Конструктивные особенности термопар

Размещено на http://www.allbest.ru/

Конструктивные особенности термопар



Содержание

1. Термопара как вид термоэлектрического преобразователя

2. Общие сведения и особенности работы термопар

3. Основные положения по метрологическим характеристикам

4. Источники погрешности термопар

Заключение

Список литературы



1. Термопара как вид термоэлектрического преобразователя

Термопара (термоэлектрический преобразователь) -- устройство, применяемое для измерения температуры в промышленности, научных исследованиях, медицине, в системах автоматики.Термопара - старейший и до сих пор наиболее распространенный в промышленности температурный датчик. Действие термопары основано на эффекте, который впервые был открыт и описан Томасом Зеебеком в 1822 году (рис 1).

Рисунок 1 - Общий вид термопары

Принцип действия термопары основан на эффекте Зеебека, или иначе - термоэлектрическом эффекте. Между соединенными проводниками имеется контактная разность потенциалов. Если стыки связанных в кольцо проводников находятся при одинаковой температуре, то сумма таких разностей потенциалов равна нулю. Когда же стыки находятся при разных температурах, разность потенциалов между ними зависит от разности температур. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо-ЭДС.

У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными от нуля коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой Т1, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т2, которое будет пропорционально разности температур Т1 и Т2 (рис. 2).

Рисунок 2 - Конструкция термопары

Наиболее распространены два способа подключения термопары к измерительным преобразователям: простой и дифференциальный. В первом случае измерительный преобразователь подключается напрямую к двум термоэлектродам. Во втором случае используются два проводника с разными коэффициентами термо-ЭДС, спаянные в двух концах, а измерительный преобразователь включается в разрыв одного из проводников .

Рисунок 3 - Подключение измерительного прибора к термопаре

Для дистанционного подключения термопар используются удлинительные или компенсационные провода. Удлинительные провода изготавливаются из того же материала, что и термоэлектроды, но могут иметь другой диаметр. Компенсационные провода используются в основном с термопарами из благородных металлов и имеют состав, отличный от состава термоэлектродов. Требования к проводам для подключения термопар установлены в стандарте МЭК 60584-3 (рис.4).



Рисунок 4 - Цепи термопар

а -- соединение двух проводников; б, в -- варианты включения третьего проводника; г, д варианты включения измерительного прибора ИП

Следующие основные рекомендации позволяют повысить точность измерительной системы, включающей термопарный датчик :

- миниатюрную термопару из очень тонкой проволоки следует подключать только с использованием удлинительных проводов большего диаметра;

- не допускать по возможности механических натяжений и вибраций термопарной проволоки;

- при использовании длинных удлинительных проводов, во избежание наводок, следует соединить экран провода с экраном вольтметра и тщательно перекручивать провода;

- по возможности избегать резких температурных градиентов по длине термопары.

Материал защитного чехла не должен загрязнять электроды термопары во всем рабочем диапазоне температур и должен обеспечить надежную защиту термопарной проволоки при работе во вредных условиях:

- использовать удлинительные провода в их рабочем диапазоне и при минимальных градиентах температур;

- для дополнительного контроля и диагностики измерений температуры применяют специальные термопары с четырьмя термоэлектродами, которые позволяют проводить дополнительные измерения сопротивления цепи для контроля целостности и надежности термопар.

Для измерения температуры различных типов объектов и сред, а также в автоматизированных системах управления и контроля. Термопары из вольфрам-рениевого сплава являются самыми высокотемпературными контактными датчиками температуры. Такие термопары незаменимы в металлургии для контроля температуры расплавленных металлов .

В 1920-х -- 1930-х годах термопары использовались для питания простейших радиоприемников и других слаботочных приборов. Вполне возможно использование термогенераторов для подзарядки АКБ современных слаботочных приборов (телефоны, камеры и т. п.) с использованием открытого огня.

Преимущества:

- высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01 °С);

- большой температурный диапазон измерения: от ?250 °C до +2500 °C;

- спай термопары может быть непосредственно заземлен или приведен в прямой контакт с измеряемым объектом;

- простота изготовления, надежность и прочность конструкции;

- низкая стоимость.

Недостатки:

Для получения высокой точности измерения температуры (до ±0,01 °С) требуется индивидуальная градуировка термопары.

На показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового датчика и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС .

Эффект Пельтье (в момент снятия показаний необходимо исключить протекание тока через термопару, так как ток, протекающий через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный).

Зависимость ТЭДС от температуры существенно нелинейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.

