Краткие теоретические сведения. Термопары. Термопары (ТП) представляют собой цепь, состоящую из двух или нескольких соединенных между собой разнородных проводников

Термопары. Термопары (ТП) представляют собой цепь, состоящую из двух или нескольких соединенных между собой разнородных проводников. На рисунке 2.1 показана термоэлектрическая цепь, состоящая из двух проводников (термоэлектродов) А и В. Места соединений термоэлектродов 1 и 2 называют спаями или концами.

Рисунок 2.1 - Схема термоэлектрического преобразователя

Принцип действия ТП основан на ис­пользовании термоэлектрического эф­фекта, заключающегося в том, что, если температуры спаев t и t₀ не равны, то в замкнутой цепи будет протекать электрический ток. Направление этого тока, называемого термотоком, зависит от соотношения температур спаев, т. е. если t > t₀, то ток протекает в одном направлении, а при t < t₀ — в другом. При размыкании такой цепи на ее концах может быть измерена так называемая термоэлектродвижущая сила (термоЭДС). Генерируемая в контуре ТП термоЭДС зависит только от химического состава термоэлектродов и температуры спаев и не зависит от геометрических размеров термоэлектродов и размера спаев.

Для замкнутой цепи, показанной на рисунке 2.1, результирующая термоЭДС равна

E_AB(tt₀) = e_AB(t) – e_ВА(t₀), (2.1)

где e_AB(t) и e_ВА(t₀) – потенциалы, возникающие в местах соприкосновения

проводников.

Индексы при Е и е указывают направление термоЭДС: от А к В или от В к А.

Из последнего выражения следует, что возникающая в контуре термоЭДС E_AB(tt₀) зависит от разности температур t и t₀. Если сделать t₀ = const, то

e_AB(t₀) = c = const и

E_AB(tt₀)_{t0 = const} = e_AB(t) – c = f(t). (2.2)

При известной зависимости (2.2) путем измерения термоЭДС в контуре ТП может быть найдена температура t в объекте изме­рения, если температура t₀ = const. Спай, погружаемый в объект измерения температуры, называют рабочим спаем или рабочим концом, а спай вне объекта называют свободным спаем (концом).

В явном виде зависимость (2.2) не мо­жет быть получена аналитически с достаточной точностью. Поэто­му эта зависимость для различных типов ТП устанавливается экспериментально путем граду­ировки и построения графика или таблицы зависимости термоЭДС от температуры.

При градуировке ТП температура свободных концов t₀ обычно поддерживается постоянной и равной 0 °С. При измерении температуры в практических условиях температура свободных концов ТП обычно равна температуре окружающей среды. При этом статическая характеристика ТП не соответствует градуировочной характеристике и смещается вертикально вверх или вниз (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 – Смещение характеристики термопары при изменении t₀

Смещение характеристики ТП вызывает необходимость введения поправки на температуру свободных спаев по уравнению:

E(t, t₀) = E(t, 0 °С) – Е(t₀, 0 °С), (2.3)

где Е(t, 0 °С) – термоЭДС, развиваемая ТП при температуре рабочего спая t и

температуре свободного спая 0 °С;

E(t₀, 0 °С)- термо-э.д.с., развиваемая ТП при температуре рабочего спая t = t₀

и температуре свободного спая 0°С.

Из выражения (2.3) видно, что при t₀ < 0 статическая характеристика смещается вверх, а при t₀ > 0 - вниз.

В настоящее время широко применяется автоматическое введение поправки на температуру свободных спаев ТП при помощи специальных компенсирующих устройств. Эти устройства располагаются отдельно или встраиваются во вторичный прибор.

Для измерения термоЭДС ТП в ее цепь включают измерительный прибор по одной из двух схем (рисунок 2.3). В качестве измерительных приборов ис­пользуются магнитоэлектрические милливольтметры и потенциометры (измерительные компенсаторы).

