Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при измерении температуры газа (воздуха) в газотурбинном двигателе (ГТД).
Известен способ измерения температуры газа в ГТД, заключающийся в том, что пропускают газ через акустический датчик, фиксируют частоту колебаний акустического датчика и температуру газа определяют по формуле , где Т – температура газа; f – частота колебаний акустического датчика; k – постоянный коэффициент, зависящий от вида газа и размеров датчика (См. Библиотека по автоматике. Выпуск 478. «Элементы и устройства струйной техники», под редакцией Ф.А. Короткова, М., «Энергия». 1972, с. 65).
Этот же способ измерения температуры газа струйно – акустическим датчиком температуры на установившихся режимах и определения температуры газа по формуле описан в более позднем источнике информации (см. Проблемы автоматизации технических процессов добычи, транспортировки и переработки нефти и газа. Сборник трудов VI Всероссийской заочной научно- практической конференции. Т2. 12.04.2017 г. Уфа, изд-во УГНТУ, статья: «Динамическое измерение температуры газов струйно-акустическими датчиками», А.С. Надыршин, Ж.А. Сухинец, А.И. Гулин.).
Недостатком известного способа является недостаточно высокая точность определения температуры газа из – за нестабильности постоянного коэффициента вследствие изменения размеров корпуса и свойств газа при повышении температуры.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение точности определения температуры газа струйным акустическим генератором в ГТД.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе измерения температуры газа в ГТД, заключающемся в том, что газ пропускают через струйный акустический генератор, фиксируют частоту колебаний и определяют температуру газа по формуле:
, (1)
где Т – температура газа, определяемая по показаниям струйного акустического генератора, K;
f – частота колебаний струйного акустического генератора, Гц;
k – коэффициент пропорциональности, ,
при этом коэффициент k из формулы (1) выражают в виде:
, (2)
где fб – частота акустических колебаний генератора при базовых условиях, Гц;
Тб – температура газа при базовых условиях, K;
А и В – постоянные коэффициенты для струйного акустического генератора.
Следовательно, температуру газа в ГТД при известных параметрах генератора и базовых условиях определяют по формуле
. (3)
Определение температуры газа в ГТД по формуле (1), где коэффициент k представляют в виде выражения (2) и фактически температуру газа определяют по уточненной формуле (3), позволяет повысить точность определения температуры газа в ГТД при известных параметрах и базовых условиях.
В случае, когда не определены постоянные коэффициенты А и В, коэффициент k из формулы (1) выражают в виде:
, (4)
где а – коэффициент линейного расширения материала, из которого изготовлен струйный акустический генератор.
Следовательно, температуру газа в ГТД, коррекцию которой проводят только по коэффициенту линейного расширения материала, из которого изготовлен струйный акустический генератор, определяют по формуле
. (5)
Определение температуры газа в ГТД по формуле (1), где коэффициент k представляют в виде выражения (4) и фактически температуру газа определяют по уточненной формуле (5), позволяет повысить точность определения температуры газа в ГТД, коррекцию которой проводят только по коэффициенту линейного расширения материала, из которого изготовлен струйный акустический генератор.
Способ измерения температуры газа в ГТД реализуют следующим образом.
Газ (воздух), температуру которого измеряют, пропускают через струйный акустический генератор, фиксируют частоту колебаний струйного акустического генератора и определяют температуру газа по формуле (1). При этом коэффициент k используют в виде выражения (2). Таким образом, температуру газа в ГТД фактически определяют по формуле (3), в которой коэффициенты А и В учитывают более сложную зависимость газодинамических характеристик генератора от температуры, а именно: линейные размеры генератора (величина их изменения пропорциональна коэффициенту линейного расширения материала, из которого сделан корпус генератора), вязкость газа в генераторе, толщина пограничного слоя потока в генераторе.
В случае если неизвестны зависимости коэффициента k от свойств газа, температуру которого измеряют, повышение точности измерения температуры газа можно достигнуть следующим способом. Газ (воздух), температуру которого измеряют, пропускают через струйный акустический генератор, фиксируют частоту колебаний струйного акустического генератора и определяют температуру газа по формуле (1). При этом коэффициент k используют в виде выражения (4). Таким образом, температуру газа в ГТД фактически определяют по формуле (5). Здесь коррекцию измеренной температуры газа проводят только по коэффициенту линейного расширения материала, из которого выполнен струйный акустический генератор.
Лабораторные испытания экспериментального образца струйного акустического генератора в диапазоне температур 0-500°С показывают следующие значения погрешностей.
1. Известный способ измерения температуры газа в ГТД, который осуществляют с помощью применения формулы (1), дает погрешность =-1,59%.
2. Способ измерения температуры газа в ГТД, который осуществляют с помощью применения формулы (3), дает погрешность =-0,24%.
3. Способ измерения температуры газа в ГТД, который осуществляют с помощью применения формулы (5), дает погрешность =-0,82%.
Результаты испытаний показывают, что погрешности температуры, рассчитанные по формулам (3) и (5) значительно меньше погрешности температуры, рассчитанной по формуле (1). Отсюда следует, что заявленные технические решения повышают точность определения температуры газа струйным акустическим генератором в ГТД.
