МІНІСТЕРСТВООСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Національнийуніверситет «Львівська політехніка»
ІнститутКомп’ютерних технологій, автоматики і метрології
Кафедраметрології, стандартизації та сертифікації
«Контрольхарактеристик термоперетворювачів опору»
здисципліни «Методи та прилади контролю якості»
Львів2010
Зміст
термоперетворювач опір температура аморфний
Загальні положення
1. Термоперетворювачіопору
2. Вимірюваннятемператури за допомогою автоматичного зрівноваженого містка
3. Оглядсучасних термоперетворювачів
4. Впливагресивного середовища на матеріал
5. Металеві аморфні стопи як матеріаличутливих елементів термоперетворювачів
Висновок
Загальніположення
Усучасних технологічних процесах вимоги до точності вимірювання температури наоб’єктах ставлять на дуже високому рівні, тому постійно відбувається пошукшляхів покращання метрологічних характеристик термоперетворювачів. Чутливіелементи, які використовують сьогодні у промисловості, характеризуютьсянедостатніми стабільністю статичної характеристики перетворення та надійністю іпорівняно малим ресурсом. Методи та засоби, які застосовують для стабілізаціїелектрофізичних властивостей матеріалів чутливих елементів, нині незабезпечують на необхідному рівні метрологічних та експлуатаційниххарактеристик сучасних термоперетворювачів.
Здебільшогоосновною проблемою контактної термометрії є:
- втручання в температуру об’єкта;
- вплив елементів конструкції та захисноїарматури (висока інерційність;
- корозія чутливих елементів і арматури;
- вплив способу монтажу на об’єкті;
- похибка від гальмування потоку).
Найважливішимивластивостями матеріалів для термометрії є:
- відтворюваність та стабільністьелектрофізичних параметрів;
- лінійність температурної залежності;
- стійкість проти впливів зовнішньогосередовища;
- надійність та довговічністьтермоперетворювачів у робочих умовах.
Длястворення термоперетворювачів опору використовують матеріали, що маютьстабільні і відтворювані електрофізичні характеристики, а також високу стійкістьпроти впливу зовнішнього середовища. Для вимірювання високих температурвикористовують платину, вольфрам, молібден й інші важкотопкі метали, однак вонипотребують залучення захисних засобів, що запобігають їх оксидуванню і виходу зладу. Що стосується термоелектричних перетворювачів, то треба враховувати низкуфакторів, які впливають на термоелектричні властивості чутливих елементів, асаме:
- вплив механічних напружень у чутливомуелементі на термоелектрорушійну силу (термо-ЕРС);
- вплив тиску на термо-ЕРС;
- вплив магнетних, електричних полів ірадіаційного опромінювання на термоелектричні властивості матеріалів.
Усучасній термометрії налічується близько 55 % термоелектричних термометрів відзагальної кількості контактних термометрів, що використовуються на промисловихпідприємствах і в наукових установах. Це зумовлено низкою перевагтермоелектричних термометрів, зокрема такими, як простота виготовлення іексплуатації, достатня для більшості випадків точність вимірювання, наявністьвеликої кількості вимірювальних приладів, розрахованих на роботу зтермоелектричними перетворювачами, порівняно невисока вартість термометрів,високі характеристики надійності, взаємозамінюваність, можливість автоматизаціїпроцесу вимірювання.
1.Термоперетворювачіопору
Утермометрах опору чутливий елемент виготовляють переважно з металів,стопів і напівпровідників високої чистоти. Більшістьметалів мають додатний температурний коефіцієнт електричного опору,якийстановить 0.004–0.006 К-1длячистих металів, а це означає,щоу напівпровідниках з підвищенням температури опір зазвичай зменшується заекспоненційним законом. При цьому температурний коефіцієнт опору напівпровідниківза абсолютним значенням в 5–10 разів вищий, ніж для чистих металів. Діапазонвимірювання температур термометрами опору лежить в межах від мінус 260 до +1100°С. Термометри опору забезпечують високу точність вимірювання температури —похибка термометрів окремих типів не перевищує сотих часток Кельвіна. Наявністьвеликої кількості вимірювальних пристроїв для роботи з термоперетворювачамиопору, порівняно невисока вартість, висока надійність і стабільність (до 0.01 Кна рік) термоперетворювачів, можливість автоматизації процесу вимірювання — всіці якості забезпечують широке використання термоперетворювачів опору в практицітемпературних вимірювань.