Рисунок 2.3 – Схемы включения измерительного прибора в цепь ТП

Для подключения измерительных приборов к ТП используют специальные удлиняющие термоэлектродные провода. Эти провода должны быть термоэлектрически подобны термоэлектродам термопары. Для ТП из неблагородных металлов удлиняющие провода изготавливаются из тех же материалов, что и термоэлектроды, а для ТП из благородных металлов удлиняющие провода выполняются из материалов, развивающих в паре между собой в диапазоне изменения температуры окружающей среды примерно ту же термоЭДС, что и ТП, для которой они предназначены. Посредством удлиняющих проводов производится как бы наращивание термоэлектродов термометра, позволяющее отнести свободные концы от места его установки в более благоприятные условия.

Наибольшее распространение для изготовления термоэлектрических термометров получили материалы: платина (Pt), платинородий (90 % Pt + 10 % Rh), хромель (10% Cr + 90 % Ni), алюмель (95 % Ni + 5 % Al) и копель (56 % Cu + 44 % Ni). Для измерений в лабораторных установках находят также применение медь, железо, константан и др.

К материалам термоэлектродов термопар предъявляются следующие требования:

механическая и химическая устойчивость при высоких температурах;

хорошие электропроводность и теплопроводность;

постоянство термоэлектрических свойств;

однозначная зависимость термоЭДС от температуры.

Наиболее распространенные типы термопар приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Основные характеристики некоторых термопар

На рисунке 2.4, а показана конструкция промышленной термопары. В металлической трубке 1 расположены термоэлектроды 2 с изоляционными цилиндрами 3. Рабочий спай 4 термопары обычно приваривается к дну трубки. К термоэлектродам в соединительном корпусе 5 через разъем 6 подсоединяются удлинительные провода. Термопара вводится в объект измерения и кре­пится на нем с помощью штуцера 7.

а) б)

Рисунок 2.4 – Конструкция промышленных термопары (а) и

металлического терморезистора (б)

Длина погружаемой части в среду, температуру которой измеряют, выполняется различной для каждого конкретного типа термоэлектрического термометра.

Автоматический потенциометр. Это прибор, посредством которого производится измерение термоЭДС. Его измерительная схема представлена на рисунке 2.5, а. Она представляет собой четырехплечий мост постоянного тока, в измерительную диагональ которого включается термопара. Процесс измерения основан на компенсации термоЭДС Е_х компенсирующим напряжением U_к, возникающим на измерительной диагонали мостовой схемы. Схема работает в равновесном режиме, т.е. в любой момент времени Е_х = U_к, а каждому новому значению температуры горячего конца t_г соответствует новое положение λ движка реохорда. Сопротивление R_н служит для подгонки стрелки потенциометра на начальную отметку шкалы, когда значение термоЭДС соответствует начальной температуре.

Рисунок 2.5 – Автоматический потенциометр: а – измерительная схема;

б – стандартный реохорд; в – эквивалентный реохорд

Уравнение компенсации в общем случае имеет вид (сопротивления R ₁ и R ₂ выполняются равными)

I₁(R_н+lR_эр)-I₂R_к=Е_х. (2.4)

При изменении измеряемой температуры нарушается равенство (2.4) и на входе усилителя У появляется сигнал разбаланса, который приводит в действие реверсивный двигатель РД, перемещающий движок реохорда R_p. Таким образом, компенсация в этом случае производится за счет изменения относительного положения движка реохорда λ.

При изменении температуры свободных концов поправка вводится автоматически с помощью компенсационного терморезистора R _к. Для этого изменение термоЭДС из-за изменения температуры окружающей среды DE_i численно должно быть равно величине I₂DR_к.

Сопротивление реохорда представляет собой параллельное соединение трех резисторов (рисунок 2.5, б): рабочего реохорда R_р, сопротивления шунта R_ш и резистора, определяющего диапазон измерения R_п. Параллельно соединенные резисторы R_р и R_ш образуют так называемый стандартный реохорд (его сопротивление обычно составляет 90 или 130 Ом), а все три резистора могут быть обозначены R_эр (рисунок 2.5, в) – сопротивление эквивалентного реохорда.

Термометры сопротивления. Принцип действия термометров сопротивления (ТС) основан на свойстве металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры.

Качество ТС характеризуется его чувствительностью к изменению температуры и определяется температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) a_Т, представляющим собой относительное изменение сопротивления D R/R на единицу приращения температуры D t:

. (2.5)

Металлы имеют положительный ТКС, а полупроводники – отрицательный. Это означает, что у металлов при увеличении температуры сопротивление увеличивается, а у полупроводников – уменьшается (рисунок 2.6). При этом по модулю ТКС полупроводников на порядок выше, чем у металлов.

Рисунок 2.6 – Статические характеристики термометров сопротивления

Металлические ТС выполняются преимущественно из меди или из платины. Это связано с тем, что материалы ТС должны иметь большой и постоянный температурный коэффициент сопротивления, большое удельное сопротивление; их физические и химические свойства должны быть устойчивы при высоких температурах. Медь и платина наиболее полно соответствуют этим требованиям.

Медь – один из недорогостоящих металлов, легко получаемых в чистом виде. Медный ТС (ТСМ) имеет линейную зависимость сопротивления от температуры:

, (2.7)

где R_t и R₀ – сопротивления ТСМ при температуре t и при температуре 0 ⁰С;

a_Т – температурный коэффициент сопротивления ТСМ.

Однако при температурах более 200 °C медь активно окис­ляется и поэтому не используется.

Платина является наилучшим материалом для ТС. Недостатком платиновых ТС (ТСП) является нелинейная зависимость сопротивления от температуры, которая для области положительных температур может быть записана в виде

, (2.8)

где R_t и R₀ – сопротивления ТСП при температуре t и при температуре 0 ⁰С;

a_Т и b_Т – температурные коэффициенты сопротивления ТСП.

Кроме того, платина – очень дорогой металл.

Существуют различные типы медных и платиновых ТС, отличающиеся градуировкой. Обозначение ТС состоит из числа, соответствующего сопротивлению ТС в омах при 0 º С, и буквы, соответствующей материалу ТС. Например, тип ТС 50П означает, что ТС платиновый, а сопротивление ТС при 0 º С равно 50 Ом.

Диапазон измерений металлических ТС составляет от –200 до 650 °С.

Конструкция промышленных проводниковых ТС показана на рисунке 2.4, б. ТС по внешнему виду и размерам аналогичны термопарам.

В металлической трубке 1 расположена тонкая проволока 2 из платины или меди, которая наматы­вается на каркас 3 из керамики, стек­ла или пластмассы. Проволока, которая является ЧЭ термометра, припаивается к выводным проводам, которые через изоляционные цилиндры 4 подводятся к разъему 5 в соединительном корпусе 6. ТС устанавливается на объекте измерения с помощью штуцера 7.

Полупроводниковые ТС называются термисторами. Они изготавливаются из оксидов металлов – марганца, кобальта и др. Наиболее часто используются кобальто-марганцевый термистор (КМТ) и медно-марганцевый термистор (ММТ), имеющие диапазоны измерения от –60 до 120°С и –60 до 160°С соответственно. Термисторы также имеют нелинейную зависимость сопротивления от температуры(см. рисунок 2.6):

. (2.9)

Конструктивно термисторы представляют собой миниатюрные конструкции дисковой, шариковой и других форм с металлическими выводами (рисунок 2.7). Для защиты от влаги их покрывают слоем лака или стекла.

Рисунок 2.7 – Внешний вид термисторов

Достоинства термисторов – высокая чувствительность, малые габариты.

Основной недостаток всех ТС - большая инерционность (до 10 мин.).

Автоматические мосты. Для измерения электрического сопротивления ТС чаще всего используются измерительные автоматические мосты с трехпроводной линией связи (рисунок 2.8).

Рисунок 2.8 – Автоматический мост с трехпроводной линией связи

Такой мост представляет собой следящую систему. Элементы моста рассчитываются таким образом, чтобы при начальном значении сопротивления ТС движок реохорда находился в одном из крайних положений. Поскольку мост находится в равновесии, напряжение на измерительной диагонали отсутствует. При изменении измеряемой температуры и сопротивления ТС это равновесие нарушается, на входе усилителя У появляется напряжение небаланса, и реверсивный двигатель РД перемещает движок реохорда до тех пор, пока мост не вернется в равновесное состояние. Таким образом, координата положения движка λ в каждый момент времени соответствует текущему значению температуры. Уравнение равновесия моста имеет вид

(R₁ + λ *R_p) * (R_t + R_Л3) = [(1 – λ)*R_p + R_Л1] * R₃. (2.10)