Что является чувствительным элементом термоэлектрического термометра
Перейти к содержимому

Что является чувствительным элементом термоэлектрического термометра

  • автор:

Термоэлектрические термометры

Термоэлектрический термометр включает в себя датчик (термоэлектрический преобразователь — термопара), канал связи (термоэлектродные провода), вторичный прибор (милливольтметр, потенциометр или контроллер).

Термоэлектрический преобразователь

Первичным преобразователем термоэлектрического термометра служит термопара, состоящая из двух разнородных проводников. Принцип действия термопары основан на термоэлектрическом эффекте (эффект Т.Й. Зеебека, 1821 г.), т.е. на возникновении в замкнутой цепи из двух разнородных проводников электрического тока в том случае, если места спаев имеют разную температуру [30]. Электродвижущая сила, обусловленная неодинаковыми температурами мест соединения t и /0, называется термоЭДС, а создающий ее преобразователь — термоэлектрическим термометром (термопарой). Термопары обладают инерционностью порядка 1,5—8 мин. Достоинствами их являются простота конструкции и изготовления, отсутствие источника питания, дешевизна и возможность измерения высоких температур. Спай с температурой t называется горячим или рабочим, спай с температурой t0 холодным или свободным, а проводники АиВ — термоэлектродами (рис. 2.47, 2.48).

Термоэлектрический эффект объясняется наличием в металле свободных электронов, число которых в единице объема различно для разных металлов. В спае с температурой t электроны из металла А диффундируют в металл В, например, в большем количестве,

Термоэлектрическая цепь из двух разнородных проводников

Типичный внешний вид термопреобразователя температуры чем обратно

Рис. 2.48. Типичный внешний вид термопреобразователя температуры чем обратно. Поэтому металл А заряжается положительно, а металл В отрицательно. Когда скорость диффузии электронов станет равной скорости их обратного перехода под влиянием установившегося электрического поля, наступает состояние подвижного равновесия. При таком состоянии между проводниками Ат В возникает разность потенциалов. Таким образом, термоЭДС (ТЭДС) является функцией двух переменных величин, т.е. EAB(t, t0). Поддерживая температуру спаев /0 постоянной, получим

Это означает, что измерение температуры t сводится к определению ТЭДС температуры. ТЭДС не меняется от введения в цепь термопары третьего проводника, если температуры концов этого проводника одинаковы. Следовательно, в цепь термопары можно включать соединительные провода и измерительные приборы. Для измерения термоЭДС термоэлектрического термометра в его цепь необходимо включить измерительный прибор (ИП). Для этого необходимо разорвать термоэлектрическую цепь в спае /0 (рис. 2.49).

Схема включения третьего проводника

Рис. 2.49. Схема включения третьего проводника:

(а) — термопара; (б) — цепь с третьим проводником, включенным в разрыв холодного спая; (в) — цепь с третьим проводником, включенным в разрыв термоэлектрода

В этом случае у термометра будет три конца: рабочий 1, погружаемый в среду, температура которой измеряется, и свободные концы 2 и 3, которые должны находиться при постоянной температуре (?0 = const). Измерительный прибор можно также включать и в разрыв одного из электродов. Номинально приписываемая термопаре данного типа зависимость ТЭДС от температуры рабочего конца при постоянно заданной температуре свободных концов называется номинальной статической характеристикой (НСХ) преобразователя термопары.

Требования к материалу для изготовления

термоэлектрических преобразователей (термопар)

  • 1. Постоянство ТЭДС во времени.
  • 2. Устойчивость к воздействию высоких температур.
  • 3. Возможно большая величина ТЭДС и однозначная зависимость ее от температуры.
  • 4. Небольшой температурный коэффициент электрического сопротивления и большая электропроводность.
  • 5. Воспроизводимость термоэлектрических свойств, обеспечивающих взаимозаменяемость термопар [35, 18].

Конструктивное оформление термопар

Конструктивное оформление термопар разнообразно и зависит главным образом от условий их применения. На рис. 2.50 показана термопара типичной конструкции.

Термопара в защитной арматуре с передвижным фланцем

Рис. 2.50. Термопара в защитной арматуре с передвижным фланцем:

  • 1 — горячий спай термопары: 2 — фарфоровый наконечник: 3 — защитная трубка;
  • 4 — фарфоровые бусы; 5 — передвижной фланец для крепления термопары:
  • 6 — корпус головки: 7 — фарфоровая колодка; 8- винты для крепления колодки; 9 — зажимы; 10 — винты для крепления термоэлектродов в зажимах;
  • 11 — винты для крепления проводов; 12 — крышка; 13 — прокладка;
  • 14 — штуцер для вывода; 15 — асбестовый шнур; 1В — винт для цепочки

Как правило, горячий спай промышленных термопар изготовляется сваркой в пламени электрической дуги. Термопары платиновой группы свариваются без флюса, а остальные — под слоем флюса. Пайка применяется только при изготовлении нестандартных лабораторных термопар из очень тонких проволок. Независимо от конструкции термопара должна удовлетворять ряду требований. Изоляция термоэлектродов должна исключать возможность короткого замыкания и электрических утечек. Термоэлектроды должны быть защищены от механических повреждений и химического воздействия измеряемой среды. Термоэлектродные провода должны быть надежно подключены к термопаре. Для электрической изоляции термоэлектродов обычно применяют фарфор в виде коротких одноканальных или двухканальных трубок либо бус. Спай термопары остается голым и изолируется обычно фарфоровым наконечником, помещенным на дне защитной металлической трубки. Изолированные электроды промышленных термопар помещаются в защитную трубку для предохранения от механических повреждений и химического воздействия среды при высоких температурах.

Защитная трубка ввинчивается в головку термопары, внутри которой укреплены две клеммы, соединенные с электродами термопары. Клеммы служат для присоединения концов термоэлектродных проводов, для выхода которых головка термопары снабжена сбоку отверстием с коротким патрубком. Для агрессивных сред применяются защитные трубки из металлокерамики или стальные трубки, покрытые слоем тугоплавкой эмали. Холодные спаи каждой термопары укреплены под винтами фарфоровой контактной колодки. Соединительные провода выведены из арматуры термопары через специальные сальниковые уплотнения [30].

Виды стандартных термопар и диапазоны измеряемых температур

В соответствии с ГОСТ 6616—94 [4] известны следующие виды термопар (табл. 2.8).

Виды термопар

Буквенное обозначение НСХ*

Пределы измеряемых температур

Медь- константановая ТМКн

Хромель-копелевая

Хромель-константа- новая ТХКн

Железо-константано- вая ТЖКн

Нихросил — н иси л овая ТНН

Платинородий-платиновая ТПП13, ТПП10

* НСХ — номинальная статическая характеристика.

Термоэлектродные провода

Соединительные провода в данном случае предназначены для удаления холодных спаев термопары возможно дальше от объекта измерения, т.е. от зоны с меняющейся температурой. Соединительные провода должны быть термоэлектрически подобны термоэлектродам термопары; их целесообразно называть термоэлектродными проводами. Как правило, термоэлектродные провода и термоэлектроды термопар, изготовленных из неблагородных металлов, выполняются из одних и тех же материалов (удлинение термопары). Исключение составляет хромель-алюмелевая термопара, для которой с целью уменьшения сопротивления линии в качестве термоэлектродных проводов часто применяют медь в паре с константаном. Для платиноро- дий-платиновых термопар в качестве термоэлектродных проводов употребляется медь в паре с медноникелевым сплавом (99,4% Си + 0,6% Ni). Эти провода в паре между собой до 100°С развивают такую же ТЭДС, что и платинородий-платиновая термопара [30].

Способы компенсации изменения температуры

холодных спаев термопары

Правильное измерение температуры возможно лишь при постоянстве температуры холодных спаев /0 (рис. 2.51). Это условие обес-

Схема включения соединительных проводов

Рис. 2.51. Схема включения соединительных проводов

печивается с помощью соединительных проводов и специальных термостатирующих устройств.

Для правильного измерения температуры обязательно соблюдение равенства температур в точках 1 и 2 (см. рис. 2.51). Для этого точки 1 и 2 помещаются близко одна к другой в головке термопары. Как видно из рис. 2.51, холодные спаи /0 удалены от головки термопары на длину термоэлектродных проводов, что обеспечивает тер- мостатирование холодных спаев. От термоэлектродных проводов до измерительного прибора 3 можно применять медные провода. Иногда на всем протяжении от термопары до измерительного прибора 3 применяют термоэлектродные провода, что облегчает введение поправки на температуру холодных спаев. Однако при этом надо учитывать, что термоэлектродные провода обладают относительно большим сопротивлением. Основные технические данные термоэлектродных проводов приводятся в специальной справочной литературе.

В лабораторных условиях температуру холодных спаев /0 обычно поддерживают равной 0°С. В этом случае места спаев погружают в пробирки с маслом, которые помещают в сосуд Дьюара, наполненный тающим льдом. Холодные спаи могут находиться и при комнатной температуре, но тогда они должны быть погружены в сосуд с маслом, температура которого контролируется. Поправку на температуру холодных спаев вводят двумя способами: по градуировочной таблице или автоматически. В производственных условиях для автоматического введения поправки на температуру холодных спаев применяются мостовые электрические схемы [30].

Измерительные (вторичные) приборы, применяемые

в комплекте с термопарами для измерения температуры

Для измерения ТЭДС в комплектах термоэлектрических термометров применяют вторичные приборы: милливольтметры и потенциометры (той же градуировки, что и термопара). Милливольтметры — это магнитоэлектрические приборы. Их работа основана на взаимодействии проводника, по которому течет ток, и магнитного поля постоянного магнита. Милливольтметры делятся на переносные и стационарные. Принцип потенциометрического метода измерения основан на уравновешивании (компенсации) измеряемой ТЭДС известной разностью потенциалов, образованной вспомогательным источником тока. Потенциометры делятся на лабораторные, переносные и автоматические.

Принцип действия магнитоэлектрического милливольтметра

Магнитная система милливольтметра (рис. 2.52) состоит из подковообразного магнита, полюсных наконечников и цилиндрического сердечника /. В воздушном кольцевом зазоре между полюсными наконечниками и сердечником вращается рамка 2 из медного

Схема измерительного механизма магнитоэлектрического милливольтметра

Рис. 2.52. Схема измерительного механизма магнитоэлектрического милливольтметра

(реже — алюминиевого) провода. Чаще всего рамка крепится на кернах 5, которые опираются на подпятники 3 из агата или рубина. Момент, противодействующий вращению рамки, создается спиральными пружинами 4, которые одним концом крепятся к оси 5 и одновременно служат для подвода тока от термоэлектрического преобразователя к рамке. Зависимость угла (р поворота рамки, а значит и стрелки 7, от величины тока / (т.е. от величины температуры) может быть выражена приближенной формулой cp

С/, где С = const. Из формулы следует, что шкала милливольтметра 6 равномерна и чувствительность прибора одна и та же в любом месте шкалы. В приборах с рамкой на кернах необходимо учитывать момент трения в опорах, который вносит погрешность в результаты измерений и создает вариацию в показаниях прибора. Погрешности вызываются также неуравновешенностью подвижной системы, когда ее центр тяжести не совпадает с осью вращения.

Схема автоматического введения поправки на температуру

холодных спаев

Для исключения влияния отклонений температуры свободного спая термопары на показания вторичного прибора (милливольтметра) в замкнутый контур введен неуравновешенный (компенсационный) мост (рис. 2.53). Термопара 2 включается последовательно с неуравновешенным мостом, три плеча которого (Rv R2 и R2) выполнены из манганина, а четвертое (R4) — медное. Материал манганин, в отличие от меди, не меняет своего сопротивления до температуры 100°С. Схема питается от стабилизированного источника питания. Добавочное сопротивление Ra служит для подгонки подаваемого на мост напряжения до нужного значения. От термопары до компенса-

Электрическая схема автоматической компенсации температуры холодных спаев термопары

Рис. 2.53. Электрическая схема автоматической компенсации температуры холодных спаев термопары: 1 — компенсационный мост; 2-термопара; 3 — милливольтметр; 4 — источник сетевого питания ционного моста прокладываются термоэлектродные провода, от моста до измерительного прибора — медные [30].

При градуировочной температуре (t0 = 0°С) холодных спаев термопары мост находится в равновесии и разность потенциалов на вершинах моста cd (поправка) равна нулю.

При отклонении температуры холодных спаев от /0 = 0°С меняется сопротивление R4, вследствие чего нарушается равновесие моста и на его вершинах cd возникает разность потенциалов, которая равна по величине и противоположна по знаку изменению ТЭДС термопары, вызванному отклонением температуры ее холодных спаев от градуировочной. Эта поправка добавляется к базовой разности потенциалов, и милливольтметр показывает измеренную величину температуры.

Сущность компенсационного метода измерения ТЭДС

Потенциометры

Принцип потенциометрического метода измерения температуры основан на уравновешивании (компенсации) измеряемой ТЭДС известной разностью потенциалов, образованной вспомогательным источником тока. Принципиальная схема измерения ТЭДС термопары показана на рис. 2.54.

Ток от вспомогательного источника (сухого элемента) проходит по цепи, в которую между точками А и В включено сопротивление RAB в виде реохорда, который в данном случае представляет собой калиброванную проволоку. Разность потенциалов между точкой А и любой промежуточной точкой D (положение фиксируется движком) пропорциональна сопротивлению RAD. Точка D выполнена в виде скользящего контакта (движок реохорда). Последовательно с термопарой включен чувствительный нуль-прибор (НП) с нулем в середине шкалы (индикатор наличия тока в цепи термопары). Пусть НП на нуле. Помещаем термопару в измеряемую среду. Стрелка НП, естественно, отклоняется от нуля. Передвигая контакт (D) по сопротивлению RAR, можно найти положение, при котором ток в цепи термопары равен нулю, т.е. стрелка НП будет стоять на нулевом делении шкалы, а контакт реохорда (D) будет в новом положении. Следовательно, ТЭДС термопары (а значит, и измеряемая температура) определяется известной величиной падения напряжения на участке сопротивления RAD.

Измерение ТЭДС компенсационным методом зависит от постоянства тока в цепи реохорда. Схема такого потенциометра показана на рис. 2.55 [35, 18]. В схеме к цепи источника и цепи термопары добавляется цепь нормального элемента, в которую входит нормальный элемент (НЭ), сопротивление RH3 и нуль-прибор НП

Принципиальная схема потенциометра

Рис. 2.54. Принципиальная схема потенциометра

(рис. 2.55). В начале переключатель П переводят на контакт К, включая НП в цепь НЭ и одновременно разрывая цепь термопары. Нуль-прибор, естественно, отклонился от нуля. Реостатом Rb, добиваются такого положения, при котором стрелка НП устанавливается на нуле шкалы. Итак, пришли к исходной точке отсчета.

Для измерения ТЭДС термопары переключатель П переводят на контакт И, подключая тем самым термопару последовательно с НП

Принципиальная схема потенциометра с постоянной силой тока в компенсационной цепи к измерительному сопротивлению в точке b и к скользящему контакту D

Рис. 2.55. Принципиальная схема потенциометра с постоянной силой тока в компенсационной цепи к измерительному сопротивлению в точке b и к скользящему контакту D. Естественно, что НП выйдет из нуля. Перемещая контакт D, находим такое положение, при котором НП покажет нуль, т.е. разность потенциалов между точками ЬД равна ТЭДС термопары. Нашли ТЭДС, значит, нашли величину измеренной температуры. Измерение ТЭДС компенсационным методом осуществляется при отсутствии тока в цепи термопары, поэтому сопротивление цепи (термопары, соединительных проводов, НП), а следовательно, и его зависимость от температуры не влияет на точность измерения. Это свойство является одним из существенных преимуществ компенсационного метода измерения [35].

Функциональная схема автоматического электронного

потенциометра

Если в рассмотренных выше потенциометрах небалансный ток измерительной цепи потенциометра вызывает отклонение стрелки нулевого прибора, то в автоматических потенциометрах нулевой прибор отсутствует. Он заменен электронным нуль-индикатором. Автоматические электронные потенциометры, кроме измерения температуры, могут быть использованы и для автоматического ее регулирования. В этом случае они снабжаются дополнительным регулирующим устройством. Кроме того, на базе автоматических потенциометров созданы вторичные приборы, которые в комплекте с соответствующими преобразователями используются для измерения других неэлектрических величин (давления, расхода, уровня, концентрации и др.). Автоматические потенциометры работают в комплекте с одной из стандартных термопар или с радиационным пирометром. Шкалы их практически равномерны. Различные модификации автоматических потенциометров, отличающиеся один от другого наличием или отсутствием определенных узлов, работают одинаково. Измерительные схемы всех автоматических потенциометров предусматривают автоматическое введение поправки на температуру холодных спаев термопары. С этой целью они выполняются в виде неуравновешенного моста. Все сопротивления измерительной схемы (рис. 2.56), кроме RK, выполняются из манганина; сопротивление RK — из меди или никеля. Цепь источника тока состоит из двух ветвей: рабочей, в которую включен реохорд R , и вспомогательной, состоящей из двух сопротивлений i?H3 и Кк. Наличие вспомогательной ветви позволяет автоматически ввести поправку на температуру холодных спаев термопары. Сопротивление Rk и холодные спаи термопары должны находиться при одинаковой температуре. В приборе сопротивление RK располагается недалеко от места подключения термопары. Измеряемая ТЭДС термопары компенсируется падением напряжения на сопротивлении Rp, зависящим от положения движка реохорда, и сопротивлениях RH3 и RK. Повышение температуры холодных спаев вызывает уменьшение ТЭДС термопары на величину Е (/070). При этом падение напряжения на сопротивлении RK одновременно возрастает; тогда получаем равенство

Чтобы движок реохорда сохранял свое прежнее положение и потенциометр показывал измеряемую температуру, необходимо обеспечить равенство

Если ТЭДС термопары Е (tt0) не равна падению напряжения Ubd, то напряжение небаланса (tt0) — Ubd) подается на зажимы преобразовательного каскада, входящего в электронный усилитель ЭУ. В преобразовательном каскаде постоянное напряжение небаланса преобразуется в переменное, которое затем усиливается по напряжению и мощности до значения, достаточного для вращения реверсивного двигателя РД, который, вращаясь по часовой стрелке или против нее в зависимости от знака разбаланса, передвигает движок реохорда и восстанавливает равновесие измерительной схемы. Одновременно двигатель РД перемещает показывающую стрелку. При равновесии измерительной схемы, когда Е (Щ) = Ubd, ротор реверсивного двигателя не вращается, так как на вход преобразовательного каскада напряжение не подается. Для установки рабочего тока /, переключатель П, нормально находящийся в положении И (измерение), переводится в положение К (контроль). При этом одновременно устанавливается кинематическая связь реверсивного двигателя с движком реостата RQ и подключается электронный усилитель к цепи нормального элемента (НЭ). Если падение напряжения не равно ЭДС нормального элемента, то электронный усилитель, так же как и при измерении ТЭДС термопары, получает сигнал, равный разности между ЭДС нормального элемента и падением напряжения на сопротивлении RH3. Реверсивный двигатель, вращаясь по часовой стрелке или против нее, в зависимости от знака разбаланса, передвигает движок реостата R6, меняя величину питающего напряжения. В момент равновесия, когда 1 = Е нэ/ К нэ> на электронный усилитель сигнал не подается и реверсивный двигатель останавливается. В этот момент устанавливается вполне определенное значение рабочего тока /2. В автоматических потенциометрах применяются усилители переменного тока, которые значительно проще, дешевле и надежнее усилителей постоянного тока. Для преобразования постоянного напряжения разбаланса измерительной схемы в переменное напряжение частотой 50 Гц служит преобразовательный каскад [35, 18].

