Номинальные статические характеристики термопреобразователей сопротивления

1)Термометр

Термоэлектрические термометры(термопары) являются первичными преобразователями, выходной сигнал которых измеряют магнитоэлек­трическими милливольтметрами или автоматическими потенциометрами.

Термоэлектрический термометр, простейшая цепь которого показана на рис. 2.3, а, представляет собой чувствительный элемент, выполнен­ный в виде двух проводников из раз­ных металлов (или полупроводников) со спаянными концами. Сущность термоэлектрического эффекта заклю­чается в том, что в месте соединения двух проводников из разных металлов возникает электродвижущая сила, на­зываемая термоэлектродвижущей (сокращенно термо-ЭДС).

Термо-ЭДС зависит от материала проводников Аи Б, составляющих термоэлектрический термометр, а также от температуры холодного спая, называемого свободным концом 1. Свободный конец термоэлектрического термометра должен находиться в зоне постоянной температуры, имеющей определенное (известное) значение. При этом условии термо-ЭДС термоэ­лектрического термометра, а значит, и показания измерительного прибора будут зависеть только от температуры рабочего конца 2. Фактически свободный конец термоэлектрического термометра, как правило, находится в зоне переменной температуры, поэтому в качестве соединительных применяют так называемые компен­сационные провода, позволяющие перенести свободный конец в зону с постоянной известной температурой.

Для предохранения от повреждений термоэлектрические термо­метры заключают в защитную арматуру (рис. 2.3, б).

Термоэлектрические термометры имеют стабильную харак­теристику: термо-ЭДС, развиваемая ими, стандартизована, что де­лает термоэлектрические термоменты взаимозаменяемыми.

Современные средства микроэлектроники позволяют сигналы от термопар не только усиливать до нормального уровня, но и оцифровывать.

Рисунок 2.3. Простейшая термо­электрическая цепь (а) и об­щий вид термоэлектрического термометра (6):

1 - свободный конец; 2 - рабочий конец; 3 - термоэлемент; 4 - жаро­упорный наконечник; 5 - металли­ческий чехол; 6 - фарфоровые изо­ляторы; 7 - головка термометра с зажимами; А, Б - проводники из разных металлов

Предусмотрено изготовление пяти типов термоэлектрических термометров; вольфрамрений (5% рения) —вольфрамрениевые (20% рения) типа ТВР; платинородий — платиновые типа ТПП; платинородий (30% родия) — платинородиевые (6% родия) типа ТПР; хромел ь-алюмелевые типа ТХА; хромель-копелевые типа ТХК. Кроме того, промышленность изготовляет нестандартные вольфраммолибденовые термоэлектрические термометры типа ВМ.

Верхний предел температур, измеряемых термоэлектрическими термометрами, зависит от их типа. Так, термометр ТВР применяют для измерения температур до 2200°С, ТПП —до 1300, ТПР —до 1600, ТХА —до 1000, ТХК —до 600°С.

Термопреобразователи сопротивления (термометры сопротив­ления) широко применяют во всех отраслйх промышленности для измерения температуры в трубопроводах, технологическом обору­довании, электрических вращающихся машинах, нагревательных печах, а также в производственных помещениях.

Действие термопреобразователей сопротивления основано на свойстве применяемых в них проводниковых материалов (химически чистой платины или меди) изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры.

Платиновые термопреобразователи сопротивления применяют для измерения температуры от —260 до 1100°С. Чувствительный элемент такого термопреобразователя (рис. 2.4) изготовлен из платиновой проволоки /диаметром 0,05...0,08 мм, намотанной на слюдяную пластинку 4 (каркас) с зубчатой нарезкой, и помещен в защитную арматуру 8.

Медные термопреобразователи сопротивления для измерения температуры от —50 до 200°С изготовляют из медной изолирован­ной проволоки диаметром 0,1. .0,2 мм, а выводы—из медной луженой проволоки диаметром 1... 1,5 мм.

Рисунок 2.4 Платиновый термопреобразователь сопротивления:

1 - платиновая проволока; 2 - каркас; 3 - серебряная лента; 4 - слюдяная пластин­ка; 5 - выводы; 6 - чувствительный элемент; 7 - оксид аммония; 8 - защитная арматура; 9 - зажим; 10 - крышка; 11 - головка; 12, 13 - штуцера под кабель и штуцер для крепления оправы; 14 - изоляторы

Вторичными измерительными приборами для термопреобразо­вателей сопротивления служат такие же нормирующие усилители и аналого- цифровые преобразователи, применяемые для термопар.

Пирометры излученияприменяют для измерения температуры твердых и расплавленных тел в пределах от 400 до 4000°С. Ин­тенсивность излучения накаленных тел зависит от температуры их нагрева. Чем выше эта температура, тем больше излучение.

