Физические основы измерительных преобразователей

Cевастопольский Национальный Университет ядерной энергии и промышленности

Контрольная работа по дисциплине

Контроль и управление химико-технологическими процессами

 

Тема:

Физические основы измерительных преобразователей

Выполнил:Студент заочного отделения

Факультета ЯХТ

Д-34А

Бурак А.В.

Севастополь

2006

План

 

1. Тепловые преобразователи

2. Основные виды тепловых преобразователей

2.1 Термоэлектрические преобразователи

2.2 Применение термоэлектрических преобразователей в термометрах

2.3 Терморезисторы

Литература

1. Тепловые преобразователи

Тепловыми называют преобразователь, принцип действия которого основан на тепловых процессах. Естественная входная величина его – температура. К таким преобразователям относятся термоэлектрические преобразователи и терморезисторы. Термоэлектрические преобразователи часто называют термопарами.

ТЕРМОПАРА - термочувствительный элемент в устройствах для измерения температуры, системах управления и контроля. Состоит из двух последовательно соединенных (спаянных) между собой разнородных проводников или (реже) полупроводников. Если спаи находятся при разных температурах, то в цепи термопары возникает электродвижущая сила (термоэлектродвижущая сила), величина которой однозначно связана с разностью температур "горячего" и "холодного" контактов. ТЕРМОРЕЗИСТОР - проводник или полупроводник, сопротивление которого достаточно сильно зависит от температуры. Часто терморезистор называют просто термистором. Широкое применение получили полупроводниковые резисторы, электрическое сопротивление которых существенно убывает или возрастает с ростом температуры. Используются в измерителях мощности, устройствах для измерения и регулирования температуры и др.

2. Основные виды тепловых преобразователей

 

2.1 Термоэлектрические преобразователи

Принцип действия термоэлектрических преобразователей или термопар основан на явлении термоэлектрического эффекта, которое заключается в том, что в цепи из двух различных проводников (или полупроводников), соединенных между собой концами при разности температур соединений возникает ЭДС, называемая термоэлектродвижущей силой (термо-ЭДС). Такая цепь называется термоэлектрическим преобразователем или термопарой. Проводники, составляющие термопару, называются термоэлектродами, а места их соединения спаями. Рабочий конец термопары, помещенный в измеряемую среду, называют горчим спаем, а свободный (нерабочий) – холодным. Один из термоэлектродов называется термоположительным, а второй – термоотрицательным. Термоположительным называют тот проводник, от которого термоток течет в холодном спае, а термоотрицательным – тот проводник, к которому течет термоток в том же холодном спае.

При небольшом перепаде температур между спаями термо-ЭДС пропорциональна разности температур. Величина термо-ЭДС зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температур между спаями.

Явление термоэлектричества принадлежит к числу обратных явлений. Если через цепь, состоящую из двух различных проводников или полупроводников, пропустить электрический ток, то в одном спае выделяется тепло, а на другом поглощается.

В разнородных проводниках количество свободных электронов на единицу объема различно.

Обозначим ,  – плотность свободных электронов соответственно в проводниках  и . Пусть  > . При соединении проводников в спаях происходит диффузия электронов из термоэлектрода  в термоэлектрод . В результате термоэлектрод  заряжается положительно, а термоэлектрод  – отрицательно.

В спаях возникает электрическое поле, т.е. ЭДС. Обозначим эти ЭДС:  - в спае 1,  - в спае 2.

В замкнутой цепи из двух разнородных проводников образуется 2 ЭДС, направленные встречно.

Результирующая ЭДС:

 (1)

Диффузия электронов, а следовательно и возникающая ЭДС, в спае очень сильно зависит от температуры. Если спаи 1 и 2 находятся при одинаковой температуре, то результирующая ЭДС в цепи равна нулю:

Если спай 1 поместить в измеряемую среду, а спай 2 – в помещение, где температура t₀ = const, то возникает результирующая ЭДС:

Если температуру в помещении поддерживать постоянной, то

 (2)

В этом случае, измерив результирующую ЭДС () по выражению (2), можно определить и температуру в спае 1.

Зависимость (2) определяется экспериментально. Определение зависимости ЭДС термопары () от температуры рабочего спая при заданном значении свободного спая и для выбранных материалов термоэлектродов  и  называется градурировкой термопары.

Свободный спай термопары проходит через схему прибора. Измеряя ЭДС термопары (Е_ТП) с помощью прибора и используя градуировочную таблицу, мы определяем температуру в рабочей точке 1.

Градуировочная таблица термопары платинородий-платина при температуре свободных концов 0⁰С.

Т-ра рабоч. концов	0	1	2	3	4	5	6	7	8
	Термо-ЭДС в мВ
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100

В соответствии с ГОСТ имеются термопары нескольких градуировок:

1.Платинородий – платиновые.

Обозначение: гр.ПП-1

Пределы измерения температуры: -20^{0 ÷} 1300⁰С.

Чувствительность:

 = 1,06 мВ/100⁰С.

Эти термопары самые точные, применяются в качестве образцовых, но они дорогие.

2.Хромель – алюмелевые.

Обозначение: гр.ХА

Пределы измерения температуры: -200^{0 ÷} 1000⁰С.

Чувствительность:

 = 4,03 мВ/100⁰С.

3.Хромель – копелевые.

Обозначение: гр.ХК

Пределы измерения температуры: -200