Термоэлектрические приборы и их практическое применение

Показатели точности

Одна из главных характеристик прибора для электроизмерений – класс точности. Их существует несколько. А определяется он по зависимости от допустимого предела погрешности, вызванной конструктивными особенностями отдельно взятого устройства.

Точность электроизмерительных приборов не может быть равна погрешности относительной или абсолютной. Последняя не является определителем точности, а относительная имеет зависимость от значения величины, подвергшейся изменению, то есть для различных участков шкалы будет иметь разные значения.

Поэтому для характеристики точности электроприбора применяется приведенная погрешность (ɣ). Определяется она отношением погрешности абсолютной конкретного прибора (∆x) к максимуму (или пределу) измеряемой величины (xпр). Полученная величина, выраженная в процентах, и будет классом точности конкретного прибора:

Любой электроизмерительный прибор на шкале обязательно имеет указание на класс точности. Согласно ГОСТу он может быть 0,05, 0,1, 0,2, 0,5, 1,0, 1,5, 2,5 и 4,0. На этом основании приборы можно классифицировать следующим образом:

— класс точности 0,05 и 0,1 — образцовые, использующиеся для поверки точных приборов (например, лабораторных);

— класс точности 0,2 и 0,5 – лабораторные, используются в лабораториях для производства измерений и поверки технических приборов;

— класс точности 1,0, 1,5, 2,5 и 4,0 – технические, применяются для технических измерений.

Как работают цифровые измерители

Цифровые электроизмерительные приборы имеют высокий класс точности (погрешность варьируется от 0,1 до 1,0 %) и широкий предел измерений. Они быстродейственны и могут совместно работать с электронно-вычислительными машинами, что позволяет передавать результаты измерений без каких-либо искажений на различные расстояния.

Эти устройства считаются приборами сравнения и непосредственной оценки. Их работа основана на принципе перевода измеряемой величины в код, благодаря чему пользователь имеет цифровое представление информации. Ещё какие электроизмерительные приборы относятся к цифровым? Это устройства, которые, измеряя непрерывную электрическую величину, автоматически конвертируют её в дискретную, кодируют и выдают результат в цифровой форме, удобной для считывания пользователем.

ОАО «НИИ Электромера»

65 лет назад, согласно Постановлению Совета министров СССР, был образован ВНИИЭП — Всесоюзный научно-исследовательский институт электроизмерительных приборов. Кроме научно-исследовательских работ по разработке новейших образцов техники здесь изготавливали небольшие серии высокоточных, уникальных приборов. Разрабатывая системы электроизмерительных приборов, предназначенных для автоматизации экспериментов и промиспытаний сложной техники, институт создал измерительно-управляющие комплексы.

В конце прошлого столетия ВНИИЭП преобразован в ОАО «НИИ Электромера».

Виды термопар

По способу работы выделяют разновидности:

• измеряющие способом погружения;
• работающие поверхностно.

Термоэлементы изготавливают без кожуха, со стальными, жаростойкими, фарфоровыми чехлами, с изоляцией из тугоплавкого металла.

По конструкции выделяют термические приборы:

• с подвижным и неподвижным штуцером и фланцем,
• с обычной, водостойкой головкой;
• с заделкой выводов без головки.

Выпускают термоэлементы защищенные и незащищенные от действия агрессивной среды. Есть разновидности, работающие в высоком давлении и негерметичные, устойчивые к вибрации, ударам, простые.

Хромель-алюмель (ТХА)

Характеристики термопары:

• длительно определяет температурные показатели до +1100°С, единовременно — +1300°С;
• применяют для определения низких значений (до -200°С);
• чувствительность около 40 мкВ/°С;
• используют в реакторах при облучении.

Недостаток — сильная чувствительность к механической деформации электродов и нестабильность термо-ЭДС, которая обратима.

Положительный электрод сделан из хромеля, отрицательный — алюмеля.

Хромель-копель (ТХК)

Особенности термопары хромель-копель:

• измеряет показатели в кислых и инертных средах;
• эксплуатируется при температуре +800°С постоянно, кратковременно используют при +1100°С;
• нижний предельный показатель — -253°С.

Наибольшую стабильность показывает при значениях не больше +600°С. Термопары часто используют в научных лабораториях, при этом термоэлементы успешно измеряют небольшие разницы температурных показателей.

Железо-констатан (ТЖК)

Применяют в промышленности в восстановительных и окислительных средах, вакууме, рекомендуют для координации одновременно отрицательных и положительных температур.

Свойства термопары железо-констатан:

• измеряет значения в промежутке -203° — +1100°С (кратковременно), +750°С (длительно);
• не применяют для контроля только отрицательных температур;
• чувствительность — на уровне 50 – 65 мкВ/°С.

Недостаток в том, что термопара показывает неправильные значения при деформации проводников. Железные электроды имеют малую стойкость против коррозии.

Материалом положительных термоэлементов служит малоуглеродистое железо, а отрицательных — констатан (сплав никеля и меди).

Вольфрам-рений (ТВР)

• измеряют показатели в диапазоне -1300° — +3000°С;
• термо-ЭДС — в пределах 22 – 34 мВ для электродов из различных сплавов;
• чувствительность 4 – 10 мкВ/°С.

Элементы прочные, успешно справляются со знакопеременными нагрузками, не загрязняются. Недостаток — чувствительность к облучению, ее снижение при показателях свыше +2400°С.

Вольфрам-молибден (ТВМ)

Измерения проводят в вакууме, водородной или инертной среде без окисляющих примесей. Термопара стоит дешевле всех других вариантов термодатчиков для определения высоких температур.

Особенности пары вольфрам-молибден:

• постоянно работает при -1400° — +1800°С, кратковременно используют при +2400°С;
• чувствительность — 6,5 мкВ/°С в этих температурных диапазонах.

Прочные термоэлектроды инертны к химическому воздействию.

Недостаток — слабое воспроизводство термо-ЭДС, инверсия полярности. При сильном продолжительном нагреве наблюдается хрупкость, т. к. происходит окисление.

При керамической защите электродов и наличии колпаков функционирует в кислой среде и жидких металлах.

Платинородий-платина (ТПП)

Термопары изготавливают из сплава платины с родием (10 или 13%) и платины. Применяют для контроля в инертных и кислых условиях. Характеризуются точными значениями, высокой воспроизводимостью и постоянной термо-ЭДС.

Свойства термопары ПП:

• абочая температура постоянных измерений — -600° — +1400°С, кратковременно используют при +1600°С;
• показывают чувствительность на уровне 10 – 12 мкВ/°С при 10% родия, 11 – 14 мкВ/°С (13%).

Недостатки проявляются в переменности точности при высокой степени облучения, кроме того такие элементы имеют высокую стоимость. Термопары нужно защищать от металлической и химической грязи при изготовлении и эксплуатации.

Платинородий-платинородий (ТПР)

Термоэлемент используют для нахождения температуры в нейтральной и кислой среде, а также в вакууме. Пара монтируется без длинных проводников т. к. имеет малую чувствительность при показателях 0° — 100°С.

Особенности и характеристики термопары ПР:

• работает при нагревании до +1600°С (постоянно), до +1800°С (кратковременно);
• чувствительность 10,5 – 11,5 мкВ/°С при показателях свыше +1200°С.

Термоэлемент показывает большую прочность и стабильность при больших температурах, электроды не подвержены зернистости, хрупкости при температурных скачках, не склонны к накапливанию грязи на поверхности. Применяют в стеклоплавильном, цементном деле, в металлургии, изготовлении огнеупорных материалов.

Схема подключения

Для подсоединения на дистанции используют провода компенсационные и удлинительные. Последние выбирают того же материала, что и электроды термопары, но допускается другой диаметр. Компенсационные, наоборот, делают из сплавов, противоположных по свойствам.

Подключают термо-измерители двумя методами:

• простой — преобразователь соединяют к электродам напрямую;
• дифференциальный — применяют 2 проводника с разной ЭДС, сваренные на концах, при этом преобразователь ставят в разрыв одного проводника.

Монтируют так, чтобы не было пространственного натяжения проводников и вибрации.