Контроль характеристик термоперетворювачів опору

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний університет «Львівська політехніка»

Інститут Комп’ютерних технологій, автоматики і метрології

Кафедра метрології, стандартизації та сертифікації

 «Контроль характеристик термоперетворювачів опору»

з дисципліни «Методи та прилади контролю якості»

Львів 2010

Зміст

термоперетворювач опір температура аморфний

Загальні положення

1. Термоперетворювачі опору

2. Вимірювання температури за допомогою автоматичного зрівноваженого містка

3. Огляд сучасних термоперетворювачів

4. Вплив агресивного середовища на матеріал

5. Металеві аморфні стопи як матеріали чутливих елементів термоперетворювачів

Висновок

Загальні положення

У сучасних технологічних процесах вимоги до точності вимірювання температури на об’єктах ставлять на дуже високому рівні, тому постійно відбувається пошук шляхів покращання метрологічних характеристик термоперетворювачів. Чутливі елементи, які використовують сьогодні у промисловості, характеризуються недостатніми стабільністю статичної характеристики перетворення та надійністю і порівняно малим ресурсом. Методи та засоби, які застосовують для стабілізації електрофізичних властивостей матеріалів чутливих елементів, нині не забезпечують на необхідному рівні метрологічних та експлуатаційних характеристик сучасних термоперетворювачів.

Здебільшого основною проблемою контактної термометрії є:

- втручання в температуру об’єкта;

- вплив елементів конструкції та захисної арматури (висока інерційність;

-  корозія чутливих елементів і арматури;

- вплив способу монтажу на об’єкті;

-  похибка від гальмування потоку).

Найважливішими властивостями матеріалів для термометрії є:

- відтворюваність та стабільність електрофізичних параметрів;

- лінійність температурної залежності;

- стійкість проти впливів зовнішнього середовища;

- надійність та довговічність термоперетворювачів у робочих умовах.

Для створення термоперетворювачів опору використовують матеріали, що мають стабільні і відтворювані електрофізичні характеристики, а також високу стійкість проти впливу зовнішнього середовища. Для вимірювання високих температур використовують платину, вольфрам, молібден й інші важкотопкі метали, однак вони потребують залучення захисних засобів, що запобігають їх оксидуванню і виходу з ладу. Що стосується термоелектричних перетворювачів, то треба враховувати низку факторів, які впливають на термоелектричні властивості чутливих елементів, а саме:

- вплив механічних напружень у чутливому елементі на термоелектрорушійну силу (термо-ЕРС);

- вплив тиску на термо-ЕРС;

- вплив магнетних, електричних полів і радіаційного опромінювання на термоелектричні властивості матеріалів.

У сучасній термометрії налічується близько 55 % термоелектричних термометрів від загальної кількості контактних термометрів, що використовуються на промислових підприємствах і в наукових установах. Це зумовлено низкою переваг термоелектричних термометрів, зокрема такими, як простота виготовлення і експлуатації, достатня для більшості випадків точність вимірювання, наявність великої кількості вимірювальних приладів, розрахованих на роботу з термоелектричними перетворювачами, порівняно невисока вартість термометрів, високі характеристики надійності, взаємозамінюваність, можливість автоматизації процесу вимірювання.

1.Термоперетворювачі опору

У термометрах опору чутливий елемент виготовляють переважно з металів, стопів і напівпровідників високої чистоти. Більшість металів мають додатний температурний коефіцієнт електричного опору, який становить 0.004–0.006 К-1 для чистих металів, а це означає, що у напівпровідниках з підвищенням температури опір зазвичай зменшується за експоненційним законом. При цьому температурний коефіцієнт опору напівпровідників за абсолютним значенням в 5–10 разів вищий, ніж для чистих металів. Діапазон вимірювання 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. Наявність великої кількості вимірювальних пристроїв для роботи з термоперетворювачами опору, порівняно невисока вартість, висока надійність і стабільність (до 0.01 К на рік) термоперетворювачів, можливість автоматизації процесу вимірювання — всі ці якості забезпечують широке використання термоперетворювачів опору в практиці температурних вимірювань.

Дії термоперетворювачів опору базується на властивості металів збільшувати електричний опір при нагріванні, тобто

де R_t – опір металу, з якого виготовлено термоперетворювачі, при будь-якій температурі. У загальному випадку для виготовлення термоперетворювачів використовують чисті метали, зокрема мідь і платину. Залежність опору термоперетворювача із міді (R_t) від температури (t) записують у вигляді

де R₀ – опір термоперетворювача при t = 0°C;

a = 4,26·10^-3 (1/°С).

Для термоперетворювача 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.

Для контролю концентрації компонентів, що містяться у матеріалі, вимірюють значення електропровідності і температурного коефіцієнта електричного опору.

Значення температурного коефіцієнта опору для чистих металів зростає зі зростанням їх чистоти. Тому метали нормуються за значенням чистоти, яка корелює зі значенням температурного коефіцієнта опору б0-100. Значення відношення R100/R0 і б0-100 — загальноприйняті показники ступеня чистоти металу і наявності в ньому механічних напружень. Для мінімізації механічних напружень застосовують спеціальний режим відпалювання.

Конструкції термоперетворювачів опору різні, але всі вони мають чутливі термоелементи й зовнішню захисну арматуру. Промисловість випускає термоперетворювачі, у яких: R₀ = 50 Ом, або R₀ = 100 Ом. Термоперетворювачі опору мідні використовують для вимірювання температур від -50 до 200°С, а термоперетворювачі опору платинові – від -200 до 650°С. Найбільше вживають термоперетворювачі опору мідні типу ТСМ-0879, або термоперетворювачі опору платинові типу ТСП-0879. На ФСА ТП термоперетворювачі опору умовно позначають у вигляді: ТЕ – тобто як елемент систем автоматичного керування, це первинний перетворювач (ПП) для вимірювання температури.

2.Вимірювання температури за допомогою автоматичного зрівноваженого містка

Сигнали від ПП, пропорційні вимірюваній температурі, надходять на вхід вторинного приладу (ВП) або на вхід передавального перетворювача (ПрП). Як вторинні прилади використовують автоматичні містки: зрівноважені або незрівноважені; двопровідні або трипровідні. На деякі з них можна подавати до 12 сигналів від ПП. Крім того до ВП можна підключати автоматичні регулятори.

Тут R_t – змінний резистор для зображення термоперетворювача опору;

R_p – реохорд, движок якого автоматично переміщують за допомогою механічного зв’язку з РД (перервна лінія);

R₁, R₂, R₃ – резистори, кожний з них зі своїм постійним опором, виготовлені з манганіну;

R_пр – резистори для умовного зображення опору двох ліній зв’язку (проводів) між термоперетворювачем опору (R_t) та містком, а третя 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 протилежних опорів у плечах містка. Так, за умови знаходження движка реохорда в крайньому лівому положенні умову рівноваги містка записують у вигляді

При зрівноваженні містка напруга на протилежних точках діагоналі містка (а і б) однакова, тобто на вхід електронного підсилювача (ЕП) сигнали не надходять, а стрілка і перо (на рис. 4.2 не показано) – фіксують значення температури, пропорційної значенню опору R_t. При підвищенні (зниженні) вимірюваної температури опір термоперетворювача R_t змінюється, на протилежних точках діагоналі містка (а і б) виникає розбаланс напруги, який надходить на вхід ЕП і там підсилюється, а потім – на РД. Залежно від знака розбалансу РД обертається в один або інший бік, за рахунок механічного зв’язку його з реохордом автоматично переміщується движок реохорда (для отримання нової умови рівноваги містка), а стрілка і перо на температурній шкалі фіксують нове значення температури.

Промисловість випускає багато типів автоматичних містків, найбільше поширення мають: автоматичні зрівноважені керуючі самозаписуючі трипроводні містки типу КСМ-2 та КСМ-4, технічні характеристики яких наведено в табл.

Таблиця 1 Технічні характеристики самозаписуючих трипроводних містків

Незрівноважені автоматичні містки, як правило, використовують в лабораторних дослідженнях. За їх допомогою можна отримати більш точні значення вимірюваної температури за рахунок підключення термоперетворювача опору безпосередньо в одну з діагоналей містка

3.Огляд сучасних термоперетворювачів

Нині існує багато засобів термометрії, які частково можуть задовольнити поставлені вимоги. Нас цікавлять термоперетворювачі для вимірювання температури в агресивних середовищах. Виконано огляд продукції різних фірм. У таблиці наведені найтиповіші термоперетворювачі.

Термоперетворювачі не повністю задовольняють наші умови за точністю, інерційністю.

Таблиця 2 Класифікація термоперетворювачів для вимірювання температури в агресивних середовищах

Як правило, чутливий елемент термоперетворювача захищають чохлом. Захисний чохол виготовляють з неіржавіючих сталей, високотемпературної кераміки. Можливі випадки, коли герметичність такого чохла може зменшитися і агент середовища проникає до самого чутливого елемента. Зростає інерційність термоперетворювача за рахунок використання захисних чохлів. Також чохли мають високу вартість. Отже, перш ніж захищати ззовні, треба подбати про стабільність самого чутливого елемента. У разі дії корозії на матеріал провідника його опір змінюється (збільшується). Це випливає з відомої залежності:

R= l/S

де R – електричний опір провідника; с – питомий опір провідника; l – довжина провідника; S – площа поперечного перерізу. А оскільки

S= d^2/4

де d – діаметр провідника, то

Відомо, що в електрорезистивних термоперетворювачах про зміну температури дізнаємося через зміну опору, і очевидний вплив агресивного середовища, який вносить додаткову похибку, що проявляється через відхилення від номінальної статичної характеристики перетворення. На рис. 1 наведено для прикладу додаткову температурну похибку, спричинену корозією матеріалу чутливого елемента мідного термоперетворювача опору. Сьогодні термометри опору з платиновими чутливими елементами вважають найкращими приладами для вимірювання температури. Проте платина має властивості, які нас не задовольняють:

– є дуже активним каталізатором хімічних процесів, які відбуваються з виділенням значної кількості тепла на поверхню, що призводить до додаткової похибки ( + Дt );

– висока вартість, дефіцитний матеріал.

Безконтактна термометрія, хоч і не потребує безпосереднього контакту з об’єктом вимірювання, але не забезпечує високої точності, оскільки коефіцієнт випромінювальної здатності об’єкта є невідомим (залежить від довжини хвилі та температури, а також від стану поверхні тіла).

Тому необхідно почати з аналізу, вдосконалення матеріалу чутливого елемента термоперетворювача.

4. Вплив агресивного середовища на матеріал

Розглянемо докладніше корозійні явища, які відбуваються в матеріалах термоперетворювачів. Середовище, яке викликає хімічне руйнування металів, називають агресивним. Приклади агресивних середовищ – це різноманітні кислоти (соляна, сірчана, азотна, фосфорна), луги, солі, основи, гази, пари. Вплив агресивного середовища спричиняє корозію.

Корозією називають руйнування речовин внаслідок хімічної або електрохімічної взаємодії з довкіллям. Корозію металів, перебіг якої відбувається під дією окисників-неелектролітів, називають хімічною корозією. Якщо ж корозія відбувається під дією електроліту або прикладеної різниці електричних потенціалів, то її називають електрохімічною корозією.

Внаслідок хімічної корозії метал вкривається шаром продуктів окиснення — найчастіше плівкою оксиду або гідроксиду.

Наприклад, алюміній в сухому повітрі швидко вкривається тонкою, проте дуже щільною оксидною плівкою, після чого окиснення алюмінію практично припиняється. Оксидна плівка на поверхні заліза (FeO або Fe3O4) не є суцільною й тому не запобігає подальшій корозії заліза.

Корозія проходить тим інтенсивніше, чим агресивніше середовище і значно зростає з підвищенням температури. Хімічна активність газів і швидкість газової корозії металів сильно підвищується при температурах, вищих за 200 – 300 °С.

Отже, є проблема: прецизійне вимірювання температури в агресивних середовищах. Як уже було сказано вище, платина не вирішує всіх проблем. Огляд літературних джерел показав, що перспективними матеріалами чутливих елементів термоперетворювачів можуть бути металеві аморфні стопи (МАС).

