Главная | Обратная связь

Термоэлектрические преобразователи температуры.

Термоэлектрические термометры (термопара) являются первичными преобра­зователями, выходной сигнал которых измеряется магнитоэлектри­ческими милливольтметрами или автоматическими потенциомет­рами.

Возникновение термо-ЭДС в термопреобразователе объясняется тем, что при его нагревании возникает поток электронов от горячего спая к холодному. На холодном спае создается отрицательный потенциал, а на горячем - положительный. Разность этих потенциалов будет опреде­лять величину термо-ЭДС термопреобразователя.

Если температуру холодного спая поддерживать постоянной, то термо-ЭДС будет зависеть только от степени нагрева рабочего конца термопреобразователя, что позволяет отградуировать измерительный прибор в соответствующих единицах температуры. В случае откло­нения температуры свободных концов от градуировочного значения, равного 0°С, к показаниям вторичного прибора вводится соответствую­щая поправка.

Термоэлектрический термометр, простейшая цепь которого пока­зана на рис. 8, а, представляет собой чувствительный элемент, вы­полненный в виде двух проводников из разных металлов (или по­лупроводников) со спаянными концами.

Термо-ЭДС зависит от материала проводников А и Б, составля­ющих термоэлектрический термометр, а также от температуры холодного, называемого свободным концом 1. Свободный конец термоэлектрического термометра должен находиться в зоне посто­янной температуры, имеющей определенное (известное) значение. При этом условии термо-ЭДС термоэлектрического термометра, а значит, и показания измерительного прибора будут зависеть только от температуры рабочего конца 2. Фактически свободный конец термоэлектрического термометра, как правило, находится в зоне переменной температуры, поэтому в качестве соединительных при­меняют так называемые компенсационные провода, позволяющие перенести свободный конец в зону с известной постоянной темпера­турой.

Рис. 8б 3-термоэлемент, 4-жароупорный наконечник, 5-металлический чехол, 6-фарфоровые изоляторы, 7-головка термометра с зажимами.

 

Верхний предел температур, измеряемых термопар, зависит от их типа. Так термометр ТВР применяют для измерения температур до 2200°С, ТПП-до1300°С, ТПР-до1600°С,

ТХА-до1000°С и ТХК-до 600°С

В зависимости от материала термоэлектродов термопреобразователи различают:

- с металлическими термопарами из благородных и неблагородных металлов и сплавов;

- с термопарами из тугоплавких металлов и сплавов.

Термопары из благородных металлов, обладая устойчивостью к вы­соким температурам и агрессивным средам, а также постоянной термо-­ЭДС, широко используют для замера высоких температур в промыш­ленных и лабораторных условиях.

Преобразователи термоэлектрические изготовляют следующих ти­пов :

ТВР — термопреобразователь вольфрамрениевый;

ТПР — термопреобразователь платинородиевый;

ТПП — термопреобразователь платинородий-платиновый;

ТХА — термопреобразователь хромель-алюмелевый;

ТХК — термопреобразователь хромель-копелевый

ТМК — термопреобразователь медь-копелевый

Для предохранения от повреждений термоэлектрические термо­метры заключают в защитную арматуру (рис. 8, б). Термоэлектрические термометры имеют стабильную характери­стику: термо-ЭДС, развиваемая ими, стандартизована, что делает термоэлектрические термометры взаимозаменяемыми.

Вторичными измерительными приборами для термоэлектрических термометров служат милливольтметры и потенциометры.

Термопреобразователи сопротивления.

 

Термопреобразователи сопротивления широко применяют во всех отраслях промышленности для измерения темпе­ратуры в трубопроводах, технологическом оборудовании, электриче­ских вращаю-щихся машинах, нагревательных печах, а также в про­изводственных помещениях. Действие термопреобразователей сопротивления основано на свойстве применяемых в них проводниковых материалов (химически чистой пла­тины или меди) изменять свое элек­трическое сопротивление при изме­нении температуры.

Платиновые термопреобразова­тели сопротивления применяют для измерения температуры от —260 до 750°С. Чувствительный элемент та­кого термопреобразователя (рис. 12) изготовлен из платиновой про­волоки диаметром 0,05—0,08 мм, намотанной на слюдяную пластинку 5 (каркас) с зубчатой нарезкой и помещен в защитную арматуру 8.

Медные термопреобразователи сопротивления для измерения тем­пературы от —50 до 180°С изготов­ляют из медной изолированной про­волоки диаметром 0,1—0,2 мм, а вы­воды — из медной луженой проволо­ки диаметром 1—1,5 мм.

У Термопрербразователи сопротивлений изготовляют двух типов:

с чувствительным элементом из платины (ТСП);

с чувствительным элементом из меди (ТСМ).

 

Достоинством проволочных термопреобразователей сопротивлений является их взаимозаменяемость, т. е. возможность работы с одним и тем же измерительным прибором, без подгонки шкалы, с разными термопреобразователями одной градуировки.

