Термоэлектрические датчики

Термоэлектрический преобразователь (термопара) представляет собой чувствительный элемент, состоящий из двух разных проводников или полупроводников, соединенных электрически, и преобразующий контролируемую температуру в ЭДС. Принцип действия термоэлектрического преобразователя основан на использовании термоэлектродвижущей силы, возникающей в контуре из двух разнородных проводников A и В, места соединения (спаи) которых нагреты до различных температур (рис. 5.18, а). Знак и значение термоЭДС в цепи зависят от типа материалов и разности температур в местах спаев. При небольшом перепаде Δθ температур между спаями термо ЭДС Е_АВ можно считать пропорциональной разности температур Δθ:

где K_sAB — чувствительность термопары.

Если к термопаре подключить милливольтметр с сопротивлением R_H, то по значению термоЭДС можно определить температуру (рис. 5.18, б). Чтобы получить достоверные результаты, необходимо один спай термопары, называемый рабочим, поместить в среду с температурой θ₁ подлежащей измерению, а температуру θ₀ других — нерабочих (холодных; свободных) спаев поддерживать постоянной. Уравнение преобразования будет иметь вид

где C = f (θ₀) — постоянная величина.

Обычно термоЭДС не рассчитывают аналитически, а определяют по градуировочным таблицам или графикам, получаемым экспериментально, для различных материалов при температуре холодных спаев θ₀ = 0.

При включении в цепь термопары измерительного прибора или другого преобразователя в местах подсоединения образуются другие спаи, и в общем случае такую цепь можно рассматривать как состоящую из трех проводников. Можно показать, что если точки подключения прибора имеют одинаковую температуру, то подключение прибора не влияет на термоЭДС измерительной термопары.

В качестве материалов для термопар используют различные драгоценные металлы (платину, золото, иридий, родий) и их сплавы, а также неблагородные металлы и сплавы (сталь, никель, хром, сплавы нихром, копель, алюмель и др.). Сравнительно редко применяют термопары из полупроводниковых материалов: кремния, селена и др.

Полупроводниковые термопары имеют малую механическую прочность, обладают большим внутренним сопротивлением, хотя и обеспечивают большую термоЭДС по сравнению с металлами.

ТермоЭДС возникает только в спаях разнородных материалов. При сравнении различных материалов в качестве базовой применяют термоЭДС платины, по отношению к которой определяются термоЭДС других материалов.

Хотя зависимость Е = f (θ) при θ₀ = 0 является нелинейной, в первом приближении значение термоЭДС можно определить по выражению

где е_Σ — суммарная термоЭДС материалов термопары.

Суммарную термоЭДС определяют по данным табл. 5.2:

где е₁ е₂ — термоЭДС используемых материалов.

Для термопары стремятся использовать материалы, имеющие разный потенциал по отношению к платине.

Так, если использовать хромель, у которого термоЭДС е_х = +31,3 мкВ/°С, и алюмель, у которого е_А = -10,2 мкВ/°С, то термоЭДС хромель-алюмелевой термопары составит E_XA = е _х - е _А = 31,3 + 10,2 = +41,5 мкВ/°С. При выборе материала термопары необходимо учитывать условия эксплуатации (влияние температуры, влажности, загрязненности и других факторов на материал электродов).

Чтобы повысить выходную ЭДС, используют последовательное включение термопар — термобатарею (рис. 5.18, в). В этом случае все свободные спаи должны находиться при постоянной температуре, лучше всего при 0 °С.

Важным фактором учета погрешностей при измерениях с помощью термопары является введение поправок А на температуру ее свободных концов. При проведении ответственных измерений применяется термостатирование свободных концов термопары при 0 ºС.

Однако в промышленных условиях термостатирование применять технически сложно и экономически нецелесообразно. Значение поправки Δ связано с разностью температур свободных концов через коэффициент K_t. Из-за нелинейности зависимости Е = f (θ) значение K_t различно для каждого участка кривой, поэтому градуировочную кривую (статическую характеристику) разделяют на участки по 100 °С и для каждого участка определяют K_t.

Еще одна причина возможного возникновения погрешности — сопротивление измерительной цепи, состоящей из непосредственно термопары и соединительных проводов.

В отечественных термоэлектрических термометрах сопротивление этой цепи принимают равным 5 Ом и регулируют его при помощи добавочного сопротивления из манганина непосредственно при наладке прибора.

Для измерения температур в пределах от -200 до 2500 °С выпускают стандартные термопреобразователи температуры (табл. 5.3).

В зависимости от назначения термопары делятся на погружаемые, предназначенные для измерения температуры жидких и газообразных сред, и поверхностные, предназначенные для измерения температуры поверхности твердого тела.

Различают термопары малоинерционные, тепловая постоянная времени которых не превышает 5 с для погружаемых и 10 с для поверхностных; средней инерционности — соответственно не более 60 и 120 с; большой инерционности — соответственно до 180 и 300 с.

Термопары помещают в защитный чехол из металла или керамики.

Для изоляции используют стекло, асбест, фарфор, шамот. При низких температурах можно использовать шелковую и эмалевую изоляцию.

К достоинствам термопар необходимо отнести возможность измерений в большом диапазоне температур, простоту устройства, надежность в эксплуатации. Благодаря этим достоинствам термопары применяют очень широко.

Недостатки термопар — невысокая чувствительность, большая инерционность, необходимость поддержания постоянной температуры свободных спаев.

Дата добавления: 2015-07-14