Бирюков С.В., Чередов А.И. Методы и средства измерений - файл n1.doc

приобрести
Бирюков С.В., Чередов А.И. Методы и средства измерений
скачать (328.3 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc3997kb.13.12.2001 21:29скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8

Градуировочная характеристика устанавливает зависимость между значением термоЭДС и температурой рабочего спая термопары. Обычно градуировочная характеристика определяется при температуре свободных концов термопары равной 0 0С и представляется табличном виде. По значениям термоЭДС, взятым из таблиц, могут быть определены соответствующие им температуры. Промежуточные значения температур, не указанные в таблицах, определяются методом интерполяции по формуле


ТХ = Тmin + (Тmax - Тmin)(E - Еmin)/( Еmах - Еmin), (6.5)

где Тmin, Еmin, Тmax, Еmах - табличные значения температуры и термоЭДС, между которыми лежит измеренное значение ЭДС термопары Е.

Чувствительность термопар ST зависит от температуры и при температуре Т0 = 0 0С может быть найдена как

ST = ET/T = 1Т + 2Т2 + … +nТn. (6.6)

Чувствительность для различных термопар составляет значение от единиц до десятков микровольт на градус. Например термопара платина-родий имеет чувствительность ST  10 мкВ/0С, у пары вольфрам-рений чувствительность ST  20 мкВ/0С, термопара медь-константан имеет значение ST до 60 мкВ/0С.

Для повешения выходной ЭДС часто используется несколько термопар, образующих термобатарею.

Основными причинами погрешности термопар являются: отклонение характеристики термопары от стандартной; нестабильность характеристики термопары во времени; потери тепла за счет лучеиспускания и теплопроводности защитной арматуры; отклонение температуры свободных концов от градуировочного значения; тепловая инерция.

Отклонение характеристики термопары от стандартной обусловлено различными причинами: различием в составе сплава термоэлектродов, механическими напряжениями и др. Для промышленных термопар в соответствии с ГОСТ допускаются отклонения реальных термоЭДС от градуировочных значений от сотых до десятых долей милливольта.

Нестабильность характеристик термопар во времени обусловлена рекристаллизационными и диффузионными процессами. Эта погрешность не превышает значения тысячных долей процента в час.

При отклонении температуры свободных концов Т/0 от градуировочного значения Т0 термоЭДС будет отличаться от градуировочной, что приводит к погрешности преобразования (измерения) температуры. При измерении температуры для уменьшения этой погрешности необходимо ввести соответствующую поправку. Поправка Т к показаниям термометра приближенно может быть определена соотношением

Т = k(Т/0 - Т0), (6.7)

где k - коэффициент, зависящий от температуры и вида термопары.

Для термопары хромель-копель k = 0,8 - 1; для хромель-алюмелевой термопары k = 0,98 - 1,11; для платинородий-платиновой - в пределах 0,82 - 1,11. При небольшой разности температур (Т/0 - Т0) иногда можно считать k =1 [10]. Коэффициент k неодинаков для различных температур рабочего спая, но в некотором интервале температур его с достаточной точностью можно считать постоянным. Коэффициент k можно определить из характеристики термопары. На рис. 6.3 приведена характеристика некоторой термопары. Если температура свободных концов термопары Т/0 > Т0 , то термоЭДС уменьшится на величину Е = Е(Т/0, Т0) и станет равной Е(ТХ, Т/0). При этом показания прибора будут соответствовать температуре Т/Х, не равной измеряемой температуре ТХ. Считая участки Т0 - Т0 и Т/Х - ТХ характеристики ЕТ= f(Т) линейнымы, получим

Е= Е(Т/0 0) = (Т0 - Т0) tg1= (ТХ - Т/Х)tg. (6.8)

Из (6.8) найдем значение поправки к показаниям прибора

Т = (ТХ - Т/Х) = tg1/ tg (Т0 - Т0) = k(Т0 - Т0), (6.9)

и измеряемое значение температуры будет равно ТХ = Т/Х + k(Т0 - Т0).

На практике чаще всего введение поправки осуществляется автоматически. При измерении термоЭДС автоматическая коррекция может осуществляться с помощью устройства, показанного на рис. 6.4. Схема работает по принципу неуравновешенного моста. В одно плечо моста включается терморезистор RT из медной или никелевой проволоки, находящийся в тех же температурных условиях, что и свободные концы термопары. Остальные плечи моста выполнены из манганиновых резисторов. При температуре свободных концов, равной градуировочной Т0, мост уравновешивается с помощью одного из манганиновых резисторов и на выходной диагонали моста напряжение будет равно нулю. При изменении температуры свободных концов изменяется термоЭДС на величину Е и изменяется значение сопротивления RТ. При этом мост выйдет из равновесия, т. е. на его выходе появится напряжение, которое корректирует изменение тер-моЭДС термопары. Так как характеристика преобразования термопар нелинейна, полной коррекции погрешности, обусловленной изменением температуры сво-бодных концов, получить не удается. Остаточная погрешность таких устройств не пре-вышает 0,04 мВ на 10 градусов [10].





Рис. 6.3 Рис. 6.4

Для уменьшения погрешности, обусловленной отклонением температуры свободных концов от градуировочного значения, свободные концы должны находиться при постоянной температуре, соответствующей градуировочной (обычно 0 0С). Следует отметить, что не всегда возможно сделать термоэлектроды достаточно длинными и гибкими, чтобы разместить свободные концы термопары на достаточном удалении от рабочего спая [10]. Для этой цели используются провода из другого материалы, так называемые удлинительные термоэлектроды, которые должны в паре между собой развивать в диапазоне возможных температур (примерно в диапазоне от 0 до 100 0С) такую же термоЭДС, как и термопара. Кроме того, места присоединения удлинительных термоэлектродов к основным термоэлектродам должны иметь одинаковую температуру. В этом случае при включении удлинительных электродов термоЭДС не изменится.

Для термопар из неблагородных металлов, например, для термопары хромель-копель, могут использоваться удлинительные электроды из тех же материалов, что и основные электроды, но выполненные в виде гибких проводов. Для термопары хромель-алюмель удлинительные электроды выполняются из меди и константана. Для термопары платинородий-платина применяются провода из меди и сплава ТП. Эти же материалы с измененными знаками полярности применяются для термопары вольфрам-молибден.

В термоэлектрических термометрах, использующих милливольтметры для измерения термоЭДС, может возникать погрешность из-за падения напряжения на всех элементах, составляющих цепь термоЭДС, которая включает в себя рабочие и удлинительные термоэлектроды, соединительные провода. Например, падение напряжения Е на сопротивлении самой термопары составит

Е =ЕТ RТ /( RТ + RЛ + RВ), (6.10)

где RТ - сопротивление термопары; RЛ - сопротивление соединительных проводов; RВ - внутреннее сопротивление милливольтметра.

Для уменьшения этой погрешности милливольтметры градуируются по температуре в комплекте с термопарой с указанием сопротивления линии. Изменение сопротивления внешней цепи милливольтметра также приводит к погрешности термоэлектрического термометра.

Использование в качестве измерительного прибора термоЭДС потенциометра постоянного тока позволяет данную погрешность исключить.

При работе термоэлектрического преобразователя в газовой среде вблизи поверхностей, температура которых отличается от температуры преобразователя между поверхностью и термоэлектрическим ИП происходит лучистый теплообмен, вызывающий погрешность.

Потери тепла за счет теплопроводности различных конструктивных элементов, в частности защитной арматуры, термоэлектрического ИП также приводят к погрешности измерения температуры.

Одной из составляющих погрешности термопар является погрешность, обусловленная тепловой инерцией. Тепловая инерция характеризуется показателем тепловой инерции, под которым понимается постоянная времени термопары, определяемая при погружении ее в воду. Постоянная времени зависит от конструкции термопары и толщины проводов и определяет быстродействие термоэлектрического ИП, которое может находиться от в диапазоне от миллисекунд до минут [3].

В табл. 6.1 приведены основные параметры, обозначения и градуировки промышленных термопар.

Таблица 6.1

Материал

Термоэлектродов

Тип

термопары

Обозначение

Градуировки

Погреш-

ность, %

Пределы измерения при длительном применении, ОС

Медь-константан

-

-

 1

-200 … +200

Медь-копель

-

-

-

-200 … +100

Хромель-копель

ТХК

ХК(L)

-

-200 …+600

Хромель-алюмель

TXA

XA(K)

 2  3

-200 … +1000

Платинородий (10%)- платина

ТПП

ПП(S)

0,10,5

0 … +1300

Платинородий (30%)- платинородий (6%)

ТПР

ПР

-

+300 … +1600

Вольфрамрений (5%)-

Вольфрамрений (20%)

ТВР

ВР(А)-1

-

0 … +2500


6.4. Конструкции термоэлектрических ИП

Конструктивное оформление термопар должно соответствовать условиям их эксплуатации. Термоэлектроды в рабочем спае соединяют электродуговой сваркой, пайкой или только скруткой.



На рис. 6.5 приведены варианты конструкций рабочей части термопар платино-платинородий (рис. 6.5 а) и хромель-алюмель (рис. 6.5 б).

1- рабочий спай; 2 - фарфоровый на- 1 - рабочий спай;

конечник; 3 - керамические бусы; 2 - корпус;

4 - защитная труба 3 - изолятор

а) б)

Рис. 6.5

По назначению и условиям эксплуатации термопары можно подразделить на ряд групп: погружаемые и поверхностные; без арматуры и с арматурой; герметичные и негерметичные и др.

6.5. Измерительные цепи термоэлектрических ИП


Для измерения термоЭДС могут использоваться обычные милливольтметры, потенциометры постоянного тока с ручным и автоматическим уравновешиванием. В лабораторной практике используются потенциометры с ручным уравновешиванием, а в производственной - автоматические потенциометры [9]. На рис. 6.6 приведена упрощенная схема термоэлектрического термометра с автоматическим потенциометром.

Рис. 6.6

Термопара включается таким образом, что ее ЭДС ЕТ направлена встречно компенсирующему напряжению ЕК, создаваемому с помощью мостовой цепи. Разность ЕТ - ЕК усиливается и подается на реверсивный двигатель РД. Вал двигателя перемещает движок реохорда RP до тех пор, пока разность ЕТ - ЕК не станет равной нулю. С движком реохорда связана стрелка прибора, перемещающаяся по шкале. Современные автоматические потенциометры имеют приведенную погрешность (0,25-1,0) %.

7. Емкостные ИП (ЕИП)

7.1. Принцип действия, конструкции, характеристики ЕИП

Емкостные ИП относятся к группе электростатических преобразователей, у которых входная измеряемая величина связана с изменением емкости системы или с величиной электрического заряда.

Действие емкостных преобразователей основано на преобразовании входной величины в изменение емкости конденсатора, которая является функцией расстояния h между электродами, площади электродов Q и диэлектрической проницаемости  диэлектрика между электродами C = F(h, Q, ). Емкостные ИП могут быть использованы для измерения любых физических величин, которые функционально связаны с h, Q и  (перемещений, силы, геометрических размеров - толщины, уровня и др.).

Самое большое применение получили преобразователи перемещения.

ЕИП в общем случае состоит из диэлектрика, электродов, между которыми располагается диэлектрический материал, выводов и различных конструктивных элементов. Диэлектрик может находиться в жидком, твердом и газообразном состоянии. Электроды могут выполняться в виде плоскопараллельных пластин, коаксиальных цилиндров и других конструкций и форм. Конструктивные элементы - различные электроизоляционные материалы и элементы защиты конденсатора от внешних факторов.

Наиболее часто используются две конструкции емкостных ИП. Первая представляет собой конденсатор с плоскими параллельными пластинами (7.1 а, рис. 7.1 б), емкость которого, если пренебречь краевыми эффектами

С = 0 Q/ h. (7.1)

Вторая - цилиндрический конденсатор (рис. 7.1 г), емкость которого находится как

С = 2 0х/ln(D/d). (7.2)

В основу принципа действия могут быть положены:

1) изменение расстояния между обкладками;

2) изменение площади перекрытия обкладок;

3) изменение  диэлектрика или части его.

Уравнение преобразования ЕИП перемещения, основанного на изменении расстояния между электродами, имеет нелинейную (гиперболическую) функцию преобразования (рис. 7.1а)

С (х) = 0 Q/ (h0 + х). (7.3)

Преобразователь с изменяющейся площадью пластин может быть выполнен в виде плоского конденсатора (рис. 7.1 б), уравнение преобразования которого С (х) = bx0/h. Реально линейная зависимость искажается из-за краевого эффекта.

Обычно этот тип преобразователя реализуется или в виде конденсатора с цилиндрическими электродами (рис. 7.1 в), или в виде поворотного конденсатора (рис. 7.1 г) для измерения угловых перемещений.

Уравнение преобразования ЕИП линейных перемещений цилиндрического типа приведено выше (см. 7.2).

Функция преобразования ЕИП угловых перемещений (рис. 7.1 г) имеет линейную зависимость от :

С () = С0 + k0/h, (7.4)

где k - коэффициент, определяемый размерами электродов.

На рис. 7.1 д представлен вид характеристики преобразования ЕИП с переменной площадью перекрытия пластин.

ЕИП с изменением положения диэлектрика (рис. 7.1 е) имеет функцию преобразования

С(х) = С0 [1 + (r - 1) х/a], (7.5)

где С0 = С(0) = +0 b/h.

Этот преобразователь имеет линейную функцию преобразования. Чаще всего он выполняется с цилиндрическими электродами и используется для измерения уровня неэлектропроводной жидкости в резервуаре [14].

Емкостные ИП могут выполняться по дифференциальной схеме. Примеры выполнения дифференциальных ЕИП показаны на рис. 7.1 ж, з.

7.2. Области применения, достоинства и недостатки ЕИП

В качестве входной величины могут использоваться:

1) перемещение (линейное и угловое);

2) давление;

3) температура;

4) концентрация растворов и смесей;

5) деформация.
1   2   3   4   5   6   7   8


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации