Погрешности термоэлектрических преобразователей и методы их коррекции

Погрешность, обусловленная изменением температуры нерабочих

спаев термопары

Градуировка термопар осуществляется при температуре нерабочих спаев, равной нулю. Если при практическом исполь­зовании термопары температура нерабочих спаев будет отли­чаться от 0°С, то это вызовет появление погрешности измерения. Для устранения этой погрешности нерабочие спаи термостатируют в ванне с тающим льдом, т.е. при t = 0°С. Такой способ не всегда применим. Следует термостатировать нерабо­чие спаи, чтобы температура их либо сохранялась постоянной во времени, либо изменялась возможно медленнее при измене­нии окружающей температуры. Термостатирование осуще­ствляется либо погружением рабочих спаев на до­статочную глубину в землю, что обеспечивает постоян­ство температуры в течение года, либо помещением их в массивную коробку с тепловой изоляцией, снабженную ртут­ным термометром и двумя штуцерами для ввода удлинитель­ных и медных проводов. Обладая большой тепловой инерцией, коробка достаточно медленно реагирует на изменение внеш­ней температуры.

Наиболее радикальным средством стабилизации темпера­туры нерабочего спая является автоматическое термостатиро­вание с электрическим подогревом.

Если температура нерабочего спая известна, то ввести со­ответствующую поправку к показаниям термоэлектрического термометра можно следующим образом.

Пусть мы имеем градуировочную кривую термопары E = f(t) (рис.5.23).

Градуировка термопары производилась при температуре t₀ = 0^oС. Положим, что термопарой нужно изме­рить температуру t при температуре нерабочих спаев t_o’ боль­шей, чем t₀. Термо-э.д.с. Е(t, t'_o) термопары в этом случае будет меньше термо-э.д.с. Е(t, t_o), которая была бы при той же температуре t рабочего спая, но при температуре нерабо­чих спаев t₀. Термо-э.д.с. термопары уменьшится на величи­ну Е(t’₀, t₀) и окажется равной (рис. 5.24) термо-э.д.с. E (t’, t₀), которая была бы при температуре нерабочего спая, равной t’, и температуре рабочего спая, равной t’, т. е.

Рис. 5.23. Градуировочная кривая термопары.

В результате по шкале будет отсчитано значение темпера­туры t’, меньшее, чем t.

Если прибор имеет линейную шкалу или двойную шкалу и в градусах температуры, и в милливольтах, то ввести по­правку на температуру свободных концов согласно уравнению несложно. Труднее, когда прибор имеет нелинейную шкалу и только в градусах температуры.

Из рис. 5.23 видно, что

где М - масштабный коэффициент мВ/градус С. Откуда поправка равна

При резко выраженной нелинейной шкале коэффициент k, называемый поправочным коэффициентом на температуру не­рабочих спаев, является функцией t и, следовательно, для каждого участка кривой будет различным. Практически в этом случае градуировочную кривую разделяют на участки по 100^оС и для каждого участка определяют k. Для грубых под­счетов можно принять k = 0,8 … 1,0 для термопар из неблаго­родных металлов и k = 0,5 … 0,6 для термопар из благород­ных металлов.

Погрешность, обусловленная изменением температуры линии,

термопары и указателя

В термоэлектрических пирометрах для измерения термо-э.д.с. применяют обычные милливольтметры и низкоомные компенсаторы с ручным или автоматиче­ским уравновешива­нием на предел измерения до 100 мВ. Когда измерение термо-э.д.с. производится компенсатором, сопротивление цепи термо-э.д.с. как известно, роли не играет. В тех случаях, когда термо-э.д.с. измеряется милливольтметром, мо­жет возник­нуть погрешность, вызванная колебаниями температуры всех элементов цепи термо-э.д.с.

Ток милливольтметра, включенного в цепь термопары, равен

где Е- термо-э.д.с., развиваемая термопарой; R_УК, R_П, R_Т - сопротивления, указателя, проводов и термо­пары.

Милливольт­метр измеряет напряжение на своих зажимах, равное

Из этого выражения следует необходимость стремиться к постоянному и как можно меньшему значению сопротивления проводов и термопары.

В отечественных термоэлектрических пирометрах при их градуировке учиты­вается сопротивление внешней относитель­но милливольтметра цепи (R_П+R_Т), равное 5 Ом. Регулиров­ка сопротивления этой внешней цепи осуществляется при помощи добавочной катушки сопротивления из манганина, называемой уравнительной ка­тушкой, непосредственно при монтаже прибора.

Если в процессе эксплуатации изменяется сопротивление термопары (термоэлектроды становятся тоньше) или изменит­ся сопротивление линии и милливольтметра из-за колебаний температуры окружающей среды, то возникнет погрешность измерения.

Относительная температурная погрешность, вызванная из­менением сопротивления отдельных участков электрической цепи пирометра вследствие колебаний температуры окружаю­щей среды, равна в общем случае

где R_Р - сопротивление рамки милливольтметра; a_Р и a_П - температурные коэффициенты сопротивлений материалов обмотки рамки и проводов; t - температура среды; t_УК - температура, при которой производилась гра­дуировка милливольт­метра (20°С); t_Р - температура, при которой производилась ре­гулировка сопротивле­ния (R_П + R_Т) до значе­ния 5 Ом.

Данное уравнение позволяет определить полную темпера­турную погрешность, обусловленную как изменением темпера­туры милливольтметра (1-й член уравнения), так и измене­нием температуры проводов (2-й член уравнения). При расче­те погрешности практически можно ограничиться одним пер­вым членом уравнения, так как полное сопротивление милливольтметра, состоящее из рамки и добавочного сопротивления: в 40—50 раз больше сопротивления проводов R_П. Температур­ная погрешность, полученная при таком расчете, оказывает­ся близкой к температурной погрешности милливольтметра, гарантированной заводом-изготовителем. Погрешность, вы­званная изменением сопротивления термопары вследствие: утоньшения электродов,—как правило, очень мала.

Погрешности, обусловленные тепловыми потерями преобразователей

термоэлектрических пирометров и паразитными термо-э.д.с,

При измерении температуры жидких или газообразных сред, в которые помещается термопара, температура места со­единения термоэлектродов может сильно отличаться от тем­пературы измеряемой среды. Это объясняется тем, что рабо­чий спай термопары закрыт защитным чехлом и защитной жароупорной трубой, препятствующей проникновению тепла к рабочему спаю. Конструктивно термопару выполняют так, чтобы обеспечить хороший тепловой контакт между рабо­чим спаем и защитным чехлом.

Для уменьшения погрешностей термометра от тепловых потерь при измерении температуры жидких и газообразных сред следует:

1) термопару помещать глубоко в измеряемую среду;

2) термопару установить против направления движения среды;

3) трубопровод в районе измерения температуры теплоизолировать;

4) рабочий конец термопары установить в месте наиболь­шей скорости среды;

5) защитную трубу изготовлять из материала с малым значением коэффициента теплопроводности;

6) головку термопары защитить от воздействия холодной окружающей среды, для чего следует предусмотреть надлежа­щей уплотнение теплоизоляционным материалом.

При измерении температуры твердых и сыпучих тел по­грешность, обусловленная потерями тепла термопарой путем лучеиспускания, отсутствует, так как обычно эти тела не про­зрачны и характеризуются плохой теплопроводностью. По­грешность в данном случае резко увеличивается от потери тепла через теплопроводность защитной трубы термопары. Простым средством уменьшения погрешности, вызванной теплопроводностью термопары, является глубокое погруже­ние термопары в толщу среды. При измерении температуры в телах с малым объемом, для уменьшения этой погрешности целесообразно прокладывать участок термопары по изотерми­ческой поверхности, т.е. на поверхности, температура которой измеряется с тем, чтобы отток тепла по термопаре происходил на значительном расстоянии от рабочего спая термопары.

При измерении температуры поверхности, которое произ­водится с помощью термопары без защитной арматуры - по­грешность возникает в основном за счет теплопроводности термопары. Для уменьшения этой погрешности термопару следует укладывать на изотермической поверхности.

Кроме погрешности от тепловых потерь, при монтаже и эксплуатации термопар могут возникнуть погрешности от па­разитных термо-э.д.с. Паразитные термо-э.д.с. возникают из-за наличия неоднородностей в материалах, из которых со­ставляется электрическая цепь пирометра, при наличии гра­диентов температуры вдоль этой цепи.

Неоднородности в электродах термопары могут возникнуть как при изготовлении проволоки, так и при изготовлении тер­мопары вследствие ее деформации. Паразитные термо-э.д.с., обусловленные неоднородностями, возникшими при изготов­лении проволоки и термопары, учитываются при градуировке. Не­однородности, возникшие в термопаре после градуировки, вызывают погрешности при измерении.

5.3. Термоэлектрические пирометры

При измерении температуры нашли большое распростра­нение пирометры, использующие лучистую энергию нагретых тел. К таким пирометрам относятся оптические, ра­диационные и цветовые.