Определение погрешности показаний термопар

 

1.1 Теоретические сведения

Под термоэлектрическим комплектом понимают измерительную установку, предназначаемую для измерения температур, состоящую из чувствительного элемента — термопары (или нескольких термопар), соединительных проводов (обычно полностью или частично заменяемых компенсационными проводами) и измерительного прибора: милливольтметра или автоматического потенциометра. Кроме того, в комплект могут входить переключатель (при работе нескольких термопар с одним милливольтметром), уравнительные подгоночные катушки, служащие для подгонки сопротивления внешней цепи, промежуточные коробки с зажимами, коробки для автоматической компенсации температуры свободных концов термопар и прочая вспомогательная аппаратура.

В стационарных энергетических установках термоэлектрические комплекты слагаются в процессе монтажных работ из термопар, приборов, проводов и аппаратуры, поставляемой раздельно. Поэтому поверку термоэлектрических комплектов полностью почти никогда не производят, а ограничиваются поверкой отдельных звеньев комплекта; прежде всего термопар и измерительных приборов: милливольтметров или автоматических потенциометров.

Термопары и их особенности

Принцип действия термопары, как известно, основан на возникновении термоэлектродвижущей силы (термо-э.д.с.) в зависимости от температуры концов термопары.

Термопара состоит из двух разнородных проводников (термоэлектродов), соединенных (сваренных) с одного конца, называемого рабочим. Рабочий конец погружается в среду, температура которой измеряется. К другому концу термопары, называемому свободным, присоединяются провода, направляемые к прибору, измеряющему термо-э.д.с. термопары. Если температура рабочего и свободного концов термопары различна, то в термопаре возникает термо-э.д.с. Последняя зависит от материала термоэлектродов и температур рабочего и свободных концов.

Температура свободных концов обоих термоэлектродов должна быть одинакова. Удобно поддерживать ее равной нулю, что в лабораторных условиях обычно не представляет затруднений. Допустимо поддерживать температуру свободных концов и не равной нулю, но непременно одинаковую для обоих свободных концов.

Материал термоэлектродов термопар должен быть термоэлектрически однороден. Неоднородность материала может существенно искажать результаты измерений температуры. Возникает неоднородность термоэлектродов обычно из-за местных инородных включений (загрязнений) и наклепа проволоки; неидентичности физических свойств отдельных участков по длине термоэлектродной проволоки; длительного воздействия на термоэлектроды высокой температуры, близкой к предельно допустимой, приводящей к постепенному изменению термоэлектрических свойств материала термоэлектродов.

Изменение характеристики термопары в условиях эксплуатации является обычно результатом возникновения ее термоэлектрической неоднородности.

Наибольшее распространение имеют стандартизованные термопары, приведенные в таблице 4.1

Таблица 4.1 Наименование и обозначение термопар

Наименование термопар	Условное обозначение градуировки	Верхний предел длительного применения термопары, °С
Платинородий—платина Хромель—алюмель.... Хромель—копель.....	ПП-1 ХА ХК

 

Термопары изготавливаются в соответствии с требованиями ГОСТ 6616—61. Термоэлектродвижущая сила, развиваемая стандартизованными термопарами, при температурах рабочего конца и температуре свободных концов 0° С должна соответствовать градуировочным таблицам, приведенным в ГОСТ 3044—61. Допустимые отклонения(±) термо-э.д.с. технических (рабочих) термопар от градуировочных таблиц приведены в таблице 4.2.

 

Таблица 4.2 Допустимые отклонения(±) термо-э.д.с

Наименование термопар	Условные обозначение градуировки	Допустимые отклонения термо-э.д.с., мв, при температурах
от 0 до 300° С	Свыше 300° С
Платинородий-платина.	ПП-1	0,01	0,01+2,5·10-5 ·(t-ЗОО)
Хромель-алюмель	ХА	0,16	0,16+2,0·10-4 ·(t –ЗОО)
Хромель-копель	ХК	0,20	0,20+6,0·10-4 ·(t –ЗОО)

Допустимые отклонения при температуре 300° С составляют: для термопар ПП-1 ±0,43%, для термопар ХА ±1,3%, а для термопар ХК ±0,98% по отношению к соответствующим термо-э.д.с. при 300° С. Для верхних предельных значений длительного применения термопар допустимые отклонения соответственно составляют: ±0,265 %, ±0,69 % и ±0,78 %.

Помимо требований, предъявляемых к развиваемой термо-э.д.с., термопары должны удовлетворять определенным техническим требованиям по следующим показателям:

а) по тепловой инерции ε в предположении, что коэффициент теплоотдачи от измеряемой среды к термопаре практически равен бесконечности;

б) по электрическому сопротивлению термоэлектродов;

в) по сопротивлению и прочности электрической изоляции между термоэлектродами и корпусом термопары;

г) по герметичности и прочности защитной арматуры;

д) по водозащищенности головок термопар;

е) по влиянию транспортной тряски для обычных термопар, вибрации и тряски—для виброустойчивых и ударных сотрясений — ударопрочных термопар;

ж) по другим специфическим показателям.

Конкретизированные технические требования к термопарам и методы соответствующих испытаний изложены в ГОСТ 6616—61.

Предприятие-поставщик должно гарантировать соответствие выпускаемых термопар требованиям стандарта. В студенческой учебной практике всех испытаний термопар, как правило, не проводят.

Поверка термопар

Целью поверки технических (рабочих) термопар является определение соответствия градуировочной характеристики поверяемой термопары стандартной.

В качестве поверяемых термопар в учебной практике применяются термопары из неблагородных металлов. Такие термопары должны поступать для поверки без защитных чехлов. Термоэлектроды термопар не должны иметь сварок (кроме рабочего конца), поверхность их должна быть чистой и гладкой.

При поверке технических неблагородных термопар в интервале температур от 300 до 1100° С должны применяться: образцовая платинородий-платиновая термопара 2-го или 3-го разрядов, горизонтальная электрическая нагревательная печь и лабораторный потенциометр класса 0,03 или более высокого класса точности. Поверка термопар при температурах до 300° С производится в жидкостных нагревательных ваннах (водяном или масляном термостате), путем сравнения с показаниями образцовых стеклянных ртутных термометров 2-го разряда.

Для обеспечения равенства температуры рабочих концов поверяемых и образцовых термопар рекомендуется помещать их в никелевый блок и вместе с блоком погружать в печь так, чтобы рабочие концы находились в зоне максимальной температуры печи.

После закладки никелевого блока с термопарами в печь она плотно закрывается пережженным асбестом. Отдельные частицы асбеста не должны попадать в рабочее пространство печи. Температуру свободных концов термопар рекомендуется поддерживать равной 0° С. Для этого свободные концы термопар соединяют (спаивают) с медными соединительными проводами и погружают в пробирки с сухим трансформаторным маслом. Пробирки устанавливают в смесь льда с водой (ледяной термостат).

Допускается поверка термопар при температуре свободных концов и неравной 0° С. В этом случае пробирки со свободными концами термопар помещают в водяной термостат, температура в котором измеряется с погрешностью не более ±0,1° С. Температуру в термостате за время поверки необходимо неоднократно контролировать.

Приборы и оборудование

Общая схема установки для поверки технических рабочих термопар при температурах выше 300° С показана на рисунке 4.1

 

Рисунок 4.1 Схема установки для поверки технических термопар в электрической нагревательной печи:

1 — металлический (никелевый) блок; 2 — образцовая термопара; 3 — поверяемая термопара; 4 — медные провода; 5 — термостат для свободных концов термопар; 6 — к образцовому потенциометру

Поверка термопар производится не менее чем в четырех, температурных точках, равномерно расположенных в интервале температур градуировки. Одновременно может поверяться более 6 термопар, так как при большем их числе нельзя получить равномерного температурного поля.

Поверка термопар производится при постепенном (медленном) повышении или понижении температуры. Вблизи намеченной для поверки температурной точки скорость изменения температуры в печи не должна превышать ± 0,4 град/мин. Если такая скорость в момент поверки и не менее чем за 5 мин до нее не выдерживается, то поверку производить нельзя. По этой причине приходится иногда несколько смещать намеченную температурную точку. Иногда требуемую скорость изменения температуры легче выдержать при понижении температуры в печи.

Отсчет термо-э.д.с. всех термопар в поверяемой точке производится последовательно, начиная с образцовой, потом 1-й, 2-й и т. д. поверяемой термопары и затем в обратном направлении; отчеты повторяются несколько раз и заканчиваются тогда, когда для каждой термопары будет сделано не менее четырех отчетов. Термо- э. д. с. поверяемых и образцовой термопар определяется по средним арифметическим значениям, найденным из отчетов показаний каждой из этих термопар в соответствующей точке.

В учебной практике в целях тренировки целесообразно начинать поверку при температурах ниже 300° С. Полученные при этом результаты не могут дать основания для бесспорных выводов о соответствии, при температурах ниже 300° С, характеристик поверяемых термопар стандартным.

