23367

Исследование термоэлектрического термометра

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Произвести измерения термоЭДС на клеммах подключения термопары 1819 для значений указанных преподавателем. Рассчитать основную абсолютную погрешность прибора по формуле: где Eиtt0 – измеренное значение термоЭДС; Eдtt0 – действительное значение термоЭДС определяемое по градуировочной таблице с учетом введения поправки на температуру свободных концов. Рассчитать основную приведенную погрешность термопары по формуле: где Eвt0C и Eнt0C – значения термоЭДС соответствующие верхнему и нижнему пределам измерения температуры...

Русский

2013-08-04

436.5 KB

8 чел.

Уфимский государственный нефтяной технический университет

Кафедра автоматизации производственных процессов

Лабораторная работа

Исследование термоэлектрического термометра

Уфа 2007


Цель работы заключается в изучении принципа действия и получении практических навыков по применению термопары.

Порядок выполнения работы

  1.  Изучить теоретический материал.
  2.  Провести поверку термоэлектрического термометра типа ТХК.
  3.  Обработать результаты экспериментов и определить класс точности термометра.
  4.  Ответить на контрольные вопросы.

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка состоит из стенда, на котором размещены: нагревательный элемент, поверяемая термопара типа ТХК, блок ввода аналогового сигнала от термопары (ИПМ); персонального компьютера с установленным программным обеспечением; а также многопредельного мультиметра.

Методические указания к выполнению работы

Перед запуском программы настройки выполните следующие действия в указанном порядке:

  1.  Подготовьте к работе ЭВМ в соответствии с ее руководством по эксплуатации.
  2.  Подключите один или несколько приборов к последовательному порту ЭВМ (COM1,COM2) руководствуясь соответствующими документами, входящими в комплект поставки приборов.
  3.  Включите питание приборов и ЭВМ. Порядок включения питания значения не имеет.

ВНИМАНИЕ!!!

БЕЗ ПОДКЛЮЧЕННОЙ ТЕРМОПАРЫ В НАГРЕВАТЕЛЬНОМ

ЭЛЕМЕНТЕ ПИТАНИЕ НЕ ВКЛЮЧАТЬ.

  1.  Запустить программу настройки прибора с помощью ярлыка на рабочем столе или в меню кнопки ”ПУСК”.
  2.  В появившемся окне выбрать новый проект или открыть ранее сохраненный (действия А, В – см. рис. 1).

Рис. 1.

  1.  В окне настроек прибора выставить необходимые значения для работы (см. рис. 2-4).

1

Тип датчика  (ХА, ХК,ТС…).

2

Тип линии связи датчика с прибором.

3

Нижний порог шкалы.

4

Верхний порог шкалы.

5,6,7

Порог срабатывания реле, уставка (по умолчанию = 0).

8

Считывание ранее установленных настроек прибора.

9

Запись установленных настроек в прибор.

10,11,12

Связь 1,2,3 реле с одной из уставок (в нашем случае это 3-е реле).

13

Переход к панели измерения параметров.

14

Тип работы реле (Н.О.=0 или Н.З.=1).

15

Запуск измерения прибором параметра (температуры).

16

Окно индикации параметра.

17

Задание времени измерения параметра.

18

3-D вид индикации кривой измеряемого параметра.

19

Автоматическое масштабирование графика по оси X и Y.

20

Ручной сдвиг графика по оси X и Y.

21

Растяжение и сдвиг графика по оси X и Y.

22

Таблица изменения параметра (по точкам).

23

Печать текущего проекта.

Рис. 2.

Рис. 3.

Рис. 4.

После подготовки программы необходимо:

1. Переключить предел измерений мультиметра в положение, соответствующее минимальному пределу измерений постоянного напряжения (200 мВ).

2. В настройках измерения записать значение уставки реле равным 70, и записать в прибор с помощью кнопки (9).

3. Переключиться на вкладку «Измерение» и начать измерение с помощью кнопки «измерение».

4. Произвести измерения термоЭДС на клеммах подключения термопары (18,19) для значений, указанных преподавателем. При измерениях произвести введение поправки на температуру свободных концов термопары.

5. Рассчитать основную абсолютную погрешность прибора по формуле:

,

где Eи(t,t0) – измеренное значение термоЭДС; Eд(t,t0) – действительное значение термоЭДС, определяемое по градуировочной таблице с учетом введения поправки на температуру свободных концов. При этом считать, что температура свободных концов равна комнатной температуре (22°C).    

