1. Цель работы

Ознакомится с методами измерения температуры при использовании термоэлектрического преобразователя. Определить погрешности измерений и сравнить точность используемых методов измерений.

II. Введение

Под термоэлектрическим комплектом понимают измерительную установку, предназначенную для измерения температур, состоящую из чувствительного элемента - термопары (или нескольких термопар), соединительных проводов и измерительного прибора: милливольтметра или автоматического потенциометра.

Принцип действия термопары основан на возникновении термоэлектродвижущей силы (термо-э.д.с.) в замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников, если места соединения проводников имеют разную температуру. Разнородные проводники, образующие термопару называются термоэлектродами. Один из спаев термоэлектродов, называемый рабочим концом, помещают в среду, температуру которой надо измерять. К другому концу термопары, называемому свободным, присоединяются провода, направляемые к прибору, измеряющему термо-э.д.с. термопары.

Величина термо-э.д.с. термопары зависит как от материала термоэлектродов, так и от разности температур ее рабочего и свободного концов. Каждая термопара имеет свою градуировку, т.е. определенную зависимость т.э.д.с. Е(t) от температуры рабочего конца при определенной температуре свободных концов. Все существующие градуировочные таблицы и графики составлены при температуре свободных концов - 0 ⁰С.

Для измерения термо-э.д.с. используется два метода: прямой, реализуемый милливольтметрами, и компенсационный, реализуемый потенциометрами.

Пирометрический милливольтметр

Представляет собой прибор магнитоэлектрической системы с постоянным магнитом, между полюсами которого помещается подвижная рамка с жестко укрепленной на ней стрелкой.

Принцип действия милливольтметра основан на взаимодействии двух магнитных полей: поля постоянного магнита и поля, образованного электрическим током, протекающим по рамке. Рамка прибора, обычно прямоугольной формы, состоит из нескольких сот или тысяч последовательных витков тонкой изолированной медной или алюминиевой проволоки скрепленных бакелитовым или иным аналогичным лаком. Рамка 3 укреплена на оси и может перемещаться в узком воздушном зазоре, образованном полюсными наконечниками магнита 1 и сердечником 5 (см. рисунок 6.1). С рамкой жестко связаны указатель 4, конец которого перемещается вдоль шкалы 2, и уравновешивающие грузики 6.

Подвижная система прибора укреплена на оси либо при помощи керновых опор, либо при помощи растяжек или подвесок из тонкой упругой металлической нити.

Милливольтметры имеют либо двойную шкалу в милливольтах по шкале прибора и в градусах температуры, либо только в градусах температуры, с указанием величины напряжения в милливольтах , соответствующего конечной отметке шкалы.

Отметки градусной шкалы соответствуют температуре рабочего конца термопары вполне определенной градуировки при условии, что сопротивление внешней цепи (термопара, компенсационные и соединительные провода и пр.) имеют некоторое определенное значение, указанное на шкале прибора.

Схема термоэлектрической цепи представлена на рисунке 6.2.

Сила тока в измерительной цеп зависит от т.э.д.с. термопары и сопротивления цепи:

, (1)

где Е(t;t₀) - термо-э.д.с. термопары при температуре рабочего конца и температуре свободных концов t₀;

R_вн - внешнее сопротивление цепи, состоящее из сопротивления термопары R_Т, проводов R_пр и подгоночной катушки R_п: R_вн = R_Т + R_пр + R_п. (2)

R_мв – внутреннее сопротивление милливольтметра, состоящее из сопротивления рамки и добавочного сопротивления :

. (3)

Рисунок 6.1- Принципиальная схема милливольтметра

а – компенсационные провода; б – медные провода

Рисунок 6.2- Схема термоэлектрической цепи

Погрешность измерения термо-э.д.с. милливольтметром обусловлена следующими факторами:

1) инструментальной погрешностью (класс точности прибора, отклонение градуировки термопары от стандартной);

2) методической погрешностью, возникающей в следствии:

1) изменения R_вн и R_мв из-за изменения температуры окружающей среды;

2) изменения температуры свободных концов термопары;

3) изменения механических характеристик измерительного механизма;

4) наличие внешних магнитных полей.

Переносной потенциометр ПП-63

Большую точность измерения обеспечивают потенциометры, принцип действия которых основан на компенсационном методе измерения. Данный метод основан на уравновешивании (компенсации) измеряемой т.э.д.с. известным напряжением, получаемым от строго определенного тока, называемого обычно рабочим, на сопротивлении с известным значением. Измерение термо-э.д.с. осуществляется более точно, так как в момент измерения ток в цепи равен нулю и изменение температуры окружающей среды не оказывает влияние на сопротивление внешней цепи.

Потенциометрический или компенсационный метод измерения термо–э.д.с. основан на том, что сигнал термопары уравновешивается равным по величине, но обратным по знаку напряжением от вспомогательного источника тока, которые затем измеряются с большой точностью.

Электродвижущая сила нормального элемента строго постоянна и при t = 20^оС равна 1,0185 В. Термопара включается таким образом, чтобы развиваемая ею термо-э.д.с. была направлена на встречу э.д.с. нормального элемента.

Общий вид панели потенциометра типа ПП-63 схематично показан на рисунке 6.3. На этой панели показано расположение зажимов, тумблеров, переключателей, рукояток источника регулируемого напряжения ИРН, гальванометра, двух кнопок КН1 (грубо) и КН2 (точно), рукоятки реостатов R15 и R16 (рабочий ток), рукояток секционированного резистора Rc и реохорда Rр. Для регулировки рабочего тока имеются две рукоятки, меньшая из них служит для грубой регулировки, а большая для точной регулировки.

Двумя такими же рукоятками снабжен источник регулируемого напряжения ИРН. Работу на потенциометре начинают с установления рабочего тока в его компенсационной цепи, предварительно включив питание и установив стрелку гальванометра на нулевую отметку шкалы с помощью корректора. Далее тумблер В1 ставят в положение ’К’ и, нажимая кнопку КН1, замыкают цепь НЭ. Если стрелка гальванометра отклоняется от нулевой отметки шкалы вправо или влево, то, вращая рукоятки резисторов R15 и R16, изменяют их сопротивление до тех пор, пока стрелка гальванометра не установится против нулевой отметки. После этого производят окончательную подгонку рабочего тока, нажимая кнопку КН2 и регулируя рабочий ток в цепи только с помощью резистора R16.

Признаком установления определенного значения рабочего тока I является отсутствие тока в цепи гальванометра в пределах определенной точности. После установки рабочего тока тумблер В1 ставят в положение 'И', а рукоятки реохорда Rр и секционированного резистора Rс в положение, близкое значению измеряемой термо-э.д.с. или напряжения.

Затем нажимая кнопки КН1 и КН2 (порядок включения кнопок такой же, как и при установке рабочего тока) и наблюдая за отклонением стрелки гальванометра, вращая рукоятку реохорда Rр до тех пор, пока стрелка гальванометра не возвратится на нулевую отметку шкалы.

Рисунок 6.3- Общий вид панели переносного потенциометра типа ПП-63

В этом случае компенсирующее напряжение равно измеряемой термо-э.д.с. Е(t;t₀) или измеряемому напряжению. Пределы допускаемой основной погрешности потенциометра при температуре окружающего воздуха от 15 до 30 ⁰С не превышают:

(4)

где U - данное показание потенциометра, В;

U_min - цена наименьшего деления реохорда, В.