Пирометры, измеряющие температуру по яркости накаленного тела, известны под названием пирометров частичного излучения; к ним относятся оптические и фотоэлектрические пирометры. Оптические пирометры для стационарных измерений не применя­ют, поэтому в данном учебнике они не рассматриваются. Для измерения мощности полного излучения накаленных тел, т. е. суммарного теплового и светового, служат радиационные пиромет­ры, их называют еще пирометрами полного излучения.

Фотоэлектрические пирометры. В них исполь­зовано свойство фотоэлемента образовывать под действием ярко накаленного тела фотоэлектрический ток, значение которого пропорционально интенсивности падающего на фотоэлемент све­тового потока.

Фотоэлектрический пирометр (рис. 2.5, а) состоит из визирной головки б, силового блока 2, стабилизатора напряжения 1, элект­ронного потенциометра 14 и разделительного трансформатора 15. В визирной головке, являющейся первичным прибором пирометра, помещен фотоэлемент 12. Для измерения температуры визирную головку устанавливают так, что световой поток от излучателя 5 направляется через линзу 4 объектива на фотоэлемент. Правильная наводка визирной головки на излучатель производится с помощью окуляра 11 и зеркального отражателя 7. Перед кассетой установлен электромагнитный вибратор 8, заслонка которого вибрирует с час­тотой электрического тока 50 Гц и попеременно открывает отверстия кассеты Р, пропуская на фотоэлемент световой поток то от излучателя, то от лампы накаливания 3, являющейся эталоном.

Под влиянием световых потоков от излучателя и лампы накаливания на фотоэлементе образуется переменный фотоэ­лектрический ток, сила которого зависит от разности световых потоков. Переменное напряжение фотоэлектрического тока вначале усиливается электронным усилителем Д, расположенным в визирной головке, а затем в силовом блоке.

Лампа накаливания подключена к выходному каскаду силового блока. Если световые потоки от излучателя и лампы накаливания одинаковы, то одинаковы и электрические импульсы, посылаемые фотоэлементом в измерительную цепь. Если температура излучателя увеличится, то импульсы, посылаемые фотоэлементом, будут также увеличиваться, вследствие чего ток в лампе накаливания возрастет до восстановления равновесия. Таким образом, схема, реагируя на неравновесие (разбаланс) импульсов фотоэлемента, будет непре­рывно изменять значения тока, протекающего через лампу, обес­печивая равенство потоков лампы накаливания и излучателя. Измеряя силу тока, протекающего через лампу накаливания, можно определять температуру излучателя.

Для измерения силы тока использован самопишущий электрон­ный потенциометр 14, подключенный к шунту, который находится в цепи лампы накаливания.

Рисунок 2.5. Фотоэлектрический (а) и радиационный (б) пирометры излуче­ния:

1 - стабилизатор напряжения; 2 - силовой блок; 3 - лампа накаливания; 4 - линза; 5 - излучатель; 6 - визирная головка; 7 - зеркальный отражатель; 8 - электромаг­нитный вибратор; 9 - кассета; 10 - светофильтр; // - окуляр; 12 - фотоэлемент; 13 -электронный усилитель; Ц - электронный потенциометр; 15 - разделительный трансформатор; 16 - диафрагма; 17 - объектив телескопа; 18 - термоприемник; 19 -стеклянная колба; 20 - медный кожух; 21 - цоколь; 22 - вторичный прибор; 23 -медные провода

Фотоэлектрические пирометры применяют для автоматического контроля так называемой яркостной температуры в пределах от 600 до 4000° С (например, прокатываемого металла).

Радиационные пирометры состоят из следующих основных частей: телескоп вторичного измерительного прибора и панели с катушками сопротивления. В зависимости от конст­руктивного выполнения телескопы, являющиеся первичным прибором (преобразователем), разделяются на рефлекторные и рефракторные. В пирометрах с рефлекторным телескопом поток излучения концентрируется на чувствительном элементе с помощью сферического зеркала-рефлектора, а в пирометрах с рефракторным телескопом—с помощью двояковыпуклой стеклянной линзы объектива.

Рассмотрим принципиальную схему радиационного пирометра с рефракторным телескопом (рис. 2.5, б), получившего наиболее широкое применение. Объектив 17 телескопа направляют (визируют) на излучатель 5 (в данном случае — отверстия в кладке печи) так, чтобы поток лучей от него проходил через линзу 4 объектива и концентрировался на термоприемнике 18— чувствительном элементе телескопа. Термоприемник представляет собой термобатарею, состоящую из десяти миниатюрных термоэ­лектрических термометров, соединенных последовательно для увеличения термо-ЭДС.

Линза окуляра 11 предназначена для правильной наводки (визирования) телескопа на нагретое тело, защитное стекло — для предохранения глаз наблюдателя, а диафрагма 16—для подгонки напряжения на зажимах телескопа при его градуировке.

Телескоп применяют для измерения температуры нагретых тел в пределах от 400 до 2500°С. Оптическая система (линзы объектива и окуляра), чувствительный элемент (термобатарея), диафрагма и защитное стекло помещены в литой цилиндрический корпус, снаб­женный штуцером для крепления телескопа.

Наиболее распространенным радиационным пирометром явля­ется пирометр РАПИР, основным элементом которого является телескоп ТЭРА-50 с термобатареей, преобразующей тепловое излу­чение нагретого тела в термо-ЭДС, измеряемую вторичным прибором.

Кроме телескопа ТЭРА-50 в комплект пирометра РАПИР входят панель с катушками сопротивлений, защитная арматура ЗАРТ-53, один или два вторичных прибора (милливольтметры или потенциометры) и соединительные медные провода. Арматура ЗАРТ-53 защищает телескоп от возможных механических повреж­дений, загрязнений и главным образом от высокой температуры окружающей среды.

Рисунок 2.6 Общий вид телескоп ТЭРА-50: 1 - зажимы для подключения измерительного прибора; 2 - линза оку­ляра; 3 - корпус телескопа; 4 - термобатарея; 5 - фланец; 6 - линза объектива; 7 - диафрагма; 8 - штуцер

При измерении радиационным пирометром температуры рас­плавленного металла применяют так называемые калильные трубы (защитные огнеупорные чехлы).

Агрегатный комплект стационарных пиро­метров АПИР-С (ГСП) относится к пирометрам полного и частичного излучения и предназначен для бесконтактного изме­рения и контроля радиационной температуры поверхностей от 100 до 2500°С.

Преобразователи этих пирометров работают в комплекте с вторичными измерительными преобразователями ПВ-0.

В комплект РАПИР-С входит несколько первичных преоб­разователей, предназначенных для измерения различных темпе­ратур.

Рассмотрим устройство и принцип действия одного из наиболее распространенных первичных преобразователей ППТ-121 (рис. 2.7) для измерения температуры полного излучения.

Рисунок 2.7 Пирометрический преобразователь ППТ-121:

1 - кронштейн; 2 - приемный элемент (термобатарея); 3 - конденсор; 4 - конденсорные линзы; 5 - полевая диафрагма; 6 - апертурная диафраг­ма; 7 - линза объектива; 8 - защитное стекло; 9 - наружная труба; 10 -разъем

Он состоит из двух основных узлов: объектива, предназначенного для передачи энергии излучения от объекта измерения в приемное устройство, и приемного устройства, преобразующего энергию излучения в электрический сигнал термо-ЭДС. Объектив собран на кронштейне 1 и состоит из завальцованной в металлической втулке линзы 7 объектива, полевой диафрагмы 5, апертурной диафрагмы 6 и кон­денсора 3.

Линза служит для получения изображения объекта в плоскости полевой диафрагмы, которая укреплена на кронштейне с помощью винта. Конденсор, состоящий из втулки и двух одинаковых конденсорных линз 4, передает изображение от полевой диафрагмы в плоскость приемного элемента 2 приемного устройства.

Приемный элемент представляет собой термобатарею из миниатюрных фольговых хромель-копелевых термоэлектрических термометров (термопар), соединенных последовательно для увеличения термо-ЭДС.

Термо-ЭДС, развиваемая термобатареей, зависит от разности температур горячих спаев, нагреваемых сфокусированным излу­чением, и холодных спаев, имеющих хороший тепловой контакт через медную шайбу с корпусом преобразователя. Температура холодных спаев зависит от температуры окружающей среды и, в частности, от температуры корпуса преобразователя, в котором находится термобатарея.

Для настройки стандартной градуировочной характеристики термобатареи используют апертурную диафрагму 6, которую пере­мещают до подгонки градуировочной характеристики преобразова­теля до номинальной.

Наружную трубу 9 пирометра надевают на объектив и закреп­ляют крышкой со стеклом 8, предохраняющим объектив от загряз­нения. Подключают преобразователь ППТ-121 в измерительную схему с помощью разъема 10.

Вторичный измерительный преобразователь ПВ-0 предназначен для усиления и преобразования в выходной сигнал ГСП напряжения низкого уровня, поступающего от первичного пирометрического преобразователя полного излучения ППТ-121.

Сигнал низкого уровня, пропорциональный измеряемой темпе­ратуре объекта, от первичного пирометрического преобразователя полного излучения ППТ поступает на вход преобразователя ПВ-0, где он преобразуется и усиливается до напряжения 0...2 В.

Контрольные вопросы:

1. Способы измерения температуры.

2. Ha чем основана классификация приборов для измерения температуры?

3. В чём отличие преобразователей от датчиков?

4. На каком принципе основано измерение температуры термопреобразователями температуры?

5. Как выглядит градуированная характеристика термопреобразователя?

6. Какие металлы применяют при изготовлении стандартных термопреобразователей? В чем их недостатки и преимущества?

7. Объяснить конструкции термометров с металлическим термопреобразователем.

8. Какие вторичные приборы используются в качестве вторичных приборов

9. Как обозначаются термопреобразователи с выходным унифицированным сигналом?

10. Условное обозначение НСХ

Лабораторная работа №3