: погружаемые и поверхностные. У последних рабочий спай приводится в непосредственный контакт с измеряемой поверхностью. Приборостроительная промышленность изготавливает устройства различных модификаций, отличающихся: по значению и условиям эксплуатации, по материалу защитного чехла, по способу установки термометра в точке измерения, по герметичности и защищенности от действия измеряемой среды, по устойчивости к механическим воздействиям, по степени тепловой инерционности и т.п.

Конструктивное оформление ТТ весьма разнообразно, что позволяет их применять в различных условиях. Имеется также унифицированная арматура, которая обеспечивает взаимозаменяемость ряда моделей термоэлектрических термометров с термометрами сопротивления. Каждая модель изготавливается с различной длиной погружаемой (монтажной) части ТТ, которая изменяется от 10 до 3150 мм. Длина монтажной части термометров, выпускаемых без защитной арматуры (гибкие ТТ), может достигать 10000 мм.

Перспективной конструкцией гибких ТТ являются кабельные или бронированные оболочковые термопары

 

 

Рисунок 2.16 - Конструкция кабельного термоэлектрического термометра с изолированным (а) и открытым (б) спаем

 

Методом сухого прессования изготавливают двух- или четырехканальные электроизоляционные бусы 1, в которых размещают хромель-копелевые или хромель-алюмелевые электроды 2 диаметром 0,2-1,2 мм. Изолированная термопара затягивается в металлическую трубку 3 и волочением получают кабельный ТТ. Максимальная длина 100 м, диаметр от 1,0 до 7,2 мм.

Стандартные и нестандартные термоэлектрические термометры. Для измерений в металлургии наиболее широко применяют ТТ со стандартной градуировкой: платинородий-платина (ТПП), платино-родий-платинородий (ТПР), хромель-алюмель (ТХА), хромель-копель (ТХК), вольфрамрений-вольфрамрений (ТВР). В ряде случаев используют также ТТ с нестандартной градуировкой: медь-константан, вольфрам-молибден (ТВМ) и др. В таблице приведены некоторые характеристики, а на рисунке - градуировочные кривые ряда термопар.

Наиболее точным является платинородий-платиновый ТТ, который используется также в качестве рабочих эталонов и образцовых термометров 1-го, 2-го и 3-го разрядов. Однако вследствие высокой стоимости и небольшой величины развиваемой т.э.д.с. ТТ платиновой группы применяются для измерений высоких температур, причем и здесь наблюдается тенденция к их замене термометрами типа ТВР и ТВМ (например, при измерении температуры жидкой стали).

При низких температурах (до 600 0С) наиболее предпочтительным является ТТ типа ТХК. В интервале температур 600-1000 °С обычно применяется ТТ типа ТХА. Они развивают значительную т.э.д.с. (особенно ТХК), дешевы, хорошо противостоят окислению в воздушной среде и являются самыми распространенными.

Вольфрам-рениевый ТТ позволяет измерять температуры до 2000– 2500 °С в вакууме, нейтральной и восстановительной средах. Данный термометр имеет три стандартные характеристики, что позволяет получить неплохие точностные показатели. Без возобновления рабочего спая можно производить до 40 кратковременных погружений в расплав жидкой стали. Изменение градуировочной характеристики при этом не превышает ±4 0С.

Вольфраммолибденовый термометр ТВМ работает в вакууме, восстановительных и нейтральных средах и применяется для измерения температуры расплавленной стали в печах и ковшах. Недостатками являются небольшая т.э.д.с, нестандартность характеристики от партии к партии, а также наличие инверсии градуировочной кривой. Вольфраммолибденовый термометр развивает значительную т.э.д.с. (одного знака), градуировочная характеристика его практически линейна; позволяет производить длительные измерения в вакууме (на воздухе только кратковременное применение), но рабочий спай - выдерживает без разрушений только 3-4 погружения в высокотемпературный расплав; градуировочная характеристика также нестандартизована. В ряде случаев, особенно при высокотемпературных исследованиях, используются термоэлектрические термометры из тугоплавких, соединений, таких как борид циркония, карбид титана, графит, дисилицид вольфрама и т.п.

В условиях длительной эксплуатации при высоких температурах и агрессивном воздействии сред возникает нестабильность градуировочной характеристики, которая является следствием ряда причин: загрязнения материалов термоэлектродов примесями защитных чехлов, керамических изоляторов и атмосферы печи; испарения одного из компонентов сплава; взаимной диффузии через спай. Величина отклонения может быть значительной и резко увеличивается с ростом температуры и длительности эксплуатации. Указанное обстоятельство необходимо учитывать при оценке точности измерения температуры в производственных условиях.

