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

34917. Предприятия, домашние хозяйства и государство - субъекты экономического кругооборота 36.5 KB
  Предприятия производят товары покупают сохраняют и продают продукты домашним хозяйствам или бюджетным организациям повышают производительность производства используя новые капиталовложения. Государственные учреждения и домашние хозяйства потребляют используя свои доходы или экономя их получают либо предоставляют кредиты. С другой стороны каждый из нас как участник домашнего хозяйства потребляет товары и услуги.
34918. Цикличность экономического развития. Экономический цикл и его фазы 30.5 KB
  Фазы экономического цикла Цикличность экономического развития. В основе цикла лежит динамика спроса которая в свою очередь определяется доходами домашних хозяйств и фирм Выделяют три типа экономических циклов в зависимости от причин и сроков длительности. Выделяют четыре фазы цикла: пик высшая точка экономической активности спад рецессия низшая точка активности подъем экспансия. Фазы экономического цикла изображены на рис.
34919. Антиинфляционная политика государства и социально-экономические последствия инфляции 29 KB
  Социальноэкономические последствия инфляции проявляются в следующем: 1. Если номинальный доход остается стабильным или растет медленнее темпов инфляции то реальный доход падает. Именно поэтому в период инфляции в наибольшей степени страдают люди с фиксированными доходами.
34920. Безработица. Виды безработицы. Естественный уровень безработицы 28.5 KB
  Виды безработицы. Естественный уровень безработицы Безработица ее виды и причины Безработица неотъемлемое свойство рыночной системы хозяйствования. На основании данных о занятости и безработице определяется уровень безработицы. Уровень безработицы – удельный вес численности безработных в численности экономически активного населения .
34921. Бюджетные линии и кривые безразличия 56.5 KB
  Осуществление потребительского выбора характеризуется при помощи набора безразличия набора вариантов потребительского выбора каждый из которых обладает одинаковой полезностью. Графическим отображением набора безразличия является кривая безразличия. Набор кривых безразличия для одного потребителя и для одной пары благ составляет карту кривых безразличия.
34922. Бюджетный дефицит 27 KB
  Наличие дефицита может быть следствием: кризисных явлений в экономике; неспособности правительства держать под контролем финансовую ситуацию в стране; чрезвычайных обстоятельств войны крупных стихийных бедствий; милитаризации экономики в мирное время; осуществления крупных централизованных вложений в развитие производства и осуществление структурной перестройки; увеличения темпов роста социальных расходов по сравнению с темпами роста валового внутреннего продукта и т. Несбалансированность имеет краткосрочный характер если несоответствие...
34923. ВВП и другие показатели дохода 32 KB
  ВВП и другие показатели дохода Основным макроэкономическим показателем рыночной экономики безусловно является ВВП. Следует заметить что в ВВП не включается стоимость промежуточных товаров и услуг которые необходимы для осуществления самого процесса производства поскольку они уже входят в стоимость товарной продукции. ВВП – это внутренний продукт поскольку в его создании участвуют только резиденты данной страны т. Соответственно в первом случае мы имеем ВВП и ВНД а вычитая из них потребление основного капитала мы получаем чистый...
34924. Виды и причины возникновения инфляции. Кривая Филипса 34 KB
  Виды инфляции: Инфляция спроса порождается избытком совокупного спроса по сравнению с реальным объемом производства. Дефицит товара Инфляция предложения издержек рост цен вызван увеличением издержек производства в условиях недоиспользованных производственных ресурсов. Сбалансированная инфляция цены различных товаров остаются неизменными друг относительно друга. Несбалансированная инфляция цены различных товаров изменяются по отношению друг к другу в различных пропорциях.