Читайте также:
|
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью работы является изучение термопар как устройства для контактного контроля над температурой объекта.
Задачи: усвоить принцип действия термопар, ознакомиться с погрешностями измерения температуры термопарами и методами их устранения, настроить стенд и исследовать ряд термопар.
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Термопара – термоэлемент, представляющий собой пару проводников из различных материалов, соединенных на одном конце. На свободных концах в результате действия термоэлектрического эффекта наводится ЭДС.
Рис. 1. Явление Зеебека.
Термоэлектрический эффект, он же Эффект Зеебека, – явление возникновения ЭДС в замкнутой электрической цепи (рис.1), состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников (А и В), контакты между которыми находятся при различных температурах (Т1 и Т2).
Непосредственное практическое значение применительно к термопарам имеют следующие термоэлектрические законы.
Первый закон. Возникающее в термопаре термо-ЭДС зависит от температуры спаев и не зависит от распределения температур по длине проводника (закон промежуточных температур Магнуса). Иная его формулировка: термо-ЭДС термопары АВ с температурами спаев Т1 и Т2 равна алгебраической сумме двух термо-ЭДС этой же термопары с температурами спаев Т1 и Т3, Т3 и Т2:
| (1) |
Это правило позволяет не заботиться о термостатировании термопары по всей ее длине и используется для градуировки термопар и определения поправок на температуру холодного спая.
Пример. ЭДС хромель-алюмелевой термопары с температурой холодного спая 50ОС равно 19,48 мВ. Необходимо определить при какой температуре находится рабочий спай термопары. Для этого воспользуемся градуировочной таблицей термопары ХА (см. приложение), составленной при условии, что холодный спай находится при температуре 0ОС.
ЕХА(Т,0О) = ЕХА (Т,50О) + ЕХА(50О,0О) = 19,48 + 2,02 = 21,50 мВ
Отсюда по той же таблице Т = 520ОС.
Второй закон. Если цепь состоит из трех проводников АВС, то термоэ.д.с. термопары АВ со спаями при температурах Т1 и Т2 равняется алгебраической сумме термоэ.д.с. термопар АС и СВ, спаи которых находятся при тех же температурах.
| (2) |
Этот закон ("промежуточных металлов") позволяет использовать удлинительные концы к термопарам и присоединять термопару к приборам с другими проводниками.
Нетрудно сообразить, что присоединенный в термостате к обоим проводам (А и В) термопары медный провод, который ведет к измерительному прибору (провод С в приведенной формуле) не меняет величины возникшей электродвижущей силы термопары АВ, поскольку эффекты от спаев СА и СВ, находящихся при одной температуре компенсируют друг друга.
а) б)
Рис. 2. Подключение термопары к измерительному прибору.
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). В местах подключения проводников термопары к измерительной системе возникают дополнительные термо-ЭДС, которые взаимно компенсируется при равенстве температур вспомогательных спаев.
Так как термо-ЭДС термопары зависит от разности температур холодного и горячено концов, для успешного преобразования ЭДС в температуру необходимо так же контролировать температуру холодного спая. На практике при измерении температур широко используется техника «компенсации холодного спая»: температура холодного спая измеряется другим датчиком температуры, а затем величина термо-ЭДС холодного спая программно или аппаратно вычитается из сигнала термопары.
Рис. 3. Подключение термопары.
На практике при измерении температур широко используется техника «компенсации холодного спая»: температура холодного спая измеряется другим датчиком температуры, затем величина термо-ЭДС холодного спая программно или аппаратно вычитается из сигнала термопары. 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. При конструировании измерительной системы эти требования должны учитываться.
При выборе термопары для производства замеров температуры в некотором диапазоне следует выбирать ту термопару, коэффициент линейности которой изменяется менее других в рамках этого диапазона. Для достижения высокой точности измерений термопарного термометра во всем диапазоне рабочих температур необходима его калибровка.
Среди основных можно выделить следующие типы термопар:
ТХА (хромель-алюмелевая термопара) – предназначена для работы в окислительных и инертных средах. Обладает более близкой к прямой характеристикой.
ТХК (хромель-копелевая термопара) – предназначена для работы в окислительных и инертных средах. Обладает наибольшей чувствительностью, высокой термоэлектрической стабильностью при температурах до 600°С. Недостаток: высокая чувствительность к деформациям.
ТПП (платинародий-платиновая термопара) – предназначена для длительной эксплуатации в окислительных средах. Обладает хорошей устойчивостью к газовой коррозии (особенно на воздухе при высоких температурах); высокой надежностью при работе в вакууме, но менее стабильны в нейтральных средах. Недостаток: высокая чувствительность термоэлектродов к любым загрязнениям, появившимся при изготовлении, монтаже или эксплуатации термопар
ТВР (вольфрам-рениевая термопара) – может использоваться как стандартные для установления номинальных статических характеристик термопар методом сравнения. Обладает возможностью длительного применения при температурах до 22О0°С в неокислительных средах; устойчивостью в аргоне, гелии, сухом водороде и азоте. Недостаток: плохая воспроизводимость термо-ЭДС, вынуждающая группировать термоэлектродные пары по группам с номинальными статическими характеристиками.