 

 

Рисунок 2.17 – Градуировочные характеристики термопар

 

Поправка на температуру свободных концов ТТ. Т.э.д.с, развиваемая данным ТТ, зависит от перепада температур между рабочим спаем и свободными концами, которые в технических термометрах отстоят друг от друга на расстоянии не более 2-3 м. Таким образом, температура свободных концов, расположенных в головке ТТ, может изменятся в пределах 10-80 °С вследствие суточных и сезонных колебаний температуры окружающей среды, а также тепловых процессов, проходящих в металлургических агрегатах.

Повышение температуры свободных концов ТТ приводит к уменьшению перепада температур, снижению т.э.д.с. термопары и появлению погрешности измерения, которую исключают введением соответствующей поправки. Пусть при неизменной температуре рабочего спая t2 температура свободных концов t1 (принимаемая для стандартных градуировок 0 °С) увеличилась и стала равной t’1. Определим разность между двумя значениями т.э.д.с, соответствующими двум перепадам температур: ЕАВ(t2,t1)-EAB(t2, t’1) =еАВ(t2) - еAB(t1) - еАВ(t2) + eАВ(t’1). Затем после сокращения еАВ(t2) получим: EAB(t2, t1) - EAB(t2, t1) = eAB(t’1) - еАВ(t1) = EAB(t’1,t1). Преобразуя данное выражение, получим уравнение:

 

EAB(t2, t1) = EАВ(t2, t’1) + ЕАВ(t’1, t1).

 

из которого следует, что увеличение температуры свободных концов уменьшает сигнал термопары на величину т.э.д.с, развиваемую аналогичной термопарой, имеющей температуры рабочего спая и свободных концов, соответственно, t’1 и t1. Если t’1< t1 то поправка ЕАВ(t’1, t1) имеет отрицательный знак.

Пример. Термоэлектрический термометр ТХА измеряет температуру в печи t2, в комплекте с потенциометром. При градуировке ТХА температура свободных концов принималась t1= 0 0С, в условиях измерения она составила t’1= 50 0С. Сигнал, измеренный потенциометром, ЕАВ(t2,50)=40,98 мВ, что соответствует температуре 993 0С. Величина поправки может быть определена либо по градуировочной кривой, либо по таблице: ЕАВ(50;0)=2,02 мВ. На основании уравнения запишем: EAB(t2;0)=EАВ(t2;50)+ ЕАВ(50; 0)=40,98+2,02=43,00 мВ, что соответствует температуре рабочего спая t2= 1044 0С.

Для исключения влияния изменения температуры свободных концов ТТ в технике измерения пользуются двумя способами: 1) эвакуацией свободных концов из зоны непосредственного измерения с помощью компенсационных проводов; 2) стабилизацией температуры свободных концов с помощью термостатов.

Наибольшее распространение получил первый способ как более надежный и экономичный. Термостатировать головку термометра очень трудно из-за изменяющихся условий теплообмена с окружающей средой. Поэтому свободные концы термопары стремятся удалить как можно дальше от агрегата в такое место, где можно установить термостат. Однако для благородных термопар удлинение термоэлектродов невозможно, так как это приведет к значительному перерасходу платины. Необходимо отметить, что провода, выводимые из головки ТТ, работают при температурах, не превышающих 80-90 0С. Следовательно, соединительные провода для исключения паразитных т.э.д.с. должны иметь в интервале температур от 0 до 100 0С такие же термоэлектрические характеристики, как и термопара ТТ, что позволяет перенести свободные концы термометра непосредственно к измерительному прибору.

 

Рисунок 2.18 - Схема соединений комплекта для измерения температуры с помощью термопары

 

Принципиальная схема комплекта для измерения температуры, включающего: термопару с электродами А и В, удлинительные (компенсационные) провода А1 и В1, медные провода С и измерительный прибор ИП. Температура рабочего спая t2, температура места соединения термоэлектродов термопары с компенсационными проводами t1, а t0 - температура мест соединения компенсационных приводов с медными. Т.э.д.с. рассматриваемой цепи:

 

E=EАВ(t2,t0) - EAB(t1,t0) + E (t1,t0).

 

т.е., если термоэлектрические характеристики термопары АВ и компенсационных проводов А1В1 одинаковы, то изменение температуры t1 не приведет к погрешностям в измерении. Действительно при увеличении t1 т.э.д.с. термопары уменьшится, но точно на такую же величину возрастет т.э.д.с, развиваемая компенсационными проводами.

Для технических ТТ выпускаются различные удлиняющие провода. В лабораториях температура свободных концов поддерживается равной 0 0С с помощью сосуда Дьюара, заполненного тающим льдом. В промышленных условиях необходимо либо обеспечить постоянный уровень температуры (в этом случае в результат измерения вводится определенная поправка), либо непрерывно автоматически корректировать показания прибора при отклонении температуры свободных концов от градуировочной t1= 0 0С. Данная операция производится с мощью коробки для свободных концов КТ.

 

 

Милливольтметры

 

Т.э.д.с, развиваемую термоэлектрическим термометром, измеряют двумя методами: прямым и компенсационным, первый реализуют милливольтметры, а второй - потенциометры.

Общие положения. Принцип работы милливольтметра заключается в использовании взаимодействия магнитного поля неподвижного магнита и постоянного тока, протекающего через обмотку подвижной рамки. Рамка Rр, включается в цепь ТТ с помощью компенсационных А1В1 и медных С проводов. Сила тока, протекающего в цепи, зависит от величины т.э.д.с. EАВ(t2,t0) и сопротивления измерительной цепи

 

I=EАВ(t2, t0)/(Rт + RВН),

 

где Rт - сопротивление милливольтметра, складывающееся из сопротивления рамки Rр, добавочного сопротивления RД, шунта Rш и терморезистора Rt,Ом; RВН - сопротивление внешней цепи, складывающееся из сопротивления термопары Rт, сопротивления компенсационных RКП и соединительных RC проводов, сопротивления подгоночной катушки Rп.к, Ом.

При протекании тока через рамку, окруженную полем постоянного магнита, возникает магнитоэлектрический момент М (Н∙м), поворачивающий рамку и равный

 

M = 2rlnBI,

 

где 2r - ширина рамки, м; l - длина рамки, м; n - число витков обмотки рамки; В - магнитная индукция в воздушном зазоре, Тл; I - сила тока, протекающего в рамке, А.

 

 

Рисунок 2.20 - Электрическая схема включения магнитоэлектрического милливольтметра в цепь термоэлектрического термометра

 

При перемещении рамка одновременно закручивает спиральные пружины, которые создают противодействующий упругий момент МП (Н∙м):

 

MП=W ,

 

где W- удельный противодействующий момент (момент пружин, отнесенный к единице угла поворота рамки), Н ∙ м/рад; - угол поворота рамки, рад.

 

Величина удельного противодействующего момента определяется материалом и размерами пружинок, или других видов подвески, например растяжек.

Вращение рамки будет продолжаться до тех пор, пока магнитоэлектрический момент не уравновесится противодействующим упругим моментом М = Мп и =2rnlВI/W.

Принимая, что r, I, n, В, W для данной конструкции прибора при нормальных условиях эксплуатации являются постоянными величинами, получим:

 

0I,

 

где С0 = 2rnlВ/W - чувствительность измерительного механизма к току, рад/А.

Следовательно, чем больше ток, тем больше угол поворота рамки.

 

= С0ЕАВ(t2,t0)/(Rг + RВН).

 

В общем виде угол поворота зависит от ряда параметров (для данного типа ТТ)

 

f(t2,t0,Rг,RВН).

 

Для получения однозначной зависимости угла поворота рамки, а следовательно, и положения стрелки относительно оцифрованной шкалы прибора необходимо градуировать милливольтметр при заданных величинах t0 =0 0С и RВН = 5; 15; 25 Ом. Подгоночная катушка Rп.к предназначена для того, чтобы в реальных условиях эксплуатации (изменяющиеся и заранее неизвестные значения сопротивлений Rт, RКП, RC) довести общую величину RВН, до значения, при котором был градуирован прибор.

На точность показаний милливольтметра может оказывать влияние отклонение температуры окружающего воздуха от нормальной (20±5 °С), так как это приводит к изменению сопротивления медной обмотки рамки (до 0,4 % на 1 °С). Для снижения указанной погрешности последовательно с рамкой включается значительное дополнительное манганиновое сопротивление Rш и терморезистор Rt имеющий отрицательный температурный коэффициент сопротивления, которые образуют термокомпенсатор.

Напряжение на зажимах милливольтметра Uab=IRг.

Подставим в данное выражение значение тока: UabАВ(t2,t0)Rг/(Rг+RВН). После преобразования получим

 

UabАВ(t2,t0)- UabRВН /Rг= ЕАВ(t2,t0)- IRВН.

