Будова термоперетворювачів та використовані матеріали

Два будь-яких різнорідних провідника можуть утворити термопару. До матеріалів, використовуваним для виготовлення термопар, висуваються такі вимоги: жаростійкість, жароміцність, хімічна стійкість, відтворюваність кількості матеріалів, які володіли б визначеними термоелектричними властивостями. Всі інші вимоги є бажаними.

Відповідно до стандартів застосовуються такі термопари:

- Мідь - копелеві і мідь-міднонікеліві типу Т, які застосовуються для виміру низьких температур в енергетиці та в лабораторіях до 400⁰С;

- Залізо-мідьнікілієве типу J застосовуються від -200 до + 700⁰С. Верхня межа виміру обмежений окисленням заліза і міднонікілієвого сплаву;

- Хромель-копелеві, верхня межа вимірювання яких становить менше 600⁰С, хромель - це сплав, що з 90% нікелю і10% хрому; копель - це сплав, що з 56% міді 44% нікелю;

- Хромель - алюмелеві, верхня межа вимірювання яких 1000⁰С, алюмель - це сплав, що з 95% нікелю і 5% трьох елементів: алюмінію, кремнію та марганцю;

- Платинородій-платинові вимірюють температуру від 0 до 1300⁰С, платинородій - це сплав, що з 90% платини і 10% родію;

- Платинородій-платинородієві вимірюють температуру від 300 до 1600⁰С, позитивний електрод - сплав з 30% родію і 70% платини, а негативний - з 6% родію і 94% платини;

- Вольфрамреній-вольфрамренієвих вимірюють температуру від 0 до 2200⁰С,

позитивний електрод - сплав з 95% вольфраму і 5% ренію, а негативний з 80% вольфраму і 20% ренію.

Для зручності застосування термоелектричні перетворювачі захищаються від впливу навколишнього середовища, поломки і небезпечного впливу на обслуговуючий персонал.

До термоелектричним перетворювачів ставляться такі вимоги:

1. Термоелектроди повинні бути ізольовані.

2. Захист термоелектродів від шкідливого впливу вимірюваного та навколишнього середовища, від забруднень та механічних ушкоджень.

3. Надання перетворювачам необхідної механічної міцності.

4. Забезпечення зручності монтажу на технологічному обладнанні та зручність підключення з'єднувальних проводів.

Робочий спай термоперетворювача найчастіше виготовляється зварюванням, в окремих випадках пайкою, а для вольфрамренієвих - скруткою. Електрична ізоляція термоперетворювача здійснюється матеріалами, що зберігають свої ізоляційні властивості при відповідних вимірюваних температурах і не забруднюючими термоелектроди. Найбільшого поширення при температурах до 1300⁰С отримали порцелянові одно та двоканальні трубки і намиста. Для більш високих температур застосовуються намисто з окису алюмінію.

Для захисту термоелектродів від впливу вимірюваного середовища їх поміщають в захисний чохол з газонепроникних матеріалів, що витримують необхідні високі температури. Захисні чохли виготовляють найчастіше з легованих марок сталей до 1000⁰С, а при більш високих температурах застосовуються спеціальні чохли з тугоплавких матеріалів, наприклад, з диборида цирконію з молібденом.

Вільні кінці термоперетворювача повинні мати температуру, рівну 0⁰С, так як в іншому випадку їх температура повинна бути постійною, щоб можна було ввести поправку на температуру вільних кінців. Якщо розташувати вільні кінці в голівці термоперетворювача, тобто там, де кінчаються термоелектроди, то неможливо забезпечити сталість температури вільних кінців, бо температура головки термоперетворювача залежатиме від режиму роботи установки, температури навколишнього середовища та інших факторів.

Тому виникає необхідність подовження термоперетворювача, не спотворюючи його термо-ЕРС, щоб відвести вільні кінці в таке місце, де буде зручно поставити пристрій для автоматичного введення поправки. Так як температури головки термоперетворювача і місць прокладки проводів значно нижче вимірюваних, то це подовження перетворювача здійснюється не обов'язково тими ж матеріалами, які йдуть на виготовлення термоелектродів. Однак продовжуючі дроти повинні володіти певними властивостями, щоб виключити виникнення паразитної термо-ЕРС. Виникнення паразитних термо-ЕРС буде виключено, якщо продовжуючі дроти матимуть ту ж градуювальну характеристику, що і сам термоперетворювач. Наприклад, продовжуючи дроти повинні бути: мідь-копель, мідь-константан, хромель-копель та інші. Кожен матеріал дроту має свій колір ізоляції або кольорові нитки в обмотці і обплетення дротів.

Мілівольтметри

В даний час для вимірювання термо-ЕРС термоперетворювачів найбільше поширення отримали магнітоелектричні мілівольтметри, які є чутливим вторичним приладом. Шкала мілівольтметра градуюється безпосередньо в ⁰С. Принцип дії мілівольтметра заснований на взаємодії струму, що проходить через рухому рамку приладу, з магнітним полем постійного магніту.

Основними частинами мілівольтметра є постійний магніт з полюсними наконечниками, сердечник з мягкомагнітної сталі, з великого числа витків мідного дроту, скріплених лаком. При проходженні струму через рамку з'являється магнітне поле, перпендикулярне її площині, яке взаємодіє з полем основного магніту і утворює дві однакові сили F, що діють згідно з правилом лівої руки на бічні сторони рамки в протилежних напрямках. Під впливом цього моменту рамка прагне повернутися навколо осі до збігу за напрямом її магнітного поля з полем постійного магніту. Рамка жорстко скріплена із стрілкою і утворює рухливу систему мілівольтметра.

Тертя в опорах рамки є однією з причин похибки мілівольтметра. У приладах високої чутливості замість стрілки встановлюється дзеркало для світлового покажчика кута повороту, а рухлива система кріпиться на розтяжках або підвісках. Попереднє встановлення від руки стрілки мілівольтметра проводиться за допомогою коректора нуля.

Термо-ЕРС перетворювача однозначно залежить від температури робочого спаю, якщо температура вільних кінців постійна. Коли термо-ЕРС перетворювача вимірюється мілівольтметром, потрібно мати на увазі, що фактично він вимірює не термо-ЕРС перетворювача, а струм, протікающий по рамці приладу. Тому для однозначності залежності між термо-ЕРС і показом мілівольтметра необхідно, щоб опір всього ланцюга «термопара-мілівольтметр» був постійним.

Крім того, на покази мілівольтметра при вимірюванні температури середовища можуть впливати такі фактори: електростатичні заряди, які можуть утворюватися на склі прибору; зовнішні магнітні поля від інших приладів; зміна нахилу приладу щодо рекомендованого технічними умовами становища.

При вимірюванні температури термоперетворювачем в комплекті з мілівольтметром до показів мілівольтметра вводяться наступні поправки:

- Основна;

- На зміну температури вільних кінців термопари;

- На зміну опору вимірювального ланцюга мілівольтметра.

Основна поправка враховує похибку показань мілівольтметра, зростаючу внаслідок появи залишкових деформацій спіральних пружин, зношування тертьових частин тощо. Значення основної поправки визначається в результаті повірки мілівольтметра.

При вимірах поправка на температуру вільних кінців у разі її сталості може вводитись шляхом перестановки коректором нуля вказівної стрілки відключеного від термоперетворювача мілівольтметра на позначку шкали, що відповідає новій температурі вільних кінців.

Потенціометри

Вимірювання температури термоперетворювачем в комплекті з мілівольтметром не забезпечує достатньої точності через наявність ряду похибок. Клас точності цих приладів 1, і 2,5. Основною причиною цього є вплив змін температури навколишнього середовища на опір мілівольтметра і зовнішньої сполучної лінії. Це вплив відсутній при вимірюванні термо-ЕРС компенсаційним методом, при якому замість мілівольтметра застосовується потенціометр.

Принцип дії потенціометра заснований на тому, що в ньому розвивающа термопеперетворювачем термо-ЕРС врівноважується (компенсується) рівним їй за величиною, але зворотним по знаку напругою від іншого джерела струму, зокрема від акумуляторної батареї, розташованої в приладі, яка потім вимірюється за великою точністю. Потенціометри є найбільш досконалими вторинними приладами для роботи з термоперетворювачами. Завдяки високій точності вони широко застосовуються при промислових і лабораторних вимірах.