Діїтермоперетворювачів опору базується на властивості металів збільшуватиелектричний опір при нагріванні, тобто
/>
де Rt– опір металу, з якого виготовлено термоперетворювачі, при будь-якійтемпературі. У загальному випадку для виготовлення термоперетворювачіввикористовують чисті метали, зокрема мідь і платину. Залежність опорутермоперетворювача із міді (Rt) від температури (t) записують увигляді
/>
де R0– опір термоперетворювача при t = 0°C;
a= 4,26·10-3 [1/°С].
Длятермоперетворювача опору з платини цю залежність записують у вигляді
/>
де А = 3,968·10-3[1/°С];В = -5,847·10-7 [1/°С];
R0–опір цього термоперетворювача при t = 0°C.
Дляконтролю концентрації компонентів, що містятьсяуматеріалі, вимірюють значення електропровідності ітемпературногокоефіцієнта електричного опору.
Значеннятемпературного коефіцієнта опору для чистихметалів зростає зі зростанням їх чистоти. Томуметалинормуються за значенням чистоти, яка корелюєзізначенням температурного коефіцієнта опору б0-100.Значеннявідношення R100/R0 і б0-100 —загальноприйняті показники ступеня чистоти металу інаявностів ньому механічних напружень. Для мінімізації механічних напружень застосовуютьспеціальний режим відпалювання.
Конструкції термоперетворювачівопору різні, але всі вони мають чутливі термоелементи й зовнішню захиснуарматуру. Промисловість випускає термоперетворювачі, у яких: R0= 50Ом, або R0= 100 Ом. Термоперетворювачі опору мідні використовуютьдля вимірювання температур від -50 до 200°С, а термоперетворювачі опоруплатинові – від -200 до 650°С. Найбільше вживають термоперетворювачі опорумідні типу ТСМ-0879, або термоперетворювачі опору платинові типу ТСП-0879. НаФСА ТП термоперетворювачі опору умовно позначають у вигляді: ТЕ – тобто якелемент систем автоматичного керування, це первинний перетворювач (ПП) длявимірювання температури.
2.Вимірюваннятемператури за допомогою автоматичного зрівноваженого містка
Сигнали від ПП, пропорційні вимірюваній температурі, надходять на вхідвторинного приладу (ВП) або на вхід передавального перетворювача (ПрП). Яквторинні прилади використовують автоматичні містки: зрівноважені абонезрівноважені; двопровідні або трипровідні. На деякі з них можна подавати до12 сигналів від ПП. Крім того до ВП можна підключати автоматичні регулятори.
Тут Rt – змінний резистор для зображення термоперетворювачаопору;
Rp – реохорд, движок якого автоматично переміщують задопомогою механічного зв’язку з РД (перервна лінія);
R1, R2, R3 – резистори, кожний з нихзі своїм постійним опором, виготовлені з манганіну;
Rпр – резистори для умовного зображення опору двох лінійзв’язку (проводів) між термоперетворювачем опору (Rt) та містком, атретя лінія (провід) – для живлення містка в діагональних точках: в, г;
ЕП – електронний підсилювач сигналів;
РД – реверсивний електричний двигун змінного струму;
6,3 В – напруга живлення містка змінного струму;
а – б, в – г – протилежні точки діагоналей містка.
Умовою рівноваги цього автоматичного містка є рівність добутків протилежнихопорів у плечах містка. Так, за умови знаходження движка реохорда в крайньомулівому положенні умову рівноваги містка записують у вигляді
/>
/>
Призрівноваженні містка напруга на протилежних точках діагоналі містка (а і б)однакова, тобто на вхід електронного підсилювача (ЕП) сигнали не надходять, астрілка і перо (на рис. 4.2 не показано) – фіксують значення температури,пропорційної значенню опору Rt. При підвищенні (зниженні)вимірюваної температури опір термоперетворювача Rt змінюється, на протилежнихточках діагоналі містка (а і б) виникає розбаланс напруги, який надходить навхід ЕП і там підсилюється, а потім – на РД. Залежно від знака розбалансу РДобертається в один або інший бік, за рахунок механічного зв’язку його зреохордом автоматично переміщується движок реохорда (для отримання нової умовирівноваги містка), а стрілка і перо на температурній шкалі фіксують новезначення температури.
