Метод компенсации напряжений

На рисунке 9 приведена упрощенная схема устройства автоматического потенциометра. Сигнал термоэлектрического термометра (ТТ) (Е(t₂,t₀)) сравнивается с компенсирующим напряжением U_K, снимаемым с диагонали неуравновешенного измерительного моста ИМ (Б – источник питания). Мостовая измерительная схема является более совершенной и позволяет непрерывно вводить коррекцию на изменяющуюся температуру свободных концов термоэлектрического термометра.

Если E(t₂,t₀)≠U_K, то на вход вибропреобразователя (ВП) подается сигнал дисбаланса ∆U. Происходит преобразование напряжения постоянного тока, который затем усиливается в усилителе и подается на реверсивный двигатель (РД). Последний одновременно перемещает движок реохорда R_p и стрелку относительно шкалы прибора. Изменение положения движка R_p приводит к такому изменению U_K, которое влечет за собой уравновешивание измеряемой т.э.д.с. компенсирующим напряжением. При этом ∆U=0 и двигатель остановится. Таким образом, любые изменения т.э.д.с. приводят к перемещению РД, т.е. прибор непрерывно автоматически компенсирует измеряемый сигнал известным напряжением.

Рисунок 9 − Упрощенная принципиальная схема автоматического

потенциометра

Описание лабораторной работы представлено в параграфе 2.

Погрешности показаний и записи автоматических потенциометров (и мостов) можно разделить на две группы: ошибки, возникающие в условиях нормальной эксплуатации, и ошибки, являющиеся следствием: а) отклонения различных внешних факторов (температуры и влажности воздуха, напряжения и частоты тока питания, вибрации) от нормальных значений; б) появления внешних магнитных полей и других источников наводок и помех.

Вибрация и погрешности в измерении и регистрации контролируемых величин при нормальных условиях работы приборов возникают вследствие: а) неточной градуировки шкалы; б) неточной установки шкалы и диаграммной бумаги; в) наличия зоны нечувствительности и зазоров в следящей системе автоматической компенсации; г) нестабильности внутренних электромагнитных полей и напряжения источника питания измерительной системы; д) ошибки отсчета показания.

Значительные дополнительные погрешности, часто превышающие допустимые значения, возникают из-за мощных электромагнитных полей, являющихся следствием работы мощных металлургических агрегатов (электродуговые печи, камерные и протяжные печи с электронагревателями сопротивления) или их вспомогательного оборудования (электродвигатели загрузочных кранов, привод роликов и т.п.). Также на точность записи влияет влажность окружающего воздуха: изменение этой величины на 10% может за счет увеличения (при росте влажности) или уменьшения (при ее снижении) ширины диаграммной бумаги увеличить погрешность регистрации контролируемого параметра на 0,15% от диапазона шкалы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Цель лабораторной работы – изучение разностного и компенсационного методов и средств измерения, проведение лабораторного эксперимента по исследованию влияния температуры свободных концов термопары на термо-ЭДС.

Основные понятия

Одним из основных параметров, определяющих ход металлургичес­ких процессов, является температура. Работа печных агрегатов характеризуется температурой металла, шлака, топлива, защитной атмосферы, дымовых газов, кладки, а также других сред и элементов рабочего пространства. От точного и надежного измерения данной величины в значительной мере зависит эффективность функциониро­вания АСУ ТП. Многообразие задач предопределило появление большого числа различных методов и средств контроля температуры [3] .

Тепловое состояние тела (степень его нагретости) определяется средней кинетической энергией поступательного движения молекул данного тела. Следовательно, и температура, характеризующая тепло­вое состояние физического объекта, является статистической величи­ной, поэтому ее измерение имеет смысл только в телах, состоящих из достаточно большого числа молекул.

Разный уровень температур двух тел, находящихся в контакте, определяет направление теплопередачи: тело с более высокой темпе­ратурой отдает свою внутреннюю энергию телу с более низкой темпе­ратурой до тех пор, пока их температуры не станут равными.

Таким образом, температура тела − параметр состояния, который определяет направление передачи тепловой энергии. Измерить темпе­ратуру непосредственно, как плотность или линейные размеры, невозможно, поэтому температуру определяют косвенно, по изменению физических свойств различных тел, получивших название термометрических, например, объемное расширение, изменение электрических свойств: электрической проводимости, термоэлектродвижущей силы (т.э.д.с.) и т.п.

Термоэлектрические термометры

Для измерения температуры в металлургии наибольшее распро­странение получили термоэлектрические термометры, работающие в диапазоне температур от -200 до 2500 град.С и выше. Данный тип устройств характеризуют высокая точность и надежность, возможность использования в системах автоматического контроля и регулирования параметров, в значительной степени определяющих ход технологического процесса в металлургических агрегатах.

Устройство термоэлектрических термометров

Термоэлектрический термометр (ТТ) – это измерительный преобразователь, чувствительный элемент которого (термопара) расположен в специальной защитной арматуре, обеспечивающей защиту термоэлектродов от механических повреждений и воздействия измеряемой среды.

На рисунке 10 приведена типовая конструкция термоэлектрического термометра. Термоэлектроды 10 по всей длине изолированы друг от друга керамическими изоляторами 9. Концы термоэлектродов сварены между собой и образуют горячий спай 11. Свободные концы термоэлектродов подсоединяются к контактам колодки 5. Термоэлектроды и контактные зажимы помещены в защитную арматуру 8. Для обеспечения виброустойчивости они засыпаны безводной окисью алюминия и герметизированы эпоксидным компаундом 7. К контактным зажимам колодки подсоединены компенсационные провода, которые выводятся из головки термометра через сальниковое уплотнение 3 со штуцером 2. Водозащитная головка термометра 6 закрыта крышкой 4. Сальниковый ввод головки допускает использование кабеля наружным диаметром до 11 мм. Горячий спай термопары изолирован от защитной арматуры керамическим наконечником 1. Инерционность термоэлектрического термометра составляет 20 −120 с.

I − для одинарных термопар; II − для двойных термопар; 1− керамический наконечник; 2 − штуцер; 3 − сальниковое уплотнение; 4 − крышка; 5 − колодка; 6 − водозащитная головка термометра; 7 − эпоксидный компаунд; 8 − защитная арматура; 9 − керамические изоляторы; 10 − термоэлектроды; 11 − горячий спай. Рисунок 10 − Конструкция термоэлектрического термометра типа ТХА/ТХК

Сущность термоэлектрического метода заключается в возникновении электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике, концы которого имеют различную температуру. В зависимости от величины перепада температур и природы проводника (состав, физическое состояния) величина ЭДС колеблется в значительных пределах [3].

Принцип действия термопары основан на эффектах Томсона и Зеебека. Эффект Томсона заключается в том, что если проводник, обладающий электронной проводимостью, нагрет по своей длине неравномерно, то на его нагретом конце повышается концентрация свободных электронов, которые диффундируют к холодному концу. При этом горячий конец заряжается положительно, а холодный отрицательно. Если замкнутая цепь состоит из двух различных проводников Х и Y, то т.э.д.с. Томсона в такой цепи равна разности т. э. д. с., возникающих в каждом проводнике, в зависят от температуры спаев t и t0 (t≠ t0).

Эффект Зеебека проявляется в том, что в спаях различных проводников Х и Y возникают контактные разности потенциалов, вызванные диффузией свободных электронов из проводника, где их концентрация больше.
Общая т. э. д. с., обусловленная эффектами Томсона и Зеебека, является функцией температур t и t0 и зависят от физической природы проводников Х и Y. Она может быть записана при обходе контура термопары против часовой стрелки в виде

, (1)

где Еxy (tt₀) − общая т.э.д.с, термопары;

e_XY (t) и e_yx(t₀) − т.э.д.с., вызванные эффектами Томсона и Зеебека.

Если t=t₀, то Е_XY (tt₀) = 0 и тогда

e_xy (t₀) + e_yx (tt₀)=0или e_yx (t₀ ) = -e_xy (t₀ ) (2)

Подставляя это равенство в формулу (1), получим выражение т.э.д. с. термопары в виде:
Е_XY(tt₀) = е_XY(t)- е_XY(t₀). (3)

Из выражения (3) видно, что т. э. д. с. термопары есть функция двух температур рабочего и холодного спаев, т. е. Е_XY = f(tt₀ ). Эту зависимость можно использовать на практике, если поддерживать постоянной , тогда
Е_XY (tt₀) = f(t).

Таким образом, если для данной термопары экспериментально найдена зависимость f(t), то измерение неизвестной температуры сводится к определению т. э. д. с. с помощью измерительного прибора. Его включение в цепь термопары приводит к появлению там третьего проводника Z. При обходе контура против часовой стрелки получим:

Е_XYZ (tt₀t₀)= e_XY (t) +e_YZ(t₀) (4)
Если t=t₀ , то E_XYZ(t₀ t₀ t₀ )=0и е_XY(t₀) + e_YZ(t₀)+e_ZX(t₀)= 0,

e_YZ(t₀)+e_ZX(t₀)= —е_XY(t₀). (5)
Подставляя это равенство в формулу (4), получим

E_XYZ(tt₀t₀)=e_XY(t)- e_XY(t₀),

что точно совпадает с выражением (3) для термопары из двух термоэлектродов Х и Y. Таким образом, включение третьего проводника Z в разрыв холодного спая при условии, что концы этого проводника находятся при одинаковой температуре t₀ не влияет на общую т. э. д. с. термопары, т. е.

E_XYZ(tt₀t₀)=E_XY(tt₀).

Термопары, как правило, градуируются при температуре холодного спая t₀= 0 °С. действительная же температура холодного спая термопары может быть постоянной t^’₀= const, но отличаться от 0°С, Поэтому для нахождения действительной температуры горячего спая t необходимо вводить поправку, которую находят следующим образом.

Пусть t^’₀ = const и t^’₀>t₀, тогда Е_XY (tt₀)> Е_XY (tt^’₀) и, следовательно,
Е_XY (tt₀)- Е_XY (tt^’₀)= е_XY (t) - е_XY (t₀)- е_XY (t)+ е_XY (t^’₀) = е_XY (t^’₀) - е_XY (t₀)= E_XY(t^’₀t₀)

Таким образом, с учетом поправки истинная т. э. д. с. термопары будет равна:
Е_XY (tt₀) = Е_XY(tt^'₀)± E_XY(t’₀t₀), (5)
где знак плюс относится к случаю, когда t’₀ > t₀, а минус − к случаю, когда t’₀< t₀ .
Повышение температуры свободных концов ТТ приводит к уменьшению перепада температур, снижению т.э.д.с. термопары и появлению погрешности измерения, которую исключают введением соответствующей поправки.

Пример. Термоэлектрический термометр ТХА измеряет температуру в печи в комплекте с потенциометром. При градуировке ТХА температура свободных концов принималась 0 ^oC в условиях измерения она составила t'₀ =50 ^oC. Сигнал, измеренный потенциометром, Е_XY(t,50)=40,98 мВ, что соответствует температуре 993 ^оС. Величина поправки может быть определена либо по градуировочной кривой (см. рисунок 11), либо по таблице: Е_XY(50,0)=2,02 мВ.

Е_XY (t,0)= Е_XY(t,50)+ Е_XY(50,0)=40,98+2,02=43,00 мВ,

что соответствует температуре рабочего спая t= 1044 ^oC.

t= 1044 oC

Рисунок 11−Градуировочные характеристики термопар

Для исключения влияния изменения температуры концов ТТ в технике измерения пользуются двумя способами:

1) эвакуацией свободных концов из зоны непосредственного измере­ния с помощью компенсационных проводов;

2) стабилизацией темпе­ратуры свободных концов с помощью термостатов.

Наибольшее распространение получил первый способ как более на­дежный и экономичный. Термостатировать головку термометра очень трудно из-за изменяющихся условий теплообмена с окружающей сре­дой. Поэтому свободные концы термопары стремятся удалить как мож­но дальше от агрегата в такое место, где можно установить термо­стат. Однако для благородных термопар удлинение термоэлектродов невозможно, так как это приведет к значительному перерасходу платины. Необходимо отметить, что провода, выводимые из головки ТТ_, работают при температурах, не превышающих 80-90 °С. Следова­тельно, соединительные провода для исключения паразитных т.э.д.с. должны иметь в интервале температур от 0 до 100 ^оС такие же термоэлектрические ха­рактеристики, как и термопара ТТ, что позволяет перенести свободные концы термометра непосредственно к измеритель­ному прибору. На рисунке 12 представлена принципиальная схема комплекта для из­мерения температуры,t включающего: тер­мопару с электродами Х и Y, удлинитель­ные (компенсационные) провода А₁ и В₁ , медные провода Си измерительный при­бор ИП (например, автоматический потенциометр, милливольтметр, цифровой вольтметр) либо это может быть информационно-измерительная система или информационно-вычислительный комплекс.

Рисунок 12−Принципиальная схема соединений комплекта для измере-

ния температуры с помощью термопары

Для повышения чувствительности таких термометров иногда объединяют последовательно несколько термопар в термобатарею (рисунок 13, б). При этом рабочие концы всех термопар находятся при температуре исследуемого объекта θ₁ , а свободные — при постоянной (или известной) температуре θ₂ . Суммарная выходная термоЭДС, естественно, будет равна сумме термоЭДС отдельных ТП.

а − возникновение термоЭДС; б − термобатарея;

в − дифференциальная тер­мопара

Рисунок 13 −Термоэлектрические преобразователи (термопары)

Для нахождения разности температур двух объектов применя­ются так называемые дифференциальные термопары, которые состоят из двух встречно включенных ТП (рисунок 13, в). Рабочие концы ТП имеют разную температуру (θ_А и θ_Б), а свободные — одинаковую θ₂. В результате выходное напряжение пропорционально разности температур.

В соответствии с общепринятой международной классифика­цией термоэлектрические преобразователи (термопары) подраз­деляются на несколько типов в зависимости от применяемых ма­териалов и характеристик. Характеристики некоторых основных типов ТП приведены в таблице 2.

Таблица 2 − Основные характеристики некоторых типов термопар

Тип ТП	Материал ТП	Диапазон измерения (кратковремен­ный), град С	Коэффициент преобразования при20°С, мкВ/ °С
Е	Хромель — константан	-270… + 1000
J	Железо — константан	-210…+1000 (1200)
К(ТХА)	Хромель — алюмель	-200…+1000 (1372)
R (ТПП)	Платина — платинородий (13% родия)	-50…+1500 (1700)
S (ТПП)	Платина — платинородий (10% родия)	-50…+1600 (1768)
Г(ТМК)	Медь — константан	-270…+400 (400)
О (ТПР)	Платинородий (30% родия)— платинородий (6% родия)	+300…+1600 (1800)	-
L(ТХК)	Хромель-копель	-200…+600 (800)
М (ТВР)	Вольфрам - рений	0…+2200 (2500)
(ТВМ)	Вольфрам - молибден	+1250…+2000 (2000)

Выбор материалов термоэлектродов в значительной степени определяется уровнем температуры и агрессивным воздействием измеряемой среды. Платина и ее сплавы с родием хорошо работают в окислительной и нейтральной средах, вольфрам, молибден, рений и их сплавы – в вакууме, нейтральной и восстановительной средах. Науглероживание проволоки искажает термоэлектрическую характеристику платины и приводит к погрешностям в измерении. Значительный опыт эксплуатации различных термопар привел к тому, что в настоящее время количество применяемых в технике измерения материалов невелико.

Отметим, что в России приборостроительными фирмами ТП типа Е и J не выпускаются.

Графическая иллюстрация характеристик основных типов ТП приведена на рисунке 10. Наглядно видно, какие типы обеспечивают наибольший диапазон измерения, максимальную чувствительность или наилучшую линейность.

В практике типовых температурных измерений чаще всего используются ТП трех типов: J, К, Т. Термопары типа J имеют минимальную стоимость, высокую чувствительность, умеренную точность, но не могут (не долж­ны) использоваться длительное время при экстремальных темпе­ратурах (выше 1 000 °С), так как нарушается их градуировочная ха­рактеристика.

Термоэлектрические термометры выпускают двух видов: погружаемые и поверхностные. У последних рабочий спай приводится в непосредственный контакт с измеряемой поверхностью. Приборостроительная промышленность изготовляет устройства различных модификаций, отличающихся: по значению и условиям эксплуатации, по материалу защитного чехла, по способу установке термометра в точке измерения, по герметичности и защищенности от действия окружающей среды, по устойчивости к механическим воздействиям, по степени тепловой инерционности т.п.

Цифровой термометр

Рассмотрим один из наиболее распространенных вариантов устройства цифрового термометра (ЦТ), входным датчиком кото­рого является термопара (ТП).

На рисунке 14 приведена упрощенная структура контактного ЦТ, которая напоминает структуру любого цифрового измерительно­го прибора.

Термопара подключается к входу усилителя, назначение кото­рого поднять уровень входного сигнала с единиц-десятков мил­ливольт до единиц вольт. Аналого-цифровой преобразователь пре­образует усиленный сигнал ТП в цифровой код, пропорциональный уровню термоЭДС и, следовательно, значению измеряемой температуры. В автономных ЦТ, как правило, применяются АЦП, использующие интегрирующие методы преобразования, обеспе­чивающие высокие точность, чувствительность, разрешающую способность, высокое подавление периодических помех общего и нормального вида, уровень которых может быть значительным. Выходной код аналого-цифрового преобразователя (АЦП) запоминается (и затем некоторое время хра­нится) в регистре и выводится на цифровой индикатор (цифро­вое отсчетное устройство). Микропроцессорный контроллер уп­равляет работой всех узлов прибора. С помощью клавиатуры опера­тор задает режимы работы. В структуре прибора может присутствовать интерфейс для обмена информацией с внешними цифровыми устройствами (например, для передачи результатов регистра­ции в персональный компьютер и (или) в систему автоматизиро­ванного управления).

Известны модели многоканальных ЦТ (чаще двухканальных). Отличие этих приборов − наличие коммутатора входных ТП, который позволяет поочередно подключать датчики ко входу усили­теля. Двухканальные ЦТ обычно имеют режим измерения разно­сти температур. Такие приборы называются дифференциальными термометрами. Современные ЦТ отличаются малыми габаритными размерами и массой (100...500 г), сравнительно низкой стоимостью, доста­точно высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

Рисунок 14 − Структура контактного цифрового термометра