Термопары и их применение
Термопары, их характеристика, принцип действия и назначение. Подключение термопары к измерительному прибору. Техника компенсации холодного спая. Преимущества и недостатки термопар. Особенности, преимущества и недостатки термометров сопротивления.
Рубрика | Физика и энергетика |
Вид | реферат |
Язык | русский |
Дата добавления | 30.11.2015 |
Размер файла | 129,4 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru
Термопары широко применяют для измерения температуры различных объектов, а также в автоматизированных системах управления и контроля. Измерение температур с помощью термопар получило широкое распространение из-за надежной конструкции датчика, возможности работать в широком диапазоне температур и дешевизны. Широкому применению термопары обязаны в первую очередь своей простоте, удобству монтажа, возможности измерения локальной температуры. Они гораздо более линейны, чем многие другие датчики, а их нелинейность на сегодняшний день хорошо изучена и описана в специальной литературе. К числу достоинств термопар относятся также малая инерционность, возможность измерения малых разностей температур. Термопары незаменимы при измерении высоких температур (вплоть до 2200°С) в агрессивных средах. Термопары могут обеспечивать высокую точность измерения температуры на уровне ±0,01°С. Они вырабатывают на выходе термоЭДС в диапазоне от микровольт до милливольт, однако требуют стабильного усиления для последующей обработки.
Термопары относятся к классу термоэлектрических преобразователей, принцип действия которых основан на явлении Зеебека: если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру (Т не равно Т2), то в цепи протекает электрический ток (рис. 1). Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока.
Рис. 1 Явление Зеебека
Под термоэлектрическим эффектом понимается генерирование термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), возникающей из-за разности температур между двумя соединениями различных металлов и сплавов.
Таким образом, термопара может образовывать устройство (или его часть), использующее термоэлектрический эффект для измерения температуры. В сочетании с электроизмерительным прибором термопара образует термоэлектрический термометр. Измерительный прибор или электронную измерительную систему подключают либо к концам термоэлектродов (рис. 2,а), либо в разрыв одного из них (рис. 2,б).
термопара прибор термометр сопротивление
Рис. 2 (а, б) Подключение термопары к измерительному прибору
В местах подключения проводников термопары к измерительной системе возникают дополнительные термоЭДС. В результате их действия на вход измерительной системы фактически поступает сумма сигналов от рабочей термопары и от «термопар», возникших в местах подключения (рис. 3).
Рис. 3 Принцип работы термопары
Существуют различные способы избежать этого эффекта. Самым очевидным из них является поддержание температуры холодного спая постоянной. На практике при измерении температур широко используется техника «компенсации холодного спая»: температура холодного спая измеряется другим датчиком температуры, а затем величина термоЭДС холодного спая программно или аппаратно вычитается из сигнала термопары (рис. 4). Места подключения термопары к измерительной системе должны иметь одинаковую температуру, то есть находиться в изотермальной зоне. Кроме того, в схеме с компенсацией холодного спая в этой же зоне должен находиться и датчик температуры холодного спая. Разработчик должен учитывать эти требования при конструировании измерительной системы.
Рис. 4 Техника компенсации холодного спая
На рис. 5 представлены зависимости ЭДС от температуры наиболее распространенных типов термопар, у которых температура холодного спая поддерживается равной 0°С. Из него видно, что термопары типа Е наиболее чувствительны и развивают наибольшее выходное напряжение при одном и том же изменении температуры, чем другие. С другой стороны, термопары типа S являются наименее чувствительными. К сожалению, у большинства термопар эти зависимости в некоторых диапазонах температур носит нелинейный характер.
Рис. 5 Зависимости ЭДС от температуры наиболее распространенных типов термопар
Преимущества термопар
· Высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01 °С).
· Большой температурный диапазон измерения: от ?250 °C до +2500 °C.
· Простота.
· Дешевизна.
· Надёжность.
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.
С развитием измерительной техники, наиболее удобными техническими видами термометров стали те, в которых термометрическим признаком является электрический сигнал. Это термосопротивления (металлические и полупроводниковые) и термопары.
В металлическом термометре сопротивления измерение температуры основано на явлении роста сопротивления металла с ростом температуры. Для большинства металлов вблизи комнатной температуры эта зависимость близка к линейной, а для чистых металлов относительное изменение их сопротивления при повышении температуры на 1 К (температурный коэффициент сопротивления) имеет величину близкую к 4*10-3 1/К. Термометрическим признаком является электрическое сопротивление термометрического тела - металлической проволоки. Чаще всего используют платиновую проволоку, а также медную проволоку или их различные сплавы. Диапазон применения таких термометров от водородных температур (~20 К) до сотен градусов Цельсия. При низких температурах в металлических термометрах зависимость сопротивления от температуры становится существенно нелинейной, и термометр требует тщательной калибровки.
В полупроводниковом термометре сопротивления (термисторе) измерение температуры основано на явлении уменьшения сопротивления полупроводников с ростом температуры. Так как температурный коэффициент сопротивления полупроводников по абсолютной величине может значительно превосходить соответствующий коэффициент металлов, то и чувствительность таких термометров может значительно превосходить чувствительность металлических термометров.
Специально изготовленные полупроводниковые термосопротивления могут быть использованы при низких (гелиевых) температурах порядка нескольких кельвин. Однако следует учитывать то, что в обычных полупроводниковых сопротивлениях возникают дефекты, обусловленные воздействием низких температур. Это приводит к ухудшению воспроизводимости результатов измерений и требует использования в термосопротивлениях, специально подобранных полупроводниковых материалов.
В общем виде зависимость имеет вид
Rt=R0(1+at),
где Rt - сопротивление датчика при его напревании на t градусов Цельсия; R0 - сопротивление датчика при 0 градусов Цельсия; a - температурный коэффициент.
Изменение температуры вызывает изменение теплового колебания кристаллической решетки металла, что в свою очередь влияет на изменение электрического сопротивления датчика. То есть, чем выше температура датчика, тем выше колебания кристаллической решетки, а значит, больше и электрическое сопротивление.
Преимущества термометров сопротивления
· Высокая точность измерений (обычно лучше ±1 °C), может доходить до 0,13 тысячных °C (0,00013).
· Возможность исключения влияния изменения сопротивления линий связи на результат измерения при использовании 3- или 4-проводной схемы измерений.
· Практически линейная характеристика.
Недостатки термометров сопротивления
· Относительно малый диапазон измерений (по сравнению с термопарами)
· Дороговизна (в сравнении с термопарами из неблагородных металлов, для платиновых термометров сопротивления типа ТСП).
· Требуется дополнительный источник питания для задания тока через датчик.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Метрологические характеристики средств измерений. Термопары: понятие и принцип действия, конструкция, достоинства и недостатки, условия и возможности применения. Методы улучшения метрологических характеристик и исключения погрешностей термопары.
контрольная работа [222,8 K], добавлен 29.10.2014Определение максимальной в заданном диапазоне температуры погрешность нелинейности характеристики, необходимость линеаризации. Определение разрядности аналого-цифрового преобразования термопары ТХА(К), принцип его работы, функциональная схема прибора.
курсовая работа [126,3 K], добавлен 30.11.2009Сущность и типы тепловых преобразователей, принцип их действия и назначение, сферы практического использования, этапы изготовления. Характеристика стандартных общепринятых типов подключения термопары к измерительным и преобразовательным приборам.
презентация [331,6 K], добавлен 27.06.2014Понятие термоэлектрического эффекта; технические термопары, их типы. Характеристика и конструкция ТЭП, исполнение, назначение, условия эксплуатации, недостатки. Измерение температуры, пределы допускаемых отклонений термоЭДС от номинального значения.
контрольная работа [138,8 K], добавлен 30.01.2013Измерение электрических величин: мощности, тока, напряжения. Область применения электроизмерительных приборов. Отличие прямых и косвенных измерений. Требования к измерительному прибору. Схема включения амперметра, вольтметра. Расчет сопротивления цепи.
лабораторная работа [48,0 K], добавлен 24.11.2013Изучение метрологии как наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и точности. Характеристика и сущность преобразователей термоэлектрических. Общие технические требования термопары. Методика поверки. Расчет методом прямых измерений.
