Лабораторная работа № 1 изучение принципа действия и конструкции термоэлектрических термометров Общие сведения

Термоэлектрический метод измерения температур основан на строгой зависимости термоэлектродвижущей силы (далее – термо-э.д.с.) термоэлектрического преобразователя от температуры.

Сущность метода состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из n-го числа разнородных проводников с различной температурой мест их соединения (спаев), возникает термо-э.д.с. Эта термо-э.д.с. обусловлена неодинаковыми потенциалами в спаях. Термоэлектродвижущая сила при определенном сопротивлении цепи обуславливает протекание в ней тока, называемого термоэлектрическим (далее – термотоком).

В схему термоэлектрического комплекта входят: термопара, термоэлектродные провода, устройство для обеспечения постоянства температуры свободных концов, термометр холодных спаев, соединительные провода и вторичный прибор.

При монтаже цепи термоэлектрического термометра необходимо учитывать, что свободные концы термопары необходимо удалить от нагретых поверхностей трубопровода, котлоагрегата, печи и т.д. в зону, где может быть установлено устройство, обеспечивающее автоматическое введение поправки на температуру холодного спая. Продление электродов термометра осуществляют с помощью гибких удлиняющих проводов (термоэлектродных). Эти провода для ряда термометров могут быть изготовлены из тех же материалов, что и термоэлектроды термометра (для термопар группы неблагородных металлов). Однако при применении термометров из благородных металлов необходимо подобрать в качестве удлиняющих термоэлектродных проводов такие металлы, которые не являлись бы дефицитными и в интервале температур от 0 до 100 С развивали бы между собой такую же термо-э.д.с., как и термоэлектрические термометры, с которыми они комплектуются.

На термоэлектрические термометры различных градуировок составлены градуировочные таблицы, содержащие характеристику термометра из данного материала, т.е. статическую зависимость термо-э.д.с. от температуры. Статическая характеристика термометра может быть задана аналитически, графически или в виде таблицы. При этом чувствительность или крутизна линейной статической характеристики термометра  определяется как отношение диапазона измерения выходного сигнала _Е в милливольтах к диапазону измерения входного сигнала _t в градусах:

Для нелинейной статической характеристики

Таблица 1.1 - Основные технические характеристики стандартных удлиняющих термоэлектродов

Термопара и ее тип	Обозначение компенсационного провода	Положительная жила	Отрицательная жила	Погрешность, t ˚С
		материал	материал
ТПП	П	Медь	Сплав ТП	2,4
ТХА	М	Медь	Константан	5,5
ТХК	ХК	Хромель	Копель	6,95
ТВР	М-МН	Медь	Медь-никель	4,2
ТМК	МК	Медь	Копель	3,3

По типу термоэлектродных материалов термоэлектрические преобразователи подразделяются на две группы:

1 термоэлектрические термометры с металлическими термоэлектродами из благородных и неблагородных материалов;

2 термоэлектрические термометры с термоэлектродами из тугоплавких соединений или соединений графита с другими материалами.

Термоэлектрические термометры первой группы являются наиболее распространенными.

Платинородий - платиновые термоэлектрические термометры (далее ТПП) применяются для измерения температур в области 0...1600 С в окислительной и нейтральной среде. Они находятся в числе лучших термоэлектрических термометров по точности и воспроизводимости термо-э.д.с. Положительным термоэлектродом являются платинородий (90 % Pt и 10 % Ro), отрицательным - чистая платина. В зависимости от назначения платинородий - платиновые термометры разделяются на эталонные, образцовые, рабочие повышенной точности и технические. Эталонные термометры служат для воспроизведения международной температурной шкалы в интервале от 630,74 до 1064,43 С. Образцовые термометры служат для поверки рабочих термометров повышенной точности и технических термометров в диапазоне температур от 0 до 1600 С.

Платинородий - платинородиевые термометры (далее ТПР) получили распространение для измерения высоких температур, до 1800 С. Наибольшее распространение получил термометр ТПР с положительным электродом из платинородия (30 % родия) и отрицательным электродом (6 % родия). Они могут применяться в окислительной (воздушной) среде и нейтральной атмосфере.

Хромель-копелевые термометры (далее ТХК) широко применяются для измерения температуры различных сред. Для изготовления положительного термоэлектрода используется хромель (89 % Ni + 8,8 % Cr + 10 % Fe + 02 % Mn). Отрицательный термоэлектрод - копель (56 % Сu + 44 % Ni). Верхний температурный предел длительного применения термоэлектродов из копелевой проволоки в зависимости от диаметра лежит в пределах 500...600 С. Невысокий температурный предел объясняется тем, что копелевая проволока, содержащая медь, сравнительно быстро окисляется при высоких температурах и вследствие этого происходит изменение термо-э.д.с. термоэлектрода.

Хромель-алюмелевые термометры (далее ТХА) применяются для измерения температуры газовых сред, пара и жидкости. Положительным электродом является хромелевая проволока, отрицательная - алюмель (94 % Ni  + 2 % Аl  + 2,5 % Mn + 1 % Si + 0,5 % примеси). ТХА обладают лучшей сопротивляемостью окислению, чем другие термометры из неблагородных металлов. Верхний температурный предел – 1000 С длительно и 1300 С кратковременно.

Армированная термопара называется термоэлектрическим преобразователем. Собственно термопара является чувствительным элементом преобразователя.

Термоэлектрические термометры состоят из двух термоэлектродов, изолированных друг от друга и имеющих один общий спай (рабочий или “горячий”).

Термоэлектроды платиновых термопар диаметром около 0,5 мм легко свариваются в пламени электрической дуги или гремучего газа. Термоэлектроды термопар из неблагородных металлов выполняются из проводников диаметров 2 – 3 мм, рабочий спай этих термометров удобнее сваривать в пламени электрической дуги, либо спаивать ацетиленом или гремучим газом.

Таблица 1.2

Тип термопреобразователя	Материал термоэлектродов	Условное обозначение градуировки	Верхний предел измеряемых температур,С		Коэффициент преобразования, мВ/С∙103
			длительно	кратковременно
ТВР	Вольфрам-рений-вольфрам-рений	ВР	1800	2500	11,8-11,4
ТПР	Платино-родий-платино-родий	ПР	1600	1800	3,1-5,9
ТПП	Платино-родий-платина	ПП	1300	1600	5,5-12,1
ТХА	Хромель-алюмель	ХА	1000	1300	16,1-39
ТХК(L)	Хромель-копель	ХК(L)	600	800	28.5-87.8
ТХК(L)	Хромель-константановые	ХК(Е)	700	800	26,3-79,8
ТЖК	Железо-константан	ЖК	700	900	23,1-62,0
ТМК	Медь-константан	МК	700	900	16,4-61,7

Для электрической изоляции термоэлектродов, предназначенных для измерения температур до 1300 С, применяются одноканальные и двухканальные бусы или трубки из специального фарфора. Для термоэлектрических термометров, применяемых для измерения температур в области 1300...1900 С, используются бусы или трубки из окиси алюминия и керамические изоляторы. При применении термометров ТВР электроды изолируются кварцевой трубкой.

Конструктивная схема термоэлектрического термометра приведена на рисунке 1.1. Термоэлектроды – 1 помещены в электроизоляционные трубки – 2 и с помощью соединительных винтов – 3 присоединяются к эбонитовой или бакелитовой пластине головки термометра – 4 для присоединения внешних соединительных проводов – 5. С целью защиты термопар от механических повреждений и химических воздействий среды при высоких температурах изолированные термоэлектроды вместе с клемником помещаются в защитную арматуру – 6 (чехол). Последняя выполняется в виде трубки диаметром 15-20 мм с закрытым нижним концом; сверху на нее навинчивается алюминиевая головка с крышкой и боковым штуцером для вывода соединительных проводов.

Рисунок 1.1 – Конструктивная схема и внешний вид термоэлектрического термометра: 1 – термоэлектроды, 2 – электроизоляционные трубки,

3 – соединительные винты, 4 - головка термометра, 5 – соединительные провода, 6 – защитный чехол.

Защитные трубки термометров из неблагородных металлов (ХА, ХК и др.) при температурах до 600 С выполняются стальными (Ст.20) бесшовными. Для более высоких температур (900...1200 С) применяются защитные трубки из высокохромистой, хромникелевой стали и т.п. В случае установки термометров на трубопроводах или аппаратах, находящихся под значительным давлением, защитные трубки имеют неподвижный или подвижный штуцер с резьбой. При измерении высоких температур применяются металлические защитные трубки с водяным охлаждением.

Динамические свойства термоэлектрических термометров (инерционность) характеризуются показателем тепловой инерции, который часто называют постоянной времени термометра. Термоэлектрические термометры выполняются со следующими показателями тепловой инерции: до 5 с - малоинерционные, до 60 с - средней инерционности, до 180 с - большой инерционности. Для термометров со значениями тепловой инерции более 180 с инерционность не нормируется. Для уменьшения инерционности при конструировании термометра стремятся обеспечить наилучший тепловой контакт между рабочим спаем термометра и средой, а также уменьшить массу термометра.

Схема лабораторной установки

Схема лабораторной установки приведена на рисунке 1.2. На схеме приняты следующие обозначения: 1 – термопара ТХК; 2 – термоэлектродные (компенсационные) провода; 3 – стеклянный термометр термостата; 4 – термостат для холодных спаев; 5 – медные провода; 6 – прибор комбинированный цифровой для измерения термо-э.д.с.; 7 – сосуд с водой; 8 – электронагреватель.

Перед началом работы необходимо проверить наличие воды в сосуде – (не менее 2  3 объема).

Рисунок 1.2 Схема лабораторной установки: 1 – ТХК, 2 - термоэлектродные провода, 3 – термометр термостата, 4 – термостат для холодных спаев, 5 – медные провода, 6 – прибор для измерения термо – э.д.с., 7 - сосуд с водой, 8 – электронагреватель.