ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ ТЕРМОПАРАМИ

У термопарах, або як їх ще називають термоелектричних термопарах, використовують явище, відкрите у 1821 р. Т.Зеебеком. Це явище полягає у тому, що у замкнутому ланцюгу двох різнорідних металевих провідників А і В (рис.1), температура спаю яких підтримується різною (Т₁ і Т₂), виникає електричний струм.

Спай термопари, розташований у зоні вимірювання температури, називають гарячим, або робочим, а другий спай, температура якого підтримується постійною – холодним.

Провідники термопари розрізняються на позитивний та негативний.

1 – термоелектрод А; 2 – термоелектрод В; 3 – допоміжний провідник,

4 - вимірювальний пристрій

Рисунок 1 – Принципова схема термопари

Знак провідника буде залежати від напрямку струму у ланцюгу відносно холодного спаю. Так, коли у холодному спаю (точка Т₂) струм іде від термоелектроду В до термоелектроду А, то провід В вважають позитивним, а провід А – негативним. У найменуванні термопари прийнято першим називати матеріал термопозитивного електроду, другим – термонегативного, наприклад, термопари хромель – алюмель, залізо – константан і т.інш.

У таблиці 1 надані значення термо-ЕРС деяких металів та сплавів по відношенню до платини, котра звичайно приймається як еталонний метал за температурою холодного спаю 0⁰С, гарячого – 100⁰С.

Таблиця 1 - значення термо-ЕРС деяких металів та сплавів

ТермоЕРС термопари, складеної з будь-якої пари металів визначається як різниця термоЕРС цих металів по відношенню до платини, узятої як еталонний провідник. Щоб виготовити термопару з найбільшим коефіцієнтом термоЕРС, тобто з найбільшою чутливістю, необхідно взяти такі пари металів або сплавів, різниця термоЕРС котрих по відношенню до еталонного провідника буде найбільшою.

У технологічних експериментах використовують три вида термопар: штучні, напівштучні та природні. Штучна термопара складається з двох провідників, які не мають безпосереднього відношення до інструменту, заготовки або деталі обладнання, температуру яких вимірють; провідники та спай термопари служать тільки для виміру температури зацікавленого об’єкту. При цьому є можливість виміру локальної температури (у середині малої області).

У напівштучній термопарі тільки один з провідників не належить до компонентів технологічної підсистеми, а другий є присутнім у неї природньо, виконуючи яку–небудь функцію в процесі обробки. Це може бути матеріал інструменту, заготовки або деталі обладнання, включений до ланцюга термопари та який знаходиться у надійному контакті з першим провідником. Конструкція напівштучної термопари простіша ніж штучної. Місце спая має менший діаметр, ніж у штучної термопари, що дає можливість вимірювати температуру меншої ділянки, тобто підвищити точність виміру.

У природній термопарі обидва провідника, які утворюють спай, природньо присутні у технологічній підсистемі, приймаючи участь як необхідний компонент. Такими є, наприклад, металевий інструмент та оброблювальна заготовка котрі у зоні контакта між ними притиснуті один до одного настільки щільно, що місце їх зіткнення мало відрізняється від спаю.

Перевага цього методу в тому, що він може бути здійсненим не тільки при точінні, але і інших видах обробки. Проте при цьому вимірювана температура є середньою контактною температурою на передній та задній поверхні інструменту. Для використання природньої термопари необхідно, щоб тіла, які вступають в контакт під час різання, були електропровідні, тобто неможливо використання методу при обробці діелектриків та використанні керамічного, абразивного, алмазного інструменту.

На рисунку 2 показана схема виміру температури по методу природньої термопари. Оброблювальна деталь (1,рис.2) затискається у кулачках патрону та у центрі задньої бабки. Для можливості знімання термоелектрорушійної сили з обертаємої заготовки, на правому кінці заготовки закріплені спеціальні щітки (2,рис.2), які відводять струм до реєструючого приладу. За реєструючий прилад застосовується осцилограф Н 117/1. Другий провідник з’єднує осцилограф з різцем котрий ізольований від супорту прокладками (4,рис.2). Місце з’єднання провідника з різцем та щітками утворює холодний спай. Температура холодного спаю повинна бути постійною і дорівнювати температурі навколишнього середовища.

1 – оброблювальна деталь, 2 – щітка, 3 – різець,

4- ізолюючі прокладки

Рисунок 2 – Схема виміру температури по методу природньої термопари

Незалежно від виду термопари, для точності виміру температури кожна термопара повинна попередньо градуюватися. Градуювання складається з визначення залежності ЕРС термопари від температури гарячого спаю за температурою холодного спаю рівного 0⁰С. Найбільш простий і частіше усього застосовується метод градуювання безпосереднім порівнянням з показниками зразкових (еталонних) приладів–термометрів або термопар.

Градуювання частіше ведуть по реперним речовинам, котрі легко можуть бути одержані у чистому вигляді і температура фазових переходів яких (температура плавління, поліморфного перетворення, кипіння та інш.) визначена з високою точністю. У таблиці 2 надані для прикладу речовини, які застосовуються як реперні під час градуювання термопар та реєструючої апаратури. Для термостатування холодного спаю (бажано при 0⁰С) його розташовують у пробірці з трансформаторним маслом, розміщеній у посудині Д’юара з змільченим льодом з дистильованої води. Гарячий спай градуйованої термопари розташовують у середовищі – теплоносії. Знаючи температуру теплоносія (у момент фазового переходу реперної речовини її температура дорівнює температурі фазового переходу), визначають термо-ЕРС. Використавши речовини з різними температурами фазових переходів, одержують залежність Е=.ƒ(T). Термо-ЕРС можливо фіксувати за допомогою мілівольтметра.

Для градуювання виготовленої термопари методом порівняння необхідно мати еталонну термопару. У цьому випадку гарячі спаї градуйованої та еталонної термопари розташовують у середовищі – теплоносії (рис 3), наприклад, у робочому об’ємі електропечі. Холодні спаї обох термопар термостатують у сосуді Д’юара (2,рис 3). На певний час фіксують показники еталонної та градуйованої термопари. Дані заносять у таблицю або зображують графічно Е = ƒ(T).

1 – піч; 2 – посудина Д’юара; 3 – перемикач; 4 – прилад; 5 – еталонна термопара; 6 – градуюєма термопара.

Рисунок 3 –Схема градуювання по еталонній термопарі

Таблиця 2 - Найбільш поширені реперні речовини, які використовуються при градуюванні термопар