Федеральное агентство по образованию Томский политехнический университет УТВЕРЖДАЮ Зав. каф. ПМЭ ИНК Г. С. Евтушенко « » 2013 г. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОПАР Методические указания по выполнению лабораторной работы по дисциплине «Электронные промышленные устройства» для студентов направлений 210100.17 «Электронные системы управления, контроля, диагностики в технике и медицине», 210114 «Электронные приборы и устройства» Томск 2013 УДК. Исследование термопар. Методические указания по выполнению лабораторной работы. – Томск: Издательство ТПУ, 2013-8с. Составители: А.К. Такачакова, И.А. Дорошенко Рецензент: А.И. Солдатов ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА Исследование термопар Цель работы: изучение термопар как устройства для контактного контроля над температурой объекта. Задачи: усвоить принцип действия термопар, ознакомиться с погрешностями измерения температуры термопарами и методами их устранения, настроить стенд и исследовать ряд термопар. Краткие теоретические сведения: Термопара – термоэлемент, представляющий собой пару проводников из различных материалов, соединенных на одном конце. На свободных концах в результате действия термоэлектрического эффекта наводится ЭДС. EAE B T2 T1 A Рис. 1. Явление Зеебека Термоэлектрический эффект, он же Эффект Зеебека – явление возникновения ЭДС в замкнутой электрической цепи (рис.1), состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников (А и В), контакты между которыми находятся при различных температурах (Т1 и Т2). Непосредственное практическое значение применительно к термопарам имеют следующие термоэлектрические законы. Первый закон: Возникающее в термопаре термо-ЭДС зависит от температуры спаев и не зависит от распределения температур по длине проводника (закон промежуточных температур Магнуса). Иная его формулировка: термо-ЭДС термопары АВ с температурами спаев Т1 и Т2 равна алгебраической сумме двух термо-ЭДС этой же термопары с температурами спаев Т1 и Т3, Т3 и Т2: 𝐸𝐴𝐴 (𝑇1 𝑇2 ) = 𝐸𝐴𝐴 (𝑇1 𝑇3 ) + 𝐸𝐴𝐴 (𝑇3 𝑇2 ) (1) Это правило позволяет не заботиться о термостатировании термопары по всей ее длине и используется для градуировки термопар и определения поправок на температуру холодного спая. Пример: ЭДС хромель-алюмелевой термопары с температурой холодного спая 50ОС равно 19,48 мВ. Необходимо определить при какой температуре находится рабочий спай термопары. Для этого воспользуемся градуировочной таблицей термопары ХА (см. приложение), составленной при условии, что холодный спай находится при температуре 0ОС. ЕХА(Т,0О) = ЕХА (Т,50О) + ЕХА(50О,0О) = 19,48 + 2,02 = 21,50 мВ Отсюда по той же таблице Т = 520ОС. Второй закон: Если цепь состоит из трех проводников АВС, то термо-эдс термопары АВ со спаями при температурах Т1 и Т2 равняется алгебраической сумме термо-эдс 2 термопар АС и СВ, спаи которых находятся при тех же температурах. 𝐸𝐴𝐴 (𝑇1 𝑇2 ) = 𝐸𝐴𝐴 (𝑇1 𝑇2 ) + 𝐸𝐶𝐶 (𝑇1 𝑇2 ) (2) Этот закон ("промежуточных металлов") позволяет использовать удлинительные концы к термопарам и присоединять термопару к приборам с другими проводниками. Нетрудно сообразить, что присоединенный в термостате к обоим проводам (А и В) термопары медный провод, который ведет к измерительному прибору (провод С в приведенной формуле) не меняет величины возникшей электродвижущей силы термопары АВ, поскольку эффекты от спаев СА и СВ, находящихся при одной температуре компенсируют друг друга. E E а) б) Рис. 2. Подключение термопары к измерительному прибору Таким образом, термопара может образовывать устройство или его часть, использующее