Термоэлектрические термометры (термопары)

Биметаллические и динамометрические термометры.

Действие биметаллических и динамометрических термометров основано на свойстве теплового расширения твердых тел. В биметаллических термометрах в качестве чувствительных элементов используют пластинки, состоящие из двух слоев разнородных металлов, имеющих различные коэффициенты теплового расширения. Чаще всего используют пару латунь - инвар (латунь - 70%Сu + 30%Zn,инвар - 64%Fe + 35%Ni, у которых соответственно коэффи­циенты расширения 19 ·10^-6 и ·10^-6 .

Один конец пластинки, закрепляют, а по перемещенью другого судят об из­менении температуры, чаще перемещают спираль. Предварительно такие тер­мометры градуируют в °С. Класс точности 2,0÷2,5.

Динамометрические термометры состоят из металлической оболочки 1 и кварцевого или фарфорового стержня 2 (см. рис.). Стержень 2 связан с рычагом 3, которые увеличивают сигналы, возникающий за счет разности расширений оболочки 1 и стержня 2. Обычно используют в качестве датчиков в САР. В последнее время применяются все реже и реже.

Манометрические термометры.

Манометрических термометрах используются зависимость давления ве­щества npи V=const от температуры. Схема термометра показана на рис. И состоит из термобалона 1, манометра 2, проградуированного в °С; капилляра 3. Различают жидкостные, конденсационные (паровые или парожидкостные) и газовые манометрические термометры

 

Достоинства – простота, возможности дистанционного измерения и автоматичес-кой записи.

Недостатки – большая погрешность (класс точности 2.5; 4.0), небольшое расстоя-ние передачи показаний (< 60м) и трудность ремонта при разгерметизации.

Манометрические термометры применяют в качестве грубых регуляторов температуры, особенно в тех случаях, когда по условиям взрыво- или пожаро-опасности нельзя использовать электрические методы.

 

Термоэлектрические термометры (термопары)

Термопары являются наиболее распространенными устройствами для технических измерений и поэтому остановимся более подробно на принципе действия; устройстве; материалах, применяемых для термопар; погрешностях измерения и т. д.. Широкому применению термопары обязаны своим достоинст­вом, основные из которых, следующие: малые размеры, возможность автомати­ческой записи и передачи, сигнала на значительные расстояния, универсаль­ность измерений.

Принцип действия термопар основан на возникновении э.д.с. в цепи, составленной из разнородных проводников, при нарушении, теплового равновесия в местах соединения. Возникновение э.д.с. происходит вследствии цеолого ряда эффектов, изучением которых занимались и внесли ощутимый вклад: Зеебек, Пельтье, Томсон и др. Современная физика объясняет возникновение э.д.с. перемещением электронов из одного проводника в другой и выравниванием их внутренних потенциалов. Свободные электроны в разных проводниках испытывают неодинаковые давления и при соприкосновении начинают диффунди­ровать из одного проводника в другой, выравнивая их внутренние потенциалы. На поверхностях соприкосновения проводников наблюдаются скачки потенциала. При выравнивании внутренних потенциалов на поверхности соприкосновения проводников возникает контактная разность потенциалов, которая зависит от свойств материалов и их абсолютной температуры. Результирующая т.э.д.с. в цепи, составленной из двух различных проводников, однородных по длине, равна сумме контактных разностей потенциалов, т.е.

 

или учитывая, что

 

 

Возникающая в цепи проводников А и В результирующая т. э. д. с. Зависит от двух температур t и t_o. Чтобы измерить величину т. э. д. с. в цепи термопары необходим измерительный прибор, включение второго вызовет появление третьего проводника. Включение прибора можно провести по одной схеме, показанных ниже, т.е. включение в разрыв одного электрода или к одному из концов двух горло-электродов. При этом независимо т третьего проводника (7.3) будет одинаковой. Поэтому важно, чтобы материал термоэлектродов по всей длине был галогенным, иначе может возникнуть трудно учитываемая погрешность.

Выбор материала для термоэлектродов является важным моментом. Прежде всего, необходимо определить термоэлектрические свойства выбираемого материала по отношению к нормальному термоэлектроду (обычно чистая платина). Известно, что выбираемые материалы по отношению к платине можно разделить на положительные и отрицательные.

Положительные - у которых в паре с платиной ток в более горячем конце течет от платины к материалу; отрицательные ­ - у которых ток, течет в обратном направлении. Необходимо набирать такие материалы, у которых была бы max э.д.с.

Однако не только величина развиваемой т.э.д.с. определяет возможность использования материала в качестве термоэлектродного, но и ряд следующих требований:

1) постоянство термоэлектродных свойств материала на протяжении практически безграничного времени;

2) высокая жароупорность (висмут, развивающий высокую т.э.д.с. практически неприменим из-за низкой температуры плавления 270°);

3) высокая электропроводность (из-за этого практически неприменим кремний);

4) возможность воспроизводства сплавов одинакового состава;

5) легкость технологической обработки;

6) дешевизна;

Поскольку можно составить большое количество термопар из различных материалов, причем однозначных критериев выбора нет, то согласно ГОСТ 6616-67 в СССР допускается применение технических термопар пяти типов. Их называют стандартными техническими термопарами.

 

Таблица 1

Тип термопары	Материалы термоэлектродов	Пределы °С изменения	Градуировка	Примечание
ТПП   ТПР   ТХА ТХК ТНС	Платинарадий (10% радия) – платина Платинарадий (30% радия) Платинарадий (6% радия) Хромель-алюмель Хромель-копель Никель – кобальтовый сплав, содержащий кремний и алюминий.	-20÷1600   300÷100   -50÷1300 -50÷800 300÷1000	ПП-1   ПР 30/6   ХА ХК НС	Среднее значение Δt=4 на 100К

 

Наибольшую т. э. д. с. при одинаковых температурах развивает хромель-копелевая термопара ТХК. Для каждой стандартной термопары есть градуировочные таблицы.

Для удобства применения термопары изготавливают в арматуре, цель которой:

o электрически изолировать термоэлектроды;

o защитить термоэлектроды от соприкосновения и воздействия измеряемой среды;

o придать термопаре механическую прочность.

Армированные термопары называют термоэлектрическими термометрами. Внешний вид некоторых термоэлектрических термометров показан на плакатах.

Технические термопары в приборостроении практически не применяют. Обычно изготавливают нестандартные термопары и пользуются стандартными градуировками. Материалами термоэлектродов нестандартных термопар чаще всего являются:

o медь-константан до 300°С;

o нихром - константан до 500ºС;

o манганин - константан до 300ºС;

o железо - копель до 500ºC;

o вольфрам- рений (вр 5/20) до 2500ºC;

o карбид титана-графит до 2500°С.

Определение температур с помощью термопар базируется на том, что существует разность температур рабочего "А" и свободного "В" конца. При этом ГОСТ предполагает, что свободные концы находятся при 0ºС. На практике это выполняется редко и приходится вводить поправку на температуру свободных концов. В этом случае поступают следующим образом:

1. определяют т.э.д.с. E(t,t₀)

2. отыскивается, по таблицам e(t₀,0)

3. рассчитывается E(t₀,0);

4. определяется температура t

При технических измерениях нет необходимости, да невыгодно (дорого) тянуть к измерительному прибору провода из того же материала, что и термоэлектроды. Из зоны невысоких температур, обычно не превышающих 100ºС, термопару соединяют с измерительным прибором, с помощью так называемых компенсационных проводов. При этом необходимо выполнить основное требование. Соединительные, а точнее компенсационные провода в паре между собою должны давать такую же э.д.с, как и основные термоэлектроды при той же температуре.

Все термопары (стандартные и нестандартные) проходят поверку с целью установления величины отклонения э.д.с от расчетного значения. Поверка производится путем сличения показаний поверяемой термопары с показанием образцовой. При поверки до 300ºС термопары (поверяемую и образцовую) помещают в водяной масляный или солевой термостат, а при более высоких температурах в электрическую горизонтальную трубчатую печь. Свободные концы термопар обычно помещают в нулевой (ледяной) термостат. Для измерения э.д.с используют приборы класса точности 0,03 и выше. Поверку образцовых термопар производят по реперным точкам (температуры плавления чистых Me).