 

1.3 Порядок выполнения работы

Включить питание стенда.

Убедится, что нагреватель выключен.

Включить питание термопар (автоматом А1).

Снять показания термопар в начальной температуре и занести данные в таблицу 4.3.

Повернуть ручку регулятора до упора влево.

Включить нагреватель.

Снимать показания с небольшим интервалом.

Занести данные в таблицу 4.3.

Вычислить погрешность измерений.

 

Обработка результатов поверки термопар

Действительная температура в поверяемой точке определяется по среднему арифметическому значению образцовой термопары. Градуировочная таблица в свидетельстве на образцовую термопару может не совпадать со стандартными градуировочными таблицами по ГОСТ 3044—61. Действительная температура определяется в таких случаях по градуировочной таблице свидетельства. Так как последняя дается обычно для интервалов температур в 100° С, а зависимость термо-э.д.с. от температуры (термопары ПП-1) нелинейна, то при корректировании действительной температуры приходится прибегать к помощи стандартных градуировочных таблиц по ГОСТ 3044—61.

(4.1)

∆t=t₁-t₂

Таблица 4.3

Показания

t1

t2

∆t

Содержание отчета о работе

Отчёт о работе должен содержать: наименование и цель работы, краткое описание методики эксперимента, таблицы результатов измерений и расчётов, расчёты.

Контрольные вопросы

1. Что понимают под термоэлектрическим комплектом?

2. Принцип работы термопары.

3. Как производится поверка термопар?

Тематический план самостоятельной работы студента с преподавателем

 

Наименование темы СРСП	Цель занятия	Форма проведения занятия	Содержание задания	Рекомен дуемая литература
1. Общие сведения об энергетических установках. Виды тепловых нагрузок. Сезонные тепловые нагрузки. Круглогодовые тепловые нагрузки. Годовые графики тепловых нагрузок	Более углубленное изучение темы	Решение задач	Консультация студентов по данной теме	[1, 3, 8, 10]
2.Системы теплоснабжения. Виды систем теплоснабжения. Водяные системы теплоснабжения. Паровые системы теплоснабжения. Преимущества и недостатки систем тепло-снабжения. Схемы тепловых сетей	Более углубленное изучение темы	Решение задач по теме РГР 1	Консультация студентов по данной теме и анализ РГР 1	[1, 3, 8, 10]
3. Системы горячего водоснабжения. Классификация систем горячего водоснабжения. Децентрализованные установки горячего водоснабжения. Централизованные системы горячего водоснабжения. Компоновка оборудования горячего водоснабжения. Расчет подающих трубопроводов.	Более углубленное изучение темы	Решение задач РГР 2	Консультация студентов по данной теме и анализ РГР 2	[1, 3, 8, 10]
4. Регулирование тепловой нагрузки. Задачи и виды регулирования. Общее уравнение регулирования. Тепловые характеристики теплообменных аппаратов. Центральное регулирование закрытых систем по совместной нагрузке отопления и горячего водоснабжения.	Более углубленное изучение темы	Решение задач	Консультация студентов по данной теме	[1, 3, 4, 10]
5. Основы виды оборудования контроля гидравлического режима. Гидравлическая устойчивость систем теплоснабжения. Регулирование давления в тепловых сетях. Гидравлический режим сетей с насосными и дросселирующими подстанциями.	Более углубленное изучение темы	Решение задач	Консультация студентов по данной теме	[1, 3, 4, 10]
6. Конструктивные элементы тепловых сетей. Компенсаторы. Прокладки тепловых сетей. Прокладка теплопроводов в особых условиях. Трасса и профиль тепловой сети. Назначение тепловой изоляции и требования к материалам.	Более углубленное изучение темы	Решение задач	Консультация студентов по данной теме и решение задач	[1, 3]
7. Источники тепловой энергии. Виды источников тепловой энергии. Тепловые паротурбинные ТЭЦ. Оборудование теплоприготовительных станций. Атомные электрические станции	Более углубленное изучение темы	Решение задач	Консультация студентов по данной теме	[1, 3]
8. Организация эксплуатации систем теплоснабжения. Обслуживание тепловых сетей и тепловых пунктов. Пуск и наладка систем теплоснабжения. Испытания тепловых сетей. Профилактика и ликвидация аварий. Мероприятия по охране труда и ТБ.	Более углубленное изучение темы	Решение задач по теме РГР 1	Консультация студентов по данной теме и анализ РГР 1	[1, 3, 4]