Лабораторне Заняття №5

Тема: Вимірювання температури за допомогою термопари.

Мета: ознайомитись з методом вимірювання температури за допомогою термопари. Вивчити будову термопари і термоелектричного мілівольтметра.

Обладнання: Термопара типу хрюмель-алюмель, мілівольтметр, джерело тепла.

 

Теоретичні відомості

Дія термоелектричних пірометрів базується на властивості металів і сплавів створювати термоелектрорушійну силу ЕРС, яка однозначно залежить від температури місця з’єднання (спаю) двох різнорідних провідників, що утворюють так звану термопару чи первинний прилад пірометра. Вторинним приладом, який вимірює термоелектрорушійну силу, що розвиває термопара, є чутливий електровимірювальний прилад. Діапазон вимірюваних термоелектричними пірометрами температур лежить у межах – 50 – 1800 ^оС.

Термоелектричні пірометри широко використовуються в енергетичних установках для вимірювання температури підігрітої пари, димових газів, металу труб, котлів та інших частин обладнання тощо. Позитивними властивостями їх є велика межа вимірювання, висока чутливість, незначна інерційність, відсутність стороннього джерела струму і легкість здійснення дистанційної передачі показів завдяки електричному принципу дії.

Термоелектричні пірометри виготовляють різних класів точності та бувають показуючими і самопишучими. Останні частіше всього є багатоточковими приладами.

Явище термоелектрики, яке широко застосовують для вимірювання температури і ряду інших неелектричних величин, полягає у тому, що у замкнутому контурі, який складається із двох різнорідних провідників, безперервно проходить електричний струм, якщо місця спаювання цих провідників мають різну температуру.

Сутність виникнення ЕРС – концентрація в міжмолекулярному просторі провідника вільних електронів, які знаходяться в одиниці об’єму, залежить від роду провідника та його температури.

Схема термопари з вимірювальним приладом показана на рис. 1. Місце з’єднання двох різнорідних термоелектродів 1, яке розміщується в зоні вимірювання, називається робочим спаєм, а місця з’єднання термоелектродів з провідниками – вільними спаями 2 та 3. Як вимірювальний прилад 4 може використовуватися термоелектричний мілівольтметр або потенціометр.

Для отримання порівняно високих значень ЕРС вибір термоелектродів при виготовленні термопар виконується таким чином, щоб у парі з платиною один із них створював позитивну, а інший негативну ЕРС.

Термопари, які отримали практичне застосування, розділяють в основному на дві групи: із дорогоцінних і недорогоцінних металів чи сплавів. У таблиці 1 вказано найбільш поширені типи термопар, межі вимірювань ними температури і середнє значення ЕРС, яке розвивається при різниці температур між робочим і вільними кінцями 100 ^оС. При назві термопар першим зазвичай вказується позитивний термоелектрод.

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблиця 1

Поширені типи термопар

Назва	Тип	Градую- вання	Границі вимірювання температур при тривалому застосуванні, 0С		Верхня границя вимірювання температур при  короткочасному застосуванні,  0С	Середня ЕРС на 1000С різниці темпе-ратур, мВ
			нижній	верхній
Платино-родій-платино-ва (10% родія)	ТПП	ПП-1	-20	1300	1600	1,04
Платино-родієва (30 та 6% радія)	ТПР	ПР-30/6	300	1600	1800	0,90
Хромель-алюмелева	ТХА	ХА	-50	1000	1300	4,03
Хромель-копелева	ТХК	ХК	-50	600	800	8,03

 

Термопари типів ТПП, ТПР, ТХА і ТХК включені у державний стандарт. Для достатнього надійного забезпечення однорідності складу термоелектродів вони мають стандартне градуювання (рис. 2).

Термопари із дорогоцінних металів і сплавів: платинородій-платинова типу ТПП і платинородієва типу ТПР використовують головним чином для вимірювання високої температури (вище 1000 ^оС), так як вони володіють великою термостійкістю.

Термопари із недорогоцінних металів і сплавів: хромель-алюмелева типу ТХА і хромель-копелева типу ТХК – використовують для вимірювання порівняно невисокої температури (до 1000 ^оС). Ці термопари розвивають значні ЕРС, що є великою їх перевагою.

На рис. 2 показана будова стандартного термоелектричного термометра. В жорсткій захисній гільзі 1 розміщені термоелектроди 3 з надітими на них ізоляційними бусами 4. Спай 2 торкається дна захисної гільзи чи може бути ізольований від нього за допомогою керамічного наконечника. До термоелектродів в головці 8  гвинтами 6 на розетці 5 під’єднуються подовжуючі дроти 7. Захисна гільза в складенні вводиться в об’єкт вимірювання і закріплюється на ньому за допомогою штуцера 9. Для забезпечення надійного контакту спай 2 виготовляють зварюванням, рідше паянням чи скручуванням (для високотемпературних термопар). Захисну гільзу 1 виконують у вигляді циліндричної чи конічної трубки із газонепроникних матеріалів діаметром приблизно 15–25 мм і довжиною в залежності від потреби об’єкта вимірювання від 100 до 2500–3500 мм. Матеріалом для захисної гільзи зазвичай є різні сталі, для більш високих температур використовуються гільзи із тугоплавких з’єднань, а також кварц і фарфор. Діаметр термоелектродів складає 2–3 мм, крім термоелектродів платинової групи, діаметр яких 0,5 мм, що зв’язано з їх високою вартістю. Стандартні термопари випускають одинарними, подвійними і поверхневими – для вимірювання температури стінок об’єкта, коли доступ в середину об’єкта затруднений чи неможливий.

У даний час широке застосування знаходять термоелектричні перетворювачі кабельного типу (рис. 2 б, в).

У тонкостінній оболонці 1 розміщені термоелектроди 3, які ізольовані один від одного, а також від стінки оболонки термостійким керамічним порошком 4. Робочий спай 2 може мати контакт з оболонкою (рис. 4.2 б) чи ізольований від неї (рис. 2 в). Оболонку виконують із високолегованої нержавіючої сталі із зовнішнім діаметром 0,5–6 мм довжиною 10–30 м. Завдяки вказаним розмірам кабельні термоелектричні термометри є дуже гнучкими при достатній механічній міцності. Такі термоелектричні перетворювачі можна використовувати в інтервалі температур від – 50 до  300 ^оС при тиску 40 МПа. Вибір відповідних конструкцій термопар здійснюється в залежності від конкретних умов вимірювання.

В якості засобів вимірювань, які працюють в комплекті з термоелектричними перетворювачами, використовують мілівольтметри магнітоелектричної системи, потенціометри і нормуючі перетворювачі.

Пірометричний мілівольтметр є чутливим приладом магнітоелектричної системи. Робота його заснована на взаємодії магнітного поля, що утворюється провідником, по якому проходить електричний струм, створений термопарою, з магнітним полем постійного магніту, який знаходиться у приладі.

Будова пірометричного мілівольтметра показана на рис. 3. Підковоподібний постійний магніт 1 із високолегованої сталі (хромистої, нікель-алюмінієвої чи кобальтової) оснащений полюсними наконечниками 2 з циліндричною виточкою, між якими нерухомо закріплене циліндричне осердя 3. В кільцевому повітряному зазорі шириною близько 2 мм, утвореному плоскими наконечниками і осердям, які виготовлені із м’якої литої сталі, розміщені дві бокові (активні) сторони прямокутної рухомої рамки 4, яка складається із 100–300 послідовних витків ізольованого мідного чи алюмінієвого дроту діаметром 0,07–0,08 мм. Рамка, яка жорстко скріплена зі стрілкою 5, утворює рухому частину приладу, що може повертатися навколо осі осердя завдяки вставленим у рамку з торцевих сторін двох стальних кернів 6, які упираються на закріплені у стійці 7 агатові підп’ятники 8. Біля опорних кернів діаметром близько 1 мм з кутом заточування 60⁰ розміщені дві плоскі спіральні пружини 9 із фосфористої бронзи, внутрішні кінці яких закріплені до рамки, а зовнішні біля верхньої пружини – до осі важеля 10 і нижньої до штифта нерухомої стійки. З цими ж пружинами з’єднані обидва кінці обмотки рамки  і два затискачі 11, які служать для включення приладу у ланцюг термопари. Послідовно з рамкою включений додатковий манганіновий резистор (котушка) 12. У вільному простірі між полюсними наконечниками розміщені немагнінові вкладиші 13. Стрілка приладу, яка виконана із тонкої алюмінієвої трубки, зрівноважується двома пересувними противагами 14, які знаходяться на двох балансувальних вусиках з нарізкою. Завдяки противагам центр рухомої частини
розміщується на осі осердя (рамки).

 

При вмиканні мілівольтметра в ланцюг термопари через рамку, резистор і спіральні пружини проходить струм, що викликає появу обертового моменту, який призводить до повороту рамки і стрілки навколо осердя. Одночасно із переміщенням рамки відбувається закручування спіральних пружинок, які створюють протидіючий момент, величина якого із мірою збільшення кута повороту рамки поступово зростає і приводить рухому частину у стан рівноваги. Таким чином, кут повороту рамки (стрілки) приладу, рівний куту закручування пружинок, залежить від сили струму, яка у свою чергу залежить від ЕРС термопари.

Хід роботи

1. Записати марку термопари експериментальної установки (рис. 4). Встановити, які термоелектроди застосовані у термопарі. З таблиці 1 виписати характеристики термопари.

2. Витягнути корпус приладу разом з передньою панеллю. Ознайомитись з будовою термоелектричного мілівольтметра.

3. Встановити термопару на стійці установки таким чином, щоб віддаль між джерелом теплоти і чутливим елементом термопари була не більше 2 мм.

4. Вилкою з’єднувача включити установку в мережу змінного струму. Включити вимикач. При цьому загоряється лампа розжарювання. Дати лампі прогрітися протягом 5 хвилин. Зняти показ температури. Виключити вимикач і дати лампі охолонути. Повторити вимірювання температури ще 4 рази.

 

5. Одержані результати занести в таблицю 2.

 

                                                                                                        Таблиця 2

                                  Результати вимірювань

№ досліду	Температура t, oC	Середнє значення температури tср, oC	Відхилення еі
1.
2.
3.
4.
5.

 

Обробка результатів досліджень

Для отримання при лабораторних вимірюваннях найбільш достовірних результатів відлік показів приладу проводиться за одних і тих самих умов за можливістю певне число разів і із знайденого ряду значень вимірювальної величини після виключення систематичних і грубих похибок визначається більш точне середнє арифметичне її значення t_ср, яке представляє собою кінцевий результат вимірювання.

Результати вимірювань записати у таблицю 2.

Відхилення е окремих значень вимірювальної величини від t_ср  знаходиться за формулою із виразів:

 .                                                                                                              

При правильному визначенні t_ср  алгебраїчна сума відхилень е повинна дорівнювати нулю, тобто:

.                                                                                                                      

У практичних умовах зазвичай оцінюють точність кінцевого результату вимірювання А_ср  шляхом визначення абсолютних значень середньої квадратичної похибки σ, ймовірної похибки ρ і найбільш можливої (граничної) похибки λ за формулами (3-5).

                                                                                               

                                                                                                    

                                                                                                 

Результат вимірювання:

.                                                                                                                     

 

     Контрольні питання

1.   Що являж собою термопара?

2.   Які Вам відомі типии термопар?

3.   Для чого використовується мілівольтметр при вимірювані температури з використанням термопар?

4.   Який діапазон вимірюваних термоелектричними пірометрами температур?