Промисловістьвипускає багато типів автоматичних містків, найбільше поширення мають:автоматичні зрівноважені керуючі самозаписуючі трипроводні містки типу КСМ-2 таКСМ-4, технічні характеристики яких наведено в табл.
Таблиця 1Технічні характеристики самозаписуючих трипроводних містків№ п/п Характеристика КСМ-2 КСМ-4 1. Кількість параметрів вимірювання 1, 3, 6, 12 1, 3, 6, 12 2.
Умови експлуатації:
- вологість повітря, %
- температура повітря, С
30 – 80
5 – 50
30 – 80
5 – 50 3. Маса, кг 20 22 4. Запис вимірюваних значень температури стрічкова діаграма на барабані стрічкова діаграма, що складається
Незрівноваженіавтоматичні містки, як правило, використовують в лабораторних дослідженнях. Заїх допомогою можна отримати більш точні значення вимірюваної температури зарахунок підключення термоперетворювача опору безпосередньо в одну з діагоналеймістка
3.Оглядсучасних термоперетворювачів
Нинііснує багато засобів термометрії, якічастково можуть задовольнити поставлені вимоги.Насцікавлять термоперетворювачі для вимірювання температури в агресивнихсередовищах. Виконано оглядпродукції різних фірм. Утаблиці наведені найтиповіші термоперетворювачі.
Термоперетворювачіне повністю задовольняють наші умови за точністю,інерційністю.
Таблиця2 Класифікація термоперетворювачів для вимірюваннятемператури в агресивних середовищахТип термоперетво-рювача Призначення Температура,°С НСХ
Клас
допуску
Тепло-
інерційність, с
Матеріал
захисної
арматури Термоперетворювачі опору платинові (ТОП) і мідні (ТОМ) ТОП 0505
Агресивні середовища,
зокрема кислоти і луги
різних концентрацій. 0…+150
100П,
2х100П В 30 Скло БК8 ТОП 0604
Рідкі і газоподібні
середовища, в яких може
міститися аміак,
вуглекислий газ і його
компоненти, а також
агресивні домішки
сірководню. -50…+150 100П В 8,9,20
12Х18Н10Т,
10Х17Н13М2Т,
08Х13 ТОП 9307
Рідкі і газоподібні
середовища в хімічній і
газовій промисловості та
кріогенній техніці -220…+500 50П, 100П А, В 8 12Х18Н10Т ТОП 9418
Рідкі і газоподібні середо-
вища у вибухонебезпечних
зонах, в яких може місти-
тися аміак, вуглекислий газ
і його компоненти, а
також
агресивні домішки
сірководню. -200…+500
50П,
100П В 8,9,20
12Х18Н10Т,
10Х17Н13М2Т ТОМ 9418 -500…+150
50М,
100М 20
12Х18Н10Т,
10Х17Н13М2Т,
08X13 ТОП 188 — 10
Системи автоматичного
контролю і регулювання
температури на об’єктах
енергетики, нафтової,
газової промисловості -50…+500
50П,
100П В, С 20 12Х18Н10Т ТОМ 188 — 10 -50…+150
50М,
100М
ТОП 101, 102,
103
Рідкі і газоподібні, хімічно
неагресивні та агресивні
середовища, які не
руйнують матеріалу
захисного чохла. -50…+500
Pt100,
Pt500
А, В,
С 30
12Х18Н10Т,
10Х17Н13М2Т
ТОМ 101,
102, 103 -50…+180
50М,
100М
А, В,
С /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
Якправило, чутливий елемент термоперетворювача захищають чохлом. Захисний чохолвиготовляють з неіржавіючих сталей, високотемпературної кераміки. Можливівипадки, коли герметичність такого чохла може зменшитися і агент середовищапроникає до самого чутливого елемента. Зростає інерційність термоперетворювачаза рахунок використання захисних чохлів. Також чохли мають високу вартість.Отже, перш ніж захищати ззовні, треба подбати про стабільність самого чутливогоелемента. У разі дії корозії на матеріал провідника його опір змінюється(збільшується). Це випливає з відомої залежності:
R=l/S
деR – електричний опір провідника; с – питомий опір провідника; l –довжина провідника; S – площа поперечного перерізу. А оскільки
S=d^2/4
деd – діаметр провідника, то
/>
Відомо,що в електрорезистивних термоперетворювачах про зміну температури дізнаємосячерез зміну опору, і очевидний вплив агресивного середовища, який вноситьдодаткову похибку, що проявляється через відхилення від номінальної статичноїхарактеристики перетворення. На рис. 1 наведено для прикладу додатковутемпературну похибку, спричинену корозією матеріалу чутливого елемента мідноготермоперетворювача опору. Сьогодні термометри опору з платиновими чутливимиелементами вважають найкращими приладами для вимірювання температури. Протеплатина має властивості, які нас не задовольняють:
–є дуже активним каталізатором хімічних процесів, які відбуваються з виділеннямзначної кількості тепла на поверхню, що призводить до додаткової похибки ( + Дt);
–висока вартість, дефіцитний матеріал.
Безконтактнатермометрія, хоч і не потребує безпосереднього контакту з об’єктом вимірювання,але не забезпечує високої точності, оскільки коефіцієнт випромінювальноїздатності об’єкта є невідомим (залежить від довжини хвилі та температури, атакож від стану поверхні тіла).
Томунеобхідно почати з аналізу, вдосконалення матеріалу чутливого елементатермоперетворювача.
4. Вплив агресивного середовища на матеріал
Розглянемодокладніше корозійні явища, яківідбуваються в матеріалах термоперетворювачів.Середовище, яке викликаєхімічне руйнування металів, називаютьагресивним. Приклади агресивнихсередовищ – це різноманітнікислоти (соляна,сірчана,азотна,фосфорна),луги,солі,основи, гази,пари.Впливагресивного середовища спричиняє корозію.
Корозієюназивають руйнування речовин внаслідок хімічної або електрохімічної взаємодії здовкіллям. Корозію металів,перебігякої відбувається під дією окисників-неелектролітів,називаютьхімічною корозією. Якщо ж корозіявідбувається під дією електроліту або прикладеної різниці електричнихпотенціалів, то її називаютьелектрохімічною корозією.
Внаслідокхімічної корозії метал вкривається шаром продуктів окиснення — найчастішеплівкою оксиду або гідроксиду.
Наприклад,алюміній в сухому повітрі швидко вкривається тонкою, проте дуже щільноюоксидною плівкою, після чого окиснення алюмінію практично припиняється. Оксиднаплівка на поверхні заліза (FeO або Fe3O4) не є суцільною й тому не запобігаєподальшій корозії заліза.
Корозіяпроходить тим інтенсивніше, чим агресивніше середовище і значно зростає зпідвищенням температури. Хімічна активність газів і швидкість газової корозіїметалів сильно підвищується при температурах, вищих за 200 – 300 °С.
Отже,є проблема: прецизійне вимірювання температури в агресивних середовищах. Як ужебуло сказано вище, платина не вирішує всіх проблем. Огляд літературних джерелпоказав, що перспективними матеріалами чутливих елементів термоперетворювачівможуть бути металеві аморфні стопи (МАС).