Изобретение относится к способам измерения температуры газа (воздуха) в газотурбинном двигателе (ГТД). Технический результат заключается в повышении точности определения температуры газа в ГТД. Измеряют температуру газа, пропускаемого через струйный акустический генератор, фиксируют частоту колебаний и определяют температуру газа при известных параметрах генератора и базовых условиях по формуле , при этом коэффициент k выражают в виде: . 2 н.п. ф-лы.
1. Способ измерения температуры газа (воздуха) в газотурбинном двигателе, заключающийся в том, что измеряют температуру газа, пропускаемого через струйный акустический генератор, фиксируют частоту колебаний и определяют температуру газа по формуле
k – коэффициент пропорциональности, ;
отличающийся тем, что коэффициент k выражают в виде:
А и В – постоянные коэффициенты для струйного акустического генератора.
2. Способ измерения температуры газа (воздуха) в газотурбинном двигателе, заключающийся в том, что измеряют температуру газа, пропускаемого через струйный акустический генератор, фиксируют частоту колебаний и определяют температуру газа по формуле
Температура — физическая величина, характеризующая тепловое состояние тел.
В окружающем нас мире происходят различные явления, связанные с нагреванием и охлаждением тел. Их называют тепловыми явлениями. Так, при нагревании холодная вода сначала становится теплой, а затем горячей; вынутая из пламени металлическая деталь постепенно охлаждается и т. д. Степень нагретости тела, или его тепловое состояние, мы обозначаем словами «теплый», «холодный», «горячий». Для количественной оценки этого состояния и служит температура.
Температура — один из макроскопических параметров системы. В физике тела, состоящие из очень большого числа атомов или молекул, называютмакроскопическими. Размеры макроскопических тел во много раз превышают размеры атомов. Все окружающие тела — от стола или газа в воздушном шарике до песчинки — макроскопические тела.
Величины, характеризующие состояние макроскопических тел без учета их молекулярного строения, называют макроскопическими параметрами. К ним относятся объем, давление, температура, концентрация частиц, масса, плотность, намагниченность и т. д. Температура — один из важнейших макроскопических параметров системы (газа, в частности).
Температура — характеристика теплового равновесия системы.
Известно, что для определения температуры среды следует поместить в эту среду термометр и подождать до тех пор, пока температура термометра не перестанет изменяться, приняв значение, равное температуре окружающей среды. Другими словами, необходимо некоторое время для установления между средой и термометром теплового равновесия.
Тепловым, или термодинамическим, равновесием называют такое состояние, при котором все макроскопические параметры сколь угодно долго остаются неизменными. Это означает, что не меняются объем и давление в системе, не происходят фазовые превращения, не меняется температура.
Однако микроскопические процессы при тепловом равновесии не прекращаются: скорости молекул меняются, они перемещаются, сталкиваются.
Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел —термодинамическая система — может находиться в различных состояниях теплового равновесия. В каждом из этих состояний температура имеет свое вполне определенное значение. Другие величины могут иметь разные (но постоянные) значения. Например, давление сжатого газа в баллоне будет отличаться от давления в помещении и при температурном равновесии всей системы тел в этом помещении.
Температура характеризует состояние теплового равновесия макроскопической системы: во всех частях системы, находящихся в состоянии теплового равновесия, температура имеет одно и то же значение (это единственный макроскопический параметр, обладающий таким свойством).
Если два тела имеют одинаковую температуру, между ними не происходит теплообмен, если разную — теплообмен происходит, причем тепло передается от более нагретого тела к менее нагретому до полного выравнивания температур.
Измерение температуры основано на зависимости какой-либо физической величины (например, объема) от температуры. Эта зависимость и используется в температурной шкале термометра — прибора, служащего для измерения температуры.
Действие термометра основано на тепловом расширении вещества. При нагревании столбик используемого в термометре вещества (например, ртути или спирта) увеличивается, при охлаждении — уменьшается. Использующиеся в быту термометры позволяют выразить температуру вещества в градусах Цельсия (°С).
А. Цельсий (1701-1744) — шведский ученый, предложивший использовать стоградусную шкалу температур. В температурной шкале Цельсия за нуль (с середины XVIII в.) принимается температура тающего льда, а за 100 градусов — температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении.
Поскольку различные жидкости расширяются с повышением температуры по-разному, то температурные шкалы в термометрах с разными жидкостями различны.
Поэтому в физике используют идеальную газовую шкалу температур,основанную на зависимости объема (при постоянном давлении) или давления (при постоянном объеме) газа от температуры.
Классификация средств измерения температуры
Классификация средств измерения температуры ведется по используемому термометрическому свойству:
1. Изменение давления рабочего вещества при постоянном объеме:
2. Термоэлектрический эффект (термо ЭДС)
3. Измерение электрического сопротивления
4. Пирометры излучения
Принцип действия манометрических термометров основан на зависимости давления рабочего вещества в замкнутом объеме от температуры. В соответствии с агрегатным состоянием рабочего вещества в термосистеме манометрические термометры подразделяются на газовые, жидкостные и конденсационные (парожидкостные).
Рис. 1 Схема манометрического термометра
Термосистема манометрического термометра (рис. 1) состоит из термобаллона 1, капилляра 2, плоской трубчатой пружины 3. Термосистема заполнена рабочим веществом в указанной замкнутой системе. Термобаллон помещается в среду, температуру которой необходимо измерить. При нагревании рабочее вещество расширяется и, поскольку система замкнутая, внутри ее давление увеличивается. Вследствие этого плоская пружина стремиться принять круглый профиль и она распрямляется, а свободный конец перемещается. Перемещение через тягу 5 передается на зубчатый сектор 6, который находится в зацеплении с зубчатым колесом 7. На ось колеса насажена стрелка указателя 8, которая вместе со шкалой 9 образуют отсчетное устройство прибора.
Для создания противодействующего момента предусмотрена 10, один конец которой закреплен на зубчатом колесе, а другой – на станине прибора. Влияние температуры окружающей среды на показания прибора компенсируется биметаллическим или инварным компенсатором 4.
Для улучшении метрологических характеристик к манометрическим пружинам предъявляется ряд требований. С целью уменьшения температурной погрешности пружина должна иметь по возможности малый объем. Пружина должна иметь возможность раскручиваться на больший угол и свободный ее конец должен обладать значительным тяговым усилием для механического перемещения дополнительных устройств.
В зависимости от конструкции измерительной системы манометрического термометра он бывает показывающий, самопишущий, бесшкальный со встроенным датчиком для дистанционной передачи показаний на расстояние.
Pt = P0(1 + βt) (9)
где Р0 и Рt – давление при 00С и при t;
β – термометрический коэффициент давления газа, равный 1/273,15 или 0,00366 К-1.
Теоретически линейная связь между Рt и t в соответствии с законом строго не сохраняется для реальных систем. Это связано с тем, что с изменением давления изменяется объем манометрической пружины, а с изменением температуры меняется объем термобаллона, а также происходит массообмен между термобаллоном и капиллярной трубкой. В тоже время эти изменения незначительны и практически можно считать, что шкалы газовых манометрических термометров равномерны.
Ввиду того, что жидкость практически несжимаема, объем термобаллона жидкостных манометрических термометров в отличии от газовых должен быть согласован со свойствами используемой манометрической пружины.
При изменении температуры в диапазоне от начальной t н до конечной tк их термобаллона объемом Vτ вытесняется жидкость объемом DVτ:
DVτ = Vτ(βж – 3α)(tк – t н) (10)
где βж – температурный коэффициент объемного расширения жидкости;
α – коэффициент линейного расширения материала термобаллона.
В жидкостных манометрических термометрах, как и в газовых, имеет место погрешность от изменения температуры окружающей среды. Для уменьшения этой погрешности принимаются те же меры, что и для компенсации указанной погрешности в газовых термометрах. Действие инварного компенсатора основано на том, что в капиллярную трубку помещается проволока из инвара и рабочее вещество оказывается в кольцевом зазоре между проволокой и стенкой капилляра. Диаметр проволоки выбирают таким, чтобы при повышении температуры в капилляре приращение кольцевого зазора было тем же, что и приращение объема жидкости в зазоре.
Манометрическим жидкостным термометрам свойственна гидростатическая погрешность, вызванная различным расположением измерительной части относительно термобаллона по высоте. Эта погрешность устраняется после монтажа прибора путем смещения указателя прибора на нужное деление по шкале.
Капилляр в этих термометрах опущен в термобаллон так, чтобы его открытый конец находился в жидкости и в том случае, когда при максимальной температуре в термобаллоне остается часть жидкости. Капилляр и манометрическая пружина заполняется обычно высококипящей жидкостью, которая служит для передачи давления от термобаллона к манометрической пружине. Принцип работы конденсационных термометров основан на зависимости давления Р насыщенного пара
Рис. 2 Термобаллон конденсационного термометра низкокипящих жидкостей от температуры Т:
где L – скрытая теплота испарения;
Vп и Vж – удельные объемы пара и жидкости соответственно.
Давление в термосистеме конденсационного термометра равно давлению насыщенного пара при температуре рабочей жидкости, которая, в свою очередь, равна температуре измеряемой среды с помещенным в нее термобаллоном. Зависимость давления насыщенного пара от температуры однозначна (до критической температуры), но нелинейна, вследствие чего шкалы конденсационных термометров имеют значительную неравномерность. Для получения равномерной шкалы конденсационные термометры снабжают специальным линеаризирующим устройством. Рабочее давление в конденсационных термометрах зависит только от пределов измерения и закона изменения давления насыщенного пара от температуры.
В связи с этим изменение температуры окружающей среды не оказывают влияния на показания прибора. Действительно, если повышается температура капилляра и манометрической пружины, то объем наполняющей их жидкости увеличивается и частично вытесняется в Термобаллон, где часть объема насыщенного пара сконденсируется и давление в термосистеме не изменится. В силу того, что Термобаллон может быть выполнен малых размеров, эти термометры менее инерционны, чем другие. Кроме того, они более чувствительны, так как давление насыщенного пара резко изменяется с изменением температуры.
Конденсационным термометрам присуща гидростатическая погрешность и погрешность от изменения барометрического давления. Первая компенсируется аналогично жидкостным. Вторая имеет место лишь на начальном участке шкалы, когда давление в термосистеме невелико.
Манометрические термометры – достаточно простые устройства, позволяющие осуществлять автоматическую регистрацию измерений и передачу их на расстояние. Важное достоинство – возможность использования их на взрывоопасных объектах. Недостатки: необходимость частой поверки из-за возможной разгерметизации прибора и сложность ремонта.
Передаточная функция манометрического термометра может иметь вид:
Измерение температуры термоэлектрическими термометрами – термоэлектрическими преобразователями (ТЭП) основано на использовании открытого в 1821 году немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком термоэлектрического эффекта.
Термоэлектрический преобразователь представляет собой цепь, состоящую из двух или нескольких соединенных между собой разнородных проводников.
Рис. 3 Схема ТЭП
При размыкании такой цепи на ее концах может быть измерена так называемая термоэлектродвижущая сила (термоЭДС). Следует отметить, что рассматриваемый эффект обладает обратным свойством: если в такую цепь из вне подать электрический ток, то один спай будет охлаждаться, а другой – нагреваться (эффект Пельтье, Жан Шарль Атаназ; французский физик).
Возникновение термоЭДС в современной физике объясняют различной работой выхода электронов различных металлов и поэтому при соприкосновении этих металлов возникает контактная разность потенциалов. Кроме того, при различии температур концов проводников в них возникает диффузия электронов, приводящих к возникновению разности потенциалов на концах проводников. Т.о., оба указанных фактора – контактная разность потенциалов и диффузия электронов – являются слагаемыми результирующей термоЭДС цепи, значение которой в конечном итоге зависит от природы термоэлектродов и разности температур спаев ТЭП.
Для математической формализации соотношения между контактной термоЭДС и результирующей термоЭДС цепи необходимо принять ряд условий. Один термоэлектрод, от которого в спае с меньшей температурой ток идет к другому термоэлектроду, принято считать положительным, а другой – отрицательным.
Обозначим контактную термоЭДС в спае между электродами А и В при температуре t как еАВ(t). Указанная запись означает, что если электрод А положительный и он в написании идет первым, то термоЭДС еАВ(t) имеет положительный знак.
При принятом условии запись еВА(t) будет означать, что эта термоЭДС учтена с отрицательным знаком в соответствии с законом Вольта: в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при равновесии температур спаев термоток цепи равен нулю.
Исходя из этого можно заключить, что если спаи 1 и 2 имеют одну и туже температуру, например t0, то контактные термоЭДС в каждом спае равны между собой и действуют навстречу, и поэтому результирующая термоЭДС такого контура ЕАВ(t0 t0) равна нулю, т.е.:
или с учетом того, что eAB(t0) = – eBА(t0),
Рассматривая это выражение с формальной точки зрения, можно принять следующее правило: результирующая термоЭДС контура равна арифметической сумме контактных термоЭДС, в символе которых очередность записи термоэлектродов соответствует направлению обхода контура (например, против движения часовой стрелки).
Для замкнутой цепи (рис. 3) результирующая термоЭДС составит:
ЕАВ(t t0) = eAB(t) + eВА(t0) (15)
или ЕАВ(t t0) = eAB(t) – eАВ(t0) (16)
это уравнение называют основным уравнением ТЭП. Из него следует, что возникающая в контуре термоЭДС ЕАВ(t t0) зависит от разности функций температур t и t0. Если сделать t0 = const, то
eAB(t0) = с = const
и ЕАВ(tt0)t=const = eAB(t) – c = f(t) (17)
При известной зависимости путем измерения термоЭДС в контуре ТЭП может быть найдена температура t в объекте измерения, если температура t = const. Спай, погружаемый в объект измерения, называют рабочим (горячим) спаем или концом, а спай вне объекта – свободным (холодным) спаем или концом.
Следует отметить, что в явном виде зависимость
E = f(t) (18)
для конкретно используемых термоэлектродных материалов пока не может быть получена аналитически с достаточной точностью. Поэтому при измерении температур эта зависимость для различных ТЭП устанавливается экспериментальным путем методом градуировки и последующего нормирования или построения графика зависимости термоЭДС от температуры. В процессе градуировки температура свободных концов ТЭП должна поддерживаться постоянной на уровне t0 = 00C.
Необходимо подчеркнуть, что генерируемая в контуре ТЭП термоЭДС зависит только от химического состава термоэлектродов и температуры спаев и не зависит от размеров термоэлектродов и спаев.
Включение измерительного прибора в цепь ТЭП. Для измерения термоЭДС в цепь ТЭП включают измерительный прибор по одной из двух схем:
Рис. 4 Схемы включения прибора в цепь ТЭП
Обе схемы включения прибора можно представить как включение в цепь еще одного проводника С. При включении измерительного в разрыв спая свободного конца (схема а) ТЭП имеет один рабочий спай 1 и два свободных спая 2 и 3.
При включении по схеме б ТЭП имеет четыре спая: рабочий 1, свободный 2 и два нейтральных 3 и 4 при постоянной температуре t1. Несмотря на внешнее различие схем, термоЭДС в обоих случаях будут одинаковы, если концы проводника С будут равны.
Для схемы а имеем:
Если температура всех спаев одинакова, то
eBА(t0) = eBC(t0) + eCA(t0) (21)
Подставляя (21) в (19), получим
EABC(tt0t0) = eAB(t) + eBA(t0) = eAB(t0) = eAB(t) – eAB(t0) = E(tt0) (22)
т.е. уравнение полностью совпадает с основным уравнением ТЭП.
Для цепи б имеем:
ЕАВС(tt1t0) = eAB(t) + eBC(t1) + eCB(t1) + eBA(t0) (22)
Учитывая, что eBC(t1) = – eCB(t1) и eBA(t0) = -eAB(t0), то
ЕАВС(tt1t0) = eAB(t) – eAB(t0) = E(tt0), (23)
т.е. уравнение (23) полностью совпадает с основным уравнением ТЭП.
Это свидетельствует, что введение третьего проводника на влияет на величину термоЭДС, и таким образом обе схемы включения измерительного прибора правомочны.
Поправка на температуру свободных концов ТЭП. Если температура t0’ свободных концов ТЭП отлична от нуля, то показание измерительного прибора при температуре tрабочих концов будет соответствовать генерируемой в этом случае термоЭДС, равной
E(tt0’) = eAB(t) – eAB(t0’) (24)
Как отмечалось, градуировочная таблица или график зависимости термоЭДС от температуры соответствует условию, когда температура t0 свободных концов термопары равна нулю. Если это условие сохраняется в процессе измерения, то
ЕАВ(t0 t0) = eAB(t) – eAB(t0) (25)
Вычтем из (25) выражение (24), тогда
EAB(tt0) = EAB(tt0’) + EAB(t0’t0) (27)
Удлиняющие провода и термостатирование свободных концов. Для исключения влияния температуры измеряемого объекта на свободные концы ТЭП их следует удалить из зоны с переменной температурой. Для этого целесообразно удлинять не сами термоэлектроды, а продлевать их с помощью специальных проводов. Если провода выбраны правильно, то места их подключения к измерительному прибору рассматриваются как свободные концы.
Рис. 5 Схема соединения ТЭП с ИП термокомпенсационными проводами развиваемая в цепи термоЭДС
E = eAB(t) + eBD(t1) + eDC(t0) + eCF(t0) +eFA(t1) (28)
Если принять, что все спаи имеют температуру t1, то
Вычитая (29) из (28) и имея ввиду уравнение (21), получим
EFD(t1t0) = EAB(t1t0) (31)
Е = EAB(tt1) + EAB(t1t0) = EAB(tt0) (32)
Отсюда следует, что правильно подобранные провода не создают в цепи ТЭП паразитных термоЭДС и не искажают результатов измерения.
В практике подбор проводов производят по таблицам.
Свободные концы, удаленные от объекта измерения, подлежат термостатированию. Термостатирование при t = 00С осуществляется путем погружения концов в пробирку с маслом, находящуюся в сосуде Дьюара с тающим льдом.
Для поддержания свободных концов при температуре, отличной от 00С, используют коробки холодных спаев КХС, снабженные простым автоматическим биметаллическим терморегулятором. Обычно поддерживается температура 5060,50С.
Способы соединения ТЭП. Соединяя между собой термопары различным образом, можно для конкретных задач измерения значительно улучшить их точность.
Рис. 6 Схемы соединения термоэлектрических преобразователей
При необходимости измерения разности температур используется дифференциальный способ соединения (рис. 6а). Здесь оба конца 1 и 2 являются рабочими и помещаются в среды с температурами t1 и t2. Нейтральные концы 3 и 4 должны иметь одинаковую температуру t0. По развиваемой в контуре термоЭДС E(t1t2) определяют разность t1 – t2, используя соответствующий участок градуировочной кривой.
Если температура t измеряемого объекта незначительно отличается от температуры t0 свободных концов ТЭП, то используют термобатарею, представляющую собой систему из n последовательно включенных ТЭП. Суммарная термоЭДС в контуре батареи в n раз больше, чем в одном ТЭП, т.е. равна nEAB(tt0), благодаря чему увеличивается чувствительность измерения.
Термобатареи, собранные по схеме в рис. 6, называют дифференциальными преобразователями, с помощью которых измеряют любую разность температур. Здесь спаи 1 и 2 являются рабочими и располагаются в средах с температурами t1 и t2, a спаи 3 и 4 действительно нейтральными с одинаковой температурой t0. Результирующая термоЭДС равна nE(t1t2).
Требования к материалам ТЭП.
Несмотря на то, что любые два проводника способны развивать термоЭДС, лишь ограниченное число термоэлектродов используются для создания ТЭП.
К материалам термоэлектродов предъявляется ряд требований:
– однозначная и по возможности близкая к линейной зависимость термоЭДС от температуры;
– жаростойкость и механическая прочность с целью измерения высоких температур;
– химическая инертность;
– термоэлектрическая однородность материала электрода по его длине, что позволяет восстанавливать рабочий спай без переградуировки, а также менять глубину его погружения;
– технологичность изготовления с целью получения взаимозаменяемости по термоэлектрическим свойствам материалов;
– стабильность и воспроизводимость термоэлектрических свойств, что позволяет создать стандартные градуировки.
Ни один из существующих в настоящее время материалов не удовлетворяет полностью всем требованиям, в результате чего для различных пределов измерений термоэлектроды из различных материалов.
Сегодня наша промышленность выпускает достаточно большое количество типов ТЭП, способных измерять температуры в диапазоне от -2700С до 25000С. Межгосударственный стандарт ГОСТ 6616-94 «Преобразователи термоэлектрические. Общие технические условия» определяет понятия термоэлектрического преобразователя и термопары. Термоэлектрический преобразователь – устройство с металлическими термопарами в качестве термочувствительных элементов, предназначенных для измерения температуры. Термопара – два проводника из разнородных материалов, соединенных на одном конце и образующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры. В стандарте нормализованы требования к 12 типам термопар (ТП), некоторые из них представлены в таблице 1.
Таблица 1 Характеристика основных видов ТП
Тип термопары
Обозначение МЭК
Буквенное обозначение НСХ
Хим.состав электродов, %
Пределы измерения, 0С
Плaтинородий-платновые ТПП13 ТПП10
_
R S
Pt+13Rh Pt+10Rh
Pt Pt
Вольфрамрений-вольфрамрениевые (А-1; А-2; А-3)
_
_
W=5%Re
W+20%Re
При выборе термопар особое внимание необходимо обращать на рабочую атмосферу измеряемой среды. Некоторые типы термопар имеют ограниченную область применения из-за своего химического состава или вредного воздействия рабочей среды на материалы термоэлектродов.
Таблица 2 Рекомендуемые рабочие атмосферы
Тип термопары
Рабочие атмосферы
Примечания: 1. «++» – рекомендуемая атмосфера;
2. «+» – эксплуатация в данной атмосфере возможна;
3. «-» – нерекомендуемая атмосфера.
Конструкция ТЭП. Для предохранения от механических повреждений и вредного влияния объекта измерения термоэлектроды преобразователя помещают в защитную арматуру. На рис. 7 показано устройство стандартного термоэлектрического преобразователя.
В жесткой защитной гильзе 1 расположены термоэлектроды 3 с надетыми на них изоляционными бусами 4. Горячий спай 2 касается дна гильзы или может быть изолирован от него с помощью керамического наконечника. К термоэлектродам в головке 8 винтами 6 на розетке 5 подсоединяются удлинительные провода 7. Защитная гильза вместе с термоэлектродами вводится в объект измерения и крепится на нем с помощью штуцера 9.
Рис. 7 Конструкция ТЭП
Динамическая характеристика ТЭП в общем виде записывается в виде передаточной функции
Средства измерения сигналов ТЭП
В качестве средств измерений, работающих в комплекте с ТЭП, используются милливольтметры магнитоэлектрической системы, потенциометры и нормирующие преобразователи.
Механизм состоит из рамки 2, вращающейся в кольцевом зазоре между полюсами постоянного магнита 4 и цилиндрического сердечника 1 из мягкой стали. Рамка 2 вместе со стрелкой 5 отсчетного устройства закреплена на подпятниках. Установленные на кернах спиральные пружины, создающие противодействующий момент повороту рамки,
Рис. 8 Схема измерительного механизма милливольтметра
крепятся одним концом к оси, другим – к неподвижной части прибора. Они же являются токоподводами.
Рамка представляет собой прямоугольник длиной l и шириной 2 r и состоит из n витков тонкой медной проволоки. Благодаря сердечнику 1, расположенному внутри рамки, последняя оказывается под действием равномерного и радиального магнитного поля, в силу чего независимо от угла поворота рамки, плоскость ее оказывается параллельной вектору магнитной индукции В.
При протекании по рамке электрического тока I на подвижную систему действует магнитоэлектрический момент
ММЭ = 2rlBI (34)
где 2 r – ширина рамки;
l – длина рамки.
Противодействующий момент МПР, созданный спиральной пружиной или подвеской, равен
МПР = Wφ (35)
где W – удельный противодействующий момент;
φ – угол поворота рамки.
При некотором угле поворота φ имеем
МПР = ММЭ (36)
т.е. Wφ = 2rlBI (37)
где S1 = φ/I – чувствительность измерительного механизма к току, рад/А.
Для получения зависимости угла поворота рамки от напряжения U, подведенного к прибору с внутренним сопротивлением RМ, из (38) имеем
где SU = S1/RM = φ/U – чувствительность прибора к напряжению.
Из (39) следует, что чувствительность к напряжению тем меньше чувствительности к току, чем больше внутреннее сопротивление прибора.
Рис. 9 Схема измерения термоЭДС милливольтметром
Генерируемая ТЭП термоЭДС ЕАВ(tt0) создает в замкнутой цепи ток
где RAB, RFD, RC, RУ, RР, RД – сопротивления термоэлектродов АВ, удлинительных проводов FD, соединительных линий С, уравнительной катушки, рамки милливольтметра, добавочной катушки соответственно;
RBH = (RAB + RFD + RC + RУ) – внешнее по отношению к зажимам ab прибора сопротивление цепи;
RM = (RР + RД) – внутреннее сопротивление милливольтметра.
Представим (40) в виде
Uab = IRM = ЕАВ(tt0) – IRВН (41)
Из (41) видно, что измеряемое милливольтметром напряжение Uab, подведенное к его зажимам ab, всегда меньше, чем ЭДС в цепи, на значение падения напряжения IRВН во внешней цепи, обусловленного проходящим в контуре током.
В силу того, что сведение к нулю IRВН при использовании милливольтметра невозможно, следовательно принципиально невозможно непосредственное измерение ЭДС милливольтметром. В то же время при соблюдении определенных условий измерения с некоторой погрешностью можно принять, что показания милливольтметра однозначно зависят от развиваемой в цепи термоЭДС.
Подставляя (40) в (38), получим
Отсюда следует, что если иметь RBH + RM = const, то между показаниями φ милливольтметра и измеряемой термоЭДС была однозначная зависимость и шкалу прибора можно было бы градуировать в градусах, соответствующих термоЭДС для данного ТЭП. В то же время внутреннее и внешнее сопротивления меняются в зависимости от температуры окружающей среды, что приводит к погрешности измерения.
Покажем, что уменьшение погрешности может быть достигнуто за счет уменьшения отношения RBH / RM и уменьшения RР / RM.
Преобразим (40) к виду
Таким образом, использование градусной шкалы милливольтметра возможно, если градуировка ТЭП соответствует градуировке, указанной на шкале. При этом необходимо подогнать сопротивление внешней линии к значению RBH, указанному не шкале прибора, с помощью подгоночного сопротивления RУ.
Милливольтметры, предназначенные для работы с ТЭП, по конструктивному исполнению бывают переносные и стационарные (щитовые). Стационарные милливольтметры имеют только градусную шкалу. Промышленностью выпускаются показывающие, самопишущие и регулирующие классов точности 0,5; 1,0; 1,5; 2,0.
Рис. 10 Принципиальная схема потенциометра
Замкнутый контур I содержит дополнительный источник тока напряжением Еб и реохорд (компенсационный резистор) Rab. Этот контур называют компенсационным. Контур измерения II включает в себя ТЭП, термоЭДС ЕАВ(tt0) которого измеряется, и высоко чувствительный гальванометр, выполняющий функцию нуль-индикатора (НИ), а также Rac реохорда от точки «а» до подвижного контакта «с».
Измеряемый источник ЕАВ(tt0) включен навстречу дополнительному источнику Еб так, что токи от обоих источников на участке Rac идут в одном направлении. Если обозначить ток, проходящий в контуре I, через Iб (рабочий ток), а ток для контура II при некотором положении движка С через Iт, то на основании закона Кирхгофа для контура II справедливо равенство
ЕАВ(tt0) = Iт RВН + Iт RНИ + Iт Rас + Iб Rас (44)
где RВН – сопротивление проводов, включая ТЭП;
RНИ – сопротивление нуль-индикатора.
Перемещая движок С, можно добиться того, чтобы Iт стал равным нулю. Это определится показанием нуль-индикатора, и тогда
ЕАВ(tt0) = Iб Rас (46)
Полученное равенство указывает на то, что если в контуре, где расположен источник измеряемой ЭДС, ток равен нулю, то падение напряжения на участке Rac служит мерой измеряемой ЭДС. Преимуществом компенсационного метода является отсутствие тока в цепи в момент измерения. Это исключает необходимость учета сопротивления внешней цепи и изменения сопротивления этой цепи от температуры.
Компенсирующее напряжение IбRac можно измерять двумя методами:
– поддерживая значение Iб на постоянном уровне, изменять сопротивление Rac;
– сохраняя сопротивление Rac постоянным, изменять значение рабочего тока Iб.
Наибольшее распространение получил потенциометр с постоянной силой рабочего тока.
Работа схемы основана на принципе постоянства силы рабочего тока. Здесь предусматриваются два контура компенсации напряжения II и III. Контур III, содержащий в цепи резистор RM из медной проволоки, служит для автоматического введения поправки на температуру свободных концов ТЭП. Свободные концы ТЭП с помощью удлинительных проводов FD подводятся к резистору RM и находятся при одной температуре с ним. Остальные резисторы измерительной схемы потенциометра выполняют из манганина.
Для питания измерительных контуров II и III в современных потенциометрах применяют вместо батареи постоянного тока источник стабилизированного питания ИПС, в котором входное напряжение переменного тока 6,3 В выпрямляется и стабилизируется в выходное напряжение постоянного тока 5 В при нагрузке 1 кОм и токе нагрузки I0, равном 5 мА. При работе ИПС в составе потенциометра напряжение между точками к и d равно 1019 мВ. С вводом ИПС в измерительную схему отпала необходимость контроля рабочего тока, упростилась кинематика механизма, повысилась надежность прибора.
Рис. 11 Измерительная схема автоматического потенциометра
Подключение к клеммам К1 и К2 нормального элемента и последовательно соединенного с ним нуль-индикатора осуществляется для контроля рабочего тока I2 лишь при поверке и градуировке прибора. При этом Uke= I2Rк=Енэ. Обычно Rк = 509,3 Ом, тогда I2 = 2 мА; Rу – резистор для установки рабочего тока I2; Rпр – значение сопротивления реохордной группы, состоящей из трех параллельно соединенных резисторов: собственно реохорда Rр, шунта Rш и сопротивления Rп.
Такая конструкция реохордной группы обусловлена тем, что при необходимости изменения пределов измерения прибора возможно, не трогая реохорд, изменить общее сопротивление Rр за счет изменения сопротивления Rп, а иногда и Rш, оставляя при этом Rр стандартным. Реохорд изготавливается из проволоки специального сплава и является ответственным узлом схемы.
Резисторы Rп и Rб служат для установления начального значения шкалы прибора и значения тока I1 =3 мА. В качестве нуль-индикатора в автоматических потенциометрах используется электронный усилитель ЭУ, на входе которого установлен модулятор МОД для преобразования сигнала разбаланса напряжения постоянного тока DU в переменное напряжение. Для предохранения усилителя от наводок и помех, возникающего в цепи ТЭП под влиянием электромагнитных полей, предусмотрен фильтр, состоящий из резистора Rф и конденсатора Сф.
