3 Термопары

Термопара - это преобразователь (датчик), преобразующий температуру в электрический сигнал. Термопара - генераторный датчик.

Термоэлектрический эффект заключается в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух или нескольких разнородных проводников, возникает электрический ток, если два места соединения проводников (спай) имеют разную температуру.

Согласно электронной теории во всех проводниках имеются свободные электроны, число которых, приходящееся на единицу объема, различно для разных проводников.

Пусть два проводника из разных металлов А и В находятся в соприкосновении, и температура этих проводников одинакова. Число свободных в единице объема обозначим N_AиN_BиN_A > N_B.

Тогда электроны из металла А будут диффундировать в металл В в большем количестве, чем из В в А. Следовательно, металл А будет заряжаться положительно, а В - отрицательно.

Электрическое поле в месте соприкосновения будет препятствовать этой диффузии. Когда скорость диффузного перехода электронов станет равна скорости их обратного перехода под влиянием электрического поля, наступит состояние подвижного равновесия. В этом состоянии свободные концы металлов будут иметь разность потенциалов.

где е - заряд электрона; к - постоянная Больцмана.

Разность потенциалов, возникающая на концах неравномерно нагретого однородного проводника, равна

где Т₁и Т₂- температуры концов проводника.

Используем полученные формулы к термоэлектрической цепи из двух проводников, спаи которых находятся при температурах Т1 и Т2. ЭДС, развиваемая такой цепью равна

Измерительный прибор может быть включен как в спай термопары (рисунок 3.5а), так и в один из термоэлектродов (рисунок 3.5б).

Включение прибора по схеме а) наиболее часто встречается в технике. Включение по схеме б) - сравнительно редко.

При применении термопар вытекают следующие основные положения:

1. Электродвижущая сила, развиваемая термопарой, зависит как от температуры рабочего конца (горячего спая), так и от температуры свободного конца (холодного спая)

2. Температура свободного конца должна поддерживаться постоянной и иметь определенное значение. В этом случае ЭДС термопары является функцией только температуры рабочего конца.

3. Возможность введения третьего проводника позволяет изготовить рабочий спай термопары не только сваркой, но и пайкой (применяется только в лабораторной практике). Генераторного типа датчики можно для увеличения выходного сигнала включать батареей.

Во многих случаях при меняющейся температуре свободных концов необходимо применение компенсационных проводов. Назначение компенсационных проводов - удалять свободный конец термопары на всю их длину (рисунок 3.6).

В простейшем случае в качестве компенсационных проводов применяются те же материалы, что и для изготовления термопар.

Условием применения компенсационных проводов является соблюдение равенства температур точек 1 и 2 (рисунок 3.6), а также соблюдение полярности их подключения к термопаре («+» компенсационного провода подключается к «+» термопары).

При изготовлении термопар и термоэлектродных материалов предъявляют следующие требования:

1. высокая жаропрочность

2. постоянство электродвижущей силы во времени

3. высокая ЭДС и линейность ее в функции времени

4. возможность воспроизводства одинаковых материалов для изготовления термопар.

На практике применяются следующие термопары:

1. Платинородий - платина

Предел температур для таких термопар длительный - 1300°С и кратковременный до 1600°С. Сплав платинородий 90% Pi и 10% Rh.

2. Хромель - алюмель

Предел температур — длительный 900°С и кратковременный до 1100°С. Хромель - разновидность нихрома 89,0% Ni; 9,8% Сг; 1,0% Fe; 0,2% Мп. Алюмель: 94% Ni; 0,5%Fe; 2,0% Al; 2,5% Мп и 1,0% Si.

3. Хромель-копель

Копель - разновидность константана с составом 45% Ni; 55% Си. Термопара хромель-копель применяется до 600°С длительно и 800°С кратковременно. Термопара обладает наибольшей э.д.с.

4. Железо - копель с пределами применения 800°С и 600°С

5. Медь - копель с пределами применения 600°С и 400°С

Неблагородные термопары выпускаются с диаметром электродов до З мм. В некоторых случаях применяются термопары уголь - карбоцид, развивающие значительную э.д.с. порядка 500 мВ и пригодную для измерения температур до 2000°С.

В таблице 3.1 указаны зависимости выходной э.д.с. от температуры спая термопары.

Таблица 3.1 - Зависимости выходной э.д.с. от температуры спая термопары.

Температура рабочего спая, Т°С	Платинородий - платина	Хромель- алюмель	Хромель- копель	Железо- копель	Медь- копель
	Электродвижущая сила, мВ
100	0,64	4,10	6,95	5,75	4,75
200	1,42	8,13	14,65	12,00	10,29
300	2,31	12,21	22,90	18,10	16,48
400	3,24	16,39	31,48	24,55	23,13
500	4,21	20,64	40,15	30,90	30,15
600	5,21	24,90	49,00	37,40	37,47
700	6,25	29,14	57,75	44,10
800	7.32	33,31	66,40	51,15

900	8,43	37,36
1000	9,57	41,31
1100	10,74	45,14
1200	11,95	48,85
1300	13,15	52,41
1400	1436
1500	15,56
1600	16,76

Рисунок 3.7 - Схема включения термопары в измерительную цепь

е - э.д.с. термопары

ΣR= Rп + Rвн

где Rвн - сопротивление прибора, R_вн = R„„ + R_np R„„ - сопротивление термопары,

R„_p- сопротивление проводов.

R_n - сопротивление прибора должно быть как можно больше. U - величина падения напряжения на входе милливольтметра.

При высоких температурах возникает опасность шунтирования рабочей части термопары в результате проводимости изоляции (рисунок 3.8).

Рисунок 3.8 - Схема шунтирования рабочей части термопары в результате проводимости изоляции

Шунтирование термопары приводит к увеличению погрешности при измерениях.

4. Терморезисторы полупроводниковые

В качестве измерителя температуры широко используются полупроводники. Из полупроводников изготавливаются терморезисторы. Материалы для изготовления полупроводниковых терморезисторов - это германий (Ge), кремний (Si), марганец (Мn), титанат бария (TiBa).

Терморезистор - полупроводниковый прибор, сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры. Преобразователи, в которых используются терморезисторы, - параметрического типа.

Терморезисторы прямого подогрева - это терморезисторы, в которых нагрев осуществляется изменением температуры окружающей среды или током, переходящим через терморезистор.

Терморезисторы косвенного подогрева используют специальный подогреватель.

Основными характеристиками терморезисторов являются температурная и вольтамперная характеристики (рисунок 3.9).

1 - прямой подогрев терморезистора; 1а - температурная характеристика; 1b- вольтамперная характеристика; 2 - косвенный подогрев терморезистора;

2с - температурная характеристика; 2d- вольтамперная характеристика. Рисунок 3.9 - Характеристики терморезисторов

В зависимости от вида температурной характеристики различают терморезисторы с отрицательным и положительным (позисторы) температурными коэффициентами сопротивления αт.

.

Терморезисторы с отрицательным коэффициентом αт, уменьшают сопротивление при повышении температуры за счет увеличения концентрации носителей заряда и увеличения подвижности.

Зависимость сопротивления от температуры может быть представлена уравнением:

где А - коэффициент, зависящий от материала полупроводника и конструктивных особенностей;

В - коэффициент температурной чувствительности;

Т - температура, К.

Параметры αт, и В связаны между собой уравнением

Температурный коэффициент αt, нелинейно зависит от температуры.

Вольтамперные характеристики линейны в области малых токов из-за недостаточного подогрева. При увеличении подогрева линейность нарушается.

Характер функции R=f(T) позволяет различить три вида вольтамперных характеристик.

Терморезисторы с ВАХ (кривая 1) - увеличение тока вызывает повышение напряжения. Терморезисторы с такой характеристикой используются в измерительных схемах.

Терморезисторы с ВАХ (кривая 2) - при увеличении тока напряжение практически не изменяется. Этот тип терморезисторов применяют для стабилизации напряжения.

Терморезисторы третьего типа (кривая 3) используются в системах автоматического регулирования, так как при увеличении тока уменьшается напряжение.

При последовательном включении с терморезистором резистора с линейной характеристикой в цепи возникает релейный эффект. Релейный эффект расширяет области применения терморезисторов в системах автоматического управления, сигнализации, измерения и защиты.

Основные параметры терморезисторов прямого подогрева с отрицательным αt, приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Основные параметры терморезисторов

Тип прибора	Rном, кОм	В, К	αt, *10 -3, 1/°С	ΔT,°С	Рmах, мВт		H, мВт/°С		G, мВт		т, с
						Т Tmax
СТ1-17	0,3...22	3600...6000	4,2... 7	-60...+100	500	0,1	10	0.5		30
СТ1-19	3,3...2200	4230 7200	2,35...4	-60...+300	60	0,05	0.6	0.15		3
CT3-23	0,0022...0,0047	2600 .3200	3,05.. 3,75	0.. +125	-	3	9	2,5		-

СТЗ-25

1,5...2,2

2260...3200

3,07 ...3,75

-100 +125

8

0,01

0,08

0,12

0,4 |

Rнoм - номинальное сопротивление терморезистора при определенной температуре;

В - коэффициент температурной чувствительности; ατ - температурный коэффициент сопротивления;

Н - коэффициент рассеяния, равный мощности, рассеиваемой терморезистором при разности температур терморезистора и окружающей

среды в 1 °С;

G - коэффициент энергетической чувствительности

Тmах - максимально допустимая температура;

Рmах - максимально допустимая мощность рассеяния;

τ - постоянная времени.

Терморезисторы косвенного подогрева снабжаются специальным подогревателем, температура которого может изменяться при изменении тока, проходящего через подогреватель. Терморезисторы косвенного подогрева состоят из двух термически связанных и электрически изолированных цепей:

цепи терморезистора и цепи подогревателя.

Терморезисторы косвенного подогрева имеют дополнительные характеристики

R_noд-сопротивление подогревателя и I_{под max} - максимальный ток подогрева.