Компенсационный провод Советский патент 1983 года по МПК G01K7/02 

Изобретение относится к области измерения температур, в.частности к термоэлектрической термометрии, и может быть использовано для созд ния компенсационного провода с прецизионной поэлектродной компенс цией к высокотемпературной термопаре на основе вольфрамрениевых сплавов (ВМ-5-РК/ВР-20), положительный термоэлектрод которой -имеет состав, ве;с,,%: рений 4-5; молибден 0,1-0,5; карбид циркония ZrC 0,1-0,2; углерод 0,01-0,03; вольфрам - остальное. Известны компенсационные провода, термоэлектроды в которых выполнены в виде неоднородной композиции из разнородных, параллельно соединенных проводников, например компенсационный провод для термопары ПР 30/6, в котором положитель ный электрод выполнен из меди, а отрицательный электрод - в виде композиции трех элементов, имеющих электрический контакт по всей длин и изготовленных соответственно из мед, алюминия и железа при соотношении площадей поперечного сечения этих элементов O-J , Известен поэлектродный компенсационный провод к термопаре ВР 5/20, составленный из композиционных тер моэлектродов, где положительный те моэлектрод выполнен в виде компози ции из алюмеля и хромеля при соотн шении площадей поперечного сечения элементов 1:0,65, а отрицательный термоэлектрод выполнен в виде композиции из меди и никеля при соотношении площадей поперечного сечения 1:0,61 2 о : Однако этот компенсационный про вод осуществляет компенсацию термо-ЭДС только до 300°С, а его термоэлектрическая характеристика не соответствует характеристике термо пары ВМ-5-РК/ВР-2-.0, Целью изобретения является комп сация термо-ЭДС термопары ВМ-5-РК/ 20 в рабочем интервале температур 0-5000,0, : Для достижения поставленной цели в компенсационный провод для термопар, включающий положительный электрод в виде композиции двух элементов из алюмеля и хромеля, имеющих электрический контакт по всей длине, и отрицательный электр содержащий элемент из меди, в отри цательный электрод дополнительно введены два элемента из алюминия и железа при соотношении площадей поперечного сечения элементов из м ди, алюминия и железа соответствен 1:(3,7-4,3) : (0,8-1,2) с образованием их электрического контакта ло всей длине, а соотношение площадей поперечного сечения элементов положительного электрода из алюмеля и хромеля равно 1: (5, 5-7, 5,) , : Рабочий интервал компенсации составляет 0-500,0 В таблице приведены зависимости термо-ЭДС от температуры каждого электрода компенсационного провода и термопары ВМ-5-РК/ВР-20, расхождение градуировок одноименных электродов компенсационного провода и основной термопары (отклонение от поэлектродности Д) и значения суммарной термо-ЭДС компенсационного провода и термопары ВР-5/20 и суммарной погрешности 8; , Величина л не превышает 0,2 мВ, Это означает, что погрешность измерения при различии температур соединений основной термопары и компенсационного провода практически пренебрежимо мадав Суммарная погрешность за счет компенсационного провода (fi) не превышает 0,13 мВ () до , что почти в 3 раза ниже погрешности компенсационного провода с поэлектродной компенсацией из сплавов нионик 30-нимо 5 {28°С)в : Этот же компенсационный провод .может быть использован и для термопары ВР 5/2,0, Пределы соотношений поперечных сечений элементов обеих композиций (выбраны с учетом, колебания градуировочных характеристик как термоэлектродов вольфрам-рениевой термопары, так и вследствие колебания термоЭДС хромеля и алюмеля в пределах четырех классов по ГОСТ 1790-7;7, ; Средние значения соотношений площадей поперечного сечения элементов определены экспериментальным подбором и оптимизированы, любое другое соотношение приводит к увеличению систематической погрешности S.. Пределы колебания площадей поперечного сечения определены по следующей методике; изменение соотношения площадей поперечного сечения элементов в заданных пределах должно компенсировать с вероятностью ,95 случайные колебания характеристик элементов композиции, влияющих на величину эквивалентной термо-ЭДС композиции (Е), а именно величины термо-ЭДС и удельного электросопротивления составляющих элементов и колебания диаметра проволок в пределах допуска по толщин.е. Таким образом, допустимые пределы соотношения поперечных сечений элементов определяются непосредственно из расчета случайного колебания термо-ЭДС композицияРеальное уточнение соотношения поперечных сечений проводят следующим образом: изготавливают пробный образец композиции, измеряют ее термо-ЭДС, определяют нужное изменние соотношения (в пределах допуска) и изготавливают композицию с измененным соотношением и заданной термо-ЭДСо :

Характеристика случайных колебаний эквивалентной термо-ЭДС композиции ЕЗ (среднеквадратичное отклонение 6 Eg ) определяется как функция нескольких переменных, изменяющихся .независимо друг от друга (К; и у .) , Известно, что абсолютная дисперсия суммы равна сумме абсолютных дисперсий слагаемых, а относительная дисперсия произведения (частного) равна сумме относительных дисперсий сомножителей (делимого и делителя) :

На основании этого правила, а также известного полуколичественного выражения, эквивалентной термо-ЭДС композиции

E.yj

ЕЭ.Г.