Возникновение термоэлектрической неоднородности в результате резких перепадов температур, механических напряжений, коррозии и химических процессов в проводниках приводит к изменению градуировочной характеристики и погрешностям до 5 К .

На большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект "антенны" для существующих электромагнитных полей.

Материал электродов не является химически инертным и, при недостаточной герметичности корпуса термопары, может подвергаться влиянию агрессивных сред, атмосферы и т.д.

Когда жесткие требования выдвигаются к времени термической инерции термопары, и необходимо заземлять рабочий спай, следует обеспечить электрическую изоляцию преобразователя сигнала для устранения опасности возникновения утечек через землю .

2. Общие сведения и особенности работы термопар

Наиболее точные термопары - с термоэлектродами из благородных металлов: платинородий-платиновые ПП (тип S ( Pt-10%Rh / Pt) (тип R (Pt-13%Rh / Pt), платинородий-платинородиевые ПР (тип В (Pt-30%Rh / Pt-6%Rh)). Преимуществом является значительно меньшая термоэлектрическая неоднородность, чем у термопар из неблагородных металлов, устойчивость к окислению, вследствие чего высокая стабильность. Преимуществом термопары типа ПР также является практически нулевой выходной сигнал при температурах вплоть до 50°С, таким образом устраняется необходимость термостатирования холодных спаев. Недостатком является высокая стоимость и малая чувствительность (около 10 мкВ/К при 1000 °С). Хотя платинородиевые термопары превосходят по точности и стабильности термопары из неблагородных металлов и сплавов, минимальная расширенная неопределенность результата измерения температуры в диапазоне до 1100 °С составляет 0,2-0,3 °С. Причины нестабильности термопар связаны с загрязнением, окислением и испарением материалов термоэлектродов. При температурах 500-900 °С формируется стабильный окисел родия. Недостаток родия изменяет состав платино-родиевого термоэлектрода, что приводит к изменению зависимости ЭДС от температуры и к возникновению термоэлектрических неоднородностей.

В последние годы за рубежом были разработаны и исследованы термопары из чистых металлов: золото-платиновые и платина-палладиевые. По результатам опубликованных исследований можно сделать вывод о лучшей стабильности и точности по сравнению с платинородий-платиновыми термопарами.

Термопары из неблагородных металлов очень широко используются во всех отраслях промышленности. Они дешевы и просты в обращении, устойчивы к вибрациям, могут выпускаться во взрывозащищенном исполнении. Особенно удобны в обращении кабельные термопары, электроды которых заключены в специальный герметичный гибкий кабель с минеральной изоляцией. Такая конструкция позволяет расположить термопару в самых сложных конструктивных узлах объекта. Преимуществом термопар также является высокая чувствительность. Существенным недостатком является образование термоэлектрической неоднородности в зоне максимального градиента температур, что может привести к ошибке в градуировке более 5 °С. Этот недостаток делает очень сомнительной саму возможность периодической поверки термопар в лабораторных условиях и диктует необходимость поверять термопары из неблагородных металлов на месте их рабочего монтажа. Наименьшая термоэлектрическая неоднородность характерна для термопары нихросил/нисил (тип N). Одной из существенных составляющих неопределенности измерений термопарами является учет температуры холодных спаев или точность компенсации спаев в цифровых преобразователях.

Для измерения высоких температур до 2500 °С используют вольфрам-рениевые термопары. Особенностью их использования является необходимость устранения окислительной атмосферы, разрушающей проволоку. Для вольфрам-рениевых термопар используют специальные герметичные конструкции чехлов, заполненные инертным газом, а также танталовые и молибденовые чехлы с неорганической изоляцией из оксида бериллия и оксида магния. Одно из важных применений вольфрам-рениевых термопар состоит в измерении температур в ядерной энергетике в присутствии потока нейтронов.

Особенностью работы с термопарами является применение стандартных удлинительных и компенсационных проводов. Провода позволяют передавать сигнал с термопары на сотни метров к измерительному прибору, внося минимальную потерю точности. Удлинительные провода изготавливаются из того же материала, что и термоэлектроды термопары, но с более низкими требованиями по качеству материалов. Компенсационные провода изготавливаются из совершенно других материалов, чем термоэлектроды и применяются для термопар из благородных металлов. Так, для термопары ПР в качестве компенсационной может использоваться медная проволока. Применение компенсационных проводов может стать доминирующим источником неопределенности измерения температуры в промышленности, если разность температур двух концов провода существенна .

В таблице представлены технические характеристики основных типов термоэлектрических преобразователей (термопар).

Термопары из неблагородных металлов

Тип J (железо-константановая термопара):

- не рекомендуется использовать ниже 0 °С, т.к. конденсация влаги на железном выводе приводит к образованию ржавчины;

- наиболее подходящий тип для разряженной атмосферы;

- максимальная температура применения - 500 °С, т.к выше этой температуры происходит быстрое окисление выводов. Оба вывода быстро разрушаются в атмосфере серы .

Показания повышаются после термического старения.

Преимуществом является также невысокая стоимость.

Тип Е (хромель-константановая термопара):

- преимуществом является высокая чувствительность;

- термоэлектрическая однородность материалов электродов;

- подходит для использования при низких температурах.

Тип Т (медь-константановая термопара):

- может использоваться ниже 0 °С;

- может использоваться в атмосфере с небольшим избытком или недостатком кислорода;

- не рекомендуется использование при температурах выше 400 °С;

- не чувствительна к повышенной влажности;

- оба вывода могут быть отожжены для удаления материалов, вызывающих термоэлекрическую неоднородность.

Тип К (хромель-алюмелевая термопара):

- широко используются в различных областях от - 100 °С до +1000 °С (рекомендуемый предел, зависящий от диаметра термоэлектрода);

- в диапазоне от 200 до 500 °С возникает эффект гистерезиса, т.е показания при нагреве и охлаждении могут различаться. Иногда разница достигает 5 °С;

- используется в нейтральной атмосфере или атмосфере с избытком кислорода;

- после термического старения показания снижаются;

- не рекомендуется использовать в разряженной атмосфере, т.к. хром может выделяться из Ni-Cr вывода (так называемая миграция), термопара при этом изменяет ТЭДС и показывает заниженную температуру;

- атмосфера серы вредна для термопары, т.к. воздействует на оба электрода.

Тип N (нихросил-нисиловая термопара) .

Это относительно новый тип термопары, разработанный на основе термопары типа К. Термопара типа К может легко загрязняться примесями при высоких температурах. Сплавляя оба электрода с кремнием, можно тем самым загрязнить термопару заранее, и таким образом снизить риск дальнейшего загрязнения во время работы:

- рекомендуемая рабочая температура до 1200 °С (зависит от диаметра проволоки);

- кратковременная работа возможна при 1250 °С;

- высокая стабильность при температурах от 200 до 500 °С (значительно меньший гистерезис, чем для термопары типа К);

- считается самой точной термопарой из неблагородных металлов.

- Общие советы по выбору термопар из неблагородных металлов:

- ниже нуля - тип Е, Т;

- комнатные температуры - тип К, Е, Т;

- до 300 °С - тип К;

- от 300 до 600°С - тип N;

- выше 600 °С - тип К или N [11].

Термопары из благородных металлов

Тип S (платнородий-платиновая термопара):

- рекомендуемая максимальная рабочая температура 1350 °С;

- Кратковременное применение возможно при 1600 °С;

- Загрязняется при температурах выше 900 °С водородом, углеродом, металлическими примесями из меди и железа.

При содержании железа в платиновом электроде на уровне 0,1%, ТЭДС изменяется более, чем на 1 мВ (100°С) при 1200 °С и 1,5 мВ (160 °С) при 1600 °С. Такая же картина наблюдается при загрязнении медью. Таким образом, термопары нельзя армировать стальной трубкой, или следует изолировать электроды от трубки газонепроницаемой керамикой;

- может применяться в окислительной атмосфере;

- при температуре выше 1000 °С термопара может загрязняться кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных керамических материалов.

Важно использовать керамические трубки, состоящие из высокочистого оксида алюминия;

- не рекомендуется применять ниже 400 °С, т.к ТЭДС в этой области мала и крайне не линейна.

Тип R (платнородий-платиновая термопара) - свойства те же, что и у термопар типа S .

Тип В (платнородий-платинородиевая термопара):

- рекомендуемая максимальная температура рабочего диапазона 1500 °С (зависит от диаметра проволоки);

- кратковременное применение возможно до 1750 °С;

- может загрязняться при температурах выше 900 °С водородом, кремнием, парами меди и железа, но эффект меньше, чем для термопар типа S и R; преобразователь дифференциальный метрологический термопара

- при температуре выше 1000 °С термопара может загрязняться кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных керамических материалов. Важно использовать керамические трубки, состоящие из высокочистого оксида алюминия.

- может использоваться в окислительной среде;

- не рекомендуется применение при температуре ниже 600 °С, где ТЭДС очень мала и не линейна.

На рисунке 5 представлена конструкция термопары типа ТХК [9].

Рисунок 5 - Конструкция термопары типа ТХК

Рабочий "горячий" спай выполняется скруткой и последующей сваркой двух разнородных материалов - хромеля и копеля. Для защиты такого датчика от механических повреждений при измерении температуры объектов они помещаются в специальный жаропрочный корпус. Рабочий спай (2) изолирован от корпуса фарфоровым наконечником (3); электроды для защиты от замыкания между собой или корпусом изолируются фарфоровыми бусами (4). Концы термоэлектродов через асбестовое уплотнение выводятся на блок зажимов. Для герметизации блок зажимов головки термопары закрывается крышкой с резиновым уплотнением. Такие датчики могут работать под избыточным давлением, для этого на корпусе имеется резьба, с помощью которой осуществляется уплотнение технологического отверстия для измерения температуры.

3. Основные положения по метрологическим характеристикам

Метрологические характеристики - это характеристики, влияющие на результат и погрешность измерений, они позволяют осуществить оптимальный выбор приборов и проводить их сравнения. Все метрологические характеристики можно разделить на пять групп .

1. Характеристики, влияющие на результат измерения (статическая характеристика (функция преобразования), чувствительность, цена деления, диапазон измерения).

2. Характеристики погрешностей средств измерений (погрешность гистерезиса, абсолютная, относительная, случайная, аддитивная, систематическая, мультипликативная, нелинейная, основная, динамическая погрешности, порог чувствительности).

3. Характеристики чувствительности к влияющим величинам (функция влияния, дополнительная погрешность).

4. Динамические характеристики (дифференциальные уравнения, частотные характеристики, переходная характеристика, передаточная функция, постоянная времени и другие).

5. Характеристики взаимодействия с подключаемыми устройствами (входной и выходной импеданс и другие).

Статическая характеристика - это зависимость выходного информативного сигнала от входного в статическом режиме.

Чувствительность характеризует степень влияния входной величины на выходную и представляет собой отношение изменения выходной величины Y к входной Х.

Любое измерение, как бы оно тщательно не проводилось, неизбежно сопровождается ошибками (погрешностями), которые обусловлены не совершенством метода измерений, конструкционными особенностями прибора и другими причинами .

Различают погрешности результата измерений и погрешности средств измерений. Погрешность результата измерения - это разница между результатом измерения и истинным значением измеряемой величины. Истинное значение измеряемой величины - это значение, идеальным образом отражающее свойство данного объекта, как в количественном, так и в качественном отношении. Понятие истинного значения абстрактно, на практике оно заменяется действительным значением (экспериментальное значение, близкое к истинному значению настолько, что может быть использовано вместо него). Погрешность средства измерения - это разность между показаниями средства измерения и истинным (действительным) значением измеряемой физической величины.

Эти два понятия достаточно близки, поэтому для их оценки используются одинаковые модели и очень часто они одинаково выражаются. По способу выражения погрешности делятся на абсолютные, относительные и приведенные погрешности .

По характеру проявления погрешности делятся на случайные и систематические.

Случайная погрешность - это погрешность, которая изменяется случайным образом, при проведении повторных наблюдений.

Систематическая погрешность - это погрешность, которая остается постоянной или изменяется по известному закону при проведении повторных наблюдений.

По зависимости абсолютной погрешности от значений измеряемой величины различают мультипликативные (прямо пропорциональны измеряемой величине), аддитивные (не зависят от измеряемой величины), нелинейные (нелинейная зависимость от измеряемой величины) .

По влиянию внешних условий различают основную и дополнительную погрешности средств измерения. Основная погрешность - это погрешность, которую имеет прибор при эксплуатации в нормальных условиях. Дополнительная погрешность - это погрешность, возникающая при отклонении хотя бы одной влияющей величины за пределы, установленные нормальными условиями.

В зависимости от влияния характера изменения измеряемых величин погрешности средств измерения делят на статические и динамические.

Статическая погрешность - это погрешность средства измерения применяемого для измерения физической величины, принимаемой за постоянную .

Динамической называется погрешность средства измерения, возникающая дополнительно при измерении переменной физической величины и обусловленная несоответствием его реакции на скорость изменения измеряемого сигнала.

Воздействие влияющих величин на метрологические характеристики средств измерения описывается функцией влияния - зависимостью изменения характеристик и параметров от изменения влияющей величины (совокупности величин).

Первоначальные метрологические характеристики устанавливаются при разработке и испытании средств измерения. Они могут быть представлены или в виде номинальных функций преобразования (для статических характеристик, для функций влияния), или в виде пределов допустимых значений (для погрешностей и др.). Если норма на метрологические характеристики берется в виде номинальных функций преобразований, то эта функция задается в виде формулы, таблицы, графика, а если норма на метрологические характеристики берется в виде предела допустимых значений .

