ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДОВ НАХОЖДЕНИЯ ПОСТОЯННОЙ ВРЕМЕНИ ТЕРМОПАРЫ

1. ЦЕль работы

1. Изучение конструкций термоэлектрических преобразователей (термопар).

2. Изучение принципа действия термопар.

3. Определение постоянной времени термопар с открытым спаем и с закрытым спаем

2. Теоретическая часть

Термопара — пара проводников из различных материалов, соединенных на одном конце и формирующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.

Сварка проводов термопары, изготовленных из разных металлов, выполняется таким образом, чтобы получилось небольшое по размеру соединение - спай. Провода можно просто скрутить, однако такое соединение ненадежно и имеет большой уровень шумов. Сварку металлов иногда заменяют пайкой, однако верхний температурный диапазон такой термопары ограничен температурой плавления припоя. Термопары, изготовленные сваркой, выдерживают более высокую температуру, однако химический состав термопары и структура металла в процессе сварки могут нарушаться, что приводит к увеличению разброса градуировочных характеристик.

Под действием высокой температуры в процессе эксплуатации может произойти уход характеристики термопары от номинального вида вследствие окисления и диффузии компонентов окружающей среды в металл, а также изменения структуры материала. В таких случаях термопару следует откалибровать заново или заменить.

Промышленностью выпускаются термопары двух различных конструкций: с открытым спаем и с закрытым спаем. Термопары с открытым спаем имеют малую постоянную времени, но плохую коррозионную стойкость. Термопары двух других типов применимы для измерения температуры в агрессивных средах. Изготавливают также микроминиатюрные термопары по тонкопленочной и полупроводниковой технологии для измерений температуры тел малых размеров, в частности, поверхности полупроводниковых приборов.

При высоких температурах сопротивление материала изоляции термопары уменьшается и токи утечки через изоляцию могут вносить погрешность в результат измерения. Погрешность возрастает также при попадании жидкости внутрь термопары, вследствие чего возникает гальванический эффект.

Погрешность измерений с помощью термопар складывается из следующих составляющих:

• случайная погрешность, вызванная технологическим разбросом характеристик термопары. Зависит от чистоты материалов и точности их процентного содержания в материалах электродов;

• случайная погрешность измерения температуры холодного спая;

• погрешность, вызванная постепенной деградацией характеристик при высокой температуре;

• систематическая погрешность компенсации нелинейности (погрешность линеаризации) характеристики преобразования температуры в напряжение;

• систематическая погрешность термического шунтирования (связанная с теплоемкостью датчика);

• динамическая погрешность;

• погрешность, вызванная внешними помехами;

• погрешность аналого-цифрового канала.

Погрешность измерения температуры холодного спая, погрешность линеаризации, погрешность аналого-цифрового канала и динамическая погрешность относятся к инструментальным погрешностям и указываются в паспорте на модуль ввода. Другие погрешности необходимо учитывать отдельно, в зависимость от типа использованных термопар, электромагнитной обстановки, характеристик объекта измерения и т. п.

Преимущества термопар

• Высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01 °С)

• Большой температурный диапазон измерения: от −200 °C до 2500 °C

• Простота

• Дешевизна

• Надежность

Недостатки

• Большая инерционность

Принцип работы термоэлектрического преобразователя основан на преобразовании температур в термоэлектродвижущую силу. Явление термоэлектричества заключается в следующем: при нагревании точки спая двух разнородных между собой проводников до температуры t, то в цепи возникает термоэлектродвижущая сила. Точки соединения называют рабочими концами термопары.

Величина термоэлектродвижущей силы, возникающей в термопаре, зависит только от материала термоэлектродов и температуры каждого конца и не зависит от размеров проводника и от распределения температуры вдоль него.

В зависимости от диапазона изменения измеряемой температуры материалы для электродов термопар в каждом конкретном случае должны подбираться: так для измерения температур до 1300 К обычно используют термопары из неблагородных металлов (хромель-копелевые термопары, хромель-алюмелевые и др.) каждая со своим диапазоном измерения.

Состав сплавов, обычно используемых для термопар: хромель – 90% Ni + 10%Cr; алюмель – 1%Si + 2% Al + 0,17% Fe + 2%Mn + 94,83% Ni; копель – 56,5%Cu + 43,5% Ni.

Термопары применимы в широком диапазоне температур, обеспечивая при этом высокую точность измерения, обладают дистанционностью передачи и возможностью автоматической записи результатов измерений.

Термопары служат для измерения изменяющихся во времени (переменных) вели­чин и представляют собой материальные системы, обла­дающие различными инерционными свойствами (механи­ческими, тепловыми и др.). Инерционность термопар приводит к запаздыванию их показаний, т. е. к отставанию показаний от изменения измеряемой величины.

Величина запаздывания показаний зависит в основном от принципа действия и устройства термопары. На нее оказывают влияние теплоемкость и теплопроводность термо­чувствительного элемента.

Зависимость показаний прибора от изменения изме­ряемой величины в неустановившемся режиме (переход­ном процессе) называется динамической характеристикой измерительного прибора. Вид динамической характеристи­ки определяется характером происходящего изменения (возмущения) измеряемой величины и типом измеритель­ного прибора.

Динамическая характеристика при­боров в большинстве случаев находится опытным путем. Для получения ее производится значительное скачкооб­разное увеличение измеряемой величины до нового посто­янного значения и осуществляется непрерывная запись показаний прибора до момента установившихся показаний. На практике наряду со скачкообразным изменением измеряемой величины последняя может также изменяться во времени по различным законам.

Рис. 1 Динамическая характеристика термопары

На рис.1 показана динамическая характеристика термопары. Здесь по оси ординат отложена температура t, а по оси абсцисс время τ. При скачкооб­разном изменении измеряемой температуры от 0 до неко­торого постоянного значения tи показания термометра tп (с исключенной из них систематической погрешностью) изменяются по кривой переходного процесса, отставая в каждый момент вре­мени от значения tи на значение динамической погрешности измерения Δд, т. е.

                                               Δд = t_и - t_п                                            (1-19)

Таким образом, как видно из рис. 1, теп­ловая инерция термо­пары, обусловленная сравнительно медлен­ным нагревом термо­чувствительного эле­мента, приводит к за­паздыванию показаний прибора на Δд, т. е. при изменении измеряемой температуры до нового установившегося значения tи по­казание термометра tп постепенно достигает этого зна­чения.

Следовательно, для оценки динамических погреш­ностей прибора необходимо иметь кривую его переходного процесса, по которой для различных моментов времени можно найти значения этих погрешностей.

Кроме динамических погрешностей динамическая ха­рактеристика измерительного прибора содержит ряд по­казателей времени переходного процесса (рис. 1), к которым относятся: время начала реагирования τн (время от начала изменения измеряемой величины до начала изменения показания прибора); постоянная времени τп(время от начала реагирования, в течение которого показа­ние прибора достигнет 63% изменения измеряемой вели­чины); время переходного процесса Т (время, в течение которого показание прибора достигнет 95% изменения

измеряемой величины); полное время установления пока­заний Тп (время, в течение которого показание прибора достигнет 100% изменения измеряемой величины).

Динамические погрешности Δд, постоянная времени τп и время переходного процесса Т являются основными величинами, характеризующими динамические свойства термопар. Чем меньше при прочих равных условиях эти величины, тем меньшим инерционным запаздыванием обладает измерительный прибор и тем, следовательно, выше его динамические качества.

Способы определения постоянной времени

Способ 1. Провести касательную к кривой разгона в точке,

соответствующей некоторому произвольному моменту времени τ1 (часто

выбирают τ1 = 0); пересечение касательной с асимптотой даст второй

момент времени τ2. Постоянная времени Т = τ2 - τ1.

Способ 2. Исходя из соотношения ,

где θ(τ) – показание термометра в момент времени τ, θ(∞) – конечное

установившееся показание термометра.

Способ 3. По котангенсу угла наклона прямой линии:

где θ(0) – показание термометра в момент времени τ = 0.

Способ 4. По соотношению

θ(T) −θ(0)=0,63[θ(∞)−θ(0)],

т.е. за время, равное постоянной времени, изменение температуры достигает

63% полного изменения.