В. Принципиальная схема электронного автоматического потенциометра

Рис. 2.5В. Принципиальная схема электронного автоматического потенциометра

Достоинства термоэлектрических термометров

  • 1. Достаточно высокая точность измерения температуры.
  • 2. Возможность централизованного дистанционного контроля температуры путем соединения нескольких термометров через переключатель к одному вторичному прибору.
  • 3. Возможность автоматической записи измеряемой температуры с помощью самопишущего прибора.
  • 4. Достаточно широкий диапазон измеряемых температур (минус 200—2500°С).

Средства измерения температуры со встроенными

микропроцессорами

Термопреобразователи со встроенными микропроцессорами позволяют получать на выходе унифицированный сигнал 0—5, 0—20, 4—20 мА; 0—10 В. В таком случае необходимость использования нормирующего преобразователя в виде отдельного блока отпадает. Термопреобразователи сопротивления и термоэлектрические преобразователи с выходным унифицированным сигналом имеют в своем обозначении букву «У» (например, ТСПУ, ТСМУ, ТХАУ) [40]. Микропроцессоры размещаются в головке термопреобразователя. Структурная схема измерительного преобразователя температуры SITRANS TK-L для термометра сопротивления ТС (PtlOO) представлена на рис. 2.57.

Термометр сопротивления (ТС) подключен к преобразователю по четырехпроводной схеме. Сигнал от ТС, усиленный в усилителе У, поступает на аналого-цифровой преобразователь АЦП, а затем на

Структурная схема измерительного преобразователя температуры SITRANS TK-L

Рис. 2.57. Структурная схема измерительного преобразователя температуры SITRANS TK-L

микропроцессор МП и цифроаналоговый преобразователь ЦАП. В микропроцессоре производится усреднение измеряемого сигнала, линеаризация, пересчет в соответствии с заданным диапазоном и пр. По двухпроводной линии передается выходной сигнал 4—20 мА и питание от внешнего источника. Диапазон измерения преобразователя составляет минус 200—850°С, при погрешности ± 0,1% диапазона измерения. Фирма Siemens помимо этих преобразователей выпускает SITRANS ТЗ К-РА, SITRANS ТК/ТК-Н, SITRANS TF. Первый тип преобразователей имеет цифровой интерфейс PROFIBUS-PA, два других при выходном сигнале 4—20 мА работают с /ИЯГ-модемами; последний имеет, кроме того, встроенный цифровой индикатор [40]. В интеллектуальных нормирующих преобразователях для линеаризации характеристики ТС, усреднения, установления диапазона измерения, диагностики состояния также используются микропроцессоры. Универсальные измерительные преобразователи SITRANS Т, структурная схема которых представлена на рис. 2.58, могут работать как с ТС, так и с термоэлектрическими преобразователями (ТЭП) [40].

Стабилизированный ток для питания ТС подается от источника тока ИТ. Сигнал термопреобразователя после мультиплексора (переключателя) М поступает на усилитель У, аналого-цифровой преобразователь АЦП и микропроцессор МП. Его импульсный выходной сигнал со скважностью, пропорциональной измеряемому сигналу, проходит через цепь гальванического разделения ГР и цифроаналоговый преобразователь ЦАП. При выходном токе 4—20 мА преобразователь подключается к внешней цепи по двухпроводной линии и по четырехпроводной при токе 0—5; 0—20 мА [40]. В последнем случае два провода используются для подключения внешнего источника питания. Устройство сигнализации отклонения измеряемой величины УСг может быть релейным или электронным. При нормальной работе светодиод СД горит ровным светом, а при нарушениях — мигаю-

Структурная схема универсального измерительного преобразователя

Рис. 2.58. Структурная схема универсального измерительного преобразователя

щим [40]. Для периодического контроля дрейфа прибора и коррекции его характеристики используется цепь К, программирование преобразователя, и опрос параметров производится по цифровому каналу управления КУ от ПК по интерфейсу RS-232. Корректор начального сигнала КН используется для учета сопротивления линий связи при двухпроводной схеме подключения ТС. Преобразователи могут работать с термопреобразователями Pt 100, CulOO и NilOO. Для пределов измерения от минус 200 до 850°С погрешность преобразователя при точной коррекции составляет ± (0,06—0,75)°С. Преобразователи имеют конструктивные исполнения для монтажа на несущей шине и в плоском варианте как съемные модули, помещаемые в держатели модулей. При использовании термопар со встроенным в головку микропроцессором, в котором вводится поправка на изменение температуры свободных концов термопары и создается на выходе унифицированный токовый или цифровой сигнал, отпадает необходимость применения удлиняющих проводов. К таким преобразователям относятся ТХАУ, «Метран-281» (интеллектуальный), в последнем используется термопара ТХА. Преобразователи температуры SITRANS Т, рассмотренные выше, работают и с термоэлектрическими преобразователями. Компенсация влияния температуры свободных концов может быть внутренняя с использованием ТС гр. Pt 100 и внешняя. При использовании различных термопар измерения производятся в диапазоне температур от минус 200 до 2300°С с погрешностью ± (1—3)°С. В последнее время широко внедряются цифровые микропроцессорные вторичные приборы для измерения и регистрации температуры. Они могут выполнять дополнительные функции по сигнализации отклонений измеряемой величины, ее регулированию, преобразованию в токовый или цифровой выходные сигналы. Примерами таких приборов являются регистратор «Мет- ран-900» и «Технограф 160».

Цифровые измерительные приборы по сравнению с аналоговыми обладают следующими преимуществами: автоматическим процессом измерения, малыми габаритами, удобством включения в цифровые информационные и управляющие системы, использованием универсальной элементной базы, индикацией сигналов в цифровой форме и пр. Элементы цифровых измерительных приборов работают в импульсном режиме, характеризуемом наличием двух состояний, резко отличающихся уровнем напряжений, что обеспечивает их различимость и высокую помехоустойчивость приборов. Последнее имеет место при использовании кабелей с заданными характеристиками, гарантирующими сохранение четкой различимости уровней квантования, что исключает возможность потери информации [40].

Интеллектуальные датчики температуры

с унифицированным токовым выходным сигналом

(типа ТХАУ (хромель-алюмель))

Эти термопреобразователи обеспечивают непрерывное преобразование температуры твердых, жидких, газообразных и сыпучих веществ в унифицированный токовый сигнал и предназначены для работы в системах автоматического контроля и регулирования технологических процессов. Первичный преобразователь преобразует температуру в милливольты. Встроенный в головку датчика (рис. 2.59) измерительный преобразователь преобразует милливольты в унифицированный токовый выходной сигнал (4— 20 мА), что дает возможность построения систем АСУТП без применения дополнительных нормирующих преобразователей. В современных схемах роль измерительного преобразователя выполняет микропроцессорный преобразователь.

Микропроцессорный преобразователь сигналов первичного преобразователя в унифицированный размещен также в головке термопреобразователя и содержит компенсатор нелинейности сигнала первичного преобразователя и компенсатор температуры холодного спая. Выходной сигнал — 4—20 мА [35, 18].

Преобразователь термоэлектрический с унифицированным токовым выходным сигналом (ТХАУ)

Рис. 2.59. Преобразователь термоэлектрический с унифицированным токовым выходным сигналом (ТХАУ)

При большом расстоянии между технологическими аппаратами и щитами управления целесообразно применять электрические средства автоматизации (ЭСА). Химические производства относятся к числу взрывопожароопасных, и автоматизация осуществляется на основе использования взрывозащищенных средств автоматизации с использованием контроллеров и ЭВМ.

ЭСА, контроллеры и ЭВМ применяются:

  • • во-первых, для облегчения работы оператора, так как за короткий промежуток времени обрабатывается большое количество информации;
  • • во-вторых, выполняют роль «советчика», при котором ЭВМ рекомендует оператору оптимальные знания режимных параметров процесса;
  • • в-третьих, сравнивая текущие значения с заданными, выдают сигнал рассогласования на регулятор (на контроллер), а затем регулирующее воздействие непосредственно на исполнительный механизм. Кроме того, работая в качестве управляющей системы по заданной программе, контроллеры и ЭВМ характеризуются гибкостью управления, т.е. появляется возможность перенастроить производство за короткое время на выпуск продукции другого качества, тем самым быстро среагировать на рынок.

Технология изготовления термоэлектрических преобразователей

из термопарного кабеля КТМС с применением импульсной лазерной сварки рабочего спая ранее использовалась только на предприятиях атомной энергетики и военной промышленности и была закрыта для широкого использования. В настоящее время кабельные термопреобразователи стали доступны для применения в различных отраслях промышленности и научных исследованиях. Именно на базе термопарного кабеля и лазерной сварки ПГ «Метран» была разработана серия интеллектуальных термопреобразователей ТХА/ТХК «Метран-200». В номенклатуру продукции вошли также термопреобразователи сопротивления медные (50М, 100М) и платиновые (50П, 100П, Pt 100, Pt500, PtlOOO) разных конструкций с одним и двумя чувствительными элементами. За эти годы освоено производство как самых простых термопар и термометров сопротивления, так и современных микропроцессорных датчиков температуры. Датчики температуры с унифицированными выходными сигналами серии «Мет- ран-270», «Метран-270 МП» имеют широкий модельный ряд, включающий общепромышленное, взрывозащищенное (Exia, Exd) исполнения и 15 вариантов защитной арматуры. Применение этой серии датчиков дает возможность построения АСУТП без дополнительных нормирующих преобразователей. Микропроцессорный преобразователь датчиков «Метран-270 МП» позволяет перенастраивать диапазон измерений и проводить самодиагностику (рис. 2.60).

Блок электроники представляет собой электронную плату, помещенную в герметичный корпус, объединяющую в себе микропроцессор, модуль питания, блок управления ЖКИ-дисплеем и ЦАП (см. рис. 2.60). Получая данные из аналого-цифрового преобразователя, процессор корректирует их в соответствии с коэффициентами, хранящимися в запоминающем устройстве, и передает в ЦАП, который преобразует их из цифрового в аналоговый сигнал 4—20 мА.

Микропроцессор (МП) представляет собой конструктивно и функционально законченное устройство обработки цифровой информации, выполненное из одной или нескольких БИС, входящих в состав МПК ИС. В первом случае МП называют однокристальным, во втором — многокристальным или модульным. На основе микропроцессорных комплектов ИС созданы микроЭВМ, микропроцессорные управляющие вычислительные комплексы, микропроцессорные программируемые контроллеры (МПК) и др. Под микроЭВМ понимают устройство обработки данных общего назначения, имеющее в своем составе микропроцессор, одно или несколько запоминающих устройств для хранения управляющих программ и средства управления обменом с периферийными устройствами ввода-вывода (УВВ). Процессор посредством /ИЯГ-протокола может взаимодействовать как с конфигураторами, так и с различными системами сбора и обработки информации. Все заданные пользователем параметры работы прибора, а также коэффициенты корректировки первичных данных хранятся в запоминающем устройстве. Сегодня ПГ «Метран» предлагает первые российские интеллектуальные датчики температуры «Метран-280» с поддержкой коммуникационного протокола HART, которые позволяют создавать глобальные АСУТП с минимальными затратами.

Микропроцессорная электроника «Метран-280» позволяет повысить точность измерений. Одновременно технология HART114

Б0. Функциональная схема интеллектуального датчика протокола позволяет по одной паре проводов передавать и аналоговый

Рис. 2.Б0. Функциональная схема интеллектуального датчика протокола позволяет по одной паре проводов передавать и аналоговый (4—20 мА), и цифровой сигналы, что дает возможность использовать уже имеющиеся коммуникации для аналоговых сигналов ПГ.

В «Метран-280» реализована возможность выбора единиц измерения: градусы Цельсия (°С); градусы Кельвина (К); градусы Фаренгейта (F); градусы Ренкина (R); Омы; милливольты. Технический персонал предприятия может дистанционно получать необходимую информацию от полевых датчиков «Метран-280», осуществлять диагностику и настройку, используя для этого коммуникатор «Метран-650» или компьютер с программным обеспечением H-Master разработки ПГ «Метран». Приведенные функции особенно высоко оцениваются потребителями, когда датчики расположены в труднодоступных местах и на больших расстояниях друг от друга. Непрерывная самодиагностика «Метран-280» обеспечивает оперативность проведения ремонтных и профилактических работ, так как в случае неисправности датчик немедленно выдает сигнал о возникновении внештатной ситуации (сбоя) в конкретном блоке. И ПТ «Метран-280» предназначены для измерений температуры в составе АСУТП (рис. 2.61, 2.62). Использование ИПТ допускается в нейтральных, а также агрессивных средах, по отношению к которым материал защитной арматуры является коррозионностойким. Связь ИПТ «Метран-280» с АСУТП осуществляется: по аналоговому каналу — передачей информации об измеряемой температуре в виде постоянного тока 4—20 мА; по цифровому каналу — в соответствии с /ИКГ-протоколом в стандарте Bell-202. Для передачи сигнала на расстояние используются двухпроводные токовые линии.

В1. Модернизированные интеллектуальные преобразователи температуры «Метран-281-1», «Метран-286-1»

Рис. 2.В1. Модернизированные интеллектуальные преобразователи температуры «Метран-281-1», «Метран-286-1»

В2. Интеллектуальные преобразователи температуры «Метран-281 -2», «Метран-286-2»

Рис. 2.В2. Интеллектуальные преобразователи температуры «Метран-281 -2», «Метран-286-2»

Интеллектуальные датчики серии «Метран-280» характеризуют высокая точность, выходной сигнал 4—20 мА/HART, цифровая передача информации по /ИЯГ-протоколу.