 

Основным условием взаимозаменяемости термопреобразователей сопротивлений при их эксплуатации является равенство сопротивлений термопреобразователей при каждой заданной температуре в пределах установленных допусков.

 

К достоинствам термопреобразователя сопротивлений можно отнес­ти:

- высокую точность измерения температуры;

- возможность осущест­вления автоматической записи и дистанционной передачи показаний;

- возможность централизации контроля температуры путем присоедине­ния взаимозаменяемых термопреобразователей через переключатель к одному измерительному прибору;

- возможность использования термопреобразователейсопротивления с информационно-вычислительными машинами.

 

Недостатками термопреобразователя сопротивлений являются:

- необ­ходимость индивидуального источника питания;

- относительно большие размеры чувствительного элемента;

- значительная инерционность;

- слож­ность устройства вторичных приборов.

 

Вторичными измерительными приборами для термопреобразова­телей сопротивления служат логометры и уравновешенные мосты

Милливольтметры.

 

Магнитоэлектрические милливольтметры (рис. 9) изготовляют по ГОСТ 9736—80. Милливольтметры, применяемые для измерения температуры в ком­плекте с термоэлектрическими преобразователями (термопарами) называют пирометрическими милливольтметрами.

Прибор состоит из постоянного магнита 1 подковообразной формы, на концах которого помещены полюсные наконечники 4, а между наконечниками—железный ци­линдрический сердечник 5. Между сердечником и наконечниками образуется цилиндрический кольцевой зазор, в котором находится рамка 8, состоящая из большого числа витков тонкой медной прово­локи. Рамка опирается иглами (кернами) 9 на две опоры 7.

Магнит создает в кольцевом зазоре постоянное магнитное поле. К двум концам рамки через спиральные пружины 2 и 6 подводится электрический ток от термоэлектрического термометра 14. Протека­ющий по рамке ток взаимодействует с магнитным полем, вследст­вие чего рамка вращается в определенном направлении. Вращению рамки противодействует упругая сила пружин, поэтому рамка остановится в некотором положении, определяемом силой тока, проходящего в ней. Вместе с рамкой вращается укрепленная на ней стрелка 10. Шкала 11 градуируется в милливольтах и градусах Цельсия (°С).

 

Точность показаний милливольтметров зависит от постоянства, температуры свободных концов термоэлектрического термометра и от постоянства температуры, окружающей комплект. Кроме того, милливольтметры боятся вибрации.

 

Логометры.

Вторичными измерительными приборами для термопреобразова­телей сопротивления служат логометры и уравновешенные мосты

При наличии дополнительных устройств они могут осуществлять измерение, запись, регулирование и сигнализацию температуры.

Применение логометров наиболее целе­сообразно при измерении низких минусовых (от -200 °С) и невысоких плюсовых температур (до +500 °С), так как в данном случае они об­ладают большой надежностью по сравнению с милливольтметрами. Принципиальная схема пирометрического логометра показана на рис. 14.

Пирометрические логометры являются магнитоэлектрическими при­борами и состоят из измерительного механизма и измерительной схемы. Измерительный механизм логометра состоит из двух жестко связанных между собой скрещенных рамок 1, вращающихся на одной оси в магнит­ном поле постоянного магнита 2. Воздушный зазор между полюсами магнита и сердечником 4 сделан неравномерным, в результате чего маг­нитная индукция в воздушном зазоре между ними будет непостоянная. Наибольшее значение магнитная индукция будет иметь у середины по­люсных наконечников, наименьшее — в зазоре у краев.

Рамки логометров изготовляют из тонкой медной проволоки и сое­диняют таким образом, чтобы их вращающиеся моменты М1 и М2 были направлены навстречу друг другу. Подвод тока к рамкам осуществляет­ся по трем спиральным пружинам с очень малым противодействующим моментом.

Измерительная схема логометра состоит из двух параллельных це­пей (плеч), питаемых от источника постоянного тока 3.

Действие прибора основано на измерении отношения токов, прохо­дящих в двух параллельных цепях, питаемых от постороннего источника тока, в каждую из которых включено по одной рамке. Таким образом, ток от источника питания, разветв­ляясь, проходит по двум цепям: че­рез сопротивление R и обмотку од­ной рамки, через термопреобразова­тель сопротивления Rt и обмотку другой рамки. Значение этих токов обратно пропорционально сопротив­лениям плеч логометра. Токи I1 и I2, проходящие по соответствующим рамкам, создают вращающие момен­ты M1 и М2, действующие на рамки в противоположных направлениях. При равенстве сопротивлений в пле­чах, токи в них будут равны, а следовательно, вращающие моменты М1 и M2 тоже равны и подвижная система находится в равновесии.