5. Металеві аморфні стопи як матеріали чутливих елементів термоперетворювачів

Аморфний стан (від грецького amorphous – безформенний) – стан твердої речовини, в якому, на відміну від кристалічного стану, частинки (атоми, іони,

молекули) розміщені безладно і речовина ізотропна, тобто має однакові фізичні властивості в усіх напрямках. Для аморфного стану характерний так званий ближній порядок, який зумовлюється взаємодією частинок на близьких віддалях. Найважливішими характеристиками ближнього порядку є кількість найближчих сусідів і тип найближчих сусідів, а також просторове розташування частинок в околі конкретного атома. Зі збільшенням віддалей закономірності у розміщенні частинок зникають. Дослідження за допомогою електронного мікроскопа, а також за допомогою рентгенівських променів свідчать, що в аморфних матеріалах спостерігається нечіткий порядок в розташуванні їх частинок. Різниця між аморфним і склоподібним станами полягає в тому, що у склі існує зворотний перехід від склоподібного стану в розтоп і з розтопу в склоподібний стан. Ця властивість характерна тільки для скла. В інших типах аморфних станів під час нагрівання відбувається перехід матерії спочатку в кристалічний стан, а тільки потім у разі підвищення температури до температури топлення – в рідкий стан. У склоутворюючих розтопах поступове зростання в’язкості розтопу перешкоджає кристалізації матеріалу, тобто переходу в термодинамічний стійкіший стан з меншою вільною енергією.

В аморфному стані при кімнатній температурі питомий електроопір МАС становить близько 50 – 200 мкОм.см, а в кристалічному – зменшується в 3–4 рази. Під час поліморфної кристалізації спостерігається різке зменшення електроопору з підвищенням температури. В кристалічному стані питомий електроопір зростає з підвищенням температури. Поблизу температурного інтервалу топлення електроопір різко зростає і в рідкому стані (тут практично відсутні внутрішні напруження) лежить в області, що приблизно на 10 – 20 % нижче від відповідної екстраполяції експериментальних даних для аморфного стану.

Як показують літературні джерела, МАС володіють високою корозійною стійкістю і довговічністю, що характерно для матеріалів з гомогенною структурою. Хімічна однорідність, відсутність лінійних дефектів типу дислокацій вказують на можливість підвищеної корозійної стійкості. Були виконані попередні дослідження. Металічне скло, у складі якого є Cr, проходило випробування у стандартних розчинах. Спостерігались дуже низькі, порівняно зі звичайними неіржавіючими сталями, швидкості корозії. Це аморфне скло стійке до пітингової корозії в сірчаних розчинах. Швидкість корозії аморфного стопу нижча. На відміну від аморфного зразка, у кристалічній неіржавіючій сталі в цих умовах виникала пітингова корозія.

Варто підкреслити, що феромагнетизм аморфних стопів зумовлений наявністю в них одного, двох або всіх трьох феромагнетних елементів: заліза, нікелю і кобальту. Подвійні феромагнетні стопи можна розділити на такі групи: стопи феромагнетних елементів з перехідними металами: Fe-Au, Co-Zr, Ni-Pt тощо; стопи феромагнетних елементів з неметалами: Fe-C, Co-B, Ni-P тощо; стопи феромагнетних елементів з одним з рідкісноземельних елементів: Co-Sm, Ni-Nd тощо.

Металеві аморфні стопи є перспективними матеріалами для застосування в електро-термометрії, але потрібні додаткові дослідження, які повинні довести, що металеві аморфні стопи є справді найкращими матеріалами чутливих елементів термоперетворювачів опору для вимірювання температури в агресивних середовищах.

Висновок

Використання аморфних матеріалів для виготовлення чутливого елемента є одним із варіантів вирішення проблеми підвищення стабільності метрологічних характеристик. Аморфні матеріали майже не взаємодіють з матеріалами арматури, їхні електрофізичні властивості подібні до властивостей розтопів; механічні властивості кращі за властивості кристалічних зразків.

Застосування металевих аморфних матеріалів у термометрії дасть змогу мінімізувати термічно активовані внутрішні механічні напруження у термоелектродах та забезпечити високу відтворюваність електрофізичних параметрів останніх. Аморфні матеріали є перспективними для термометрії, тому доцільно дослідити електрофізичні властивості, зокрема ефект Холла, що дасть нам змогу отримати їх характеристики в магнетному полі, а саме: дослідити рухливість електронів, концентрацію носіїв заряду, поведінку матеріалу під впливом магнетних полів, критичні точки, в яких матеріал переходить з одного стану в інший.