Конструктивные особенности и принцип действия датчиков

Конструктивно И ПТ «Метран-280» состоит из первичного преобразователя и электронного преобразователя (ЭП), встроенного в корпус соединительной головки. В качестве первичного термопреобразователя в «Метран-281» используются чувствительные элементы из термопарного кабеля КТМС (ХА), в «Мет- ран-286» — платиновые резистивные чувствительные элементы. ЭП преобразует сигнал первичного преобразователя температуры в унифицированный выходной сигнал постоянного тока 4—20 мА с наложенным на него цифровым сигналом HART в стандарте Bell-202.

В зависимости от используемого ЭП преобразователи «Метран-280» подразделяются:

на «Метран-280-1» — ЭП с гальванической развязкой (код ЭП 1);

«Метран-280-2» — ЭП без гальванической развязки (код ЭП 2).

Многоточечный режим работы ИПТ «Метран-280» не рекомендуется при искроопасности производства. В многоточечном режиме «Метран-280» работает только с цифровым выходом. Аналоговый выход автоматически устанавливается в 4 мА и не зависит от значения входной температуры. Информация о температуре считывается по /МКГ-протоколу. К одной паре проводов может быть подключено до 15 датчиков. Их количество определяется длиной и параметрами линии, а также мощностью блока питания датчиков. Каждый датчик в многоточечном режиме имеет свой уникальный адрес от 1 до 15, и обращение к датчику идет по этому адресу. «Метран-280» в обычном режиме имеет адрес 0; если ему присваивается адрес от 1 до 15, то датчик автоматически переходит в многоточечный режим и устанавливает выход в 4 мА. Коммуникатор или АСУТП определяет все датчики, подключенные к линии, и может работать с каждым из них. Технические характеристики датчиков приведены в табл. 2.9.

Взрывозащита. «Метран-281 -Ех» могут применяться во взрывоопасных зонах, в которых возможно образование взрывоопасных смесей газов, паров, горючих жидкостей с воздухом категории НС группы Тб или Т5.

особовзрывобезопасный уровень с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь /о» — ExiallCTbX, ExiaIICT5X;

взрывобезопасный уровень с видом взрывозащиты «взрывонепроницаемая оболочка d» — ExdUCT6X, ExdllCTSX.

1.1.4. Термоэлектрические термометры.

Комплект термоэлектрического термометра состоит из термоэлектрического преобразователя, измерительного прибора и соединительных проводов.

Преобразователь термоэлектрический (рис.1.5) служит первичным преобразователем (чувствительным элементом) термоэлектрического термометра. Он состоит из двух разнородных проводников — электродов А и В, соединенных между собой. Место соединения электродов, нагреваемое до температуры t (температурой измеряемой среды), называется рабочим (горячим спаем), а до постоянной температуры t0 — свободным (холодным). Действие преобразователя основано на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что в замкнутой цепи из двух или нескольких разнородных проводников возникает термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС), если спаи проводников имеют разную температуру. Следовательно, термо-ЭДС, развиваемая преобразователем, зависит как от температуры t рабочего спая, так и от температуры t0 холодного спая. Если температура холодного спая поддерживается постоянной, то термо-ЭДС зависит лишь от степени нагрева горячего спая t. Измеряя эту термо-ЭДС, можно определить искомую температуру.

Рис.1.5. Термоэлектрическая цепь.

Термопреобразователи изготавливают из чистых металлов и сплавов, обладающих постоянством и хорошей воспроизводимостью термоэлектрических свойств. Для изготовления положительного электрода чаще всего используют платинородий, хромель, а отрицательного — алюмель, копель и др.

В технических термометрах создаваемая термо-ЭДС не превышает 8 мВ на каждые 100 °С; при измерении высоких температур она не превышает 70 мкВ.

Согласно ГОСТ 6616-94 допускается применение стандартных термоэлектрических преобразователей пяти типов (табл.1.1).

Условное обозначение градуировки

Диапазон измерения температур, °С

Изолированные термоэлектроды помещают в защитный чехол из газонепроницаемых материалов (сталь, фарфор и др.), выдерживающих высокие температуры.

На рис.1.6а показан общий вид термоэлектрического термометра. Термоэлектроды помещены в стальной чехол 8 с насаженным на него фланцем 9 со стопорным винтом. Рабочий конец чувствительного элемента 12 (рис.1.6б) расположен в фарфоровом стаканчике 11 или приваривается ко дну чехла. Оба электрода изолированы фарфоровыми бусами 10. Головка термоэлектрического термометра состоит из корпуса 7, крышки 3, штуцера 5 для вывода проводов. Крышка прикрепляется к головке цепочкой 1. Внутри головки расположена фарфоровая колодка 6 с двумя подвижными зажимами 4, имеющими две пары винтов 2 для закрепления термопроводов и соединительных проводов.

Температура головки термометра под действием окружающей среды может изменяться, вследствие чего нарушается постоянство температуры холодных спаев, вызывающее погрешность измерения. Устранения влияния температуры окружающей среды на величину термо-ЭДС достигают путем использования термоэлектродных проводов, которые развивают при темпера турах не более 100-150 °С термо-ЭДС, равную термо-ЭДС преобразователя. При наращивании преобразователя термоэлектродными проводами холодные спаи удаляются от среды с меняющейся температурой в зону с постоянной температурой, где может находиться нулевой (ледяной) или иной термостат (ТС).

а — общий вид; б — рабочий конец чувствительного элемента.

Рис. 3-6. Термоэлектрический термометр.

В качестве вторичных приборов для измерения термо-ЭДС в комплектах термоэлектрических термометров применяют милливольтметры и потенциометры.

Милливольтметр является прибором магнитоэлектрической системы. Принцип его работы основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита с магнитным полем, образованным проводником, по которому протекает измеряемый электрический ток. Милливольтметр состоит из постоянного магнита 4 (рис.1.7) с полюсными наконечниками, круглого неподвижного сердечника 3, расположенного между полюсами магнита с зазором, в котором может поворачиваться подвижная рамка /. Рамка изготовляется из медной или алюминиевой проволоки и укрепляется по центру охватываемого сердечника на кернах или подвешивается на металлических подвесках. Стрелка 2, конец которой перемещается вдоль шкалы 6, жестко соединена с подвижной рамкой. Грузики 5 служат для балансирования подвижной системы. Электрическая цепь, в которой производится измерение термо-ЭДС, подключается к рамке через спиральные пружины (на схеме не показаны), соединенные одним концом с рамкой, а другим с неподвижными деталями прибора. Ток, протекая через рамку, вызывает вращающий момент. При этом угол поворота рамки зависит от величины тока. Милливольтметр может быть отградуирован в градусах температуры или в милливольтах. На шкале технического прибора указывается градуировка термоэлектрического преобразователя, для работы с которым он предназначен.

Милливольтметры выпускаются равных модификаций: переносные показывающие; стационарные показывающие; стационарные показывающие и сигнализирующие, показывающие и позиционно регулирующие узкопрофильные со световым указателем; самопишущие для измерения и записи температуры в одной или нескольких точках на одной диаграммной ленте.

Рис.1.7. Схема магнитоэлектрического милливольтметра.

Точность показаний термоэлектрического термометра зависит от способов его установки. При монтаже термометра в трубопроводах рабочий конец его располагают в центре потока (на оси трубопровода). В трубопроводах малого диаметра термометр устанавливают наклонно, концом навстречу потоку. Если температура измеряемой среды превышает 800°С, то термометр располагают вертикально, что заметно уменьшает деформацию его защитного чехла под действием высоких температур. Места крепления термометров к ограждающим стопкам должны быть надежно уплотнены, так как присосы холодноговоздуха или прорывы нагретых газов наружу могут привести к неправильным показаниям и повреждению защитного чехла и головки термометра.

Рис.1.8. Монтаж термоэлектрического термометра в кирпичной кладке.

Установка термоэлектрического термометра в кирпичной кладке показана на рис.1.8. Труба 6, заделываемая в кладку, имеет три ребра 7, которые предохраняют ее от провертывания и осевого смещения. Термометр / со стопорным винтом 3 укреплен на фланцах 4, между которыми находится асбестовая прокладка 5. Свободные щели уплотнены набивкой 2. Глубина погружения термометра регулируется винтом 3. При монтаже термометра на металлической стенке труба с фланцем приваривается к этой стенке.

Термоэлектрические термометры

Термоэлектрические термометры (ТЭТ) – термопары широко применяются для измерения температур от минус 200 до плюс 2500 °С в различных областях техники и научных исследованиях. Однако в области низких температур ТЭТ получили меньшее распространение, чем термометры сопротивления.

Принцип действия ТЭТ основан на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что в электроцепи, составленной из двух разнородных проводников или полупроводников (термоэлектродов), например А и В (рисунок 3.2 а), при наличии разности температур между местами их соединения (спаями) возникает термоэлектродвижущая сила (термоЭДС), величина которой пропорциональна разности температур нагретого Т 1 и свободного (холодного) Т 2 концов спаев и зависит от материала термоэлектродов.

Рисунок 3.2 – Термоэлектрическая цепь (а) и схемы измерения термоЭДС термопары – без термоэлектродных проводов (б) и с термоэлектродными проводами (в):

А и В – электроды термопары; А 1 и В 1 – термоэлектродные (удлиняющие провода); Т 1 – температура мест соединений электродов термометра с термоэлектродными проводами (в); mV – милливольтметр

Термопара состоит из двух специально подобранных термоэлектродов (проволок), одни концы которых спаяны или сварены (Т 1), а другие (T 2) подключаются к вторичному прибору ИП (рисунок 3.2 б): Т = Т 1, Т 0 = Т 2.

Термоэлектрод называют положительным, от которого термоток идет в спае, имеющем температуру Т 0 < Т, отрицательным – к которому ток идет в том же спае.

Спай термопары Т 1, погружаемый в среду, температура которой измеряется, называют рабочим (горячим).

Концы термопары (Т 2), которые подключаются к измерительному прибору ИП и должны находиться при постоянной температуре (Т 2 = Т 0 = const)называют свободными (холодными).

При условии Т 2 = const термоЭДС термопары U ТП будет зависеть только от температуры рабочего спая, т. е. температуры контролируемой среды Т 1 = Т,

Для термопар статическая характеристика (рисунок 3.3) является непрерывной и, учитывая небольшую нелинейность на отдельных ее участках, чувствительность ТЭТ можно записать в виде

Величина К тп зависит от температуры Т и от природы термоэлектродов и составляет 0,006–0,07 мВ/°С – для металлов (рисунок 3.3, кривые 1,2); 0,1–1 мВ/°С – для полупроводниковых термопар (рисунок 3.3, кривая 3).

Наиболее распространенными в практике технологического контроля являются стандартные термопары с металлическими термоэлектродами из благородных и неблагородных металлов.

Платинородий-платиновые термопары типа ТПП (градуировка ПП) применяются для измерения температур в области 0–1300 °С, термоэлектроды изготавливают из проволоки диаметром 0,5 мм, что удовлетворяет условиям достаточной прочности и не слишком высокой стоимости;

Рисунок 3.3 – Статические характеристики термопар:

1 – хромель-алюмелевой; 2 – хромель-копелевой (металлические);

3 – карбид кремния-графитовой (полупроводниковая)

— платинородий-платинородиевые термопары типа ТПР (градуировка ПP 30/6) применяются для измерения температур в области 300–1600 °С;

— хромель-копелевые термопары типа ТХК (градуировка ХК) применяются для измерения температур в области –200–600 °С;

— хромель-алюмелевые термопары типа ТХА (градуировка ХА) применяются для измерения температур в области –200–1000 °С, диаметр термоэлектродной проволоки до 3,2–5 мм.

Допустимая основная погрешность стандартных термопар составляет 0,01–0,23 мВ.

Стандартные термопары градуируют, определяя экспериментально зависимость термоЭДС от изменения температуры рабочего спая при строго постоянной температуре свободных концов термопары (обычно Т 0 = 0 °С) методом сравнения с образцовым термометром.

С целью упрощения конструкции термопар и условий термостабилизации свободных концов термоэлектродов их удлиняют специальными проводами, которые называют термоэлектродными (иногда компенсационными, что неверно). Это позволяет удалить свободные концы термопары в зону, где температура окружающей среды изменяется незначительно. В этом случае свободными концами термопары считают места соединения термоэлектродных проводов с медными проводами подключения или с зажимами измерительного прибора, если термоэлектродные провода присоединяются к ним непосредственно.

В качестве материала для термоэлектродных проводов используют недефицитные неблагородные металлы, которые в интервале температур окружающей среды развивают в паре между собой такую же термоЭДС, как и термопара, с которой они комплектуются. Для термопар типа ТПП применяют термоэлектродные провода марки ПП (положительный термоэлектрод – медь, отрицательный – сплав меди и никеля), для ТХК – марки ХК (положительный – хромель, отрицательный – копель), для ТХА – марки М (положительный – медь, отрицательный – константан).

Для исключения влияния изменения температуры окружающей среды, т. е. температуры свободных концов термоэлектродов, на работу термопары, в схему измерения вводят автоматическую термокомпенсацию при помощи специального устройства. Устройство термокомпенсации KТ включают последовательно в измерительную цепь, составленную из термопары АВ, термоэлектродных проводов А 1 и В 1, медных соединительных проводов С и измерительного (вторичного) прибора mV -милливольтметра (рисунок 3.4).

В простейшем виде устройство термокомпенсации представляет собой равноплечий мост, три плеча R 2, R 3, R 4которого выполнены из манганиновой проволоки (имеет очень малый температурный коэффициент сопротивления), а плечо R 1 – из медной проволоки (с большим ТКС). Мост питается от стабилизированного источника напряжения U, R Д – добавочный мангониновый резистор в линии питания моста, R у – уравнительный мангониновый резистор для подгонки внешнего сопротивления милливольтметра mV до заданного значения. Устройство термокомпенсации выпускается отдельным блоком или встроенным во вторичный прибор.

Рисунок 3.4 – Схема измерения температуры с автоматической термокомпенсацией

При температуре 0 °С мост уравновешен, напряжения Uав назажимах а и в равно нулю, а термоЭДС термопары соответствует градуировочному значению U тп (Т, Т 0). При изменении температуры окружающего воздуха, а следовательно, и температуры Т 0 до значения Т 0¢ > Т 0, медный резистор R 1 также увеличивает свое сопротивление до значения R 1¢. Вследствие этого нарушается равновесие моста и на зажимах а и возникает напряжение Uав, которое компенсирует изменение термоЭДС термопары до значения U (Т, Т 0) = U (Т, Т 0¢) + UAB, здесь U (Т, Т 0¢)термоЭДС термопары при температуре свободных концов Т 0¢, (U (Т, Т 0¢ ) £ U (Т, Т 0 ) при Т 0¢ > Т 0 ) и той же температуре Т рабочего конца.

Для защиты от механических повреждений и воздействия контролируемой среды электроды (чувствительный элемент) термопары, армированные изоляцией, помещают в специальную защитную арматуру. Особенности конструкции различных типов термопар представлены на лабораторном стенде и учебных плакатах. Термопары типа ТПП и ТПР выпускаются нескольких разновидностей: эталонные, образцовые, рабочие повышенной точности и технические; типа ТХА и ТХК – только технические.

К числу достоинств термопар следует отнести простоту изготовления, достаточно высокую точность, возможность централизации контроля температуры путем присоединения нескольких термопар через переключатель к одному измерительному прибору, возможность автоматической записи измеряемой температуры при помощи самопишущего прибора, надежность в эксплуатации, возможность раздельной градуировки вторичного прибора и первичного преобразователя – термопары.

Недостатками термопар являются: большая инерционность (до 180 с), необходимость введения поправки на температуру свободных концов, а также применения удлиняющих термоэлектродных проводов.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Термоэлектрические термометры и термометры сопротивления

На сегодняшний день редкая котельная или ЦТП обходятся без системы автоматики. С ее помощью можно настроить систему отопления так, чтобы все процессы в ней происходили без участия человека. Основным процессы регулирования в системе отопления проходят по температуре, либо по температуре наружного воздуха, либо по температуре теплоносителя. Ранее рассмотренные термометры расширения, а именно жидкостные, манометрические термометры, к использованию в системах автоматизации непригодны. Биметаллические термометры могут управлять контактами реле посредством изгибания пластины, но все же строить автоматику только на них достаточно проблематично. Поэтому стоит обратить внимание на основную группу приборов для измерения температуры, применяющихся в сфере отопления, — электрические термометры.

Они делятся на два вида:

Термоэлектрические термометры и термометры сопротивления

  1. термоэлектрические термометры (принцип их работы основан на возникновении термоэлектродвижущей силы);
  2. термометры сопротивления (в основе принципа их работы лежит изменение электрического сопротивления проводников, изготовленных из металла, при изменении их температуры).

Термоэлектрические термометры имеют очень большой диапазон измерений от -50 до +1300°С. Причем верхняя планка измерения температуры может быть в некоторых случаях поднята еще выше (до +2500°С) . Именно данная характеристика и является главным достоинством термоэлектрических термометров.

Работа данного вида термометров основана на том факте, что в замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных электродов (проводников), возникает термоЭДС, если их холодный и горячий спаи имеют различную температуру. Спаи имеют свои специальные названия – холодный спай носит название свободного, горячий спай – рабочего. Именно изменение температуры рабочего конца спая вызывает соответствующее изменение термоэлектродвижущей силы, которое воспринимается вторичным электроприбором – потенциометром либо пирометрическим милливольтметром. Значение термоЭДС зависит от материала электродов и от температуры холодного и горячего спаев.

Для изготовления стандартных термоэлектрических термометров (их еще называют термопары) применяют платины и такие сплавы, как хромель, алюмель, копель, платинородий. Обозначаются данные термометры по первым буквам электродов, например ТХК – Термометр Хромель-Копелевый.

Преимуществами термопар являются их простота, высокая точность и большой диапазон измерений, дешевизна и надежность. А главными недостатками является влияние температуры свободных концов термопары на ее показания, а также нелинейная характеристика зависимости термоЭДС от температуры.

Для минимизации влияния погрешностей в показаниях прибора к свободным концам присоединяют так называемые компенсационные провода, которые отводятся в зону с постоянной и известной температурой. Изготавливаются компенсационные провода обязательно из тех же материалов, что и термометры. При использовании компенсационных проводов обязательно нужно проверять правильность их присоединения, а также их соответствие термометру.

Термометры сопротивления имеют диапазоны измерений, зависящие от материала изготовления чувствительного элемента прибора. Если он изготовлен из платины, то с помощью данного термометра сопротивления (ТСП – Термометр Сопротивления Платиновый) можно измерять температуры от -200 до 1100°С. Если же чувствительный прибор изготовлен из меди (ТСМ – Термометр Сопротивления Медный), то диапазон его измерений составляет от -50 до 180°С.

Термометры — конструкции, принцип работыКстати, посмотрите предыдущую статью. Там много полезной информации для вас — Термометры — конструкции, принцип работы

Питание схемы постоянным током осуществляется двумя методами: либо от аккумулятора небольшой емкости, либо от электрической сети через выпрямитель. В качестве показывающих вторичных электрических приборов используются логометры или уравновешенные автоматические мосты (мост Уинстона). Причем немаловажно, что к одному вторичному прибору можно подключать сразу несколько термометров сопротивления. Достоинством термометров данного вида является отсутствие необходимости в поправке на температуры свободных концов. Благодаря этому обстоятельству температуру измеряемой среды можно отсчитывать сразу по вторичному прибору.

Защитные чехлы термометров сопротивления по своей конструкции очень похожи на чехлы термоэлектрических термометров. Соединительные медные провода должны иметь такое же сопротивление, как и сопротивление, указанное на шкале прибора. При несоответствии же сопротивления соединительных проводов возникает необходимость в подключении подгоночного сопротивления из манганиновой проволоки.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *