Исследование термопар - Томский политехнический университет

Федеральное агентство по образованию
Томский политехнический университет
УТВЕРЖДАЮ
Зав. каф. ПМЭ ИНК
Г. С.
Евтушенко
«
»
2013 г.
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОПАР
Методические указания по выполнению лабораторной работы по дисциплине «Электронные
промышленные устройства» для студентов направлений 210100.17 «Электронные системы управления,
контроля, диагностики в технике и медицине», 210114 «Электронные приборы и устройства»
Томск 2013
УДК.
Исследование термопар.
Методические указания по выполнению лабораторной работы. – Томск: Издательство ТПУ,
2013-8с.
Составители: А.К. Такачакова, И.А. Дорошенко
Рецензент: А.И. Солдатов
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
Исследование термопар
Цель работы: 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.
EAE
B
T2
T1
A
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:
𝐸𝐴𝐴 (𝑇1 𝑇2 ) = 𝐸𝐴𝐴 (𝑇1 𝑇3 ) + 𝐸𝐴𝐴 (𝑇3 𝑇2 )
(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 термо-эдс термопары АВ со спаями при
температурах Т1 и Т2 равняется алгебраической сумме термо-эдс
2
термопар АС и СВ, спаи которых
находятся при тех же температурах.
𝐸𝐴𝐴 (𝑇1 𝑇2 ) = 𝐸𝐴𝐴 (𝑇1 𝑇2 ) + 𝐸𝐶𝐶 (𝑇1 𝑇2 )
(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.
E
E
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
Рабочий
спай
Дополнительные
спаи
К измерительной
аппаратуре
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.
3
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:
Специальный стенд с возможностью подключения различных термопар – хромель-копель, хромельалюмель, вольфрам-рений. В качестве источника тепла выступает паяльная станция с возможностью цифровой
установки температуры жала.
Описание лабораторной установки:
Лабораторная установка состоит из паяльной станции с цифровой установкой температуры жала, из
стенда (рис. 4) на котором собрана схема усилителя сигнала термо-ЭДС трёх видов термопар, цифрового
вольтметра и источника питания.
Перед началом эксперимента необходимо выставить на источнике питания двух полярное напряжение
равное напряжению
питания ОУ 5В. При правильном подключении источника питания (ОУ) на стенде
4
загорается светодиод (рис. 5), далее нужно провести балансировку ОУ, для этого необходимо заземлить
оба входа, нажать на кнопку и убедиться в нулевом уровне выходного сигнала (использовать вольтметр
или осциллограф, кнопка в данной схеме используется только для балансировки ОУ). Регулируя R1
установить коэффициент усиления равным 100.
В соответствующие гнёзда на стенде усилителя
сигнала термо-эдс согласно указанным полярностям подключить термопару.
Рис. 4. Принципиальная схема усилителя
Рис. 5. Макет схемы усилителя
5
Предварительное задание:
1.
Изучить разделы курса и краткие теоретические сведения.
2.
Подготовить ответы на контрольные вопросы.
3.
Ознакомиться с рабочим заданием, методическими указаниями к работе.
4.
Подготовить бланк отчёта.
Рабочее задание:
1.
Получить у преподавателя допуск к работе.
2.
Падать двух полярное напряжение питания на ОУ равное 5В (рис.5).
3.
Балансировка ОУ. Заземлить оба входа, нажать кнопку и убедиться в нулевом уровне
выходного сигнала.
4.
Регулируя R1, установить коэффициент усиления равным 100 (рис.4).
5.
Установить термопару.
6.
При помощи стакана со льдом и водой определить термо-эдс термопары при 0 градусов
(смотреть пояснение).
7.
Включить паяльную станцию и установить минимально допустимую температуру.
8.
Выбрать количество точек замера температуры и шаг изменения таким образом, чтобы
достоверно отобразить характеристики термопар.
9.
Снять зависимость термо-ЭДС от температуры точки спая.
10.
На основе полученных данных построить график зависимости термо-ЭДС от температуры и
достроить его до значения температуры 1600℃.
11.
Повторить пункты 5-12 для остальных термопар.
12.
Написать уравнения второго порядка, описывающие полученные зависимости.
13.
Оформить отчёт по проделанной работе.
Пояснение: С помощью термопары измеряется не абсолютная температура, а относительная
температура горячего и холодного спаев, следовательно, измеренное значение
термо-эдс при комнатной
температуре, необходимо вычитать от полученных значений термо-эдс при нулевой температуре.
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?
6
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
7
Приложение:
Тэдс (мВ) термопары хромель-алюмель (холодные концы при 0oC).
Т, ℃
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
0
0
4.10
8.13
12.21
16.40
20.65
24.91
29.15
33.32
37.37
41.32
45.16
48.87
52.43
Т, ℃
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0
0
6.95
14.66
22.91
31.49
40.16
49.02
57.77
66.42
Т, ℃
0
0
0
10
0.40
4.51
8.53
12.62
16.83
21.08
25.33
29.57
33.72
37.77
41.71
45.54
49.28
20
0.80
4.92
8.93
13.04
17.25
21.50
25.76
29.99
34.13
38.17
42.09
45.91
49.59
30
1.20
5.33
9.34
13.45
17.67
21.93
26.19
30.41
34.55
38.57
42.48
46.29
49.95
40
1.61
5.73
9.74
13.87
18.09
22.35
26.61
30.83
34.95
38.97
42.88
46.66
50.31
2,871
4,512
6,203
7,908
9,605
11,283
12,933
14,549
16,125
17,659
19,146
20,584
21,971
23,306
24,588
25,816
26,992
60
2.43
6.53
10.56
14.72
18.94
23.21
27.46
31.66
35.76
39.76
43.64
47.40
51.02
70
2.85
6.93
10.97
15.14
19.37
23.63
27.88
32.08
36.17
40.15
44.02
47.77
51.38
80
3.26
7.33
11.38
15.56
19.79
24.06
28.30
32.49
36.57
40.54
44.40
48.14
51.73
10
0.65
7.69
15.48
23.75
32.35
41.03
49.90
58.64
-
20
30
40
50
60
70
80
90
1.31 1.98 2.66 3.35 4.05 4.76 5.48 6.21
8.43 9.18 9.93 10.69 11.46 12.24 13.03 13.84
16.30 17.12 17.95 18.77 19.60 20.43 21.25 22.08
24.60 25.45 26.31 27.16 28.02 28.89 29.76 30.62
33.22 34.08 34.95 35.82 36.68 37.55 38.42 39.29
41.91 42.79 43.68 44.56 45.45 46.34 47.23 48.12
50.78 51.66 52.53 53.41 54.28 55.15 56.03 56.90
59.51 60.37 61.24 62.11 62.97 63.83 64.70 65.56
Тэдс (мВ) термопары вольфрам-рений (холодные концы при 0oC).
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0,121 0,246 0,373 0,504 0,637 0,772 0,910 1,050 1,193
3,032
4,680
6,373
8,073
9,774
11,450
13,096
14,708
16,281
17,810
19,292
20,725
22,107
23,436
24,713
25,936
3,193
4,843
6,543
8,248
9,943
11,616
13,259
14,867
16,436
17,960
19,438
20,866
22,242
23,566
24,838
26,056
3,355
5,016
6,714
8,418
10,111
11,782
13,422
15,026
16,590
18,110
19,583
21,006
22,377
23,696
24,962
26,175
1,933
3,518
5,185
6,834
8,588
10,280
11,947
13,584
15,184
16,744
18,260
19,728
21,145
22,511
23,825
25,085
26,293
2,086 2,240 2,396 2,553 2,712
3,682
5,354
7,065
8,758
10,448
12,112
13.746
15,342
16,898
18,409
19,872
21,284
22,645
23,953
25,209
26,411
3,847
5,523
7,225
8,928
10,615
12,277
13,907
15,500
17,051
18,557
20,015
21,423
22,778
24,081
25,331
26,528
8
Таблица 1.
90
3.68
7.73
11.80
15.99
20.22
24.49
28.73
32.90
36.97
40.98
44.78
48.50
52.08
Тэдс (мВ) термопары хромель-копель (холодные концы при 0oC).
100 1,337 1,483 1.632 1,781
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
50
2.02
6.13
10.15
14.30
18.51
22.78
27.04
31.24
35.36
39.36
43.26
47.03
50.67
4,012
5,693
7,396
9,098
10.783
12,442
14,068
15,657
17,204
18,705
20,158
21,561
22,911
24,209
25,453
26,645
4,178
5,862
7,567
9,267
10,950
12,606
14,229
15,813
17,356
18,853
20,301
21,698
23,043
24,335
25,575
26,761
4,345
6,032
7,737
9,436
11,117
12,770
14,389
15,970
17,503
19,000
20,443
21,835
23,175
24,462
25,696
26,877
Таблица 2.
Таблица 3.