курсовая работа [143,9 K], добавлен 29.06.2015Определение назначения регенеративных теплообменных аппаратов как устройств, обеспечивающих нагрев или охлаждения материальных потоков, их преимущества и недостатки. Устройство и преимущества люминесцентных светильников. Энергоемкость галогенных ламп.
реферат [46,7 K], добавлен 27.05.2013Типы солнечных коллекторов: плоские, вакуумные и воздушные. Их конструкции, принцип действия, преимущества и недостатки, применение. Устройство бытового коллектора. Солнечные башни. Параболоцилиндрические и параболические концентраторы. Линзы Френеля.
реферат [620,3 K], добавлен 18.03.2015Понятие и назначение защитного заземления и зануления производственного оборудования, области их практического применения. Системы оповещения при пожаре и принцип их действия. Сравнительная характеристика разных извещателей, их преимущества и недостатки.
контрольная работа [605,3 K], добавлен 16.02.2011Основные преимущества люминесцентных ламп перед лампами накаливания. Параметры и виды люминесцентных ламп, правила их утилизации и особенности маркировки. Запуск и подключение, область применения. История и принцип работы. Причины выхода из строя.
реферат [344,3 K], добавлен 06.01.2011Трансформаторы: общие сведения, их классификация и маркировка. Конструктивные особенности трансформаторов. Вакуумные выключатели, их преимущества и недостатки. Принцип действия отделителей и короткозамыкателей. Разъединители внутренней установки.
реферат [9,0 M], добавлен 07.01.2011Распределение примеси и носителей заряда в полупроводнике при изменении типа проводимости. Определение дебаевской длины в собственном полупроводнике. Знаки нормальных и касательных напряжений. Градировочная таблица термопары платинородий-платина.
контрольная работа [499,5 K], добавлен 29.06.2012Особенности паровой турбины как теплового двигателя неперерывного действия. История создания двигателя, принцип действия. Характеристики работоспособности паровой турбины, ее преимущества и недостатки, область применения, экологическое воздействие.
презентация [361,8 K], добавлен 18.05.2011История создания химических источников тока, их классификация, устройство и принцип действия. Виды гальванических элементов: электрические аккумуляторы и топливные устройства. Эксплуатация и регенерация батарей, их основные преимущества и недостатки.
курсовая работа [11,0 M], добавлен 29.05.2009Феноменология пламен. Оптические методы исследования пламен: основанные на собственном излучении, на просвечивании пламен, на упругом рассеивании света. Метод термопары. Лазерные методы - магнитный резонанс, масс-спектрометрия молекулярного пучка.
курсовая работа [315,6 K], добавлен 18.03.2008Понятие выключателей нагрузки высокого напряжения: понятие и описание, функциональные особенности. Вакуумный выключатель: история их создания, принцип действия, преимущества и недостатки. Высоковольтный выключатель. Вакуумные коммутационные аппараты.
научная работа [153,4 K], добавлен 13.11.2014Принцип устройства и действия тепловой трубки Гровера. Основные способы передачи тепловой энергии. Преимущества и недостатки контурных тепловых труб. Перспективные типы кулеров на тепловых трубах. Конструктивные особенности и характеристики тепловых труб.
реферат [1,5 M], добавлен 09.08.2015Основные сведения об альтернативной энергетики. Преимущества и недостатки вакуумных коллекторов. Снижение зависимости от поставок энергоносителей. Применение фокусирующих коллекторов. Преимущества использования экологически чистой солнечной энергии.
реферат [346,4 K], добавлен 21.03.2015Автотрансформатор - вариант трансформатора с соединенными напрямую первичной и вторичной обмотками, магнитной и электрической связями; принцип работы, применение. Технические характеристики АТДЦТН-250000/500/110-У1; маркировка, преимущества, недостатки.
презентация [2,1 M], добавлен 07.11.2013Понятие и принцип работы разъединителя, его назначение и взаимодействие составных частей. Сферы использования и значение в цепи отделителя. Преимущества и недостатки масляных выключателей. Разновидности и отличительные признаки приводов, их обозначения.
практическая работа [509,6 K], добавлен 12.01.2010