Контроль характеристик термоперетворювачiв опору
МРЖНРЖСТЕРСТВО ОСВРЖТИ РЖ НАУКИ УКРАРЗНИ
Нацiональний унiверситет ВлЛьвiвська полiтехнiкаВ»
РЖнститут КомптАЩютерних технологiй, автоматики i метрологii
Кафедра метрологii, стандартизацii та сертифiкацii
ВаВлКонтроль характеристик термоперетворювачiв опоруВ»
з дисциплiни ВлМетоди та прилади контролю якостiВ»
Львiв 2010
Змiст
термоперетворювач опiр температура аморфний
Загальнi положення
1. Термоперетворювачi опору
2. Вимiрювання температури за допомогою автоматичного зрiвноваженого мiстка
3. Огляд сучасних термоперетворювачiв
4. Вплив агресивного середовища на матерiал
5. Металевi аморфнi стопи як матерiали чутливих елементiв термоперетворювачiв
Висновок
Загальнi положення
У сучасних технологiчних процесах вимоги до точностi вимiрювання температури на обтАЩiктах ставлять на дуже високому рiвнi, тому постiйно вiдбуваiться пошук шляхiв покращання метрологiчних характеристик термоперетворювачiв. Чутливi елементи, якi використовують сьогоднi у промисловостi, характеризуються недостатнiми стабiльнiстю статичноi характеристики перетворення та надiйнiстю i порiвняно малим ресурсом. Методи та засоби, якi застосовують для стабiлiзацii електрофiзичних властивостей матерiалiв чутливих елементiв, нинi не забезпечують на необхiдному рiвнi метрологiчних та експлуатацiйних характеристик сучасних термоперетворювачiв.
Здебiльшого основною проблемою контактноi термометрii i:
- втручання в температуру обтАЩiкта;
- вплив елементiв конструкцii та захисноi арматури (висока iнерцiйнiсть;
- Вакорозiя чутливих елементiв i арматури;
- вплив способу монтажу на обтАЩiктi;
- Вапохибка вiд гальмування потоку).
Найважливiшими властивостями матерiалiв для термометрii i:
- вiдтворюванiсть та стабiльнiсть електрофiзичних параметрiв;
- лiнiйнiсть температурноi залежностi;
- стiйкiсть проти впливiв зовнiшнього середовища;
- надiйнiсть та довговiчнiсть термоперетворювачiв у робочих умовах.
Для створення термоперетворювачiв опору використовують матерiали, що мають стабiльнi i вiдтворюванi електрофiзичнi характеристики, а також високу стiйкiсть проти впливу зовнiшнього середовища. Для вимiрювання високих температур використовують платину, вольфрам, молiбден й iншi важкотопкi метали, однак вони потребують залучення захисних засобiв, що запобiгають iх оксидуванню i виходу з ладу. Що стосуiться термоелектричних перетворювачiв, то треба враховувати низку факторiв, якi впливають на термоелектричнi властивостi чутливих елементiв, а саме:
- вплив механiчних напружень у чутливому елементi на термоелектрорушiйну силу (термо-ЕРС);
- вплив тиску на термо-ЕРС;
- вплив магнетних, електричних полiв i радiацiйного опромiнювання на термоелектричнi властивостi матерiалiв.
У сучаснiй термометрii налiчуiться близько 55 % термоелектричних термометрiв вiд загальноi кiлькостi контактних термометрiв, що використовуються на промислових пiдприiмствах i в наукових установах. Це зумовлено низкою переваг термоелектричних термометрiв, зокрема такими, як простота виготовлення i експлуатацii, достатня для бiльшостi випадкiв точнiсть вимiрювання, наявнiсть великоi кiлькостi вимiрювальних приладiв, розрахованих на роботу з термоелектричними перетворювачами, порiвняно невисока вартiсть термометрiв, високi характеристики надiйностi, взаiмозамiнюванiсть, можливiсть автоматизацii процесу вимiрювання.
1.Термоперетворювачi опору
У термометрах опору чутливий елемент виготовляють переважно з металiв, стопiв i напiвпровiдникiв високоi чистоти. Бiльшiсть металiв мають додатний температурний коефiцiiнт електричного опору, який становить 0.004тАУ0.006 К-1 для чистих металiв, а це означаi, що у напiвпровiдниках з пiдвищенням температури опiр зазвичай зменшуiться за експоненцiйним законом. При цьому температурний коефiцiiнт опору напiвпровiдникiв за абсолютним значенням в 5тАУ10 разiв вищий, нiж для чистих металiв. Дiапазон вимiрювання температур термометрами опору лежить в межах вiд мiнус 260 до +1100 В°С. Термометри опору забезпечують високу точнiсть вимiрювання температури тАФ похибка термометрiв окремих типiв не перевищуi сотих часток Кельвiна. Наявнiсть великоi кiлькостi вимiрювальних пристроiв для роботи з термоперетворювачами опору, порiвняно невисока вартiсть, висока надiйнiсть i стабiльнiсть (до 0.01 К на рiк) термоперетворювачiв, можливiсть автоматизацii процесу вимiрювання тАФ всi цi якостi забезпечують широке використання термоперетворювачiв опору в практицi температурних вимiрювань.
Дii термоперетворювачiв опору базуiться на властивостi металiв збiльшувати електричний опiр при нагрiваннi, тобто
де Rt тАУ опiр металу, з якого виготовлено термоперетворювачi, при будь-якiй температурi. У загальному випадку для виготовлення термоперетворювачiв використовують чистi метали, зокрема мiдь i платину. Залежнiсть опору термоперетворювача iз мiдi (Rt) вiд температури (t) записують у виглядi
де R0 тАУ опiр термоперетворювача при t = 0В°C;
a = 4,26В·10-3 [1/В°С].
Для термоперетворювача опору з платини цю залежнiсть записують у виглядi
де А = 3,968В·10-3 [1/В°С]; В = -5,847В·10-7 [1/В°С];
R0 тАУ опiр цього термоперетворювача при t = 0В°C.
Для контролю концентрацii компонентiв, що мiстяться у матерiалi, вимiрюють значення електропровiдностi i температурного коефiцiiнта електричного опору.
Значення температурного коефiцiiнта опору для чистих металiв зростаi зi зростанням iх чистоти. Тому метали нормуються за значенням чистоти, яка корелюi зi значенням температурного коефiцiiнта опору б0-100. Значення вiдношення R100/R0 i б0-100 тАФ загальноприйнятi показники ступеня чистоти металу i наявностi в ньому механiчних напружень. Для мiнiмiзацii механiчних напружень застосовують спецiальний режим вiдпалювання.
Конструкцii термоперетворювачiв опору рiзнi, але всi вони мають чутливi термоелементи й зовнiшню захисну арматуру. Промисловiсть випускаi термоперетворювачi, у яких: R0 = 50 Ом, або R0 = 100 Ом. Термоперетворювачi опору мiднi використовують для вимiрювання температур вiд -50 до 200В°С, а термоперетворювачi опору платиновi тАУ вiд -200 до 650В°С. Найбiльше вживають термоперетворювачi опору мiднi типу ТСМ-0879, або термоперетворювачi опору платиновi типу ТСП-0879. На ФСА ТП термоперетворювачi опору умовно позначають у виглядi: ТЕ тАУ тобто як елемент систем автоматичного керування, це первинний перетворювач (ПП) для вимiрювання температури.
2.Вимiрювання температури за допомогою автоматичного зрiвноваженого мiстка
Сигнали вiд ПП, пропорцiйнi вимiрюванiй температурi, надходять на вхiд вторинного приладу (ВП) або на вхiд передавального перетворювача (ПрП). Як вториннi прилади використовують автоматичнi мiстки: зрiвноваженi або незрiвноваженi; двопровiднi або трипровiднi. На деякi з них можна подавати до 12 сигналiв вiд ПП. Крiм того до ВП можна пiдключати автоматичнi регулятори.
Тут Rt тАУ змiнний резистор для зображення термоперетворювача опору;
Rp тАУ реохорд, движок якого автоматично перемiщують за допомогою механiчного звтАЩязку з РД (перервна лiнiя);
R1, R2, R3 тАУ резистори, кожний з них зi своiм постiйним опором, виготовленi з манганiну;
Rпр тАУ резистори для умовного зображення опору двох лiнiй звтАЩязку (проводiв) мiж термоперетворювачем опору (Rt) та мiстком, а третя лiнiя (провiд) тАУ для живлення мiстка в дiагональних точках: в, г;
ЕП тАУ електронний пiдсилювач сигналiв;
РД тАУ реверсивний електричний двигун змiнного струму;
6,3 В тАУ напруга живлення мiстка змiнного струму;
а тАУ б, в тАУ г тАУ протилежнi точки дiагоналей мiстка.
Умовою рiвноваги цього автоматичного мiстка i рiвнiсть добуткiв протилежних опорiв у плечах мiстка. Так, за умови знаходження движка реохорда в крайньому лiвому положеннi умову рiвноваги мiстка записують у виглядi
При зрiвноваженнi мiстка напруга на протилежних точках дiагоналi мiстка (а i б) однакова, тобто на вхiд електронного пiдсилювача (ЕП) сигнали не надходять, а стрiлка i перо (на рис. 4.2 не показано) тАУ фiксують значення температури, пропорцiйноi значенню опору Rt. При пiдвищеннi (зниженнi) вимiрюваноi температури опiр термоперетворювача Rt змiнюiться, на протилежних точках дiагоналi мiстка (а i б) виникаi розбаланс напруги, який надходить на вхiд ЕП i там пiдсилюiться, а потiм тАУ на РД. Залежно вiд знака розбалансу РД обертаiться в один або iнший бiк, за рахунок механiчного звтАЩязку його з реохордом автоматично перемiщуiться движок реохорда (для отримання новоi умови рiвноваги мiстка), а стрiлка i перо на температурнiй шкалi фiксують нове значення температури.
Промисловiсть випускаi багато типiв автоматичних мiсткiв, найбiльше поширення мають: автоматичнi зрiвноваженi керуючi самозаписуючi трипроводнi мiстки типу КСМ-2 та КСМ-4, технiчнi характеристики яких наведено в табл.
Таблиця 1 Технiчнi характеристики самозаписуючих трипроводних мiсткiв
| № п/п | Характеристика | КСМ-2 | КСМ-4 |
| 1. | Кiлькiсть параметрiв вимiрювання | 1, 3, 6, 12 | 1, 3, 6, 12 |
| 2. | Умови експлуатацii: - вологiсть повiтря, % - температура повiтря, С | 30 тАУ 80 5 тАУ 50 | 30 тАУ 80 5 тАУ 50 |
| 3. | Маса, кг | 20 | 22 |
| 4. | Запис вимiрюваних значень температури | стрiчкова дiаграма на барабанi | стрiчкова дiаграма, що складаiться |
Незрiвноваженi автоматичнi мiстки, як правило, використовують в лабораторних дослiдженнях. За iх допомогою можна отримати бiльш точнi значення вимiрюваноi температури за рахунок пiдключення термоперетворювача опору безпосередньо в одну з дiагоналей мiстка
3.Огляд сучасних термоперетворювачiв
Нинi iснуi багато засобiв термометрii, якi частково можуть задовольнити поставленi вимоги. Нас цiкавлять термоперетворювачi для вимiрювання температури в агресивних середовищах. Виконано огляд продукцii рiзних фiрм. У таблицi наведенi найтиповiшi термоперетворювачi.
Термоперетворювачi не повнiстю задовольняють нашi умови за точнiстю, iнерцiйнiстю.
Таблиця 2 Класифiкацiя термоперетворювачiв для вимiрювання температури в агресивних середовищах
| Тип термоперетво-рювача | Призначення | Температура,В°С | НСХ | Клас допуску | Тепло- iнерцiйнiсть, с | Матерiал захисноi арматури |
| Термоперетворювачi опору платиновi (ТОП) i мiднi (ТОМ) |
| ТОП 0505 | Агресивнi середовища, зокрема кислоти i луги рiзних концентрацiй. | 0тАж+150 | 100П, 2х100П | В | 30 | Скло БК8 |
| ТОП 0604 | Рiдкi i газоподiбнi середовища, в яких може мiститися амiак, вуглекислий газ i його компоненти, а також агресивнi домiшки сiрководню. | -50тАж+150 | 100П | В | 8,9,20 | 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 08Х13 |
| ТОП 9307 | Рiдкi i газоподiбнi середовища в хiмiчнiй i газовiй промисловостi та крiогеннiй технiцi | -220тАж+500 | 50П, 100П | А,В | 8 | 12Х18Н10Т |
| ТОП 9418 | Рiдкi i газоподiбнi середо- вища у вибухонебезпечних зонах, в яких може мiсти- тися амiак, вуглекислий газ i його компоненти, а також агресивнi домiшки сiрководню. | -200тАж+500 | 50П, 100П | В | 8,9,20 | 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т |
| ТОМ 9418 | -500тАж+150 | 50М, 100М | 20 | 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 08X13 |
| ТОП 188 - 10 | Системи автоматичного контролю i регулювання температури на обтАЩiктах енергетики, нафтовоi, газовоi промисловостi | -50тАж+500 | 50П, 100П | В,С | 20 | 12Х18Н10Т |
| ТОМ 188 - 10 | -50тАж+150 | 50М, 100М |
ТОП 101, 102, 103 | Рiдкi i газоподiбнi, хiмiчно неагресивнi та агресивнi середовища, якi не руйнують матерiалу захисного чохла. | -50тАж+500 | Pt100, Pt500 | А, В, С | 30 | 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т |
ТОМ 101, 102, 103 | -50тАж+180 | 50М, 100М | А, В, С |
| | | | | | | | | | |
Як правило, чутливий елемент термоперетворювача захищають чохлом. Захисний чохол виготовляють з неiржавiючих сталей, високотемпературноi керамiки. Можливi випадки, коли герметичнiсть такого чохла може зменшитися i агент середовища проникаi до самого чутливого елемента. Зростаi iнерцiйнiсть термоперетворювача за рахунок використання захисних чохлiв. Також чохли мають високу вартiсть. Отже, перш нiж захищати ззовнi, треба подбати про стабiльнiсть самого чутливого елемента. У разi дii корозii на матерiал провiдника його опiр змiнюiться (збiльшуiться). Це випливаi з вiдомоi залежностi:
R= l/S
де R тАУ електричний опiр провiдника; с тАУ питомий опiр провiдника; l тАУ довжина провiдника; S тАУ площа поперечного перерiзу. А оскiльки
S= d^2/4
де d тАУ дiаметр провiдника, то
Вiдомо, що в електрорезистивних термоперетворювачах про змiну температури дiзнаiмося через змiну опору, i очевидний вплив агресивного середовища, який вносить додаткову похибку, що проявляiться через вiдхилення вiд номiнальноi статичноi характеристики перетворення. На рис. 1 наведено для прикладу додаткову температурну похибку, спричинену корозiiю матерiалу чутливого елемента мiдного термоперетворювача опору. Сьогоднi термометри опору з платиновими чутливими елементами вважають найкращими приладами для вимiрювання температури. Проте платина маi властивостi, якi нас не задовольняють:
тАУ i дуже активним каталiзатором хiмiчних процесiв, якi вiдбуваються з видiленням значноi кiлькостi тепла на поверхню, що призводить до додатковоi похибки ( + Дt );
тАУ висока вартiсть, дефiцитний матерiал.
Безконтактна термометрiя, хоч i не потребуi безпосереднього контакту з обтАЩiктом вимiрювання, але не забезпечуi високоi точностi, оскiльки коефiцiiнт випромiнювальноi здатностi обтАЩiкта i невiдомим (залежить вiд довжини хвилi та температури, а також вiд стану поверхнi тiла).
Тому необхiдно почати з аналiзу, вдосконалення матерiалу чутливого елемента термоперетворювача.
4. Вплив агресивного середовища на матерiал
Розглянемо докладнiше корозiйнi явища, якi вiдбуваються в матерiалах термоперетворювачiв. Середовище, яке викликаi хiмiчне руйнування металiв, називають агресивним. Приклади агресивних середовищ тАУ це рiзноманiтнi кислоти (соляна, сiрчана, азотна, фосфорна), луги, солi, основи, гази, пари. Вплив агресивного середовища спричиняi корозiю.
Корозiiю називають руйнування речовин внаслiдок хiмiчноi або електрохiмiчноi взаiмодii з довкiллям. Корозiю металiв, перебiг якоi вiдбуваiться пiд дiiю окисникiв-неелектролiтiв, називають хiмiчною корозiiю. Якщо ж корозiя вiдбуваiться пiд дiiю електролiту або прикладеноi рiзницi електричних потенцiалiв, то ii називають електрохiмiчною корозiiю.
Внаслiдок хiмiчноi корозii метал вкриваiться шаром продуктiв окиснення тАФ найчастiше плiвкою оксиду або гiдроксиду.
Наприклад, алюмiнiй в сухому повiтрi швидко вкриваiться тонкою, проте дуже щiльною оксидною плiвкою, пiсля чого окиснення алюмiнiю практично припиняiться. Оксидна плiвка на поверхнi залiза (FeO або Fe3O4) не i суцiльною й тому не запобiгаi подальшiй корозii залiза.
Корозiя проходить тим iнтенсивнiше, чим агресивнiше середовище i значно зростаi з пiдвищенням температури. Хiмiчна активнiсть газiв i швидкiсть газовоi корозii металiв сильно пiдвищуiться при температурах, вищих за 200 тАУ 300 В°С.
Отже, i проблема: прецизiйне вимiрювання температури в агресивних середовищах. Як уже було сказано вище, платина не вирiшуi всiх проблем. Огляд лiтературних джерел показав, що перспективними матерiалами чутливих елементiв термоперетворювачiв можуть бути металевi аморфнi стопи (МАС).
5. Металевi аморфнi стопи як матерiали чутливих елементiв термоперетворювачiв
Аморфний стан (вiд грецького amorphous тАУ безформенний) тАУ стан твердоi речовини, в якому, на вiдмiну вiд кристалiчного стану, частинки (атоми, iони,
молекули) розмiщенi безладно i речовина iзотропна, тобто маi однаковi фiзичнi властивостi в усiх напрямках. Для аморфного стану характерний так званий ближнiй порядок, який зумовлюiться взаiмодiiю частинок на близьких вiддалях. Найважливiшими характеристиками ближнього порядку i кiлькiсть найближчих сусiдiв i тип найближчих сусiдiв, а також просторове розташування частинок в околi конкретного атома. Зi збiльшенням вiддалей закономiрностi у розмiщеннi частинок зникають. Дослiдження за допомогою електронного мiкроскопа, а також за допомогою рентгенiвських променiв свiдчать, що в аморфних матерiалах спостерiгаiться нечiткий порядок в розташуваннi iх частинок. Рiзниця мiж аморфним i склоподiбним станами полягаi в тому, що у склi iснуi зворотний перехiд вiд склоподiбного стану в розтоп i з розтопу в склоподiбний стан. Ця властивiсть характерна тiльки для скла. В iнших типах аморфних станiв пiд час нагрiвання вiдбуваiться перехiд матерii спочатку в кристалiчний стан, а тiльки потiм у разi пiдвищення температури до температури топлення тАУ в рiдкий стан. У склоутворюючих розтопах поступове зростання втАЩязкостi розтопу перешкоджаi кристалiзацii матерiалу, тобто переходу в термодинамiчний стiйкiший стан з меншою вiльною енергiiю.
