Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | ||
|
Конструктивное устройство термопары промышленного типа, применяемое для измерения температур в печах, соляных ваннах, газоходах—рассмотрим на примере термопары, изображенной на рис. 4.77.
Эта термопара из неблагородных металлов, расположенная в составной защитной трубе, с подвижным фланцем для ее крепления. Рабочий спай 1 термопары изолирован от трубы фарфоровым наконечником 2. Термоэлектроды изолированы бусами 3. Защитная труба состоит из рабочего 4 и нерабочего 5 участков. Передвижной фланец 6 крепится к трубе винтом. Головка термопары имеет литой корпус 7 с крышкой 8, закрепленной винтами 9. В головке винтами укреплены фарфоровые колодки 10, с незакрепленными зажимами 12. Они позволяют термоэлектродам удлиняться под воздействием температуры без возникновения механических напряжений, ведущих к быстрому разрушению термоэлектродов.
Основным вопросом при конструировании термопар промышленного типа является выбор материала защитной трубы (арматуры) и изоляции.
Защитная арматура термопары должна ограждать ее от воздействия горячих химически агрессивных газов, которые быстро разрушают термопару. Поэтому арматура должна быть газонепроницаемой, хорошо проводить тепло, быть механически стойкой и жароупорной. При температурах до 600оС обычно применяют стальные трубы без шва, при температуре до 1100°С — защитные трубы из легированных сталей. Для термопар из благородных металлов часто применяют кварцевые, фарфоровые трубы. В качестве изоляции термоэлектродов друг от друга применяют асбест—до 300°С; фарфоровые трубки или бусы—до 1300—1400оС, и кварцевые трубки или бусы до 2000—2500°С. В лабораторных условиях при измерении низких температур применяют теплостойкую резину—до 150оС; шелк—до 100—120°С; эмаль—до 150—200°С.
Рис.4.77. Устройство термопары промышленного типа.
Термоэлектроды термопары, помещаемые в защитную трубу, обычно выполняют жесткими, а соединения их с другими элементами измерительной цепи осуществляется гибкими проводами. Соединительные провода, идущие от зажимов, в головке термопары до места нахождения нерабочего спая, называются удлинительными электродами. Удлинительные электроды в необходимом диапазоне температур должны иметь такую же термо-э.д.с., как и электроды основной термопары, и место присоединения удлинительных термоэлектродов к основным термоэлектродам в головке термопары должны иметь одинаковую температуру. При невыполнении этих условий возникает погрешность измерения. Удлинительные термоэлектроды для термопар из неблагородных металлов выполняют из тех же материалов, что и основные термоэлектроды.
Например, для термопары платинородий—платина применяются удлинительные термоэлектроды из меди и сплава ТП, образующие термопару, термоидентичную термопаре платинородий—платина в пределах до 150°С.
Рис. 4.78. Термопары типа Тип TC 720, TC 730, TC 740, TC 750, TC 760
Представленные на рис. 4.78. термопары используются для всех промышленных и лабораторных применений.
Специальные особенности. Область применения от 0 °C до +1200 °C
Гибкий кожух из нержавеющей стали, минерально изолированные провода. Высокое механическое натяженение, защита от вибрации
Искробезопасные версии (ATEX)
Большое значение при измерении температуры с помощью термопар имеет их инерционность, определяемая как время, за которое показания термопары при переносе из среды с комнатной температурой (15…20°С), в среду с температурой 100оС достигают 97…98оС. Для уменьшения инерционности необходимо обеспечить хороший тепловой контакт между рабочим спаем термопары и средой с измеряемой температурой.
Погрешности термоэлектрических преобразователей и методы их коррекции:
Погрешность, обусловленная изменением температуры нерабочих спаев термопары. Градуировка термопар осуществляется при температуре нерабочих спаев, равной нулю. Если при практическом использовании термопары температура нерабочих спаев будет отличаться от 0°С, то это вызовет появление погрешности измерения. Для устранения этой погрешности нерабочие спаи термостатируют в ванне с тающим льдом, т.е. при t = 0°С. Такой способ не всегда применим. Следует термостатировать нерабочие спаи, чтобы температура их либо сохранялась постоянной во времени, либо изменялась возможно медленнее при изменении окружающей температуры. Термостатирование осуществляется либо погружением рабочих спаев на достаточную глубину в землю, что обеспечивает постоянство температуры в течение года, либо помещением их в массивную коробку с тепловой изоляцией, снабженную ртутным термометром и двумя штуцерами для ввода удлинительных и медных проводов. Обладая большой тепловой инерцией, коробка достаточно медленно реагирует на изменение внешней температуры.
Наиболее радикальным средством стабилизации температуры нерабочего спая является автоматическое термостатирование с электрическим подогревом.
Если температура нерабочего спая известна, то ввести соответствующую поправку к показаниям термоэлектрического термометра можно следующим образом.
Пусть мы имеем градуировочную кривую термопары E = f(t) (рис. 4.79).
Градуировка термопары производилась при температуре t0 = 0oС. Положим, что термопарой нужно измерить температуру t при температуре нерабочих спаев to’ большей, чем t0. Термо-э.д.с. Е(t, t'o) термопары в этом случае будет меньше термо-э.д.с. Е(t, to), которая была бы при той же температуре t рабочего спая, но при температуре нерабочих спаев t0. Термо-э.д.с. термопары уменьшится на величину Е (t’0, t0) и окажется равной (рис. 8.24) термо-э.д.с. E (t’, t0), которая была бы при температуре нерабочего спая, равной t’, и температуре рабочего спая, равной t’, т. е.
Рис. 4.79. Градировочная кривая термопары.
В результате по шкале будет отсчитано значение температуры t’, меньшее, чем t.
Если прибор имеет линейную шкалу или двойную шкалу и в градусах температуры, и в милливольтах, то ввести поправку на температуру свободных концов согласно уравнению несложно. Труднее, когда прибор имеет нелинейную шкалу и только в градусах температуры.
Из рис. 4.79 видно, что
где М - масштабный коэффициент мВ/градус С. Откуда поправка равна
(4.43)
При резко выраженной нелинейной шкале коэффициент k, называемый поправочным коэффициентом на температуру нерабочих спаев, является функцией t и, следовательно, для каждого участка кривой будет различным. Практически в этом случае градуировочную кривую разделяют на участки по 100оС и для каждого участка определяют k. Для грубых подсчетов можно принять k = 0,8 … 1,0 для термопар из неблагородных металлов и k = 0,5 … 0,6 для термопар из благородных металлов.
Погрешность, обусловленная изменением температуры линии, термопары и указателя. В термоэлектрических пирометрах для измерения термо- э. д.с. применяют обычные милливольтметры и низкоомные компенсаторы с ручным или автоматическим уравновешиванием на предел измерения до 100 мВ. Когда измерение термо-э.д.с. производится компенсатором, сопротивление цепи термо-э.д.с. как известно, роли не играет. В тех случаях, когда термо-э.д.с. измеряется милливольтметром, может возникнуть погрешность, вызванная колебаниями температуры всех элементов цепи термо-э.д.с.
Ток милливольтметра, включенного в цепь термопары, равен
(4.44)
где Е - термо-э.д.с., развиваемая термопарой; RУК, RП, RТ - сопротивления, указателя, проводов и термопары.
Милливольтметр измеряет напряжение на своих зажимах, равное
(4.45)
Из этого выражения следует необходимость стремиться к постоянному и как можно меньшему значению сопротивления проводов и термопары.
В отечественных термоэлектрических пирометрах при их градуировке учитывается сопротивление внешней относительно милливольтметра цепи (RП + RТ), равное 5 О м. Регулировка сопротивления этой внешней цепи осуществляется при помощи добавочной катушки сопротивления из манганина, называемой уравнительной катушкой, непосредственно при монтаже прибора.
Если в процессе эксплуатации изменяется сопротивление термопары (термоэлектроды становятся тоньше) или изменится сопротивление линии и милливольтметра из-за колебаний температуры окружающей среды, то возникнет погрешность измерения.
Относительная температурная погрешность, вызванная изменением сопротивления отдельных участков электрической цепи пирометра вследствие колебаний температуры окружающей среды, равна в общем случае
(4.46)
где R Р - сопротивление рамки милливольтметра; a Р и a П - температурные коэффициенты сопротивлений материалов обмотки рамки и проводов; t - температура среды; tУК - температура, при которой производилась градуировка милливольтметра (20°С); tР - температура, при которой производилась регулировка сопротивления (R П + R Т) до значения 5 О м.
Данное уравнение позволяет определить полную температурную погрешность, обусловленную как изменением температуры милливольтметра (1-й член уравнения), так и изменением температуры проводов (2-й член уравнения). При расчете погрешности практически можно ограничиться одним первым членом уравнения, так как полное сопротивление милливольтметра, состоящее из рамки и добавочного сопротивления: в 40—50 раз больше сопротивления проводов RП. Температурная погрешность, полученная при таком расчете, оказывается близкой к температурной погрешности милливольтметра, гарантированной заводом-изготовителем. Погрешность, вызванная изменением сопротивления термопары вследствие: утоньшения электродов,—как правило, очень мала.
Погрешности, обусловленные тепловыми потерями преобра-зователей термоэлектрических пирометров и паразитными термо-э.д.с. При измерении температуры жидких или газообразных сред, в которые помещается термопара, температура места соединения термоэлектродов может сильно отличаться от температуры измеряемой среды. Это объясняется тем, что рабочий спай термопары закрыт защитным чехлом и защитной жароупорной трубой, препятствующей проникновению тепла к рабочему спаю. Конструктивно термопару выполняют так, чтобы обеспечить хороший тепловой контакт между рабочим спаем и защитным чехлом.
Для уменьшения погрешностей термометра от тепловых потерь при измерении температуры жидких и газообразных сред следует:
1) термопару помещать глубоко в измеряемую среду;
2) термопару установить против направления движения среды;
3) трубопровод в районе измерения температуры теплоизолировать;
4) рабочий конец термопары установить в месте наибольшей скорости среды;
5) защитную трубу изготовлять из материала с малым значением коэффициента теплопроводности;
6) головку термопары защитить от воздействия холодной окружающей среды, для чего следует предусмотреть надлежащей уплотнение теплоизоляционным материалом.
При измерении температуры твердых и сыпучих тел погрешность, обусловленная потерями тепла термопарой путем лучеиспускания, отсутствует, так как обычно эти тела не прозрачны и характеризуются плохой теплопроводностью. Погрешность в данном случае резко увеличивается от потери тепла через теплопроводность защитной трубы термопары. Простым средством уменьшения погрешности, вызванной теплопроводностью термопары, является глубокое погружение термопары в толщу среды. При измерении температуры в телах с малым объемом, для уменьшения этой погрешности целесообразно прокладывать участок термопары по изотермической поверхности, т.е. на поверхности, температура которой измеряется с тем, чтобы отток тепла по термопаре происходил на значительном расстоянии от рабочего спая термопары.
При измерении температуры поверхности, которое производится с помощью термопары без защитной арматуры - погрешность возникает в основном за счет теплопроводности термопары. Для уменьшения этой погрешности термопару следует укладывать на изотермической поверхности.
Кроме погрешности от тепловых потерь, при монтаже и эксплуатации термопар могут возникнуть погрешности от паразитных термо-э.д.с. Паразитные термо-э.д.с. возникают из-за наличия неоднородностей в материалах, из которых составляется электрическая цепь пирометра, при наличии градиентов температуры вдоль этой цепи.
Неоднородности в электродах термопары могут возникнуть как при изготовлении проволоки, так и при изготовлении термопары вследствие ее деформации. Паразитные термо-э.д.с., обусловленные неоднородностями, возникшими при изготовлении проволоки и термопары, учитываются при градуировке. Неоднородности, возникшие в термопаре после градуировки, вызывают погрешности при измерении.
Дата публикования: 2015-10-09; Прочитано: 1150 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!