- •1 Термоэлектрические термометры
- •1.1 Типы термоэлектрических термометров и их технические характеристики
- •1.2 Расчет термоэлектрических термометров
- •1.2.1 Расчет параметров электрической схемы
- •1.2.2 Расчет магнитной системы указателя
- •1.2.3 Расчет электромеханических параметров
- •1.2.4 Расчет биметаллической пружины
- •2. Термометры сопротивления
- •2.1 Типы термометров сопротивления и их технические характеристики
- •2.2 Расчет термометров сопротивления
- •2.2.1 Расчет датчика термометра сопротивления
- •2.2.2 Расчет датчика термометра сопротивления
- •2.2.3 Выбор величин сопротивлений измерительных схем
- •2.2.4 Определение сопротивления для компенсации
- •2.3 Определение токов в элементах схемы
- •2.3.1 Определение диаметра и длины проводов
- •2.3.2 Определение зависимости величины магнитной индукции
- •2.3.3 Определение электромеханических параметров
- •2.3.4 Определение коэффициента добротности указателя
- •2.4 Определение постоянной времени датчика
1.2 Расчет термоэлектрических термометров
Исходными данными для расчета являются:
а) диапазон изменения температуры датчика;
б) допустимая относительная погрешность прибора;
в) градуировочная характеристика термопары (рисунок 1.3 и приложение 1);
г) длина и диаметр термоэлектродов термопары и соединительных проводов.
1.2.1 Расчет параметров электрической схемы
Рисунок 1.3 – Характеристики термопар: — хромель-копель (Х-К); 2 — железо-копель (Ж-К); 3 — хромель-алюмель (Х-А); 4 — никель-железо-спецкопель (НЖ-11-СК.); 5 — никель-кобальт-спецалюмель (НК-СА); 6—платина-платинородий (П-ПР).
Расчет схем термоэлектрических приборов (рисунки 1.1, 1.2) производится на основании соотношения для величины допустимой дополнительной погрешности, вызываемой изменениями сопротивления внешней цепи из-за отклонения температуры от нормальной. При этом предполагается, что осуществлена полная компенсация дополнительной температурной погрешности указателя. Исходя из этого условия, можно записать:
λ= = =
где λ — относительная температурная погрешность прибора на 1 градус (приведенный температурный коэффициент прибора), 1/град;
Ri0 — сопротивление участков электрической схемы с одинаковыми температурными условиями и материалом, ом;
αi — температурные коэффициенты сопротивления участков цепи, 1/град;
RР — сопротивление рамки гальванометра, Ом;
RТС — сопротивление компенсационное (термистор), Ом;
RД — подгоночное сопротивление прибора, Ом;
RG0=RР+RТС+RД — полное сопротивление гальванометричес-кого указателя, Ом;
— общее сопротивление внешней цепи прибора, Ом;
— коэффициент, который берется в пределах от 1 10
αприв= — приведенный температурный коэффициент сопротивления внешней электрической цепи прибора, 1/град.
Для определения αприв необходимо найти величину сопротивления каждого участка внешней цепи прибора. Разобьем внешнюю цепь на участки сопротивлений:
R1, R2 – сопротивления термоэлектродов термопары (положительного и отрицательного соответственно);
R3, R4 – сопротивления термоэлектродов от приемника термопары до соединительных проводов;
R5, R6 – сопротивления соединительных проводов.
1.Определяем сопротивления R5, R6 и при нормальных условиях по формулам:
R50 = ; R60 =
где ρ5, ρ6 — удельные сопротивления материала соединительных проводов при 20 °С; медь ρ = 0,01752 · 10-6 Ом·м; хромель ρ = 0,7 · 10-6 Ом м; копель ρ = 0,7 · 10-6 Ом м;
L — длина соединительных проводов от разъемной колодки до указателя, м — до 10;
S= — поперечное сечение провода, м2 (величину D берут (1,5 ÷ 2,0) 10-3 м);
2. Определяем сопротивление термоэлектродов термопары R10 и R20:
положительный термоэлектрод
R10 = Ом
где ρ1 — удельное сопротивление положительного термоэлектрода термопары (никель-кобальтовый сплав
ρик=(0,319-0,921) Ом м при температуре 0÷900°С соответственно;
L1 — длина погруженной части термопары, м;
θ1— температура горячего спая термопары, град;
α1— температурный коэффициент материала термоэлектрода, равный (1,05÷0,37)·10-3 l/град при температурах 0÷900°С соответственно;
отрицательный термоэлектрод
R20 = Ом,
где ρ2 — удельное сопротивление отрицательного термоэлектрода (для алюмеля ρал= (0,33÷0,35)·10-6 ОМ м в диапазоне 0÷100° С);
θ2= θ1—температура горячего спая термопары, град;
α2— температурный коэффициент термоэлектрода термопары; (для алюмеля αал = 1,0·10-3 l/град в диапазоне 0÷100°С);
L2=L1 — длина погруженной части отрицательного термоэлектрода, м.
3.Аналогично определяем сопротивление термоэлектродов R30 и R40: от приемника термопары до соединительных проводов:
положительный термоэлектрод
R30 = Ом,
где ρ1 — удельное сопротивление положительного термоэлектрода;
θ3- температура свободных концов термоэлектродов;
L3 — длина электрода от приемника термопары до соединительных проводов, м, обычно 1,5 — 2,0 м;
S3, S4 - сечения проводов, м2;
отрицательный термоэлектрод
R40 = Ом.
4.Определяем сопротивление одной термопары при нормальной температуре
RT1 = R10+R20+R30+R40 Ом,
то же для комплекта термопар
RT=m RT1 Ом,
где m — число термопар, включенных последовательно.
5. Определяем сопротивление внешней цепи прибора
R50+R60+RT Ом.
6.Определяем приращение сопротивлений внешней цепи на 1 град
Ом.
7. Определяем величину αприв
αприв= = 1/град
8. Определяем величину k из формулы
k=
9. Определяем величину сопротивления рамки гальванометра.
Величина тока в цепи прибора равна
I= = мA,
где E — термо ЭДС, развиваемая термопарой в милливольтах
U = = мВ;
U — напряжение на зажимах гальванометра. Величину сопротивления рамки гальванометра найдем из условия допустимой мощности рассеивания Pp. Мощность, рассеиваемая в рамке гальванометра, принимается равной 4 8 мкВт. Величина сопротивления рамки гальванометра определяется из формулы
Rp = = Ом.
Учитывая, что сопротивление токоподводящих пружин обычно равно 2 Ом (приложение 2), получим:
– 2 Ом
10. Определяем сопротивление температурной компенсации указателя из условий полной компенсации его температурных погрешностей:
Rтс.тцт=
Rтс.твг=
где βР— температурный коэффициент линейного расширения материала рамки; медь 17·10-6 1/град; алюминий 26·10-6 1/град;
βмаг — температурный коэффициент линейного расширения материала магнита (8÷18)·10-6 1/град [5];
γВ - температурный коэффициент индукции 1/град.
Например, альнико V:
|
8,0 |
4,0 |
3,0 |
|
-0,024 |
-0,016 |
-0,016 |
альмико VI
|
8,0 |
3,6 |
2,0 |
|
-0,032 |
-0,020 |
-0,020 |
Lm, D— длина и диаметр магнита [6].
δЕ - температурный коэффициент модуля упругости материала противодействующих пружинок: фосфористой бронзы 4·10-4 1/град; бериллиевой бронзы 3·10-4 1/град;
βпр - температурный коэффициент линейного расширения материала противодействующей пружины: фосфористая бронза βпр =0,175·10-4 1/град; бериллиевая бронза βпр=0,185·10-4 1/град;
αр - температурный коэффициент сопротивления материала рамки гальванометра: медь αp=0,0043 1/град; алюминий αр = 0,0036 1/град;
αтс - ТКС (смесь окислов кремния и железа) α=3,4·10-3 1/град.
11. Определяем подгоночное сопротивление
RД = RG0 – (RP+RТС) = (RP+RТС) Ом.
Таблица 1.2 Ориентировочные технические параметры термоэлектрических термометров
Показатели |
Единицы измере-ния |
Параметры термоэлектрических термометров |
|
Для газотурбинных |
Для поршневых |
||
Размах шкалы |
|
240º |
90º |
Ток полного отклонения подвижной системы |
мА
|
0,8-0,9
|
1
|
Вращающий момент на полную шкалу |
Н·м
|
13,0·10-6
|
30·10-6
|
Коэффициент добротности |
|
1,5÷2 |
0,7÷0,9 |
Магнитная индукция в воздушном зазоре |
Тл
|
0,7
|
0,2
|
Материал магнита |
|
Магнико |
Альнико |
Величина воздушного зазора |
мм |
1,7 |
1,7 |
Температурный коэффи-циент магнитного материала |
1/град
|
1·10-4
|
1·10-4
|
Размеры рамки |
|
7×13 |
17×23 |
Число витков |
|
80÷103 |
80÷92 |
Материал провода и диаметр |
мм |
Алюминий 0,14 ПЭЛ |
Алюминий 0,14 ПЭЛ |
Сопротивление рамки |
Ом |
8,5÷9,2 |
6,5÷8,5 |
Вес рамки |
Н |
0,23·10-2 |
0,21 |
Вес подвижной системы |
Н |
0,57·10-2 |
0,32 |
Коэффициент заполнения |
|
0,7÷0,8 |
0,7÷0,8 |
Материал и размеры пружинок |
мм |
Бериллиевая бронза 0,5×0,3 n=5,5 |
|
Модуль упругости |
Н/м2 |
12·1010 |
|
Температурный коэффициент модуля упругости |
1/град |
4·10-4 |
4·10-4 |
Материал и радиус кернов
|
мм |
Кобальт-вольфрам 0,06 0,06 |
|
Материал и радиус подпятника |
мм |
Корунд 0,25 0,2 |
|
Сопротивление термистора |
Ом |
7÷8 |
7 |
Сопротивление противо-действующих пружинок |
Ом |
1 |
1 |
Добавочное сопротивление |
Ом |
2÷3 |
2÷6 |
Подгоночное сопротивление можно разделить на подгоночное сопротивление соединительных проводов Rдук и подгоночное сопротивление указателя, т.е.
Rд = Rдсп+Rдук
Подгоночное сопротивление изготовляют из константа или манганина.