Измерение и контроль температуры рабочего пространства в методической печи

Полупроводниковые термометры сопротивления выпускаются для измерения температуры в диапазоне от -200 до +300 °С. Обычно каждый такой термометр требует индивидуальной градуировки. Зависимость сопротивления полупроводниковых термометров от температуры приближенно описывается выражением

 

- сопротивление при эталонной температуре; RT - сопротивление при измеряемой температуре Т; В -  параметр, зависящий от материала преобразователя (В = 3 000 - 4 000К); Т -  абсолютная температура объекта. К.

 

 
Рисунок 2 - Схема измерительной цепи металлического термометра сопротивления

Хотя большая нелинейность характеристики преобразователя является нежелательной из-за усложнения измерительной схемы терморезисторов, тем не менее полупроводниковые термометры сопротивления получили распространение в лабораторной и производственной практике благодаря высокой чувствительности, простоте, прочности, транспортабельности и возможности использования без дополнительного усилителя. Поскольку сопротивление полупроводниковых термометров лежит в интервале от 1 кОм до 1 МОм, то можно пренебречь изменением сопротивления клемм и соединительных проводов. Чувствительные элементы полупроводниковых тepмометров состоят главным образом из смесей окислов металлов, которые при высокой температуре сплавляются в форме маленьких пластинок, стерженьков или шариков. Благодаря малым размерам обеспечиваются хорошие динамические свойства таких термометров.

Для измерения сопротивления термометров используются автоматические мосты и логометры, питаемые постоянным, а иногда и переменным током. На рис. 38 показана схема измерительной цепи металлического термометра сопротивления с трехпроводной линией связи. Три плеча моста составляют манганиновые резисторы R1, R2 и R3. Четвертое плечо состоит из преобразователя термометра RК и подгоночных резисторов (на схеме не показанных). Последовательное соединение каждого из подводящих проводов соответственно с резисторами R1и R3 позволяет автоматически компенсировать влияние колебаний их температуры на результат измерения. Показания логометра, рамки которого 1 и 2 подключены к двум точкам моста непосредственно и к одной через резистор R4, пропорциональны изменению сопротивления первичного преобразователя температуры RK.

Погрешность металлических термометров сопротивления в зависимости от исполнения составляет от ±0,5 % до ±3 %, а у полупроводниковых0,5 %. За счет специального отбора и индивидуальной градуировки можно снизить погрешность полупроводниковых термометров сопротивления до ±0,01 °С.

Принцип действия термоэлектрического термометра (термопары)основан на термоэлектрическом явлении, в результате которого в цепи, состоящей из двух разнородных проводников, возникает термоЭДС, зависящая от температуры в местах соединений этих проводников. Для измерения температуры одно из соединений разнородных проводников (рабочие концы) помещают в среду, температуру которой измеряют, а температура другого соединения (свободных концов) известна. ТермоЭДС термоэлектрического термометра не изменится, если в его цепь будет включен третий проводник или измерительный прибор и температура мест его соединения будет одинаковой.

Свободные концы термоэлектрического термометра нужно располагать в месте, удобном для стабилизации или измерения температуры. Для этого применяют удлиняющие (компенсационные) провода, которые присоединяют к термоэлектродам.

Зависимость между термоЭДС и разностью температур рабочих и свободных концов в общем случае является нелинейной и может быть аппроксимирована уравнением третьей степени. Если сузить диапазон измеряемых температур, то характеристики многих термопар могут быть линеализированы без большого ущерба для точности измерений.

Зависимость термоЭДС от измеряемой температуры для наиболее употребительных пар материалов, характеристики которых приведены в таблице 2, показана на рисунке 3 (температура свободных концов 0°С).

Если контрольная температура свободных концов отличается от нуля и поддерживается равной, например 20 °С, то в замеренное значение термоЭДС. следует внести поправку, которая соответствует отклонению контрольной температуры t о от 0°С. Положительным считается тот электрод, от которого идет ток к спаю термопары при t >t 0.При обозначении термопары на первом месте указывается материал положительного электрода. Кроме указанных в таблице 2, применяются также железоконстантановые (диапазон измерения от 250 до +700 °С) и медьконстантановые (от 250до +400 °С) термоэлектрические преобразователи.

Таблица 2 - Характеристики термоэлектрических преобразователей

Тип преобразова-теля	Материал термоэлектрода	Термоэлектроды		Диапазон измеряемых температур (длительно), °С	Предел кратковремен-ного применения, °С
		Положи-тельные	Отрица-тельные
ТПП	Платинородий	10 % Rh;	100 % Pt	0 - 1300	1 600
	платина	90 % Pt
ТХА	Хромель- алюмель	Хромель	Алюмель	-50)...1 000	300
ТХК	Хромель-копель	Хромель	Копель	(-50)...600	800

 

 
Рисунок 3 - Характеристика наиболее употребительных термоэлектрических преобразователей:

1.   хромель-копель;

2.   железо-константан;

3.   хромель-алюмель;

4.   платинородий-платина

Погрешность измерения температуры составляет от 0,25 %для преобразователей типа ТПП и до 0,8 % для ТХА.

Кроме стандартных термоэлектрических термометров, в лабораторной практике и при исследованиях находят применение и нестандартные. Но все нестандартные средства измерения температур требуют индивидуальной градуировки.

На рисунке 4 приведена схема измерения температуры в зоне резания при помощи так называемой однорезцовой и двухрезцовой естественной термопары.

 

 
Рисунок 4 - Схема измерения температуры в зоне резания при помощи естественных термопар

Переключение режимов работы производится трехпозиционным переключателем 5. Для однорезцовой термопары замыкаются контакты а - а или с - с. Тогда термоЭДС, образующаяся в месте контакта стружки из материала детали 1 и передней грани режущей пластинки резца 2 из стали Р18 (или резца 3 из твердого сплава Т15К6), измеряется, усиливается и регистрируется прибором 6. Для снятия термоЭДС с вращающейся детали применяется ртутный токосъемник 7 с гибким вращающимся электродом. При замыкании контактов с - с образуется естественная двухрезцовая термопара Р18 - Т15К6. При замыкании контактов а – а необходима изоляция 4 резца и детали, а для двухрезцовой термопары достаточно изолировать только резцы. Но при двухрезцовой обработке трудно создать одинаковые температуры в зоне резания обоих резцов, поскольку их материалы обладают разной теплопроводностью. Эксперименты показали, что различие в показаниях одно- и двухинструментных термопар составляет 7 - 9 %. Правильное тарирование естественных термопар является важной проблемой, поскольку от его качества зависит достоверность результатов измерений. При тарировании желательно создать условия контакта, близкие к реальным, что особенно важно для инструмента, снабженного пластинками из твердых сплавов. В ГДР предложен способ комбинированного тарирования (патент 105662) (рисунок 5).

 

 
Рисунок 5 - Схема комбинированного тарирования естественной термопары: 
 а - схема установки; б - тарировочный график

 

Установка включает геометрически подобные резцы 1(основной) и 4 (вспомогательный), изготовленные из разных материалов. В схему входит токосъемник 3, переключатель 5и измерительный прибор 6.Тарирование производят в несколько этапов. Вначале в патроне станка закрепляют образец 2 из сравнительно легкоплавкого материала, например алюминия, температура плавления t 1, которого известна. Переключатель 5 установлен в положение К2. Скорость резания плавно увеличивают до тех пор, пока в зоне резания материал обрабатываемого образца не начнет плавиться. ЭДС термотока E 1 фиксируется измерительным прибором 6. Если предположить в первом приближении, что зависимость между Е и t линейна, а при t = 0°C  E = 0 ,то можно построить тарировочный график 7 двухрезцовой термопары. Второй этап тарировки состоит в том, что в патрон станка устанавливают новый образец из испытываемого материала. При определенном режиме резания, используя двухрезцовую термопару, замеряют ЭДС Е 2, по которой с помощью графика определяют температуру в зоне резания t2. Затем вспомогательный резец отводится, а переключатель 5 ставится в положение К1. Основной резец 1 продолжает резание в прежнем режиме, и на третьем этапе прибор фиксирует новое значение ЭДС E3, измеренное новой однорезцовой естественной термопарой резец 1 – обрабатываемый материал. Это значение ЭДС соответствует температуре t2, так как условия резания для резца 1 не изменились. Полученная таким образом точка С позволяет построить тарировочный график 8 для однорезцовой термопары.

На рисунке 6 показана цепь однорезцовой естественной термопары, позволяющей снимать показания без специального токосъемника.

 
Рисунок 6 - Схема однорезцовой естественной термопары

 

Для этого на заднюю грань резца 1 наносится изоляционный слой, а на него - токопроводящий слой 3. ЭДС естественной термопары, образующейся в процессе резания между инструментом 1 и деталью 2, регистрируется измерительным прибором постоянного тока 4.

Известен способ измерения температуры в зоне шлифования при помощи полуискусственной термопары (рисунок 7), которая образована двумя частями 1 и 2 шлифуемого на плоскошлифовальном станке образца и тонкой копелевой проволочкой 3, изолированной от образца тонкими пластинками слюды 4 (0,02 мм). Расплющенный конец проволоки (рисунок 7, б) защемляется между двумя половинками образца в верхней части клинового разъема. Спай образуется при шлифовании за счет пластического деформирования поверхностного слоя и выходящей на поверхность части проволоки. Сигнал через усилитель 6 попадает на регистрирующее устройство 5 (например, осциллограф).

 

 
Рисунок 7 - Схема измерения температуры в зоне шлифования при помощи полу искусственной термопары: 
 а -схема установки; б - схема заделки термоэлектрода; в - термоэлектрод

 

Полуискусственная термопара может быть получена и при установке одного из проводников в шлифовальный инструмент (рисунок 8). Между двумя плотно притертыми друг к другу половинками шлифовального круга 4и 2укладывается фольга 3толщиной 0,01 - 0,05 мм, которая образует с деталью 1 полуискусственную термопару с тонким спаем, равным по длине ширине зоны шлифования (1,5 - 3,0 мм). Сигнал термопары, соответствующий средней температуре зоны контакта, через ртутный токосъемник 5попадает в усилитель 6 и затем в регистрирующий прибор 7.Преимуществом такой термопары является непрерывность и устойчивость сигнала. [2]

 

 
Рисунок 8 - Схема измерения температуры в зоне шлифования с термоэлектродом  

2.1. Контроль температуры рабочего пространства методической печи

Термопары широко применяют для измерения температуры различных объектов, а также в автоматизированных системах управления и контроля. Измерение температур с помощью термопар получило широкое распространение из-за надежной конструкции датчика, возможности работать в широком диапазоне температур и дешевизны. Широкому применению термопары обязаны в первую очередь своей простоте, удобству монтажа, возможности измерения локальной температуры. Они гораздо более линейны, чем многие другие датчики, а их нелинейность на сегодняшний день хорошо изучена и описана в специальной литературе. К числу достоинств термопар относятся также малая инерционность, возможность измерения малых разностей температур. Термопары незаменимы при измерении высоких температур (вплоть до 2200°С) в агрессивных средах. Термопары могут обеспечивать высокую точность измерения температуры на уровне ±0,01°С. Они вырабатывают на выходе термоЭДС в диапазоне от микровольт до милливольт, однако требуют стабильного усиления для последующей обработки.

 

Таблица 3 – Градуировка термопар

Тип термо-  пары	Букве-  нное обозна-  чение НСХ*	Материал термоэлектродов		Коэффициент термоЭДС, мкв/°С (в диапазоне температур, °С)	Диапазон рабочих температур, °С	Предельная темпе-  ратура при кратко-  временном приме-  нении, °С
		положитель-ного	Отрицатель- ного
ТХА	К	Сплав хромель (90,5% Ni +9,5% Сr)	Сплав алюмель (94,5% Ni + 5,5% Al, Si, Mn, Co)	35-42 (0-1300)	от -200 до +1200	1300
ТХКн	Е	Сплав хромель (90,5% Ni + 9,5% Сr)	Сплав константан (55% Сu + 45% Ni, Mn, Fe)	59-81 (0-600)	от-200 до+700	900

 

Продолжение таблицы 3

ТХК	L	Сплав хромель (90,5% Ni + 9,5% Сr)	Сплав копель (56% Си + 44% Ni}	64-88 (0-600)	от -200 до +600	800
ТПП13	R	Сплав платина-родий (87%Pt + 13%Rh)	платина (Pt)	10-14 (600-1600)	от 0 до +1300	1600
ТПП10	S	Сплав платина-родий (87% Pt — 13% Rh)	платина (Pt)	10-14 (600-1600)	от 0 до +1300	1600
ТПР	В	Сплав платина-родий (70% Pt - 30% Rh}	Сплав платина-родий (94% Pt-6%Rh)	10-14(1000-1800)	от 600 до+1700	1800
ТВР	А-1  А-2  А-3	Сплав вольфрам-рений (95% W - 5% Re)	Сплав вольфрам-рений (80% W-20% Re)	14-7 (1300-2500)	от 0 до +2200  от 0 до +1800  от 0 до +1800	2500

 

 

   Примечание: НСХ — номинальные статические характеристики преобразования по международной классификации ТСС.   

Термопары относятся к классу термоэлектрических преобразователей, принцип действия которых основан на явлении Зеебека: если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру (Т не равно Т2), то в цепи протекает электрический ток (рисунок 1). Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока.

 

Рисунок 9 - Явление Зеебека