Курсовая работа (т): Измерение и контроль температуры рабочего пространства в методической печи

Рисунок 3 - Характеристика наиболее употребительных термоэлектрических преобразователей:

. хромель-копель;

. железо-константан;

. хромель-алюмель;

. 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

.4 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

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

Под термоэлектрическим эффектом понимается генерирование термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), возникающей из-за разности температур между двумя соединениями различных металлов и сплавов.

Таким образом, термопара может образовывать устройство (или его часть), использующее термоэлектрический эффект для измерения температуры. В сочетании с электроизмерительным прибором термопара образует термоэлектрический термометр. Измерительный прибор или электронную измерительную систему подключают либо к концам термоэлектродов (рисунок 10, а), либо в разрыв одного из них (рисунок 10, б).

Рисунок 10 (а, б) - Подключение термопары к измерительному прибору

В местах подключения проводников термопары к измерительной системе возникают дополнительные термоЭДС. В результате их действия на вход измерительной системы фактически поступает сумма сигналов от рабочей термопары и от «термопар», возникших в местах подключения (рисунок 11).

Рисунок 11 - Принцип работы термопары

Существуют различные способы избежать этого эффекта. Самым очевидным из них является поддержание температуры холодного спая постоянной.

На практике при измерении температур широко используется техника «компенсации холодного спая»: температура холодного спая измеряется другим датчиком температуры, а затем величина термоЭДС холодного спая программно или аппаратно вычитается из сигнала термопары (рисунок 12). Места подключения термопары к измерительной системе должны иметь одинаковую температуру, то есть находиться в изотермальной зоне. Кроме того, в схеме с компенсацией холодного спая в этой же зоне должен находиться и датчик температуры холодного спая. Разработчик должен учитывать эти требования при конструировании измерительной системы.

Рисунок 12 - Техника компенсации холодного спая

На рисунке 13 представлены зависимости ЭДС от температуры наиболее распространенных типов термопар, у которых температура холодного спая поддерживается равной 0°С. Из него видно, что термопары типа Е наиболее чувствительны и развивают наибольшее выходное напряжение при одном и том же изменении температуры, чем другие. С другой стороны, термопары типа S являются наименее чувствительными. К сожалению, у большинства термопар эти зависимости в некоторых диапазонах температур носит нелинейный характер.

Рисунок 13 - Зависимости ЭДС от температуры наиболее распространенных типов термопар

При выборе термопары для производства замеров температуры в некотором диапазоне следует выбирать ту термопару, коэффициент линейности которой изменяется менее других в рамках этого диапазона. Для достижения высокой точности измерений термопарного термометра во всем диапазоне рабочих температур необходима его калибровка. В ГОСТ 50431-92 «Термопары» приведены вид и порядок полинома, а также коэффициенты полиноминальной аппроксимации зависимости выходного напряжения термопар от температуры, которые определяются по градуировочным таблицам для каждого типа термопар. В таблице 4 приведены особенности и области применения некоторых типов термопар.

Таблица 4 - Особенности применения термопар

В зависимости от конструкции и назначения различают термопары погружаемые и поверхностные; с обыкновенной, взрывобезопасной, влагонепроницаемой или иной оболочкой (герметичной или негерметичной), а также без оболочки; обыкновенные, вибротряскоустойчивые и ударопрочные; стационарные и переносные и т.д. Внешний вид некоторых конструкций термопар представлен на рисунке 15.

Основное применение термопары - электронные термометры.

Отечественная промышленность выпускает электронные термометры для измерения температуры контактным способом. Так, например, одно из отечественных предприятий наладило производство серии измерителей температуры, каждый из которых состоит из электронного блока и набора сменных датчиков температуры, представляющих собой стандартные хромель-алюмелевые термопары (тип К) в различных конструктивных исполнениях. Серия состоит из трех приборов: ETI-2OO1, ETI-2OO2 и ETI-2OO3 (таблице 3). Прибор ETI-2001 имеет 2 диапазона температур, переключение между которыми выполняется кнопками на лицевой панели. Узкий диапазон температур характеризуется более высоким разрешением и точностью. Приборы ETI-2OO2 и ETI-2OO3 имеют только по одному диапазону. Приборы имеют кнопку HOLD, с помощью которой можно зафиксировать измеренное значение температуры на индикаторе.

Рисунок 15 - Внешний вид некоторых конструкций термопар

Таблица 5

На рисунке 16 показан внешний вид контактного термометра ЕТ1-2001, в комплект поставки которого входят термопары: поверхностная (для измерения температуры поверхности твердых тел - tmax = 1000°C, погружная (для измерения температуры в объеме сыпучих и жидких веществ - tmax = 25О°С и бескорпусная (для измерения температуры воздуха и других газов - tmax = 250°С.