получаем выражение дисперсии эквивалентной термо-ЭДС

бГ,бЧ2-Е,(1уО

-

при этом

,,t(6y,E,) 5:C6E,

. ,).

Испрльзуя известные значения дисперсии Е; и у; можно рассчитать дисперсию Е,, которая и служит критерием для последующего раС чета допустимых пределов колебания соотношения площадей поперечного сечени;я,

Для данной композиции приняты значения дисперсий полученных по данным ГОСТ 1790-77; ГОСТ 6132-7.9,

Колебания термо-ЭДС хромеля и алюмеля взяты по допуску на четыре класса по ГОСТ 1790-7.7, Среднеквадратичное отклонение термо-ЭДС для чистых металлов Си, А1, Fe определено экспериментально и составляет при 500°С соответственно 1,5-10 , 3,0-10 и 15,0 Ю мВ., Колебания удельной электрической проводимости алюминия характеризуются среднеквадратичным отклонением 1% (в пределах одной партии) .,

Получены следующие расчетные значения допустимого случайного отклонения эквивалентной термо-ЭДС о 0,95 при 5 О оС, мВ: для положительного электрода (Х/А) 0,47, для отрицательного электрода (Cu/Al/Fe) 0,0,8, :

На основании этих значений рассчитаны величины допустимых пределов соотношения поперечных сечений композиций, варьирование которых обеспечивает суммарное смещение термо-ЭДС на величину ±0,65 мВ,

Для проверки расчета был проведен эксперимент по составлению композиций из случайно выбранных проволок используемых материалов. После первичного замера проводилась корректировка сечений элементов в пределах допускав. Из 25 композиций оказалось возможным получить 24 композиции с допуском по термо-ЭДС в пределах ±0,10 мВ относительно среднего значени;я. Этот допуск обусловлен случайным разбросом толщин проволок, а также термоэлектрической неоднородностью и не может быть устранен корректировкой соотношений сечений элементов.

Таким образом, пределы соотношения площадей поперечного сечения элементов определяются случайным разбросом термо-ЭДС электропроводности и толщины элементов При соотношении площадей поперечного сечения элементов положительного электрода из алюмеля и хромеля менее 1:5,5 и более 1:7,5 и элементов отрицательного электрода из меди, алюминия и железа менее 1:3,7:0,8 и более 1,4,3:1,2 вероят- . ность возможности корректировки слу-чайного разброса эквивалентной термо-ЭДС резко падает и тем самым воз астает суммарная погрешность термопар л,

Композиционные термоэлектроды

компенсационного провода могут быть выполнены в виде окрутки элементов различной толщины (каждый материал в виде одной проволоки) или в виде окрутки различного числа проволок каждого элемента, имеющих равную ТО.ШЦИНУ, или каким-либо другим способом, обеспечивающим постоянство соотношения площадей поперечного сечения элементов и наличие электрического контакта между элементами по всей длине композиции, где имеется температурный градиент в процессе эксплуатации.

Предложенный компенсационный провод осуществляет прецизионную поэлектродную -компенсацию термо-ЭДС термопары ВМ-5-РК/ВР-20 с погрешностью 5 менее 10.С, Технология изготовления

предложенной композиции проста, она может быть изготовлена потребителем на неспециализированном оборудовании, поскольку включает широко распространенные промышленные сплавы.

КОМПЕНСАЦИОННЫЙ JEIPOBOfl Iдля термопар, включающий положи-, тельный электрод в виде композиции двух элементов из алнмлеля и хромеля, имеющих электрический контакт по всей длине, и отрицательный электрод, содержащий элемент из меди, отличающийс я тем, что, с целью ксалпенсации термо-ЭДС термопары ВМ-5-РК/ВР-2Р в рабочем интервале температур 0-500°С, в нем в отрицательный электрод дополнительно введены два элемента, выполненных из алюминия и железа, при соотнсяяении площадей поперечного сечения элементов из меди, алюминия и железа соответственно 1: