Промышленные термопары

Любая пара проводников образует термопару, но не каждая пригодна для практического применения. Одним из основных требований, предъявляемых к термопарам, является то, что ЭДС, которую они развивают должна быть достаточной для измерения и однозначно меняться от температуры. Чтобы облегчить подбор материалов для термоэлектродов, необходимо определить их термоэлектрические свойства по отношению к одному - нормальному термоэлектроду. В качестве материала для нормального термоэлектрода, принята чистая платина. Все материалы по своим термоэлектрическим свойствам можно разделить на положительные, у которых в паре с платиной ток в горячем спае течет от платины к этому материалу, и отрицательные, у которых ток течет вы обратном направлении.

В настоящее время ГОСТом допускается применение ограниченного числа типов термопар. В табл. 1 приведены данные о наиболее распространенных промышленных термопарах. В приложении даны градуировочные таблицы двух типов термопар. Табличные значения ТЭДС и градуировка шкалы рассчитаны на. температуру свободных концов термопары (Табл. 4).

Таблица 4 – Промышленные термопары

Название термопары	Обозначение		Пределы измерения, С
Название термопары	Термопара	Градуировка	Длительно	Кратковрем.
Платинородий – платина	ТПП	ПП	-20 – 1300	1600
Хромель – алюмель	ТХА	ХА	-50 – 1100	1300
Хромель - копель	ТХК	ХК	-50 – 600	800

Для изготовления термопар чаще всего применяют электроды в виде проволок диаметром 0,5 - 5,2 мм. Термоэлектроды соприкасаются друг с другом только в рабочем спае, по всей остальной длине они электрически изолированы фарфоровыми трубками. Горячий спай термопар не изолируют. Его получают сваркой или пайкой. Для зашиты термопар от воздействия измеряемой среды изолированные термоэлектроды помешают в защитный чехол из материалов, выдерживающих высокие температуры в давлении измеряемой среды. Защитные чехлы для темопар могут иметь различную форму в зависимости от объекта и рабочих условий. Для термопар, работающих при температурах до 1000 ⁰С, применяют металлические защитные чехлы, а при температурах свыше 1000 ⁰С - фарфоровые чехлы. На защитном чехле имеется головка с контактной панелью для подключения соединительных проводов. Схема конструкции термоэлектрического термометра показана, на рис. 2.4, а общий вид термометра - на рис. 2.3.

Рис. 12 - Схема конструкции термоэлектрического термометра: 1-термоэлектроды, 2-изоляционные трубки, 3-защитный чехол, 4-соединительный винт, 5-головка термометра, 6-термоэлектродные соединительные провода, 7-свободные концы.

Рис. 13 - Схема внесения поправки на температуру свободных концов

Как видно из рис. 12 свободные концы термопары располагаются в головке термоэлектрического термометра. Учитывать температуру свободных концов здесь трудно, кроме того, эта температура может значительно меняться. Поэтому есть смысл перенести свободные концы в место, где учет их температуры упрощен.

Перенос их осуществляется с помощью термоэлектродных соединительных проводов С и Д (13), которые должны в паре между собой при температурах t₀^’ и t₀ развивать такую же ЭДС, как и термоэлектроды термопары А и В при тех температурах. Соединительные провода можно изготовлять из тех же материалов, что и термоэлектоды термопары. В этом случае они являются простым продолжением ее. Если термоэлектроды сделаны из дорогих материалов, то соединительные провода выполняются из других, более дешевых материалов. Так, например, для платинородий-платиновой термопары соединительные провода делаются из меди и медноникелевого сплава, для хромель-алюмелевой термопары - из меди и константана. Для хромель-копелевой термопары провода изготовляются из этих же, не менее качественных сплавов, имеющих сходную характеристическую кривую. С измерительным прибором термопара соединена медными проводами F.

Перенос свободных концов термопары, как было указано, позволяет учесть их температуру и, следовательно, внести соответствующую поправку. Одним из способов внесения поправки является следующий: измерив температуру в зоне свободных концов, устанавливают с помощью корректора стрелку отключенного прибора на отметку шкалы, соответствующую этой температуре. Если при дальнейшей эксплуатации температура свободных концов изменится существенно, эту поправку можно таким же образом изменить.

В промышленных условиях применяют компенсирующее устройство, которым поправка на температуру свободных концов вносится автоматически. Термопара включается последовательно с неуравновешенным мостом, три плеча которого R1, R2, RЗ выполнены из манганина, а R4 - из меди. Питание схемы осуществляется через выпрямитель.

Сопротивление Rд служит для подгонки напряжения, подаваемого на мост, при работе с термопарами различных градуировок. Мост настраивается таким образом, что при градуировочной температуре свободных концов, которые находятся рядом с сопротивлением R4, мост находится в равновесии. Разность потенциалов точек А и В при этом равна О. С изменением температуры свободных концов меняется R4, равновесие моста нарушается, между точками А и В возникает разность потенциалов. Сопротивление R4 рассчитывается таким образом, чтобы изменение разности потенциалов на вершинах моста всегда было равно и противоположно направлено изменению ТЭДС термопары при изменении температуры свободных концов.

Стартовое положение

Стартовое положение прибора в данной лабораторной работе представлено на рисунке 14.

Рис. 14 - Внешний вид электронного потенциометра

Порядок действий

1. Выберите тип преобразователя переключателями на верхней части прибора (Хром-Никель). Выставьте вид измерения «Точно».

2. Включите прибор с помощью тумблера.

3. Выставьте исследуемое напряжение с помощью регуляторов (10mV). При этом, стрелка потенциометра отклонится влево или вправо.

4. Возьмите блокнот и зафиксируйте исследуемое напряжение, нажав на карандаш.

5. С помощью регуляторов установите стрелку потенциометра на нулевую отметку. Зафиксируйте действительное напряжение при прямом ходе, нажав на карандаш в блокноте.

6. Снова установите исследуемое напряжение с помощью регуляторов и зафиксируйте выбор нажав на карандаш в блокноте.

7. С помощью регуляторов установите стрелку потенциометра на нулевую отметку. Зафиксируйте действительно напряжение при обратном ходе, нажав на карандаш в блокноте.

8. Повторите эксперимент для нескольких значений напряжений. Результаты измерение занесите в отчет.

Значения сопротивления для выполнения лабораторной работы в режиме «Хром-Никель»:

1 группа – 14 mV; 28 mV; 35 mV; 49 mV.

2 группа – 15 mV; 23 mV; 33 mV; 45 mV.

3 группа – 11 mV; 24 mV; 31 mV; 42 mV.

4 группа – 17 mV; 22 mV; 30 mV; 47 mV.

5 группа – 12 mV; 21 mV; 32 mV; 40 mV.

9. После завершения измерений на платиновом преобразователе выключите прибор с помощью тумблера.

10. Выберите тип преобразователя переключателями на верхней части прибора (Хром-Алюминий).

11. Включите прибор с помощью тумблера и повторите действия с п.3 по п.8. Значения сопротивления для выполнения лабораторной работы в режиме «Хром-Алюминий»

1 группа – 55 mV; 65 mV; 73 mV; 90 mV.

2 группа – 57 mV; 67 mV; 75 mV; 92 mV.

3 группа – 50 mV; 61 mV; 70 mV; 83 mV.

4 группа – 59 mV; 68 mV; 77 mV; 95 mV.

5 группа – 52 mV; 63 mV; 71 mV; 85 mV.

15. После завершения измерений на медном преобразователе выключите прибор с помощью тумблера.

Отчет по лабораторной работе должен содержать следующее:

1. Краткое описание и принцип действия потенциометра.

2. Порядок измерений в одном из режимов.

3. Протокол поверки шкалы прибора в пределах 0 – 100 ºС, согласно таблицы 1.

Основную приведенную погрешность g определяют по формуле:

g = (E_t – E_И)*100% / E_t, (10)