 

Следовательно, измеряемый милливольтметром сигнал отличается от т.э.д.с., развиваемой термопарой, на величину падения напряжения во внешней цепи, которое тем меньше, чем больше внутреннее сопротивление прибора. Это обстоятельство и определяет стремление увеличить данную характеристику измерительной системы.

Типа милливольтметров. Промышленность выпускает показывающие, самопишущие и регулирующие милливольтметры, имеющие класс точности 1,0; 1,5; 2,0 и 2,5. Шкала градуируется либо в градусах Цельсия, либо в милливольтах. На циферблате указывается тип градуировки ТТ, класс точности, значения внутреннего и внешнего сопротивлений милливольтметра. Приборы выпускаются для измерения температуры в одной или нескольких точках (до 12). Они могут иметь встроенное двух- или трехпозиционное регулирующее устройство, а в ряде случаев и аварийную сигнализацию превышения температуры по одному каналу.

Существуют различные конструктивные оформления измерительной части милливольтметра. Рамки выполняются как с вертикальной, так и горизонтальной осью вращения. Система подвески рамки на растяжках имеет высокую механическую прочность и исключает ошибки измерения, связанные с износом керновых подпятников. Расположение магнита внутри рамки обеспечивает получение неоднородного магнитного поля. Такие приборы имеют преимущества перед милливольтметрами с внешним магнитным полем (меньше собственное поле рассеяния, а также влияние внешних магнитных полей). Данный механизм может быть использован в логометрах, работающих в комплекте с термометрами сопротивления.

Погрешности измерения т.э.д.с. милливольтметром. Измерительный комплект, включающий ТТ и милливольтметр, характеризуется наличием не только основных погрешностей (класс точности прибора, отклонение градуировки ТТ от стандартной), но и возникновением в процессе эксплуатации дополнительных погрешностей.

Они являются следствием ряда причин: 1) изменения сопротивления внешней цепи RВН в зависимости от непостоянной температуры в цехах и на поверхностях металлургического оборудования, вдоль которых прокладываются соединительные провода; 2) изменения Сопротивления прибора Rг, вследствие значительного изменения температуры помещения, в котором установлен прибор; 3) изменения температуры t0 свободных концов ТТ; 4) изменения механических характеристик измерительного механизма (упругих характеристик пружин, моментов трения в керновых подпятниках и т.п.); 5) наличия. внешних магнитных полей.

Выше были изложены методы снижения влияния некоторых из них на точность измерения.

Снижения влияния сопротивления внешней цепи добиваются увеличением диаметра соединительных проводов, а также повышением доли сопротивления подгоночной катушки Rп.к (выполняется из манганиновой проволоки) в RВН.

Для исключения влияния отклонения температуры t0 свободных концов от градуировочной вместо термостатов широко применяются коробки КТ для автоматической компенсации изменения т.э.д.с.

Схема включения устройства КТ в измерительную цепь, состоящую из милливольтметра М и термометра АВ.

 

 

Рисунок 2.21 - Принципиальная схема измерения т.э.д.с. с коробкой КТ для автоматической компенсации температуры свободных концов ТТ

 

Компенсационные А1В1 и соединительные С провода присоединены к клеммам КТ. Таким образом, сопротивления R1, R2, R3, R4, образующие равноплечий мост, имеют такую же температуру t0, которую имеют свободные концы. Сопротивления R1, R2 и R4 выполнены из манганина, R3 - из меди. К вершинам диагонали аb подается постоянное напряжение, например от источника стабилизированного питания.

Сопротивления подобраны таким образом, что при t0 =0 0С напряжение на вершинах с и d равно нулю, т.е. на милливольтметр поступает сигнал ТТ, соответствующий стандартной градуировке. При увеличении температуры t0(t’0 >t0) возрастает сопротивление R3, что приводит к нарушению равновесия моста и появлению в точках с и d напряжения, компенсирующего уменьшение т.э.д.с. термометра, ЕАВ(t’0,t0)= UCD. Точность, с которой устройство КТ воспроизводит соответствующую термоэлектрическую характеристику при изменении температуры свободных концов до t’0 =50 0С, составляет для ТТ типа ТПП, ТХА, ТХК ±3 0С.

Поверка милливольтметров. Поверка приборов заключается в определении соответствия градуировочной характеристики и класса точности присвоенным значениям. Она проводится сравнением данных величин с показаниями лабораторных приборов, имеющих более высокий класс точности. На вход обоих приборов с помощью источника регулируемого напряжения (ИРН) одновременно подается одинаковый сигнал. Результаты измерений (мВ) сравниваются при прямом и обратном ходах и определяются погрешности поверяемого милливольтметра.

 

 

Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...