5. Металеві аморфні стопи як матеріаличутливих елементів термоперетворювачів
Аморфнийстан (від грецького amorphous – безформенний) – стан твердої речовини, в якому,на відміну відкристалічного стану, частинки (атоми, іони,
молекули)розміщені безладно і речовина ізотропна, тобто має однакові фізичні властивостів усіх напрямках. Для аморфного стану характерний так званийближнійпорядок, який зумовлюється взаємодією частинокна близьких віддалях. Найважливішими характеристиками ближнього порядку єкількість найближчих сусідів і тип найближчих сусідів, а такожпростороверозташування частинок в околі конкретного атома. Зі збільшенням віддалейзакономірності у розміщенні частинок зникають. Дослідження за допомогоюелектронного мікроскопа, а також за допомогою рентгенівських променів свідчать,що в аморфних матеріалах спостерігається нечіткий порядок в розташуванні їхчастинок. Різниця між аморфним і склоподібним станами полягає в тому, що у склііснує зворотний перехід від склоподібного стану в розтоп і з розтопу всклоподібний стан. Ця властивість характерна тільки для скла. В інших типахаморфних станів під часнагрівання відбувається перехід матерії спочаткув кристалічний стан, а тільки потім у разіпідвищеннятемператури до температури топлення – в рідкийстан. У склоутворюючих розтопах поступове зростання в’язкості розтопуперешкоджає кристалізації матеріалу, тобто переходу в термодинамічний стійкішийстан з меншою вільною енергією.
Ваморфному стані при кімнатній температурі питомий електроопір МАС становитьблизько 50 – 200 мкОм.см,ав кристалічному – зменшується в 3–4рази.Підчас поліморфної кристалізаціїспостерігається різке зменшення електроопору з підвищенням температури.Вкристалічномустані питомий електроопір зростає з підвищенням температури.Поблизутемпературногоінтервалу топлення електроопіррізко зростає і в рідкому стані (тутпрактично відсутні внутрішні напруження) лежитьв області, що приблизно на 10– 20 % нижче від відповідної екстраполяціїекспериментальних даних для аморфного стану.
Якпоказують літературні джерела,МАС володіють високою корозійною стійкістю і довговічністю,щохарактерно для матеріалів з гомогенноюструктурою. Хімічнаоднорідність, відсутністьлінійних дефектів типудислокацій вказують на можливістьпідвищеної корозійної стійкості. Були виконані попередні дослідження. Металічнескло, у складі якого єCr, проходило випробування у стандартних розчинах. Спостерігались дуженизькі,порівняно зі звичайними неіржавіючими сталями, швидкості корозії. Цеаморфнескло стійке до пітингової корозіїв сірчаних розчинах. Швидкість корозії аморфного стопу нижча. На відміну відаморфного зразка, у кристалічній неіржавіючій сталі в цих умовах виникалапітингова корозія.
Вартопідкреслити, що феромагнетизм аморфних стопів зумовлений наявністю в ниходного, двох або всіх трьох феромагнетних елементів: заліза, нікелю і кобальту.Подвійні феромагнетні стопи можна розділити на такі групи: стопи феромагнетнихелементів з перехідними металами: Fe-Au, Co-Zr, Ni-Pt тощо; стопи феромагнетнихелементів з неметалами: Fe-C, Co-B, Ni-P тощо; стопи феромагнетних елементів зодним з рідкісноземельних елементів: Co-Sm, Ni-Nd тощо.
Металевіаморфні стопи є перспективними матеріалами для застосування в електро-термометрії,але потрібні додаткові дослідження, які повинні довести, що металеві аморфністопи є справді найкращими матеріалами чутливих елементів термоперетворювачівопору для вимірювання температури в агресивних середовищах.
Висновок
Використанняаморфних матеріалів для виготовленнячутливого елемента є одним із варіантів вирішенняпроблеми підвищення стабільності метрологічних характеристик.Аморфніматеріали майже не взаємодіють з матеріалами арматури,їхніелектрофізичні властивості подібні до властивостей розтопів;механічнівластивості кращі за властивості кристалічних зразків.
Застосуванняметалевих аморфних матеріалів у термометрії дасть змогу мінімізувати термічноактивовані внутрішні механічні напруження у термоелектродах та забезпечитивисоку відтворюваність електрофізичних параметрів останніх.Аморфні матеріали є перспективними для термометрії,томудоцільно дослідити електрофізичні властивості,зокремаефект Холла, що дасть намзмогу отримати їх характеристики в магнетному полі,асаме: дослідити рухливістьелектронів, концентраціюносіїв заряду, поведінкуматеріалу під впливом магнетних полів, критичніточки, в яких матеріалпереходить з одного стану вінший.