Типичные источники погрешностей
Федеральное агентство по рыболовству
Федеральное государственное бюджетное образовательное
Учреждение высшего профессионального образования
«Астраханский государственный технический университет»
Институт информационных технологий и коммуникаций
Кафедра Автоматика и управление
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТЕМПЕРАТУРЫ
часть II – термоэлектрические термометры
Методические указания к практическим занятиям по курсам «Измерительные преобразователи» и «Технические измерения и приборы» для студентов направления 220700.62 «Автоматизация технологических процессов и производств»
Астрахань, 2014
Составитель:
Кокуев А. Г. – к.т.н. доц. кафедры «Автоматика и управление»
Рецензент:
Прохватилова Л.И.. – к.т.н. доц. кафедры «Автоматика и управление»
Методические указания к практическим занятиям по курсам «Измерительные преобразователи» и «Технические измерения и приборы»: Измерительные преобразователи температуры часть II – термоэлектрические термометры для студентов направления 220700.62 «Автоматизация технологических процессов и производств»/ АГТУ; Сост.: А. Г. Кокуев.- Астрахань, 2014.-23 с.
Методические указания рассмотрены и утверждены на заседании кафедры «Автоматизация и управление» от 16 апреля 2014г., протокол №3
Оглавление
Оглавление. 3
1. Термоэлектрические термометры. 4
1.1. Общие сведения. 4
1.2 Удлиняющие провода. 6
1.3 Типичные источники погрешностей. 7
1.5 Поправка на температуру свободных концов термопары.. 9
1.6 Используемые материалы и виды преобразователей. 10
1.7 Включение измерительного прибора в цепь термоэлектрического термометра. 11
1.8 Средства измерения сигналов термопар. 14
2. Термометры сопротивления. 16
2.1 Общие сведения. 16
2.2 Измерительные приборы термометров сопротивления. 17
Используемая литература. 23
Термоэлектрические термометры.
Общие сведения.
В целом ряде термоэлектрических устройств давно используется так называемый эффект Зеебека (рис. 1.1.1)– возникновении электрического напряжения в цепи из последовательно соединенных разнородных металлов, контакты между которыми находятся при разных температурах. А недавно японские ученые экспериментально показали существование спинового эффекта Зеебека: оказывается, металлический магнит, помещенный в температурный градиент, является аналогом термопары.
| Рис. 1.1.1 Эффект Зеебека |
Классический эффект Зеебека заключается в возникновении электрического напряжения в цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных металлов, контакты между которыми находятся при разных температурах. Благодаря этому эффекту человечество обрело ключи к большому классу явлений под общим названием «термоэлектричество».
Рис. 1.1.2. Подключение термопары
Сегодня в целом ряде устройств, таких как термоэлектрогенераторы, сенсоры напряжения, температуры, давления газа, интенсивности света, задействован эффект Зеебека.
Такой термоэлектрический термометр (термопара) состоит из двух разнородных металлов, соединенных сваркой. Один конец термопары помещается в измеряемую среду, а свободные концы выведены наружу и подключены к измерительному устройству. При включении нагрева объекта измерения разные концы термопары будут находиться при разных температурах (возникает температурный градиент), что приведет к возникновению термотока или термоэлектродвижущей силы (термоЭДС).
Измерительное устройство преобразует термоток в показания термометра либо работает как датчик температуры на включение и отключение нагревателя при достижении определенной температуры. Следует отметить, что главное достоинство термопар по сравнению с жидкостными термометрами – широкий диапазон рабочих температур: от 4 до 2800 К в зависимости от используемых материалов.
Выделяют три основных причины возникновения термоЭДС. Во-первых, это температурная зависимость уровня Ферми контактирующих проводников. В случае создания температурного градиента внутренние контактные разности потенциалов металлов будут различными, что и приводит к контактной составляющей термотока. Во-вторых, диффузия носителей заряда от горячего конца к холодному. В металлах тепло переносят электроны, которые диффундируют от горячего конца к холодному, накапливаясь на нём. В результате появляется электрическое поле, направленное против температурного градиента и препятствующее дальнейшему разделению зарядов. В-третьих, увлечение электронов фононами, которые движутся в сторону, противоположную температурному градиенту и как бы «подталкивают» электроны к холодному концу.
Все эти причины учтены в так называемом коэффициенте Зеебека, который различается для разнородных проводников (так как зависит от плотности электронов проводимости и скорости их рассеяния) и определяется как отношение сгенерированного электрического напряжения к разности температур на концах проводника.
| Рис. 1.1.3 Спиновой эффект Зеебека |
Удлиняющие провода
Если же температуру свободных концов термопары невозможно поддержать постоянной, то соединяющие термопару и вторичный прибор провода выполняют из материалов, которые в области температур свободных концов термопары имеют практически те же термоэлектрические характеристики, что и материалы термоэлектродов.
Эти провода называются удлиняющими или компенсационными (другие названия: удлинительные, термоэлектродные). Удлиняющие провода служат для «удлинения» термопары и переноса ее свободных концов в зону постоянной (мало меняющейся) температуры. В случае, когда температура промежуточных спаев одинакова, пользуются проводами, которые в паре имеют такую же температурную зависимость термоЭДС, что и термопара (так называемые провода с суммарной компенсацией).
В том случае, когда температура промежуточных спаев различна, употребляют провода, каждый из которых обладает такой же температурной зависимостью термоЭДС, что и соответствующий термоэлектрод термопары (так называемые провода с поэлектродной компенсацией).
Удлиняющие провода должны обладать определенными свойствами. Наиболее общее из них: Составленная из них термопара должна развивать такую же термоЭДС, как и удлиняемая термопара в возможном диапазоне измерения температуры мест соединения электродов термопары с удлиняющими проводами( обычно, это диапазон до 300 градусов)
Типичные источники погрешностей
Принцип действия термопар и особенности преобразования и передачи сигнала приводят к следующим возможным проблемам при их эксплуатации, вызывающим ошибку в определении температуры:
1.) Дефекты формирования рабочего спая термопары;
Существует много способов формирования рабочего спая термопары: механическое скручивание, пайка, сварка и т.д. При сварке в спай добавляется третий метал, но т.к. температуры проводников, исходящих из спая одинаковы, это не может привести к какой-либо погрешности. Проблема заключается в том, что третий метал, как правило, имеет более низкую температуру плавления и при высоких температурах спай может разорваться. Более того, может происходить загрязнение электродов чужеродным испаряющимся металлом. Поэтому рекомендуется производить сварку рабочего спая. Однако процесс сварки тоже требует особого внимания, т.к. перегрев может повредить термопарную проволоку и газ, используемый для сварки, может диффундировать в проволоку. Дефектная сварка может привести в разрыву спая при эксплуатации. В программном обеспечении, используемом для считывания и обработки сигнала термопары всегда есть специальный тест на разрыв спая.
2.) Возникновение термоэлектрической неоднородности по длине термоэлектродов и изменение градуировочной характеристики термопары;
Это наиболее серьезный и трудно диагностируемый источник погрешности, т.к. результат отсчета ТЭДС может показаться вполне приемлемым и в то же время быть ошибочным. Термоэлектрическая неоднородность может быть результатом диффузии примесей из окружающей атмосферы при высоких температурах, высокотемпературным отжигом или механической обработкой электродов. Она может образоваться в результате протягивания электродов, неосторожного обращения, ударов и вибраций, вызывающих напряжения в проволоке. Изменение состава сплава может наблюдаться на отдельном участке проволоки, находящейся длительное время в зоне резкого температурного градиента. Однако неоднородность влияет на изменение градуировочной характеристики только в том случае, если она попадает в зону температурного градиента при измерении. Чем больше градиент температуры, тем больше погрешность, возникающая из-за неоднородности. Один из способов уменьшения данной погрешности – сделать более плавным изменение температуры на длине термоэлектрода, например, используя металлические рукава и чехлы.
3.) Электрическое шунтирование проводников изоляцией и возможное возникновение гальванического эффекта;
Сопротивление изоляции термоэлектродов уменьшается с повышением температуры по экспоненциальному закону. При высокой температуре, в отдельных случаях, этот эффект может привести к образованию так называемого «виртуального» спая, т.е. фактического замыкания электродов в средней точке термопары. Таким образом, термопара будет измерять температуру не в области рабочего спая, а температуру в средней области. При высоких температурах следует также очень тщательно подбирать материал для изоляции, т.к. примеси и химические вещества изоляции могут проникнуть в электроды и изменить их свойства.
4.) Тепловое шунтирование;
Необходимо помнить, что термопара, как и любой другой контактный датчик, при введении в объект измерения меняет его температуру. Поэтому, если объект мал, термопара тоже должна иметь малые размеры. Однако термопара, изготовленная из тонкой проволоки, более подвержена эффектам загрязнения, отжига, возникновения напряжений, электрическому шунтированию. Чтобы минимизировать эти эффекты применяют удлинительные провода, которые соединяют термоэлектроды термопары с измерительным вольтметром и имеют коэффициент Зеебека близкий к коэффициенту термопары данного типа. Обычно удлинительный провод имеет больший диаметр, его сопротивление, включенное последовательно с термоэлектродом, не вызывает потерь при передаче сигнала на длинные расстояния. Кроме того, удлинительный провод проще протянуть через подводящий измерительный канал, чем тонкую термопарную проволоку. Поскольку требования к допускам удлинительных проводов установлены только в узком интервале температур, и сам провод может быть подвержен механическим повреждениям и натяжению, следует обеспечить минимальный температурный градиент вдоль провода.
5.) Электрические шумы и утечки.
Широкополосный шум может быть подавлен аналоговым фильтром. Единственный тип шума, который не может подавить система считывания и обработки сигнала – сдвиг, обусловленный утечкой постоянного тока в системе. Хотя обычно такие утечки не вызывают больших погрешностей, возможность их возникновения должна всегда приниматься во внимание и, по-возможности, предотвращаться, особенно если термоэлектроды очень малы и их сопротивление велико.
6.) Гальванический эффект.
Красящие вещества, применяемые в некоторых видах изоляции, могут вызвать образование электролита при попадании воды. Это может привести в гальваническому эффекту, который по силе превышает эффект Зеебека. Необходимо принимать меры для защиты термопарной проволоки от вредной атмосферы, проникновения воды и других жидкостей.
1.5 Поправка на температуру свободных концов термопары
Если температуру холодного спая поддерживать постоянной, то термоЭДС будет зависеть только от степени нагрева рабочего конца термопреобразователя, что позволяет отградуировать измерительный прибор в соответствующих единицах температуры. В случае отклонения температуры свободных концов от градуировочного значения, равного 0° С , к показаниям вторичного прибора вводится соответствующая поправка. Температуру свободных концов учитывают для того, чтобы знать величину поправки. Величина вводимой поправки будет небольшой, и определенной, если температура свободных концов будет невысокой и постоянной.
Поправку на температуру свободных концов в зависимости от условий вводят тремя способами: по градуировочной таблице; перестановкой стрелки выключенного прибора с нулевого положения до отметки, которая соответствует температуре свободных концов; автоматическими устройствами - при помощи компенсационных коробок или схем измерительных приборов.