термоэлектрический эффект для измерения температуры. В сочетании с электроизмерительным прибором термопара образует термоэлектрический термометр. Измерительный прибор или электронную измерительную систему подключают либо к концам термоэлектродов (рис. 2,а), либо в разрыв одного из них (рис. 2,б). В местах подключения проводников термопары к измерительной системе возникают дополнительные термо-ЭДС, которые взаимно компенсируется при равенстве температур вспомогательных спаев. Так как термо-ЭДС термопары зависит от разности температур холодного и горячено концов, для успешного преобразования ЭДС в температуру необходимо так же контролировать температуру холодного спая. На практике при измерении температур широко используется техника «компенсации холодного спая»: температура холодного спая измеряется другим датчиком температуры, а затем Рабочий спай Дополнительные спаи К измерительной аппаратуре величина термо-ЭДС холодного спая программно или аппаратно вычитается из сигнала термопары. Рис. 3. Подключение термопары На практике при измерении температур широко используется техника «компенсации холодного спая»: температура холодного спая измеряется другим датчиком температуры, затем величина термо-ЭДС холодного спая программно или аппаратно вычитается из сигнала термопары. 3 Места подключения термопары к измерительной системе должны иметь одинаковую температуру, то есть находиться в изотермальной зоне. Кроме того, в схеме с компенсацией холодного спая в этой же зоне должен находиться и датчик температуры холодного спая. При конструировании измерительной системы эти требования должны учитываться. При выборе термопары для производства замеров температуры в некотором диапазоне следует выбирать ту термопару, коэффициент линейности которой изменяется менее других в рамках этого диапазона. Для достижения высокой точности измерений термопарного термометра во всем диапазоне рабочих температур необходима его калибровка. Среди основных можно выделить следующие типы термопар: ТХА (хромель-алюмелевая термопара) – предназначена для работы в окислительных и инертных средах. Обладает более близкой к прямой характеристикой. ТХК (хромель-копелевая термопара) – предназначена для работы в окислительных и инертных средах. Обладает наибольшей чувствительностью, высокой термоэлектрической стабильностью при температурах до 600°С. Недостаток: высокая чувствительность к деформациям. ТПП (платинародий-платиновая термопара) – предназначена для длительной эксплуатации в окислительных средах. Обладает хорошей устойчивостью к газовой коррозии (особенно на воздухе при высоких температурах); высокой надежностью при работе в вакууме, но менее стабильны в нейтральных средах. Недостаток: высокая чувствительность термоэлектродов к любым загрязнениям, появившимся при изготовлении, монтаже или эксплуатации термопар ТВР (вольфрам-рениевая термопара) – может использоваться как стандартные для установления номинальных статических характеристик термопар методом сравнения. Обладает возможностью длительного применения при температурах до 22О0°С в неокислительных средах; устойчивостью в аргоне, гелии, сухом водороде и азоте. Недостаток: плохая воспроизводимость термо-ЭДС, вынуждающая группировать термоэлектродные пары по группам с номинальными статическими характеристиками. ТНН (нихрасил-нисиловая термопара) – предназначена в качестве универсального средства измерения температур в диапазоне температур 0 - 1230°С. Обладает высокой стабильностью термо-ЭДС (по сравнению с ТХА, ТПП, ТПР), высокой радиационной стойкостью, высокой стойкостью к окислению электродов. В зависимости от конструкции и назначения различают термопары погружаемые и поверхностные; с обыкновенной, взрывобезопасной, влагонепроницаемой или иной оболочкой (герметичной или негерметичной), а также без оболочки; обыкновенные, вибротряскоустойчивые и ударопрочные; стационарные и переносные и т.д. Используемое оборудование: Специальный стенд с возможностью подключения различных термопар – хромель-копель, хромельалюмель, вольфрам-рений. В качестве источника тепла выступает паяльная станция с возможностью цифровой установки температуры жала. Описание лабораторной установки: Лабораторная установка состоит из паяльной станции с цифровой установкой температуры жала, из стенда (рис. 4) на котором собрана схема усилителя сигнала термо-ЭДС трёх видов термопар, цифрового вольтметра и источника питания. Перед началом эксперимента необходимо выставить на источнике питания двух полярное напряжение равное напряжению питания ОУ 5В. При правильном подключении источника питания (ОУ) на стенде 4 загорается светодиод (рис. 5), далее нужно провести балансировку ОУ, для этого необходимо заземлить оба входа, нажать на кнопку и убедиться в нулевом уровне выходного сигнала (использовать вольтметр или осциллограф, кнопка в данной схеме используется только для балансировки ОУ). Регулируя R1 установить коэффициент усиления равным 100. В соответствующие гнёзда на стенде усилителя сигнала термо-эдс согласно указанным полярностям подключить термопару. Рис. 4. Принципиальная схема усилителя Рис. 5. Макет схемы усилителя 5 Предварительное задание: 1. Изучить разделы курса и краткие теоретические сведения. 2. Подготовить ответы на контрольные вопросы. 3. Ознакомиться с рабочим заданием, методическими указаниями к работе. 4. Подготовить бланк отчёта. Рабочее задание: 1. Получить у преподавателя допуск к работе. 2. Падать двух полярное напряжение питания на ОУ равное 5В (рис.5). 3. Балансировка ОУ. Заземлить оба входа, нажать кнопку и убедиться в нулевом уровне выходного сигнала. 4. Регулируя R1, установить коэффициент усиления равным 100 (рис.4). 5. Установить термопару. 6. При помощи стакана со льдом и водой определить термо-эдс термопары при 0 градусов (смотреть пояснение). 7. Включить паяльную станцию и установить минимально допустимую температуру. 8. Выбрать количество точек замера температуры и шаг изменения таким образом, чтобы достоверно отобразить характеристики термопар. 9. Снять зависимость термо-ЭДС от температуры точки спая. 10. На основе полученных данных построить график зависимости термо-ЭДС от температуры и достроить его до значения температуры 1600℃. 11. Повторить пункты 5-12 для остальных термопар. 12. Написать уравнения второго порядка, описывающие полученные зависимости. 13. Оформить отчёт по проделанной работе. Пояснение: С помощью термопары измеряется не абсолютная температура, а относительная температура горячего и холодного спаев, следовательно, измеренное значение термо-эдс при комнатной температуре, необходимо вычитать от полученных значений термо-эдс при нулевой температуре. Контрольные вопросы: 1. К какому методу контроля относятся термопары? Какие устройства относятся к этому методу? Какие ещё методы контроля вы знаете? 2. В каких случаях целесообразно применять термопары для измерения температуры? 3. Опишите устройство термопары и её принцип действия. 4. Какие параметры и внешние воздействия необходимо учитывать при конструировании термометра на основе термопары? 5. Расскажите принцип выбора типа термопары под конкретную задачу. 6. Какие виды термопар используются в работе? 6 Источники информации: 1. Данишевский С.