Контроль характеристик термоперетворювачів опору (стр. 1 из 2)
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Національний університет «Львівська політехніка»
Інститут Комп’ютерних технологій, автоматики і метрології
Кафедра метрології, стандартизації та сертифікації
«Контроль характеристик термоперетворювачів опору»
з дисципліни «Методи та прилади контролю якості»
Львів 2010
Зміст
термоперетворювач опір температура аморфний
Загальні положення
1. Термоперетворювачі опору
2. Вимірювання температури за допомогою автоматичного зрівноваженого містка
3. Огляд сучасних термоперетворювачів
4. Вплив агресивного середовища на матеріал
5. Металеві аморфні стопи як матеріали чутливих елементів термоперетворювачів
Висновок
Загальні положення
У сучасних технологічних процесах вимоги до точності вимірювання температури на об’єктах ставлять на дуже високому рівні, тому постійно відбувається пошук шляхів покращання метрологічних характеристик термоперетворювачів. Чутливі елементи, які використовують сьогодні у промисловості, характеризуються недостатніми стабільністю статичної характеристики перетворення та надійністю і порівняно малим ресурсом. Методи та засоби, які застосовують для стабілізації електрофізичних властивостей матеріалів чутливих елементів, нині не забезпечують на необхідному рівні метрологічних та експлуатаційних характеристик сучасних термоперетворювачів.
Здебільшого основною проблемою контактної термометрії є:
- втручання в температуру об’єкта;
- вплив елементів конструкції та захисної арматури (висока інерційність;
- корозія чутливих елементів і арматури;
- вплив способу монтажу на об’єкті;
- похибка від гальмування потоку).
Найважливішими властивостями матеріалів для термометрії є:
- відтворюваність та стабільність електрофізичних параметрів;
- лінійність температурної залежності;
- стійкість проти впливів зовнішнього середовища;
- надійність та довговічність термоперетворювачів у робочих умовах.
Для створення термоперетворювачів опору використовують матеріали, що мають стабільні і відтворювані електрофізичні характеристики, а також високу стійкість проти впливу зовнішнього середовища. Для вимірювання високих температур використовують платину, вольфрам, молібден й інші важкотопкі метали, однак вони потребують залучення захисних засобів, що запобігають їх оксидуванню і виходу з ладу. Що стосується термоелектричних перетворювачів, то треба враховувати низку факторів, які впливають на термоелектричні властивості чутливих елементів, асаме:
- вплив механічних напружень у чутливому елементі на термоелектрорушійну силу (термо-ЕРС);
- вплив тиску на термо-ЕРС;
- вплив магнетних, електричних полів і радіаційного опромінювання на термоелектричні властивості матеріалів.
У сучасній термометрії налічується близько 55 % термоелектричних термометрів від загальної кількості контактних термометрів, що використовуються на промислових підприємствах і в наукових установах. Це зумовлено низкою переваг термоелектричних термометрів, зокрема такими, як простота виготовлення і експлуатації, достатня для більшості випадків точність вимірювання, наявність великої кількості вимірювальних приладів, розрахованих на роботу з термоелектричними перетворювачами, порівняно невисока вартість термометрів, високі характеристики надійності, взаємозамінюваність, можливість автоматизації процесу вимірювання.
1.Термоперетворювачі опору
У термометрах опору чутливий елемент виготовляють переважно з металів, стопів і напівпровідників високої чистоти. Більшість металів мають додатний температурний коефіцієнт електричного опору, який становить 0.004–0.006 К-1 для чистих металів, а це означає, що у напівпровідниках з підвищенням температури опір зазвичай зменшується за експоненційним законом. При цьому температурний коефіцієнт опору напівпровідників за абсолютним значенням в 5–10 разів вищий, ніж для чистих металів. Діапазон вимірювання температур термометрами опору лежить в межах від мінус 260 до +1100 °С. Термометри опору забезпечують високу точність вимірювання температури — похибка термометрів окремих типів не перевищує сотих часток Кельвіна. Наявність великої кількості вимірювальних пристроїв для роботи з термоперетворювачами опору, порівняно невисока вартість, висока надійність і стабільність (до 0.01 К на рік) термоперетворювачів, можливість автоматизації процесу вимірювання — всі ці якості забезпечують широке використання термоперетворювачів опору в практиці температурних вимірювань.
Дії термоперетворювачів опору базується на властивості металів збільшувати електричний опір при нагріванні, тобто
де Rt – опір металу, з якого виготовлено термоперетворювачі, при будь-якій температурі. У загальному випадку для виготовлення термоперетворювачів використовують чисті метали, зокрема мідь і платину. Залежність опору термоперетворювача із міді (Rt) від температури (t) записують у вигляді
де R0 – опір термоперетворювача при t = 0°C;
a = 4,26·10-3[1/°С].