При увеличении сопротивления датчика (за счет его нагревания) величина тока в рамке R2 уменьшится, а вместе с этим уменьшится и мо­мент, создаваемый этой рамкой М2.

Равенство моментов М1 и М2 нарушится и подвижная система логометра начнет поворачиваться в сторону действия большого момента. Таким образом, рамка R1, по которой протекает теперь больший ток, попадает в область более слабого магнитного поля, что ведет к уменьше­нию момента M1, а рамка R2, наоборот, начинает входить в область более сильного магнитного поля, что ведет к увеличению момента M2.

Новое равновесие подвижной системы прибора наступит, когда вращающие мо­менты рамок сравняются. Следовательно, различным температурам со­противления датчика будут соответствовать различные углы поворота рамок, зависящие от отношения величины токов, проходящих в рамках.

Для компенсации изменения сопротивления соединительных прово­дов при колебании температуры окружающей среды предусмотрен тре­тий провод cd.

При трехпроводной схеме сопротивления проводов а и б оказы­ваются включенными в различные цепи измерительной схемы и изме­нение сопротивления этих проводов, вызванные внешними условиями, взаимно компенсируются.

АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПОТЕНЦИОМЕТРЫ И МОСТЫ

 

Электронные автоматические потенциометры и уравновешенные мосты применяют для измерения, записи и регулирования температуры и других величин, изменение значений которых может быть преобразо­вано в напряжение постоянного тока или в изменение активного сопро­тивления.

 

Приборы состоят из трех основных узлов: измерительной схемы, электронного усилителя и отсчетного устройства. В основу работы авто­матических потенциометров положен компенсационный метод измере­ния, основанный на уравновешивании измеряемой величины другой известной величиной. Компенсационный метод характеризуется высо­кой точностью измерения.

 

Типовая измерительная схема автоматического потенциометра приведена на рис1. В одну диагональ мостовой схемы включен ста­билизированный источник питания У2, в другую через нуль-индикатор У1 подается ЭДС датчика УЗ. Если измеряемая ЭДС равна падению на­пряжения на реохорде Rр, то к усилителю У1, выполняющему функцию нуль-индикатора, будет подведен нулевой сигнал и вся система будет находиться в равновесии. При изменении ЭДС датчика на величину, рав­ную или большую чувствительности усилителя, на вход последнего по­дается напряжение разбаланса, которое после преобразования и усиле­ния воздействует на уравновешивающий электродвигатель. Ротор по­следнего, вращаясь, перемещает движок реохорда до равновесного сос­тояния схемы. Вращение выходного вала реверсивного электродвига­теля с помощью механической передачи преобразуется в перемещение указателя.

Так как каждому значению ЭДС датчика соответствует определенное положение движка реохорда и указателя, то в момент равновесия схемы положение указателя определяет значение измеряемого параметра.

Уравновешивающим устройством в измерительных схемах потенциометров является реохорд Rp, состоящий обычно из рабочей и токосъемной спиралей, выполненных из устойчивой к износу и коррозии воль-фрамопалладиевой проволоки, намотанной на две изолированные мед­ные шинки. Для повышения надежности работы схемы движок реохорда снабжают контактами, выполненными из сплава золото — серебро — медь. В основу работы электронных автоматических мостов положен нулевой метод измерения сопротивления.

 

Уравновешенные мосты.(ГОСТ 7164—78*)—наиболее распространенные измерительные приборы, применяемые в комп­лекте с термопреобразователем сопротивления. Принцип действия уравновешенного моста (рис. 14,) основан на так называемом ну­левом методе измерений. Равно­весие (баланс) моста наступает при отсутствии разности потенци­алов между точками А и В, в этом случае стрелка нуль-прибора ус­тановится на нулевой отметке (нулевая отметка находится на середине шкалы).

Схема работает следующим образом. При изменении температуры контролируемого объекта изменяется сопротивление термопреобразо­вателя сопротивления Rt, в результате чего нарушается равновесие мос­товой схемы. В измерительной диагонали моста появляется напряжение разбаланса, поступающее на усилитель ЭУ, выполняющий роль нуль-инди­катора. Напряжение разбаланса в усилителе усиливается до величины, достаточной для приведения в действие реверсивного электродвигателя РД, ротор которого, вращаясь, перемещает движок реохорда до равновес­ного состояния схемы.

 

Вращение выходного вала реверсивного электродвигателя с по­мощью механической передачи преобразуется в перемещение указателя.

Так как каждому значению термопреобразователя сопротивления соот­ветствует определенное положение движка реохорда и указателя, то в момент равновесия схемы положение указателя определяет значение измеряемого параметра. Полярность сигнала зависит от величины сопротивления датчика по отношению к значению сопротивления реохорда в момент равновесия.

Уравновешивающим устройством в измерительных схемах мостов является калиброванный реохорд, аналогичный по своему устройству с реохордом, применяемым в автоматических потенциометрах.