2018-03-09
337
2.1 Основы теории термоэлектрических термометров.
Термоэлектрический метод измерения температуры основан на строгой зависимости термоэлектродвижущей силы (термо - Э.Д.С) термоэлектрического термометра от температуры.
В качестве первичного преобразователя (датчика) при измерении температур термоэлектрическим методом применяются термоэлектрические термометры. Термоэлектрические термометры имеют высокую степень точности, возможность централизации контроля температуры путем присоединения нескольких термоэлектрических термометров через переключатель к одному измерительному прибору, возможность автоматической записи измеряемой температуры с помощью самопишущего прибора, возможность раздельной градуировки измерительного прибора и термоэлектрического прибора.
Применение термоэлектрических термометров для измерения температуры основано на зависимости термоэлектродвижущей силы термопары от температуры. Термоэлектродвижущая сила возникает в цепи, составленной из двух разнородных проводников при неравенстве температур в местах соединения этих проводников (рис 2.1).
Рис. 2.1. Термоэлектрическая цепь.
Современная физика объясняет термоэлектрические явления следующим образом. В следствие различия уровней Ферми у различных металлов при их соприкосновении возникает контактная разность потенциалов. С другой стороны, концентрация свободных электронов в металле зависит от температуры. При наличии разности температур в проводнике возникает диффузия электронов, приводящая к образованию электрического поля. Таким образом, термоэлектродвижущая сила слагается из суммы скачков потенциала в контактах (спаях) термопары и суммы изменений потенциала, вызванных диффузией электронов, и зависит от рода проводников и их температуры.
Если в цепи (рис. 2.1) температуры мест соединения проводников а и b будут разными t ≠ t0, то суммарная термоэлектродвижущая сила не равна нулю:
(2.1)
Так как разности потенциалов для одних и тех же проводников при различных температурах не равны: 
, результирующая термо - Э.Д.С (2.1) зависит для данных проводников а и b от температур t и t0. Для получения однозначной зависимости термо Э.Д.С от измеряемой температуры t, необходимо другую температуру t0 поддерживать постоянной.
На основании закона Вольта в замкнутой цепи, состоящей из трех разнородных проводников A,B и С, когда температуры мест их соединения одинаковы и отсутствуют посторонние Э.Д.С., термо тока не возникает.
(2.2)
т.е. сумма контактных термо Э.Д.С. в замкнутой цепи из трех различных однородных проводников при одной и той же температуре мест их соединения равна нулю.
Из этого следует, что
(2.3)
т.е. если известна контактная термо Э.Д.С. двух проводников по отношению к третьему, то этим самым определяется и контактная термо Э.Д.С. между первыми двумя.
Рассмотренный способ определения термо - Э.Д.С. различных материалов находит применение при комплектовании термометров из неблагородных термоэлектродных материалов.
2.2 Общие сведения о термоэлектрических термометрах.
Материалы, используемые для изготовления стандартных термоэлектрических термометров должны обладать стабильностью градуировочной характеристики и воспроизводимостью в необходимых количествах термоэлектродов обладающих определенными термоэлектрическими свойствами.
Градуировочная характеристика - зависимость термо ЭДС от температуры для данной пары металлов, представленная на диаграммах или в таблицах (Прил.2.1, 2.2, 2.3), составленных на основании эксперимента, т.е. путем градуировки термоэлектрического термометра, методом сравнения с образцовым термометром.
Коэффициент преобразования термоэлектрического термометра - отношение термо - ЭДС ΔE, мВ, возникающий в цепи при разнице температур Δt, ºC между горячим t г и холодным t 0 спаями, к этой разнице температур.
(2.4)
В настоящие время в соответствии со стандартами применяются термоэлектрические термометры характеристики, которых приведены в приложении (табл. 2.4).
Для удобства применения термоэлектрический термометр специальным образом армируется. При этом преследуются следующие цели:
· электрическая изоляция термоэлектродов;
· защита термоэлектродов от вредного воздействия измеряемой и окружающей сред;
· защита термоэлектродов и зажимов выводов термоэлектродов от загрязнений и механических повреждений;
· предание термоэлектрическому термометру необходимой механической прочности;
· обеспечение удобства монтажа на технологическом оборудовании и удобство подключения соединительных проводов.
На рис 2.2 показано устройство термоэлектрического термометра.
Рис 2.2 Устройство термоэлектрического термометра
Термоэлектроды 1 расположены так, что их спай 2 касается защитного чехла 3. На термоэлектроды надеты изоляционные бусы 4. На конце защитного чехла крепится головка термометра 5. В головке расположена колодка 6 с зажимами 7 для термоэлектродов соединительных проводов.
Рабочий спай термоэлектрического термометра чаще всего изготавливается путем сварки, который приваривают к защитному чехлу.
2.3 Удлиняющие термоэлектродные провода.
Свободные концы термоэлектрического термометра должны иметь температуру, равную 0 ºС или их температура должна быть постоянной, чтобы можно было ввести поправку на температуру свободных концов. Температура головки термоэлектрического термометра, расположенного на технологической установке, зависит от режима работы установки, температура окружающего воздуха и других факторов. В связи с этим возникает необходимость удлинения термоэлектрического термометра, не искажая его ЭДС, чтобы отвести свободные концы в такое место, где будет удобно их термостатировать или поставить устройство для автоматического введение поправки. Для этих целей применяют удлиняющие термоэлектрические провода, характеристики которых приведены в таблице 2.5 Приложения.
Удлиняющие провода с и d должны иметь градуировочную характеристику, как у термометра и развивать ту же термо - ЭДС что и термоэлектроды термометра а и b:
(2,5)
При удлинении термопары следует для каждого типа термоэлектрических элементов подбирать провода, отвечающие условию (2,5), кроме того, при подключении должна соблюдаться полярность. Места соединения удлиняющих проводов с термоэлектродами должны иметь одинаковую температуру.
Удлиняющие термоэлектродные провода выпускаются одно- и многожильными в изоляции и с внешним покрытием или оболочкой, удобными для монтажа и прокладки. Каждый материал провода имеет свой цвет изоляции.
В приложении (таблица 2.5) приведены типы термопар, рекомендуемые удлиняющие термоэлектродные провода, их обозначение и расцветка изоляции.
2.4 Милливольтметры.
Для измерения термо - ЭДС термоэлектрических термометров наибольшее распространение получили магнитоэлектрические милливольтметры. Принцип действия милливольтметра основан на взаимодействии тока, проходящего через подвижную рамку прибора, с магнитным полем постоянного магнита.
Рис 2.3 Рамка милливольтметра в магнитном поле.
Основными частями милливольтметра (рис. 2.3) являются постоянный магнит с полюсными наконечниками, сердечник из магнитомягкой стали, расположенный внутри рамки из большого числа витков медной проволоки, скрепленных лаком. Рамка жестко скреплена со стрелкой и образует подвижную систему милливольтметра, которая может поворачиваться вокруг своей оси. Подвод тока к рамке осуществляется через спиральные пружинки, которые одним концом соединены с рамкой, а другим – с неподвижными контактами. Последовательно с рамкой включен добавочный резистор для уменьшения температурного коэффициента милливольтметра. Температурный коэффициент прибора 
составляет 0,08 - 0,1% на 1ºС.
Милливольтметры, применяемые для измерения термо - ЭДС термоэлектрических термометров, могут быть показывающими, самопишущими и регулирующими. По конструктивному исполнению приборы бывают щитовыми и переносными. Установлены следующие классы точности:
· для переносных – 0,2; 0,5 и 1,0;
· для щитовых – 0,5; 1,0 и 1,5.
На шкале милливольтметра указывается градуировка термоэлектрического термометра, в комплекте с которым должен работать данный прибор.
2.5 Устройство для автоматического введения поправки на температуру свободных концов.
В измерительной цепи термоэлектрический термометр-милливольтметр может возникнуть большая погрешность вследствие несоответствия температуры свободных концов термоэлектрического термометра градуированному значению. Градировочные характеристики (таблицы) термоэлектрических термометров составлены для температуры свободных концов, 0ºС.
(2.6)
Если температура свободных концов термометра не равна 0ºС, то необходимо вводить поправку на изменение термо - ЭДС относительно градировочного значения. Для этих целей применяют устройство для автоматического введения поправки на температуру свободных концов.
Рис 2.4 Устройство для автоматического введения поправки на температуру свободных концов.
Это устройство (рис.2.4) представляет собой мостовую схему, питаемую постоянным током. Три плеча моста R1, R2, R3 выполнены из манганин, а четвертое (R4) – из меди, которое изменяет свое сопротивление в зависимости от температуры. При температуре 0ºС мост находится в равновесии. Если температура моста будет отличаться от 0ºС, то между вершинами а и b возникает разность потенциалов Uab. При этом должно выполняться условие
(2.7)
Резистор R5 может быть использован как для корректировки сигнала Uab, так и при необходимости его существенного изменения, например при переходе, от одной градуировки термометра к другой.
Задание 2.1
Определить приближенное значение предельной погрешности измерения температуры водяного пара показывающим милливольтметром, класса точности К, со шкалой А (указанной в задании) и диапазоном измерений 
? номинальная статистическая характеристика преобразования n1, в комплекте с термоэлектрическим термометром n2, удлиняющими термоэлектродными проводами и устройством для автоматического введения поправки на температуру свободных концов. При нормальных условиях милливольтметр показывает температуру пара tп, диапазон показаний прибора m единиц.
Таблица 2.1 Исходные данные для выполнения задания.
| № п/п | Наименование параметра | Номер задания | |||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | ||
| 1 | Класс точности прибора, К | 1.5 | 0,5 | 1.0 | 1.5 | 1.0 | 0,5 | 1.0 | 1.5 | 0,5 | 1.0 |
| 2 | Нижнее значение шкалы, t ºС | 350 | 100 | 150 | 200 | 250 | 100 | 150 | 200 | 250 | 300 |
| 3 | Верхнее значение шкалы, t ºС | 400 | 500 | 600 | 700 | 800 | 500 | 600 | 700 | 800 | 500 |
| 4 | Номинальная статистическая характеристика преобразователя, n1 | ХК (L) | ПП (S) | ХА (К) | ХК (L) | ПП (S) | ХА (К) | ХК (L) | ПП (S) | ПП (S) | ХА (К) |
| 5 | Обозначение типов термоэлектирических термометров, n2 | ТХК | ТПП | ТХА | ТХК | ТПП | ТХА | ТХК | ТПП | ТПП | ТХА |
| 6 | Диапазон показаний, m | 200 | 100 | 150 | 200 | 100 | 150 | 200 | 100 | 100 | 150 |
| 7 | Температура пара, tп ºС | 200 | 220 | 230 | 240 | 250 | 260 | 210 | 270 | 280 | 290 |
Продолжение таблицы..
| № п/п | Наименование параметра | Номер задания | |||||||||
| 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | ||
| 1 | Класс точности прибора, К | 0,5 | 1.0 | 1.5 | 0,5 | 1.0 | 1.5 | 0,5 | 1.0 | 1.5 | 1.0 |
| 2 | Нижнее значение шкалы, t ºС | 100 | 150 | 200 | 250 | 300 | 350 | 100 | 150 | 200 | 250 |
| 3 | Верхнее значение шкалы, t ºС | 300 | 400 | 500 | 600 | 700 | 800 | 500 | 600 | 700 | 800 |
| 4 | Номинальная статистическая характеристика преобразователя, n1 | ПП (S) | ХА (К) | ХК (L) | ПП (S) | ХА (К) | ХК (L) | ПП (S) | ХА (К) | ХК (L) | ПП (S) |
| 5 | Обозначение типов термоэлектирических термометров, n2 | ТПП | ТХА | ТХК | ТПП | ТХА | ТХК | ТПП | ТХА | ТХК | ТПП |
| 6 | Диапазон показаний, m | 100 | 150 | 200 | 100 | 150 | 200 | 100 | 150 | 200 | 100 |
| 7 | Температура пара, tп ºС | 200 | 220 | 230 | 240 | 250 | 260 | 210 | 270 | 280 | 290 |
