Исследование промышленных термоэлектрических преобразователей температуры. Лабораторная работа

1.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ
Лабораторная работа

2.

1. Цель работы
Изучение устройства, принципа действия и
динамических свойств промышленных
измерительных термоэлектрических
преобразователей температуры (ТЭП)

3.

2. Теоретические сведения
Температура – важнейший параметр практически любого технологического процесса
и состояния оборудования. В устройствах для измерения температуры обычно используют
изменение какого-либо физического свойства тела, однозначно зависящего от его
температуры и легко поддающегося
измерению.
Одним
из
таких
устройств
является
термоэлектрический
преобразователь, называемый также термопарой.
В соответствии с последним названием он представляет собой два проводника
(термоэлектроды А и В) из различных металлов или сплавов, концы которых соединены
сваркой, спайкой друг с другом (рис.1.1, а). При наличии разности между температурами t0
и t спаев в контуре начинает протекать электрический ток, т.е. возникает определенная
электродвижущая сила, называемая термоэлектродвижущей (ТЭДС). Величина ТЭДС
ЕАВ(tt0) возрастает при увеличении разности температур между спаями.
Однако измерение ТЭДС в замкнутом контуре невозможно. Необходимо разорвать
контур и в месте разрыва подключить электроизмерительный прибор, естественно,
использовав провода из других металлов, например С (рис. 1.1, б). Установлено, что
последнее никаким образом не отразится на величине ТЭДС, если температуры t0 концов
термоэлектродов в местах подключения к ним соединительных проводов С будут
одинаковыми. И если они будут не только равными, но и поддерживаться на постоянном
уровне (обычно t = 0 °С), то величина ТЭДС будет пропорциональна только температуре t
одного спая, т.е.
ЕАВ(tt0) = f(t).
При наличии уже экспериментально найденной такой зависимости для данного ТЭП
измерение неизвестной температуры t сводится к измерению ТЭДС ТЭП с помощью
электроизмерительного прибора. Для этого спай с температурой t (рабочий спай)
помещается в рабочую (измеряемую) среду.

4.

Рисунок 1.1 - Схемы термоэлектрических цепей: А, В – термоэлектроды; С – соединительный провод; МВ – милливольтметр

5.

А и В -термоэлектроды
Измерительный спай– на который воздействует
измеряемая температура t (горячий или рабочий
спай).
Соединительный спай– на который воздействует
контрольная (фиксированная) температура t0
(холодный или свободный спай).

6.

Термоэлектродные провода предназначены для удаления
холодных спаев термопары как можно дальше от объекта
измерения.

7.

• ТЭП в «чистом» виде, т.е. в виде двух проволочек со спаем,
используются чаще всего при проведении исследовательских
работ в небольших объемах. В промышленных условиях для
защиты электродов ТЭП от агрессивности измеряемой среды,
механических повреждений, а также для удобства вывода
свободных концов из аппарата, находящихся под давлением
(вакуумом), они помещаются в специальную арматуру (чехол,
кожух) со штуцером (рис. 1.2) или без него. Арматура может
иметь длину монтажной части L от 10 до 6000 мм при
диаметрах от 5 до 40 мм и выполняется из фарфора, композитов
и разнообразных коррозионно- и вибростойких металлических
сплавов. В принципе возможно создание огромного количества
ТЭП (число комбинаций проводов неограниченно), однако в
промышленности используются только некоторые из них.

8.

Вариант конструктивного
исполнения термопары:
1 – ЧЭ, 2 - горячий спай
3 – изоляцией, 4 - защитная арматура.
В качестве изоляции применяются одно- или
двухканальные трубки, или бусы из фарфора (при
температуре до 1300°С) и окислы алюминия,
магния или бериллия (свыше 1300°С.)
В головке 5, снабженной крышкой 6 и
штуцером под кабель 7, находится розетка
с клеммами 8 для присоединения к
измерительному прибору посредством
удлиняющего кабеля.
9 – неподвижный или передвижной
штуцер
L – длина монтажной (рабочей) части,
которая погружается в среду измерения,
различна для каждого конкретного типа
термопары
.

9.

Типы и характеристики термопар
В зависимости от материала проводников ТП подразделяют на:
• вольфрамрений-вольфрамрениевые (ТВР) - термопара типов А-1,
А-2, А-3;
• платинородий-платинородиевые (ТПР) - термопара типа В;
• платинородий-платиновые (ТПП) - термопара типов R, S;
• хромель-алюмелевые (ТХА) - термопара типа K;
• хромель-копелевые (ТХК) - термопара типа L;
• хромель-константановые (ТХК) - термопара типа Т;
• никросил-нисиловые (ТНН) - термопара типа N;
• медь-константановые (ТМК) - термопара типа Т;
• железо-константановые (ТЖК) - термопара типа J.
.
Пределы диапазона измеряемых температур: -270… 2500 °С

10.

11.

Способы компенсации изменения температуры
холодных спаев термопары
• На практике температура свободных спаев обычно отличается от 0 °С и
это обстоятельство учитывается с помощью поправок или разного рода
компенсационных устройств.
1. Классическая термокомпенсация
Термопара имеет Uвых=0 мВ при температуре рабочего спая 0 °С.
Поэтому классическая термокомпенсация заключается в помещении
холодного спая в ванночку с тающим льдом или в жидкий азот. Однако такой
способ неудобно использовать в промышленных условиях.

12.

2. Термокомпенсация с использованием термодатчика:
термодатчик (например, ермопреобразователь сопротивления)
измеряет температуру холодного спая, и его сигнал используется
для введения напряжения (Uкомп) в измерительную цепь
термопары. Этот сигнал компенсирует разность между
действительной температурой холодного спая и ее идеальной
величиной 0°С.

13.

14.

Статические и динамические характеристики ТЭП
В общем случае под статической характеристикой
понимают зависимость между входной хвх и выходной
хвых величинами элемента (звена) в равновесном
(установившемся) состоянии хвых =f(хвх).
Номинальная статическая характеристика термопары –
зависимость термоЭДС (хвых ) от температуры рабочего
конца (хвх ) при постоянной заданной температуре
свободных концов t0 =0.
НСХ ТП определяется типом применяемой термопары.

15.

16.

Динамические характеристики
ТЭП
Поведение ТЭП, как и многих других
элементов системы, в неравновесном или
переходном
процессе
описывается
уравнениями динамики или динамическими
характеристиками в виде зависимостей типа
хвых = f(хвх,t).
Динамические свойства ТЭП описываются
линейными
дифференциальными
уравнениями первого порядка

17.

В общем случае изменение выходной величины зависит
от вида входного сигнала. Для устранения разногласий при
оценке реакции элемента принято на его вход подавать одно
из так называемых типовых апериодических воздействий. В
качестве последнего часто используется единичное
ступенчатое (скачкообразное) воздействие,
Вид единичного ступенчатого входного воздействия

18.

Переходные и разгонные характеристики
Изменение выходной величины элемента во времени, т.е.
динамика процесса, при единичном ступенчатом воздействии
описывается переходной характеристикой h(t). При
получении переходной характеристики экспериментальным
способом сначала снимают разгонную характеристику,
заменяя единичное ступенчатое воздействие на ступенчатое
воздействие с другой амплитудой.
Рис. 1.5.- График переходной характеристики ТЭП при: а – нагреве; б – охлаждении

19.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ
РАБОТЫ
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
Создать ступенчатое воздействие путем резкого погружения
ЧЭ термопары в измеряемую среду
С момента подачи ступенчатого воздействия фиксировать
время и ТЭДС (изменение показаний мультиметра) до
перехода в состояние равновесия
Резко убрать емкость с измеряемой средой и тем самым
создать ступенчатое воздействие
С момента подачи ступенчатого воздействия фиксировать
время и ТЭДС (изменение показаний мультиметра) до
перехода в состояние равновесия
Результаты измерения занести в таблицу, с учетом поправки на
температуру холодного спая.
Построить график разгонной характеристики
Определить графическим способом постоянную времени
термопары при нагреве и охлаждении

20.

Требования к отчету
Отчет должен содержать:
а) наименование и цель работы,;
б) измерительную схему;
в) таблицы экспериментальных данных и
построенные по
этим данным графики разгонных характеристик
с координатной сеткой;
г) выводы, отражающие влияние инерционности
ТЭП на процесс измерения, сделанные на основе
определения постоянных времени.