6. Рассчитать основную приведенную погрешность термопары по формуле:

,

где Eв(t,0°C) и Eн(t,0°C) – значения термоЭДС соответствующие верхнему и нижнему пределам измерения температуры (определяемые по градуировочной таблице 3).

Занести полученные результаты в таблицу 1.

Таблица 1 – Результаты измерений и рассчитанные погрешности

№ измерения

1

2

3

4

5

Температура, ºС

Eи(t,t0), мВ

Пр.ход

Обр. ход

Eд(t,0°C), мВ

Eд(t0,0°C), мВ

Eд(t,t0), мВ

Абсолютная погрешность, мВ

Пр.ход

Обр. ход

Приведенная погрешность, %

Пр.ход

Обр. ход

Вариация, мВ

Краткие теоретические сведения

Термопары (ТП) представляют собой цепь, состоящую из двух или нескольких соединенных между собой разнородных проводников. На рис. 5 показана термоэлектрическая цепь, состоящая из двух проводников (термоэлектродов) А и В. Места соединений термоэлектродов 1 и 2 называют спаями или концами.

Рис. 5 – Схема термоэлектрического преобразователя

 

Принцип действия ТП основан на использовании термоэлектрического эффекта, заключающегося в том, что, если температуры спаев t и to не равны, то в замкнутой цепи будет протекать электрический ток. Направление этого тока, называемого термотоком, зависит от соотношения температур спаев, т. е. если t>to, то ток протекает в одном направлении, а при t<toв другом. При размыкании такой цепи на ее концах может быть измерена так называемая термоэлектродвижущая сила (термоЭДС). Генерируемая в контуре ТП термоЭДС зависит только от химического состава термоэлектродов и температуры спаев и не зависит от геометрических размеров термоэлектродов и размера спаев.

Для замкнутой цепи, показанной на рис. 5, результирующая термоЭДС равна

EAB(tt0) = eAB(t) – eAB(t0),              (1)

где eAB(t) и e(t0) – потенциалы, возникающие в местах соприкосновения проводников. Индексы при Е и е указывают направление термоЭДС: от А к В или от В к А.

Из последнего выражения следует, что возникающая в контуре термоЭДС EAB(tt0) зависит от разности функций температур t и t0. Если сделать t0 = const, то eAB(t0) = c = const и

EAB(tt0)t0 = const = eAB(t) – c = f(t).              (2)

При известной зависимости (2) путем измерения термоЭДС в контуре ТП может быть найдена температура t в объекте измерения, если температура t0 = const. Спай, погружаемый в объект измерения температуры, называют рабочим спаем или рабочим концом, а спай вне объекта называют свободным спаем (концом).

В явном виде зависимость (2) не может быть получена аналитически с достаточной точностью. Поэтому при измерении температур эта зависимость для различных типов ТП устанавливается экспериментально путем градуировки и построения графика или таблицы зависимости термоЭДС от температуры.

При градуировке ТП температура свободных концов обычно поддерживается при постоянной температуре t0, равной 0° С. При измерении температуры в практических условиях температура свободных концов ТП не равна 0 °С. При этом статическая характеристика ТП не соответствует градуировочной характеристике и смещается вертикально вверх или вниз (см. рисунок 6).

Рис. 6 – Смещение характеристики термопары при изменении t0

Смещение характеристики ТП вызывает необходимость введения поправки на температуру свободных спаев по уравнению:

E(t,t0) = E(t,0°С) – Е(t0,0°С),

(3)

где Е(t,0°С) – термоЭДС, развиваемая ТП при температуре рабочего спая t и температуре свободного спая 0 °С; E(t0,0°С)- термо-э.д.с., развиваемая ТП при температуре рабочего спая t = t0 и температуре свободного спая 0°С. Из выражения видно, что при t0 < 0 статическая характеристика смещается вверх, а при что при t0 > 0 статическая характеристика смещается вниз.

В настоящее время широко применяется автоматическое введение поправки на температуру свободных спаев ТП при помощи специальных компенсирующих устройств. Эти устройства располагаются отдельно или встраиваются во вторичный прибор.

Для измерения термоЭДС ТП в ее цепь включают измерительный прибор по одной из двух схем (рис. 7). В качестве измерительных приборов термоЭДС используются магнитоэлектрические милливольтметры и потенциометры (измерительные компенсаторы).

Рис. 7 – Схемы включения измерительного прибора в цепь ТЭП

Для подключения измерительных приборов к ТП используют специальные удлиняющие термоэлектродные провода. Эти провода должны быть термоэлектрически подобны термоэлектродам термопары. Для ТП из неблагородных металлов удлиняющие провода изготавливаются из тех же материалов, что и термоэлектроды, а для ТП из благородных металлов удлиняющие провода выполняются из материалов, развивающих в паре между собой примерно ту же термоЭДС, что и ТП, для которой они предназначены. Посредством удлиняющих проводов производится как бы наращивание термоэлектродов термометра, позволяющее отнести свободные концы от места его установки в более благоприятные условия.

Наибольшее распространение для изготовления термоэлектрических термометров получили материалы: платина (Pt), платинородий (90 % Pt + 10 % Rh), хромель (10% Cr + 90 % Ni), алюмель (95 % Ni + 5 % Al) и копель (56 % Cu + 44 % Ni). Для измерений в лабораторных установках находят также применение медь, железо и константан и др.

К материалам термоэлектродов термопар предъявляются следующие требования:

  •  механическая и химическая устойчивость при высоких температурах;
  •  хорошие электропроводность и теплопроводность;
  •  постоянство термоэлектрических свойств;

однозначная зависимость термоЭДС от температуры.

Наиболее распространенными типами ТП являются: ТХА (К-типа) – термопары хромель-алюмелевые; ТХК (J-типа) – термопары хромель-копелевые; ТПП – термопары платинородий-платиновые и т.д.

 На рис. 8 показано устройство стандартного термоэлектрического термометра. В жесткой защитной гильзе 1 расположены термоэлектроды 2 с изоляционными трубками 3. Рабочий спай 4 термопары обычно приваривается к дну защитной гильзы. К термоэлектродам в головке 5 подсоединяются удлинительные провода 6. Защитная гильза с содержимым вводится в объект измерения и крепится на нем с помощью штуцера 7. Длина погружаемой части L в среду, температуру которой измеряют, выполняется различной для каждого конкретного типа термоэлектрического термометра.

Рис. 8 – Конструкция термоэлектрических термометров

В настоящей работе исследуется термопара типа ТХК, градуировочные данные для которой приведены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2 – Градуировка термопары типа ТХК для диапазона температур (0...100)°С

Темпера-тура рабочего конца

Единицы °С

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Десятки °С

ТермоЭДС, мВ

0

0,0

0,07

0,13

0,20

0,26

0,33

0,39

0,46

0,52

0,59

10

0,65

0,72

0,78

0,85

0,91

0,98

1,03

1,11

1,18

1,24

20

1,31

1,38

1,44

1,51

1,56

1,64

1,70

1,77

1,84

1,91

30

1,98

2,05

2,12

2,18

2,25

2,32

2,38

2,45

2,52

2,59

40

2,66

2,73

2,80

2,87

2,94

3,00

3,07

3,14

3,21

3,28

50

3,35

3,42

3,49

3,56

3,63

3,70

3,77

3,84

3,91

3,98

60

4,05

4,12

4,19

4,26

4,33

4,41

4,48

4,55

4,62

4,69

70

4,76

4,83

4,90

4,98

5,05

5,12

5,20

5,27

5,34

5,41

80

5,48

5,55

5,62

5,69

5,76

5,83

5,90

5,97

6,04

6,11

90

6,18

6,25

6,32

6,39

6,46

6,53

6,60

6,67

6,74

6,81

100

6,95

7,03

7,10

7,18

7,25

7,33

7,40

7,48

7,55

7,62

Таблица 3 – Градуировка термопары типа ТХК для диапазона температур (0...800)°С

Темпера-тура рабочего конца

Десятки °С

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Сотни °С

ТермоЭДС, мВ

0

0

0,65

1,31

1,98

2,66

3,35

4,05

4,76

5,48

6,18

100

6,95

7,69

8,43

9,18

9,93

10,69

11,46

12,24

13,03

13,84

200

14,66

15,48

16,30

17,12

17,95

18,77

19,60

20,43

21,25

22,08

300

22,91

23,75

24,60

25,45

26,31

27,16

28,02

28,89

29,76

30,62

400

31,49

32,35

33,22

34,08

34,95

35,82

36,68

37,55

38,42

39,29

500

40,16

41,03

41,91

42,79

43,68

44,56

45,45

46,34

47,23

48,12

600

49,02

49,90

40,78

51,66

52,53

53,41

54,28

55,15

56,03

56,90

700

57,77

58,64

59,51

60,37

61,24

62,11

62,97

63,83

64,70

65,56

800

66,42

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Требования к отчету

Отчет должен содержать формулировку цели работы, структурную схему исследуемого прибора с кратким описанием его принципа действия, таблицу с результатами эксперимента, расчет погрешностей с необходимыми формулами и выводами.

Контрольные вопросы

  1.  В чем заключается термоэлектрический эффект?
  2.  Какие достоинства имеют термоэлектрические термометры?
  3.  Как изменится термоЭДС при включении в цепь термопары третьего проводника?
  4.  Как изменится термоЭДС термопары при уменьшении или увеличении температуры холодных спаев?
  5.  Для чего вводится поправка к измеренной термоЭДС термопары при отклонении температуры холодных спаев от 0°С?
  6.  Какие материалы используют при изготовлении электродов термоэлектрических термометров?
  7.  Какие требования предъявляют к материалам термоэлектрических термометров?
  8.  Как при помощи термоэлектрического термометра (термопары) измерить температуру?
  9.  Какие типы термопар Вы знаете?
  10.  С какой целью используют термоэлектродные удлиняющие провода?
  11.  Каким образом обеспечить температуру свободных концов 0 °С.
  12.  Поясните устройство промышленного термоэлектрического термометра.
  13.  Как определяются статические характеристики термоэлектрических преобразователей?
  14.  Что такое градуировочные таблицы термопар?
  15.  Способ компенсации температур холодных спаев.
  16.  Что такое статическая характеристика термопар?
  17.  Какие другие принципы измерения температуры Вы знаете?

Список литературы

  1.  Дубровный В.А., Забокрицкий Е.И., Трегуб В.Г., Холодовский В.А. Справочник по наладке автоматических устройств контроля и регулирования. В двух частях. – К.: Наукова думка, 1981. – 940с.
  2.  Майзель М.М., Смирнов С.М. Технологические измерения и приборы в легкой промышленности. – М.: Машиностроение, 1971. – 448с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

85271. Пассивные оптико-электронные инфракрасные извещатели. Принцип действия и технические характеристики 184 KB
  Таким образом в такой системе каждая линза формирует две элементарные чувствительные зоны свою для каждого чувствительного элемента. Необходимо применять извещатели защищенные от проникновения внутрь насекомых а также по требованию заказчика и подразделений охраны обеспечивать герметизацию мест...
85273. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ (ПОЛЕВЫЕ) МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПОЖАРА В ПОМЕЩЕНИИ. ЧИСЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИИ ПОЛЕВОЙ МОДЕЛИ 208 KB
  Наиболее детальный уровень моделирования могут обеспечить, в принципе, полевые модели пожара. Эти модели называют дифференциальными. Полевые модели базируются на использовании дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих пространственно-временное распределение температур...
85275. С. Николаев «Почему «под-ушка», а не «под-голова» или немножко словесной эквилибристики». Я. Козловский «О словах разнообразных, одинаковых, но разных». Спустя рукава 46.5 KB
  Познакомить со статьями С. Николаева, Я. Козловского; учить понимать логическое и образное содержание, находить главное, ориентироваться в тексте; продолжить формирование коммуникативных компетенций, познавательных умений детей, развивать критическое мышление, познавательные процессы в их взаимосвязи...
85276. Падежные окончания имен существительных 1 склонения 44 KB
  Цель: закрепить и обобщить знания учащихся об именах существительных 1 склонения; формировать навык проверки безударных окончаний имен существительных 1 склонения; повторить и закрепить правописание существительных женского рода на –ия (акация, армия), правописание окончаний в родительном, дательном...
85277. Несклоняемые имена существительные. Три склонения имен существительных 48.5 KB
  Цель: познакомить с несклоняемыми именами существительными; формировать умение склонять имена существительные; формировать навыки определения падежа имени существительного по вопросу и предлогу; углубить знания детей об имени существительном как части речи. Чему будем учиться на уроке...
85278. Предложение. Виды предложений по цели высказывания 36.5 KB
  Цель: повторить и обобщить знания учащихся об основных признаках предложения, видах предложений, правилах оформления его на письме; обогащать словарный запас детей; развивать умения правильно интонировать предложение; воспитывать любовь к природе.
85279. Упражнения в распознавании типа склонений имен существительных 51 KB
  Цели: Познакомить детей с распознаванием типа склонения имен существительных стоящих в косвенных падежах. Обозначить падежи имен существительных. Автомобиль аккуратно интересный богаж гареть вперед вчира жилать директор газета Определите склонение имени существительного.