Для термоперетворювача опору з платини цю залежність записують у вигляді
де А = 3,968·10-3[1/°С]; В = -5,847·10-7[1/°С];
R0 – опір цього термоперетворювача при t = 0°C.
Для контролю концентрації компонентів, що містятьсяу матеріалі, вимірюють значення електропровідності ітемпературного коефіцієнта електричного опору.
Значення температурного коефіцієнта опору длячистих металів зростає зі зростанням їх чистоти. Томуметали нормуються за значенням чистоти, яка корелюєзі значенням температурного коефіцієнта опору б0-100.Значення відношення R100/R0 і б0-100 — загальноприйняті показники ступеня чистоти металу інаявності в ньому механічних напружень. Для мінімізації механічних напружень застосовують спеціальний режим відпалювання.
Конструкції термоперетворювачів опору різні, але всі вони мають чутливі термоелементи й зовнішню захисну арматуру. Промисловість випускає термоперетворювачі, у яких: R0 = 50 Ом, або R0 = 100 Ом. Термоперетворювачі опору мідні використовують для вимірювання температур від -50 до 200°С, а термоперетворювачі опору платинові – від -200 до 650°С. Найбільше вживають термоперетворювачі опору мідні типу ТСМ-0879, або термоперетворювачі опору платинові типу ТСП-0879. На ФСА ТП термоперетворювачі опору умовно позначають у вигляді: ТЕ – тобто як елемент систем автоматичного керування, це первинний перетворювач (ПП) для вимірювання температури.
2.Вимірювання температури за допомогою автоматичного зрівноваженого містка
Сигнали від ПП, пропорційні вимірюваній температурі, надходять на вхід вторинного приладу (ВП) або на вхід передавального перетворювача (ПрП). Як вторинні прилади використовують автоматичні містки: зрівноважені або незрівноважені; двопровідні або трипровідні. На деякі з них можна подавати до 12 сигналів від ПП. Крім того до ВП можна підключати автоматичні регулятори.
Тут Rt – змінний резистор для зображення термоперетворювача опору;
Rp – реохорд, движок якого автоматично переміщують за допомогою механічного зв’язку з РД (перервна лінія);
R1, R2, R3 – резистори, кожний з них зі своїм постійним опором, виготовлені з манганіну;
Rпр – резистори для умовного зображення опору двох ліній зв’язку (проводів) між термоперетворювачем опору (Rt) та містком, а третя лінія (провід) – для живлення містка в діагональних точках: в, г;
ЕП – електронний підсилювач сигналів;
РД – реверсивний електричний двигун змінного струму;
6,3 В – напруга живлення містка змінного струму;
а – б, в – г – протилежні точки діагоналей містка.
Умовою рівноваги цього автоматичного містка є рівність добутків протилежних опорів у плечах містка. Так, за умови знаходження движка реохорда в крайньому лівому положенні умову рівноваги містка записують у вигляді
При зрівноваженні містка напруга на протилежних точках діагоналі містка (а і б) однакова, тобто на вхід електронного підсилювача (ЕП) сигнали не надходять, а стрілка і перо (на рис. 4.2 не показано) – фіксують значення температури, пропорційної значенню опору Rt. При підвищенні (зниженні) вимірюваної температури опір термоперетворювача Rt змінюється, на протилежних точках діагоналі містка (а і б) виникає розбаланс напруги, який надходить на вхід ЕП і там підсилюється, а потім – на РД. Залежно від знака розбалансу РД обертається в один або інший бік, за рахунок механічного зв’язку його з реохордом автоматично переміщується движок реохорда (для отримання нової умови рівноваги містка), а стрілка і перо на температурній шкалі фіксують нове значення температури.
Промисловість випускає багато типів автоматичних містків, найбільше поширення мають: автоматичні зрівноважені керуючі самозаписуючі трипроводні містки типу КСМ-2 та КСМ-4, технічні характеристики яких наведено в табл.
Таблиця 1 Технічні характеристики самозаписуючих трипроводних містків
| № п/п | Характеристика | КСМ-2 | КСМ-4 |
| 1. | Кількість параметрів вимірювання | 1, 3, 6, 12 | 1, 3, 6, 12 |
| 2. | Умови експлуатації:- вологість повітря, %- температура повітря, С | 30 – 805 – 50 | 30 – 805 – 50 |
| 3. | Маса, кг | 20 | 22 |
| 4. | Запис вимірюваних значень температури | стрічкова діаграма на барабані | стрічкова діаграма, що складається |
Незрівноважені автоматичні містки, як правило, використовують в лабораторних дослідженнях. За їх допомогою можна отримати більш точні значення вимірюваної температури за рахунок підключення термоперетворювача опору безпосередньо в одну з діагоналей містка