В аморфному станi при кiмнатнiй температурi питомий електроопiр МАС становить близько 50 тАУ 200 мкОм.см, а в кристалiчному тАУ зменшуiться в 3тАУ4 рази. Пiд час полiморфноi кристалiзацii спостерiгаiться рiзке зменшення електроопору з пiдвищенням температури. В кристалiчному станi питомий електроопiр зростаi з пiдвищенням температури. Поблизу температурного iнтервалу топлення електроопiр рiзко зростаi i в рiдкому станi (тут практично вiдсутнi внутрiшнi напруження) лежить в областi, що приблизно на 10 тАУ 20 % нижче вiд вiдповiдноi екстраполяцii експериментальних даних для аморфного стану.
Як показують лiтературнi джерела, МАС володiють високою корозiйною стiйкiстю i довговiчнiстю, що характерно для матерiалiв з гомогенною структурою. Хiмiчна однорiднiсть, вiдсутнiсть лiнiйних дефектiв типу дислокацiй вказують на можливiсть пiдвищеноi корозiйноi стiйкостi. Були виконанi попереднi дослiдження. Металiчне скло, у складi якого i Cr, проходило випробування у стандартних розчинах. Спостерiгались дуже низькi, порiвняно зi звичайними неiржавiючими сталями, швидкостi корозii. Це аморфне скло стiйке до пiтинговоi корозii в сiрчаних розчинах. Швидкiсть корозii аморфного стопу нижча. На вiдмiну вiд аморфного зразка, у кристалiчнiй неiржавiючiй сталi в цих умовах виникала пiтингова корозiя.
Варто пiдкреслити, що феромагнетизм аморфних стопiв зумовлений наявнiстю в них одного, двох або всiх трьох феромагнетних елементiв: залiза, нiкелю i кобальту. Подвiйнi феромагнетнi стопи можна роздiлити на такi групи: стопи феромагнетних елементiв з перехiдними металами: Fe-Au, Co-Zr, Ni-Pt тощо; стопи феромагнетних елементiв з неметалами: Fe-C, Co-B, Ni-P тощо; стопи феромагнетних елементiв з одним з рiдкiсноземельних елементiв: Co-Sm, Ni-Nd тощо.
Металевi аморфнi стопи i перспективними матерiалами для застосування в електро-термометрii, але потрiбнi додатковi дослiдження, якi повиннi довести, що металевi аморфнi стопи i справдi найкращими матерiалами чутливих елементiв термоперетворювачiв опору для вимiрювання температури в агресивних середовищах.
Висновок
Використання аморфних матерiалiв для виготовлення чутливого елемента i одним iз варiантiв вирiшення проблеми пiдвищення стабiльностi метрологiчних характеристик. Аморфнi матерiали майже не взаiмодiють з матерiалами арматури, iхнi електрофiзичнi властивостi подiбнi до властивостей розтопiв; механiчнi властивостi кращi за властивостi кристалiчних зразкiв.
Застосування металевих аморфних матерiалiв у термометрii дасть змогу мiнiмiзувати термiчно активованi внутрiшнi механiчнi напруження у термоелектродах та забезпечити високу вiдтворюванiсть електрофiзичних параметрiв останнiх. Аморфнi матерiали i перспективними для термометрii, тому доцiльно дослiдити електрофiзичнi властивостi, зокрема ефект Холла, що дасть нам змогу отримати iх характеристики в магнетному полi, а саме: дослiдити рухливiсть електронiв, концентрацiю носiiв заряду, поведiнку матерiалу пiд впливом магнетних полiв, критичнi точки, в яких матерiал переходить з одного стану в iнший.
Вместе с этим смотрят:
Анализ режимов автоматического управления
Аргоновый лазер
Архитектуры реализации корпоративных информационных систем
Базы данных и их сравнительные характеристики
Выращивание плёнки GeSi и CaF2 на кремниевых подложках