4. Источники погрешности термопар

Принцип действия термопар и особенности преобразования и передачи сигнала приводят к следующим возможным проблемам при их эксплуатации, вызывающим ошибку в определении температуры:

- Дефекты формирования рабочего спая термопары;

- Возникновение термоэлектрической неоднородности по длине термоэлектродов и изменение градуировочной характеристики термопары;

- Электрическое шунтирование проводников изоляцией и возможное возникновение гальванического эффекта;

- Тепловое шунтирование;

- Электрические шумы и утечки.

Существует много способов формирования рабочего спая термопары: механическое скручивание, пайка, сварка и т.д. При сварке в спай добавляется третий метал, но т.к. температуры проводников, исходящих из спая одинаковы, это не может привести к какой-либо погрешности. Проблема заключается в том, что третий метал, как правило, имеет более низкую температуру плавления и при высоких температурах спай может разорваться. Более того, может происходить загрязнение электродов чужеродным испаряющимся металлом. Поэтому рекомендуется производить сварку рабочего спая. Однако процесс сварки тоже требует особого внимания, т.к. перегрев может повредить термопарную проволоку и газ, используемый для сварки, может диффундировать в проволоку. Дефектная сварка может привести в разрыву спая при эксплуатации. В программном обеспечении, используемом для считывания и обработки сигнала термопары всегда есть специальный тест на разрыв спая .

Рекомендации по работе с термопарами

Целостность и точность измерительной системы, включающей термопарный датчик, может быть повышена с помощью следующих мер:

- использовать проволоки большого диаметра, которая, однако, не будет изменять температуру объекта измерения;

- если необходимо использовать миниатюрную термопару из очень тонкой проволоки, следует использовать ее только в месте измерения, вне объекта следует использовать удлинительные провода;

- избегать механических натяжений и вибраций термопарной проволоки;

- если необходимо использовать очень длинные термопары и удлинительные провода следует соединить экран повода с экраном вольтметра и тщательно перекручивать выводы;

- по-возможности избегать резких температурных градиентов по длине термопары;

- использовать термопару только в пределах рабочих температур, желательно с запасом;

- использовать подходящий материал защитного чехла при работе во вредных условиях, чтобы обеспечить надежную защиты термопарной проволоки;

- использовать удлинительные провода в их рабочем диапазоне и при минимальных градиентах температур;

- вести электронную запись всех событий и непрерывно контролировать сопротивление термоэлектродов.



Заключение

В отчете рассмотрены конструктивные особенности термопар, допускающие возможность эксплуатации в различных условиях.

Также было проведено знакомство с рекомендациями по выбору типа термопары, в зависимости от составных компонентов, изучены метрологические характеристики, регламентирующие возможности использования термопар в зависимости от условий эксплуатации.

Выяснены способы подключения термопар к измерительным преобразователям, среди которых наибольшее применение имеют простой и дифференциальный.



Список литературы

1. Андреев, А.А. Автоматические, регистрирующие и регулирующие приборы / А.Андреев. Л.: Машиностроение, 1981. 261с.

2. Гинзбург, И.Б. Монтаж, наладка и эксплуатация автоматических устройств в промышленности строительных материалов / И.Б.Гинзбург, Ю.А.Титов. Л.: Стройиздат, 1984. 263с.

3. Казьмин, П.М. Монтаж, наладка иэксплуатация автоматических устройств химических производств / П.М.Казмин. Л.: Химия, 1979. 294с.

4. Клюев, А.С. Монтаж приборов и средств автоматизации / А.С.Клюев. М.: Энергия, 1979. 724с.

5. Клюев, А.С. Монтаж приборов, средств автоматизации и слаботочных устройств / А.С.Клюев, С.В.Кошелев. М.: Стройиздат, 1978. 512с.

6. Клюев, А.С. Наладка систем контроля и автоматического управления / А.С.Клюев, П.А.Минеев. Л.: Стройиздат, 1980. 208с.

7. Крамарухин, Ю.Е. Приборы для измерения температуры / Ю.Е.Крамарухин. М.: Машиностроение, 1990. 208с.

8. Миранцев, Г.Я. Ремонт автоматических приборов и регуляторов. М.: Энергия, 1980. 224с.

9. Мурин, Г.А. Теплотехнические измерения. М.: Энергия, 1979. 424с.

10. Петров, И.К. Приборы и средства автоматизации для пищевой промышленности / И.К.Петров, М.М.Солощенко, В.А.Царьков. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. 415с.

Размещено на Allbest.ru

...