Термоэлектрические термометры.

Для измерения температуры в металлургии наиболее широкое распространение получили термоэлектрические термометры, работающие в интервале температур от — 200 до +2500 °С и выше.

Данный тип устройств характе­ризует высокая точность и на­дежность, возможность исполь­зования в системах автомати­ческого контроля и регулирования параметра, в значительной мере определяющего ход технологических процессов.

Сущность термоэлектрического метода заключается в возникновении электродвижущей силы (э. д. с.) в проводнике, концы которого имеют различную температуру. В зависимости от вели­чины перепада температур и природы проводника (состав, физическое состояние) величина э. д. с. колеблется в значительных пределах. Для того чтобы измерить возникшую э. д. с., ее сравнивают с э. д. с. другого проводника, образующего с первым термоэлектрическую пару АВ (рис. 3.8), в цепи которой потечет ток.

Результирующая термоэлектродвижущая сила (т. э. д. с.) цепи, состоящей из двух разных проводников А и В (однородных по длине), равна

Е_АВ(t₂, t₁) = ℮ _АВ(t₂)+ ℮ _АВ(t₁),

Или

Е_АВ(t₂, t₁) = ℮ _АВ(t₂) - ℮ _АВ(t₁),

где ℮ _АВ(t₂) и ℮ _АВ(t₁)— разности потенциалов проводников А и В соответственно при температурах t₂ и t₁, мВ.

Т. э. д. с. данной пары зависит только от температур t₂ и t₁ и не зависит от размеров термоэлектродов (длины, диаметра) величин теплопроводности и удельного электросопротивления.

При отсутствии перепада температур, т. е. при t₂ = t₁, т. э. д. с. каждого проводника равна 0 и результирующая т. э, д. с. также равна нулю Е_АВ(t₂, t₁) = 0. По этой же причине включение в цепь третьего проводника С, имеющего одинаковую температуру концов, в один из спаев (рис. 3.9, а) или в разрыв одного термоэлектрода (рис. 3.9, б) не изменяет т. э. д. с. термопары, так как собственная э. д. с. проводника равна нулю.

Для получения зависимости т. э. д. с. только от одной температуры t₂ необходимо температуру t₁ поддерживать па постоянном уровне, обычно при 0 или 20 °С. Спай, помещаемый в измеряемую среду, называют горячим или рабочим концом термопары, а спай, температуру которого поддерживают постоянной, холодным или свободным концом.

Для измерения возникающей т. э. д. с. в контур термопары в холодный спай (см. рис, 3.9, а) или в разрыв одного из термоэлектродов (см. рис. 3.9, б) с помощью проводов С включают измерительный прибор ИП.

В первом случае (см. рис. 3.9, а) в схеме три спая: горячий 1 и два холодных 2 и 3, которые должны находиться при постоянной температуре. Во второй схеме включения (см. рис. 3.9, б) имеются четыре спая: горячий 1, холодный 2 и нейтральные 3 и 4, причем температура последних t₃ должна быть одинаковой. Необходимо еще раз подчеркнуть, что для правильного включения ИП температура в обоих местах присоединения третьего проводника должна быть одинаковой, что исключает образование дополнительных “паразитных” термопар, т. э. д. с, которых искажала бы сигнал основной термопары.

Для увеличения чувствительности термоэлектрического метода измерения температуры в ряде случаев применяют термобатарею: несколько последовательно включенных термопар, рабочие концы которых находятся при температуре t₂, а свободные при известной и постоянной температуре t₁.

Для контроля разности температур двух объектов или различных точек одного объекта используется дифференциальная термопара, у которой одноименные электроды А включены навстречу друг другу, а к другим Б подключен ИП. Рабочие спаи имеют разные температуры, а свободные концы одинаковую.

Требования, предъявляемые к материалу термоэлектродов. Термопару можно изготовить, комбинируя бесчисленное мно­жество различных материалов: чистых металлов, их сплавов, полупроводниковых и тугоплавких соединений. Однако использование большинства из них в термоэлектрических термометрах широкого применения невозможно, так как они не удовлетворяют ряду требований, предъявляемых к термоэлектродным материалам: высокое значение развиваемой т. э. д. с.; стабильность характеристики в течение значительного периода времени и высоких температур; воспроизводимость и линейная зависимость т. э. д. с. от температуры; однородность термоэлектрических свойств по длине проводника; легкость технологической обработки и получения сплава одинакового состава; хорошие экономические показатели.

Большое значение развиваемой т. э. д. с, определяет высокое значение чувствительности устройства: отношения Δ Е/Δ t, т. е. отношения приращения т. э. д. с. Δ Е к величине изменения температуры Δ t, вызвавшее данное приращение сигнала. Данный показатель для технических термоэлектрических термометров находится в пределах 0, 01—0, 06 мВ/°С. Чем больше это зна­чение, тем менее чувствительный, но более дешевый и надеж­ный вторичный прибор можно использовать в комплекте с термопарой.

Выбор материалов термоэлектродов в значительной степени определяется уровнем температуры и агрессивным воздействием измеряемой среды. Платина и ее сплавы с родием хорошо работают в окислительной и нейтральной средах, вольфрам, молибден, рений и их сплавы — в вакууме, нейтральной и восстановительной средах. Науглероживание проволоки искажает термоэлектрическую характеристику платины и приводит к погрешностям в измерении. Значительный опыт эксплуатации различных термопар привел к тому, что в настоящее время количество применяемых в технике измерений материалов невелико.

Устройство термоэлектрических термометров. Термоэлектрический термометр (ТТ) — это измерительный преобразователь, чувствительный элемент которого (термопара) расположен в спе­циальной защитной арматуре, обеспечивающей защиту термоэлект­родов от механических повреждений и воздействия измеряемой среды. На рис. 3.10 показана конструкция технического ТТ.

Арма­тура включает защитный чехол 1, гладкий или с неподвижным штуцером 2, и головку 3, внутри которой расположено контактное устройство 4 с зажимами для соединения термоэлектродов 5 с проводами, идущими от измерительного прибора к термометру. Термоэлектроды по всей длине изолированы друг от друга и от защитной арматуры керамическими трубками (бусами) 6.

Защитные чехлы выполняются из газонепроницаемых мате­риалов, выдерживающих высокие температуры и агрессивное воздействие среды. При температурах до 1000°С применяют металлические чехлы из углеродистой или нержавеющей стали, при более высоких температурах — керамические: фарфоровые, карбофраксовые, алундовые, из диборида циркония и т. п.

В качестве термоэлектродов используется проволока диаметром 0, 5 мм (благородные металлы) и до 3 мм (неблагородные металлы).

Спай на рабочем конце 7 термопары образуется сваркой, пайкой или скручиванием. Последний способ используется для вольфрам-рениевых и вольфрам-молибденовых термопар.

Конструкция технического ТТ предусматривает возможность в процессе эксплуатации извлекать из защитной арматуры термоэлектроды в сборе для поверки или замены. Головка снабжена уплотнением, исключающим попадание пыли и влаги во внутрен­нюю полость устройства.

Термоэлектрические термометры выпускаются двух типов: погружаемые и поверхностные. У последних рабочий спай приво­дится в непосредственный контакт с измеряемой поверхностью. Промышленность изготавливает устройства различных модификаций, отличающихся по назначению и условиям эксплуатации, по материалу защитного чехла, по способу установки термометра в точке измерения, по герметичности и защищенности от действия измеряемой среды, по устойчивости к механическим воздействиям, по степени тепловой инерционности и т. п.