Работа. Пусть при некотором значении измеряемой термоЭДС и некотором положении движка С ток во втором контуре измерения равен нулю, т.е. термоЭДС скомпенсирована падением напряжения Uce на участке cbde. Тогда сигнал разбаланса DU = ЕАВ(tt0) – Uce равен нулю. При сигнале DU ≠ 0 на выходе усилителя в соответствии с абсолютным значением и знаком разбаланса формируется управляющий сигнал, в соответствии с которым реверсивный двигатель перемещает движок реохорда С до тех пор, пока DU не станет равным нулю. Одновременно с движком по шкале прибора перемещается указатель.
Выпускаемые промышленностью автоматические потенциометры, различаясь по конструктивному исполнению, имеют одинаковую измерительную схему (рис. 11). При решении задач автоматического контроля и регулирования на практике оказывается необходимым с точки зрения увеличения точности измерения температуры конкретного объекта изменить стандартный диапазон измерения. Значения сопротивления резисторов измерительной схемы для заданного диапазона можно получить из следующих соотношений.
Для заданных начального tmin и конечного tmax значений температуры по шкале прибора для конкретного ТЭП из таблиц определяют EAB(tmaxt0) и EAB(tmint0). Падение напряжения Uab на сопротивлениях реохордной группы равно диапазону измерения прибора, т.е.
Uab = I1Rпр = EAB(tmaxt0) – EAB(tmint0). (47)
Отсюда определяют значение Rпр, принимая I1 = 3 мА. Так как
RP = 130 Ом и R2 =90 Ом или 100 Ом, по найденному значению RПР определяют RП. Значение Rн подбирают из условия
EAB(tmint0) = Ube = I1RH – I2(RM)t0. (48)
Значение резистора Rб определяется из условия постоянства тока I1 = 3 мА:
Автоматические потенциометры выпускаются в виде показывающих, регистрирующих и регулирующих приборов, с цифровой или стрелочной индикацией. В них могут быть встроены устройства для регулирования или для дистанционной передачи показаний. Классы точности 0,25; 0,5 и 1,0.
Нормирующий преобразователь для термоЭДС. Для преобразования сигнала ТЭП в унифицированный токовый, по напряжению или цифровой применяют нормирующие преобразователи. Эти приборы обеспечивают информационную связь между датчиком и регулирующим устройством, имеющим унифицированный вход, а также между датчиком и компьютером.
Нормирующие преобразователи не представляют измерительную информацию для визуального контроля, а преобразуют и передают ее другим устройствам в удобном для них виде.
Рис. 12 Схема нормирующего преобразователя
Контур I содержит корректирующий мост КМ, усилитель У1 с токовым выходом Iвых и резистор Rкн. К контуру I проводами F и D подсоединен ТЭП. Корректирующий мост предназначен для введения автоматической поправки на температуру свободного конца ТЭП, а также компенсации начальной термоЭДС в преобразователях, нижний предел измерения которых не равен нулю градусов. К диагонали ab питания моста подведено напряжение постоянного тока от стабилизированного источника питания. Резисторы R1, R2 и R3 – манганиновые, резистор RМ – из медного провода. Усилитель У1 состоит из двух каскадов: магнитного УМ, выполненного по двухтактной двухполупериодной схеме, и полупроводникового усилителя УП, работающего в режиме усиления постоянного тока. Усилитель У1 выполняет функции нуль-индикатора.
Контур компенсации II включает в себя Rкн и усилитель обратной связи У2. Он аналогичен усилителю У1, но включен с глубокой отрицательной обратной связью по выходному току усилителя. Выходной ток Iос усилителя У2 является рабочим током контура II и при прохождении этого тока по резистору Rкн на нем создается компенсирующее напряжение
Uкн = Iос Rкн. (53)
Со стороны контура I к резистору Rab подводится сигнал ТЭП EAB(tt’0), сложенный с напряжением Ucd, создаваемым в измерительной диагонали cd корректирующего моста КМ. Это напряжение равно поправке на температуру свободных концов ТЭП, т.е. Ucd = EAB(t’0 t0). Таким образом, этот суммарный сигнал, равный EAB(tt0) = EAB(tt’0) + Ucd, сравнивается с напряжением Uкн. Разбаланс, равный DU = EAB(tt0) – Uкн, подается на усилитель У1, где преобразуется в магнитном усилителе УМ в сигнал переменного тока, затем усиливается и вновь преобразуется в сигнал постоянного тока, который дополнительно усиливается в усилителе УП постоянного тока. Выходной сигнал усилителя У1 создает ток Iвых, который поступает во внешнюю цепь RВН и далее через делитель – в усилитель обратной связи У2. Выходной ток Iос усилителя У2 изменяется и изменяет падение напряжения Uкн на резисторе Rкн до тех пор, пока разбаланс DU не достигнет некоторой малой величины δU, называемой статической ошибкой компенсации.
Исключить эту ошибку принципиально невозможно, т.к. Iвых и Iос определяются наличием этой ошибки и пропорциональны ей. Ошибку можно значительно уменьшить, если использовать усилитель с большим коэффициентом усиления.
ТПС позволяют надежно измерять температуру в диапазоне от -2600С до +11000С.