ТНН (нихрасил-нисиловая термопара) – предназначена в качестве универсального средства измерения температур в диапазоне температур 0 - 1230°С. Обладает высокой стабильностью термо-ЭДС (по сравнению с ТХА, ТПП, ТПР), высокой радиационной стойкостью, высокой стойкостью к окислению электродов.
В зависимости от конструкции и назначения различают термопары погружаемые и поверхностные; с обыкновенной, взрывобезопасной, влагонепроницаемой или иной оболочкой (герметичной или негерметичной), а также без оболочки; обыкновенные, вибротряскоустойчивые и ударопрочные; стационарные и переносные и т.д.
ИСПОЛЬЗУЕМОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
В работе используется специальный стенд с возможностью подключения различных термопар – хромель-копель, хромель-алюмель, вольфрам-рений. В качестве источника тепла выступает паяльная станция с возможностью цифровой установки температуры жала.
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА
Лабораторный стенд состоит из цифровой паяльной станции, усилителя сигнала термо-ЭДС на двух ОУ, трёх видов термопар, цифрового вольтметра и источника питания.
Перед началом экспериментов необходимо выставить на источнике питания напряжение питания ОУ 5 В и напряжение компенсации температуры холодного спая 3 В.
В соответствующие гнёзда на плате усилителя согласно указанным полярностям подключаются термопара, цифровой вольтметр и источник питания.
Рис. 4. Принципиальная схема усилителя.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ
1. Изучить разделы курса и краткие теоретические сведения, посвящённые контактному контролю температуры.
2. Подготовить ответы на контрольные вопросы.
3. Ознакомиться с рабочим заданием, методическими указаниями к работе и характеристиками оборудования.
4. Рассчитать величину термо-ЭДС для трёх типов термопар при температуре спая 50℃ и температуре холодных концов 25℃.
5. Подготовить бланк отчёта.
РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ
1. Получить у преподавателя допуск к работе.
2. Собрать стенд согласно схеме на рисунке 4.
3. Заземлив вход U0, установить коэффициент усиления по входу Uвх равным 100.
4. Заземлив оба входа, убедиться в нулевом уровне выходного сигнала.
5. Установить термопару.
6. При помощи ванночки со льдом и водой определить термоэдс термопары при 0 градусов.
7. Заземлив Uвх и подключив источник питания к U0, установить на выходе схемы напряжение, равное по модулю термоэдс термопары при нуле градусов помноженное на 100.
8. Вновь подключить термопару.
9. Включить паяльную станцию и установить минимально допустимую температуру.
10. Выбрать количество точек замера температуры и шаг изменения таким образом, что бы достоверно отобразить характеристики термопар..
11. Снять зависимость термо-ЭДС от температуры точки спая.
12. На основе полученных данных построить график зависимости термо-ЭДС от температуры и достроить его до значения температуры 1600℃.
13. Повторить пункты 5-12 для остальных термопар.
14. Оформить и защитить отчёт по проделанной работе.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. К какому методу контроля относятся термопары? Какие устройства относятся к этому методу? Какие ещё методы контроля вы знаете?
2. В каких случаях целесообразно применять термопары для измерения температуры?
3. Опишите устройство термопары и её принцип действия.
4. Какие параметры и внешние воздействия необходимо учитывать при конструировании термометра на основе термопары?
5. Расскажите принцип выбора типа термопары под конкретную задачу.
6. Какие виды термопар используются в работе?
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Данишевский С.К., Сведе-Швец Н. И. «Высокотемперные термопары» - М., «Металлургия», 1977.
2. Геращенко О.А., Федоров В.Г. «Тепловые и температурные измерения» - Киев: Наукова думка, 1965.
3. http://www.radioradar.net/hand_book/documentation/terpara.html
4. http://temperatures.ru/dattemp/dattemp.php?page=3
5. http://www.temperatures.ru/pdf/Ulanovsky-1.pdf
6. http://web.ru/db/msg.html?mid=1164637&uri=text%2fappend%2ftab09.html
7. http://web.ru/db/msg.html?mid=1164637&uri=text%2Fpart4-3-3.html
8. http://web.ru/db/msg.html?mid=1164637&uri=text%2fappend%2ftab08.html
9. http://www.npo-vrs.ru/splav.htm
Дата добавления: 2015-09-11; просмотров: 41 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
| Что будет, если вас– независимых экономистов– не услышат? | | | Доставка |