Розглянемо принципову схему потенціометра. Вимірювальна схема потенціометра містить три джерела напруги: термоперетворювач, акумуляторну батарею і нормальний елемент і відповідно три ланцюги: термоперетворювача, батареї і нормального елемента.

Нормальний елемент характеризується високою постійною розвивающою йому ЕРС протягом декількох років при правильній його експлуатації та використовується як еталон електрорушійної сили. За допомогою нормального елемента встановлюється постійне значення сили струму в компенсаційному ланцюзі. Для цього перемикач ставиться в положення 1.

Впливаючи на двигун реостата (резистора) Rр, змінюють силу струму I доти, поки стрілка гальванометра G не встане на нуль. Це показує, що ЕРС, що розвивається нормальним елементом НЕ дорівнює падінню напруги на ділянці компенсаційного ланцюга, тобто на реостаті Rне. Так як напруга батареї Б поступово падає, то стандартизацію струму доводиться повторювати через кілька годин роботи.

Після стандартизації струму ставлять перемикач в положення 2 і проводять вимірювання термо-ЕРС, развиваючої термоперетворювачем, компенсаційним методом. Для цього, впливаючи на двигун реостата R, змінюють значення падіння напруги на ділянці аb компенсаційного ланцюга доти, поки струм небалансу в ланцюзі термоелектричного перетворювача стане рівним нулю і стрілка гальванометра встане на нульову позначку.

При вимірах термо-ЕРС потенціометром доводиться переміщати двигун реостата доти, поки стрілка не встане на нульову позначку. Тільки після цього можна робитивідлік. Це ускладнює і затягує процес виміру.

Автоматизувати й істотно прискорити процес вимірювання можна, якщо, попередньо утворивши постійний струм небалансу в змінний, застосувати замість гальванометра електронний пристрій для вимірювання та посилення струмів небалансу. Електронний пристрій управляє електро-двигуном, що переміщує двигун реостата, що компенсує термо-ЕРС падінням напруги на відповідній ділянці реохорда.

В автоматичних потенціометрах застосовується так звана бруківка вимірювальна схема, яка більш досконала і забезпечує безперервне введення поправки на температуру вільних кінців термометра. Автоматичні потенціометри належать до великої групи вторинних автоматичних електронних приладів, заснованих на компенсаційному методі виміру і по-всюдно застосовуваних для теплотехнічних вимірюваннях. Ці прилади володіють порівняно простим пристроєм, високою точністю, великою чутливістю і швидкодією.

В даний час нові серії автоматичних електронних показуючих і самописних приладів: потенціометрів, врівноважених мостів, міліамперметрів і т.д. Вони більш довершені з широким використанням агрегатно-блочно-модульного принципу побудови. До цих автоматичних приладів відносяться вторинні прилади таких серій: КС (компенсуючі самопишущі і показуючі), КП (компенсуючі що показують з плоскою шкалою) і КВ (компенсуючі що показують з обертовим циліндричним циферблатом).

Автоматичні потенціометри випускаються промисловістю наступних типів: КСП4 - повногабаритний з диаграммной стрічкою, КСП3 - малогабаритний з діаграмним диском, КСП2 - малогабаритний з диаграмнойю стрічкою, КСП1 - мініатюрний з диаграмною стрічкою, КПП1 - мініатюрний з плоскою шкалою, КВП1 - мініатюрний з обертальною шкалою .

Повногабаритні прилади застосовуються для промислових вимірювань підвищеної точності і лабораторних вимірювань, а малогабаритні - для звичайних промислових вимірювань. Особливо широкого поширення набули малогабаритні прилади, застосування яких дає значну економію місця на щитах управління.

Мініатюрні прилади встановлюються головним чином на пультах управління. Для точного виміру термо-ЕРС і невеликих напруг застосовуються лабораторні потенціометри постійного струму: переносні типів ПП-63 і ПП-70, а також зразкові типів Р330​​, Р37-1 та інші.