Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике  
ElectricalSchool.info - большой образовательный проект на тему электричества и его использования. С помощью нашего сайта вы не только поймете, но и полюбите электротехнику, электронику и автоматику!
Электрические и магнитные явления в природе, науке и технике. Современная электроэнергетика, устройство электрических приборов, аппаратов и установок, промышленное электрооборудование и системы электроснабжения, электрический привод, альтернативные источники энергии и многое другое.
 
Школа для электрика | Правила электробезопасности | Электротехника | Электроника | Провода и кабели | Электрические схемы
Автоматизация | Тренды, актуальные вопросы | Передовые энергетические технологии | Обучение электриков | Контакты



 

База знаний | Избранные статьи | Эксплуатация электрооборудования | Электроснабжение
Электрические аппараты | Электрические машины | Электропривод | Электрическое освещение

 Школа для электрика / База знаний / Электротехнология / Измерение температуры поверхностей с помощью термопар


 Школа для электрика в Telegram

Измерение температуры поверхностей с помощью термопар



Не существует единого типа термопары, предназначенной для измерения температуры поверхности твердых тел (поверхностных термопар). Обилие существующих конструкций поверхностных термопар объясняется прежде всего многообразием условий измерений и свойств поверхностей, температуры которых подлежат измерению.

В промышленной практике возникает необходимость измерения температур поверхностей различных геометрических форм, неподвижных и вращающихся тел, электропроводных тел и изоляторов, тел с высокой и низкой теплопроводностью, гладких и шероховатых. Поэтому поверхностные термопары, пригодные для использования в одних условиях, оказываются непригодными в других.

Виды термопар

Измерение температуры металлической поверхности приваркой термопары

Довольно часто для измерения температур нагретых тонких металлических пластин или массивных тел к контролируемой поверхности непосредственно припаивают или приваривают спай термопары. Такой способ измерения температуры можно считать допустимым только при соблюдении некоторых предосторожностей.

Теплообмен между поверхностью пластины и шариком спая термопары осуществляется главный образом тепловым потоком, проходящим через поверхность их соприкосновения, составляющую часть поверхности спая и примыкающих к спаю термоэлектродов. В некоторой степени теплообмен осуществляется излучением между пластинкой и неконтактирующей с ней частью поверхности спая с термоэлектродами.

С другой стороны, контактирующая с пластиной часть поверхности спая и термоэлектроды термопары теряют тепловую энергию вследствие излучения к более холодным телам, окружающим пластину, и конвективной теплоотдачи к омывающим спай потокам воздуха.

Таким образом, спаем и прилегающими к нему термоэлектродами термопары рассеивается значительная часть тепловой энергии, непрерывно поступающей в спай через поверхность соприкосновения с пластиной.

В результате равновесия температура спая и примыкающей к нему части поверхности пластины оказывается гораздо ниже, чем температура частей пластины, удаленных от спая (при измерении высоких температур тонких пластин эта систематическая погрешность измерения может достигать сотен градусов).

Эту погрешность снижают, уменьшая величину теплового потока, рассеиваемого спаем и термоэлектродами термопары. С этой целью полезно применять термопары из возможно более тонких термоэлектродов.

Сами термоэлектроды не следует сразу отводить от пластины, а лучше сначала проложить их в тепловом контакте с пластиной на расстоянии, равном по крайней мере 50 диаметрам термоэлектродов.

При этом следует иметь в виду, что если пластина и поверхность термоэлектродов не окислены, то они могут замкнуться пластиной и измеренная термо э. д. с. термопары будет соответствовать температуре не спая термопары, а температуре точки соприкосновения термопары с поверхностью.

В этом случае между термоэлектродами и пластиной необходимо проложить тонкий слой электрической изоляции, например тонкую пластину слюды. Целесообразно также всю поверхность спая и участка термоэлектродов покрыть слоем тепловой изоляции, например огнеупорной обмазкой, для уменьшения потерь вследствие излучения и конвективной теплоотдачи.

Измерение температуры поверхностей с помощью термопар

При соблюдении этих предосторожностей можно обеспечить измерение температуры поверхности металлических деталей с погрешностью, не превышающей нескольких градусов.

Иногда к поверхности металлической пластины приваривают не спай термопары, а ее термоэлектроды на некотором расстоянии один от другого.

Такой способ измерения температуры металлической поверхности можно считать приемлемым только в том случае, если есть уверенность в равенстве температур пластины в обеих точках приварки термоэлектродов. В противном случае в цепи термопары возникнет паразитная термо э. д. с, развиваемая материалами термоэлектродов с материалом пластины.

Ниже дано описание таких термопар, как лучковые, пятачковые и штыковые. Их используют для измерения температур поверхностей неподвижных тел.

Термопара

Лучковая (ленточная) термопара

Лучковая термопара снабжена чувствительным элементом, изготовленным в виде ленты из двух металлов или сплавов (например, из хромеля и алюмеля) длиной 300 мм, шириной 10 — 15 мм, спаянных или сваренных в стык и прокатанных до толщины 0,1 — 0,2 мм.

Концы ленты со спаем посредине закрепляют на изоляторах по концам пружинящей рукоятки в форме лука так, чтобы лента была все время натянутой. От концов ее к зажимам измерительного прибора (милливольтметра) проходят проводники, изготовленные из тех же материалов, что и обе половинки ленты.

Для измерения температуры выпуклой поверхности лучковая термопара прижимается к этой поверхности средней частью так, чтобы поверхность охватывалась лентой, по крайней мере, на участках по 30 мм по обе стороны от спая.

Пятачковая термопара

В сквозные отверстия красномедного диска впаивают термоэлектроды, образующие термопару. Для обеспечения механической прочности конструкции применяют термоэлектроды диаметром 2 — 3 мм. Нижней поверхности диска ("пятачка") придают форму той поверхности, для измерения температуры которой предназначена термопара.

Термоэлектродвижущая сила пятачковой термопары образуется в результате замыкания термоэлектродов металлом пятачка. При хорошей пайке это замыкание происходит по всей поверхности отрезков термоэлектродов, утопленных внутрь пятачка. Но электрическая цепь с наименьшим сопротивлением образуется главным образом верхним поверхностным слоем пятачка и температуру этого слоя в основном определяет термо э. д. с. термопары.

Уравнения теплового баланса пятачковой термопары составляют аналогично тому, как это было сделано выше для ленточной термопары, с той разницей, что помимо теплового потока, рассеиваемого в результате конвективной и лучистой теплоотдачи с внешней поверхности пятачка, большое значение приобретает учет части рассеиваемого теплового потока, отсасываемой от пятачка термоэлектродами вследствие их теплопроводности.

Необходимо учесть следующее обстоятельство. Термоэлектроды изготовлены из различных металлов или сплавов с разными значениями коэффициента теплопроводности. Так, например, платинородиевый термоэлектрод термопары типа ПП характеризуется коэффициентом теплопроводности, вдвое меньшим, чем второй термоэлектрод — платиновый.

Если диаметры термоэлектродов одинаковы, то различие значений коэффициентов теплопроводности термоэлектродов приведет к тому, что в местах электрического контакта термоэлектродов с пятачком образуется разность температур, которая послужит причиной возникновения в цепи термопары паразитной термо э. д. с.

Измерение температуры в промышленности

Штырьковая термопара

Термопары этого типа применяют главным образом для измерения температур поверхности сравнительно мягких металлов и сплавов. Для штыковой термопары применяют термоэлектроды из достаточно твердых сплавов, например из хромеля и алюмеля диаметром 3 — 5 мм.

Один из термоэлектродов термопары закреплен на головке неподвижно, а второй может перемещаться вдоль своей оси, и в нерабочем состоянии конец его выдвигается пружиной ниже конца первого термоэлектрода. Концы обоих термоэлектродов заострены.

При подведении термопары к объекту значительных размеров поверхности объекта касается сначала острие подвижного термоэлектрода. При дальнейшем нажиме на головку термоэлектрод входит в нее до тех пор, пока острие термоэлектрода не встретит поверхности объекта. Тогда оба острия прокалывают поверхностную пленку окисла на поверхности объекта, и этот металл замыкает электрическую цепь термопары.

При хорошей заточке концов термоэлектродов термопара дает надежные результаты измерений температур поверхностей цветных металлов, обладающих мягкой, легко прокалываемой пленкой окислов.

Применение штыковой термопары с затупленными остриями приводит к тому, что поверхности соприкосновения обоих термоэлектродов с объектом становятся сравнительно большими, в результате чего охлаждаются участки поверхности объектов в местах касания концов термоэлектродов и термопара дает явно заниженные показания температур. Однако уже через 20 — 30 секунд тепло, поступающее из окрестных областей объекта, нагревают охлажденный участок, а с ним и концы термоэлектродов.

Таким образом штыковая термопара с затупленными концами в момент контакта дает заниженные показания температуры объекта, затем в течение нескольких десятков секунд ее показания растут, асимптотически приближаясь к устойчивому значению. Это устойчивое значение тем сильнее отличается от действительного значения температуры поверхности объекта, чем больше поверхность соприкосновения затупленных концов термоэлектродов с объектом.

Градуировка поверхностных термопар

Температура, которую принимает в установившемся состоянии поверхностная термопара, оказывается ниже измеряемой температуры поверхности, с которой контактирует термопара. Этот перепад температур в значительной степени может быть учтен благодаря градуировке поверхностной термопары в условиях теплоотдачи с ее наружной поверхности, приближающихся к условиям эксплуатации.

Из этого положения вытекает, что градуировочная характеристика поверхностей термопары может сильно отличаться от характеристики термопары, образованной из тех же термоэлектродов, но градуированной методом сравнения с образцовой при их совместном погружении в термостатируемое пространство.

Следовательно, поверхностные термопары нельзя градуировать погружением в термостаты (жидкостные лабораторные нагревающие термостаты для градуировки термопар). К ним должна быть применена другая методика градуировки.

Поверхностные термопары градуируют, прикладывая их с требуемым прижатием к наружной металлической поверхности тонкостенного жидкостного термостата. Нагретая жидкость внутри термостата хорошо перемешивается, и ее температура измеряется каким-либо образцовым прибором.

Наружная поверхность термостата покрывается слоем тепловой изоляции. Тепловой изоляцией не покрывается только небольшой участок наружной поверхности, находящийся приблизительно на половине высоты термостата, к которому и приложена термопара.

При такой конструкции температуру металлической поверхности термостата под поверхностной термопарой с погрешностью, не превышающей несколько десятых градуса, можно считать равной температуре жидкости в термостате.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика