Термоэлектрические преобразователи

Принцип действия и конструкция. Термоэлектрический преобразователь представляет собой термопару, состоящую из двух разнородных проводников Р и Q, соединенных между собой в двух точках, как схематически показано на рис. 4.37, а. На границе раздела двух различных металлов имеется контактная разность потенциалов Е _{PQ (t)} , зависящая от рода металлов и от температуры контакта. В цепи, показанной на рис. 4.37, а, контактные разности потенциалов образуются в точках 1 и 2. Если t₁ = t₂, то они равны между собой и, будучи противоположно направленными, взаимно уравновешиваются. Если же t₁? t₂, то в цепи развивается результирующая ЭДС

(4.141)

называемая термоэлектродвижущей силой (термоЭДС). Места контактов называются спаями термопары.

Из (4.141) следуют следующие свойства термопары.

1. Если в цепи термопары включен третий проводник (проводник R на рис. 4.37, б) и его концы находятся при одинаковых температурах (t? ₂ = t?? ₂), то включение этого третьего проводника не изменяет ЭДС цепи. Третьим проводником могут быть провода прибора, измеряющего ЭДС термопары, и провода, соединяющие его с термопарой. Если концы термопары, подключенные к соединительным проводам, находятся при одинаковых температурах, то подключение измерительного прибора не изменяет термоЭДС.

2. ЭДС термопары является функцией двух независимых температур – температур ее спаев Е = Е( t₁, t ₂) – и не зависит от температур других точек термопары. ЭДС термопары (4.141) есть сумма функций одной переменной.

3. Если термопара имеет температуры спаев t и t₀, то термоЭДС равна алгебраической сумме двух ЭДС, одна из которых генерируется при температуре спаев t и t? ₀, другая – при температурах t? ₀ и t₀ (рис. 4.38):

(4.142)

Это свойство используется при измерении температуры спая t, если температура второго спая t? ₀ отличается от температуры t₀, при которой была произведена градуировка термопары.

При t₀ = 0 функция Е(t, 0) представляет собой градуировочную функцию преобразования данной термопары. Значение Е(t, t? ₀) определяется экспериментально, а значение Е( t? ₀, 0) – по значению температуры t? ₀ и градуировочной функции преобразования. По значениям Е(t, t? ₀) и Е( t? ₀, 0) вычисляется Е( t₀, 0), по которой определяется измеряемая температура.

Таблица 4.1.

Тип термопары	Материал термоэлектродов	Обозначение градуировки	Диапазон измерения при длительном измерении, ° С
ТХК	Хромель – копель	ХК (L)	– 200... + 600
ТХА	Хромель – алюмель	ХА (К)	– 200... + 1000
ТПП	Платинородий (10%) – платина	ПП (S)	0... +1300
ТВР	Вольфрамрений (5%) – вольфрамрений (20%)	ВР (А) – 1	0... 2200

Термоэлектрические преобразователи используются для измерительного преобразования температуры в ЭДС. В табл. 4.1 приведены наиболее широко используемые термопары (ГОСТ 6616-84) и их основные характеристики (ГОСТ 3044-84).

Градуировочные характеристики и допустимые погрешности этих термопар также приведены в ГОСТ 3044-84.

Термоэлектрический датчик обычно называется термопарой. Устройство промышленной термопары показано на рис. 4.39. Термоэлектроды 1 изолируются друг от друга керамическими бусами 2 или керамической трубкой; одним своим концом они свариваются, другим – подсоединяются к зажимам в головке 3, служащей для подключения внешних проводов. Термоэлектроды помещаются в защитный чехол 4 (трубку, закрытую с одной стороны). Чехол делается из жаропрочной стали, а при измерении очень больших температур – из керамики или кварца.

Место соединения термоэлектродов называется горячим или рабочим спаем. Противоположные концы называются холодными или свободными. Обычно в месте свободного спая термопара разомкнута. ЭДС термопары обычно не превосходит 50мВ.

Схемы включения. Рабочий конец термопары погружается в среду, температуру которой требуется измерить. Свободные концы подключаются к вторичному прибору. Если температура свободных концов постоянна, то подключение может быть сделано медным проводом, а если не постоянна, то оно выполняется специальными удлинительными (компенсационными) проводами, В качестве последних используются два провода различных материалов. Провода подбираются так, чтобы при температуре свободных спаев и в паре между собой они имели такие же термоэлектрические свойства, как и рабочая термопара. При подсоединении к термопаре компенсационные провода удлиняют ее и дают возможность отвести холодный спай образованной составной термопары в такое место, где температура остается постоянной.

В качестве вторичных преобразователей используются либо магнитоэлектрические милливольтметры, либо потенциометры постоянного тока.

В лабораторной практике используются потенциометры с ручной компенсацией, а в производственной – автоматические потенциометры. Упрощенная схема автоматического потенциометра приведена на рис. 4.40. Термопара Т включается таким образом, что ее ЭДС Е направлена встречно компенсирующему напряжению Е _к, создаваемому с помощью мостовой цепи. Это напряжение изменяется пропорционально перемещению движка по реохорду R_p. Разность ЭДС термопары и компенсирующего напряжения Е – Е _кусиливается усилителем и подается на реверсивный двигатель РД. Вал двигателя, вращаясь, через редуктор. перемещает движок реохорда так, чтобы разность Е – Е _куменьшалась. Когда она становится равной нулю, вал останавливается. С движком реохорда связаны стрелка прибора, перемещающаяся по шкале, записывающее устройство, регистрирующее текущее значение температуры, контакты для ее регулирования, а также устройство для дистанционной передачи показаний.

Для увеличения стабильности напряжения Е _к и точности измерения температуры мост питается от стабилизированного источника напряжения ИПС, а сопротивления плеч моста изготавливаются из манганинового провода.

Современные автоматические потенциометры имеют основную приведенную погрешность измерения ± (0,25 – 1) %, погрешность регистрации ± (0,5 – 1) %.

Погрешность термоэлектрического термометра. Одним из источников погрешности термоэлектрического термометра является несоответствие температуры свободных концов термопары температуре, при которой была произведена градуировка.

Номинальная функция преобразования термопар со стандартной градуировкой задается градуировочной таблицей. Она определяет зависимость ЭДС Е(t, t _{0 )} термопары от измеряемой температуры t при температуре свободных спаев t₀ = 0 ° С. Если в условиях измерения температура свободных спаев t? ₀ не равна температуре t₀, то ЭДС термопары Е(t, t? _{0 )} отличается от ЭДС Е(t, t _{0 )} , которая нужна для определения температуры по стандартной градуировке. Введение поправки основано на третьем свойстве термопары.

Второй член Е(t? _{0, t 0 )} правой части равенства (4.142) определяет поправку. Е(t? _{0, t 0 )} представляет собой ЭДС термопары при условии, что ее свободные концы находятся при температуре градуировки t₀, а рабочие – при температуре t? ₀. Значение Е(t? _{0, t 0 )} определяется по таблице стандартной функции преобразования.

Вследствие неравенства температур t₀? t? ₀ показание пирометрического милливольтметра не равно действительной температуре. Поправка к его показаниям приближенно может быть определена соотношением

(4.143)

где k – коэффициент, зависящий от измеряемой температуры и от вида термопары.

Для хромель-копелевой термопары он лежит в пределах 0,8 – 1; для хромель-алюминиевой – в пределах 0,98 – 1,11; для платинородий-платиновой – в пределах 0,82 – 1,11. При малом значении D t = t? ₀ - t₀ в ряде случаев можно принять k = 1. Это позволяет вводить поправку в показания пирометрического милливольтметра с помощью корректора нуля. При отключенной термопаре стрелку прибора с по мощью корректора ставят на отметку, соответствующую t? ₀. При включении термопары и измерении температуры показания пирометра будут больше некорректированных на значение D t. Такое введение поправки целесообразно, когда значение t? ₀ сохраняется постоянным.

В показания автоматического потенциометра поправка вводится автоматически. Для этого в одном из плеч моста включена катушка, намотанная медной проволокой, сопротивление которой R _м = R ₀ (1 + a t? ₀ ) зависит от ее температуры. Катушка помещена возле зажимов потенциометра, к которым подводятся удлинительные провода, и имеет температуру свободных концов “ составной” термопары. Температурное изменение сопротивления катушки создает дополнительный разбаланс моста, равный ЭДС поправки Е(t? _{0, t 0 )} . Поправка пропорциональна отклонению температуры свободных концов t? ₀ от их номинальной температуры t₀ = 0° С.

Другим источником погрешности термоэлектрического термометра является изменение сопротивления измерительной цепи термоэлектрического преобразователя.

В качестве пирометрического милливольтметра применяются приборы магнитоэлектрической системы. Для повышения чувствительности они выполняются с относительно малым внутренним сопротивлением. При этом измеряемое напряжение зависит от сопротивления внешней цепи. Внешняя цепь милливольтметра состоит из термопары, удлинительных и соединительных проводов и специальных манганиновых уравнительных (подгоночных) катушек. Изменение сопротивления этих элементов приводит к погрешности термоэлектрического термометра. Для иллюстрации заметим, что при помещении платинородий-ллатиновсй термопары с электродами толщиной 0,5 мм в печь с температурой 1000° С на глубину одного метра ее сопротивление изменяется на 3,86 Ом. Погрешность может происходить также вследствие плохой подгонки сопротивлений уравнительных катушек.

Можно показать, что приведенная погрешность, вызванная изменением сопротивления внешней цепи на D R _{ц, равна}

(4.144)

где R _{в – внутреннее сопротивление милливольтметра;} R _{ц – номинальное сопротивление его внешней цепи.}

_{Сопротивление пирометрического милливольтметра} R _{в и номинальное сопротивление внешней цепи} R _{вн, ном, при котором он градуировался, указываются на его шкале.}

_{Термоэлектрический термометр с потенциометром свободен от рассматриваемой погрешности. В момент компенсации по внешней цепи ток не течет и на ее сопротивлении отсутствует падение напряжения. Потенциометр измеряет термоЭДС.}