К., Сведе-Швец Н. И. «Высокотемперные термопары» - М., «Металлургия», 1977. 2. Геращенко О.А., Федоров В.Г. «Тепловые и температурные измерения» - Киев : Наукова думка, 1965. 3. http://www.radioradar.net/hand_book/documentation/terpara.html 4. http://temperatures.ru/dattemp/dattemp.php?page=3 5. http://www.temperatures.ru/pdf/Ulanovsky-1.pdf 6. http://web.ru/db/msg.html?mid=1164637&uri=text%2fappend%2ftab09.html 7. http://web.ru/db/msg.html?mid=1164637&uri=text%2Fpart4-3-3.html 8. http://web.ru/db/msg.html?mid=1164637&uri=text%2fappend%2ftab08.html 9. http://www.npo-vrs.ru/splav.htm 7 Приложение: Тэдс (мВ) термопары хромель-алюмель (холодные концы при 0oC). Т, ℃ 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 0 0 4.10 8.13 12.21 16.40 20.65 24.91 29.15 33.32 37.37 41.32 45.16 48.87 52.43 Т, ℃ 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 0 6.95 14.66 22.91 31.49 40.16 49.02 57.77 66.42 Т, ℃ 0 0 0 10 0.40 4.51 8.53 12.62 16.83 21.08 25.33 29.57 33.72 37.77 41.71 45.54 49.28 20 0.80 4.92 8.93 13.04 17.25 21.50 25.76 29.99 34.13 38.17 42.09 45.91 49.59 30 1.20 5.33 9.34 13.45 17.67 21.93 26.19 30.41 34.55 38.57 42.48 46.29 49.95 40 1.61 5.73 9.74 13.87 18.09 22.35 26.61 30.83 34.95 38.97 42.88 46.66 50.31 2,871 4,512 6,203 7,908 9,605 11,283 12,933 14,549 16,125 17,659 19,146 20,584 21,971 23,306 24,588 25,816 26,992 60 2.43 6.53 10.56 14.72 18.94 23.21 27.46 31.66 35.76 39.76 43.64 47.40 51.02 70 2.85 6.93 10.97 15.14 19.37 23.63 27.88 32.08 36.17 40.15 44.02 47.77 51.38 80 3.26 7.33 11.38 15.56 19.79 24.06 28.30 32.49 36.57 40.54 44.40 48.14 51.73 10 0.65 7.69 15.48 23.75 32.35 41.03 49.90 58.64 - 20 30 40 50 60 70 80 90 1.31 1.98 2.66 3.35 4.05 4.76 5.48 6.21 8.43 9.18 9.93 10.69 11.46 12.24 13.03 13.84 16.30 17.12 17.95 18.77 19.60 20.43 21.25 22.08 24.60 25.45 26.31 27.16 28.02 28.89 29.76 30.62 33.22 34.08 34.95 35.82 36.68 37.55 38.42 39.29 41.91 42.79 43.68 44.56 45.45 46.34 47.23 48.12 50.78 51.66 52.53 53.41 54.28 55.15 56.03 56.90 59.51 60.37 61.24 62.11 62.97 63.83 64.70 65.56 Тэдс (мВ) термопары вольфрам-рений (холодные концы при 0oC). 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0,121 0,246 0,373 0,504 0,637 0,772 0,910 1,050 1,193 3,032 4,680 6,373 8,073 9,774 11,450 13,096 14,708 16,281 17,810 19,292 20,725 22,107 23,436 24,713 25,936 3,193 4,843 6,543 8,248 9,943 11,616 13,259 14,867 16,436 17,960 19,438 20,866 22,242 23,566 24,838 26,056 3,355 5,016 6,714 8,418 10,111 11,782 13,422 15,026 16,590 18,110 19,583 21,006 22,377 23,696 24,962 26,175 1,933 3,518 5,185 6,834 8,588 10,280 11,947 13,584 15,184 16,744 18,260 19,728 21,145 22,511 23,825 25,085 26,293 2,086 2,240 2,396 2,553 2,712 3,682 5,354 7,065 8,758 10,448 12,112 13.746 15,342 16,898 18,409 19,872 21,284 22,645 23,953 25,209 26,411 3,847 5,523 7,225 8,928 10,615 12,277 13,907 15,500 17,051 18,557 20,015 21,423 22,778 24,081 25,331 26,528 8 Таблица 1. 90 3.68 7.73 11.80 15.99 20.22 24.49 28.73 32.90 36.97 40.98 44.78 48.50 52.08 Тэдс (мВ) термопары хромель-копель (холодные концы при 0oC). 100 1,337 1,483 1.632 1,781 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 50 2.02 6.13 10.15 14.30 18.51 22.78 27.04 31.24 35.36 39.36 43.26 47.03 50.67 4,012 5,693 7,396 9,098 10.783 12,442 14,068 15,657 17,204 18,705 20,158 21,561 22,911 24,209 25,453 26,645 4,178 5,862 7,567 9,267 10,950 12,606 14,229 15,813 17,356 18,853 20,301 21,698 23,043 24,335 25,575 26,761 4,345 6,032 7,737 9,436 11,117 12,770 14,389 15,970 17,503 19,000 20,443 21,835 23,175 24,462 25,696 26,877 Таблица 2. Таблица 3.