Термопары.

Термоэлектрический метод измерения температуры основан на возникновении электродвижущей силы (э.д.с.) в цепи, составленной из разнородных проводников при неравенстве температур в местах соединения проводников.

Термоэлектрический преобразователь (термопара) - это пара соединенных одним концом проводников из разнородных металлов или сплавов, который помещается в место измерения температуры и называется рабочим концом. Термо-э.д.с. снимается со свободных концов, соединение которых с внешней цепью обычно выполняется «под винт». Для измерения температуры среды необходимо знать зависимость термо-э.д.с. от температуры для материалов, из которых изготовлена термопара, и температуру свободных концов термопары. Термопара измеряет суммарную температуру: рабочего спая и свободных концов (или «холодного спая»). Если температура свободных концов отличается от нуля, то необходимо учитывать поправку на температуру «холодного спая». При практических измерениях температура среды определяется в следующем порядке:

измеряется результирующая э.д.с.;

определяется величина поправки на температуру свободных концов; вычитается из результирующей э.д.с. э.д.с. поправки и определяется температура среды.

На практике для решения этой задачи обычно применяют тот или иной

способ компенсации температуры «холодного спая» (вручную или автоматически), так как обеспечить постоянство температуры свободных

концов (термостатирование) в промышленных условиях достаточно сложно и неудобно.

Поскольку длина проводников термопары обычно не превышает 10-

15м, применяют удлинительные провода, изготовляемые из специальных сплавов, характеристики которых совпадают с характеристиками материалов проводников термопары в диапазоне температур от -50 до +50 С. Такие провода называют компенсационными. Отличие характеристик вносит дополнительную погрешность при измерении температуры.

В промышленности используется большое количество разного вида термопар. Рассмотрим стандартные термопары, т. е. те, которые имеют стандартизованные градуировки (ГОСТ Р 8.585-2001 Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования. Введен в действие с 21.11.2001). Градуировка стандартной термопары - зависимость термо-э.д.с. от температуры - представлена в ГОСТе в виде таблиц с шагом в один градус при условии, что температура «холодного» спая равна 0 С. Температурный диапазон от 3 до 3000 К (от минус 270 до плюс 2727 С). Номинальные статические характеристики (НСХ) всех видов термопар имеют нелинейность. Наиболее часто встречаются следующие термопары.

Вольфрам-рениевая ТВР (А-1, А-2, А-3) работает в наиболее высокой области температур (0...2500 С), но имеет слабую устойчивость к окислению и должна использоваться в вакууме, в атмосфере водорода или инертного

_газа.

Платино-родиевые ТПР (B, S, R) имеют высокую устойчивость к окислению и коррозии, но присутствие в атмосфере водорода, углерода, серы, фосфора или паров металлов вызывает загрязнение термопары. Имеет наименьшую погрешность, но из-за очень малой э.д.с. применяется в основном для измерения высоких температур (до 1800 С).

Термопары хромель-копель ТХК (L), хромель-константан ТХК (Е) имеют наиболее высокую крутизну характеристики (мкВ/ С), могут использоваться в окислительной среде или атмосфере инертного газа, но

взаимодействуют с серой, плохо работают при повышенных температурах в низкокислородных средах, в вакууме или при пониженном давлении. Применяются, как правило, в защитных оболочках. Диапазон температур от минус 200 до 900 С.

Термопара хромель-алюмель ТХА (К) характеризуется достаточно большой термо-э.д.с., практически линейно зависящей от температуры. Может работать в чистом кислороде или в атмосфере инертного газа, не может работать при повышенных температурах в вакууме, легко корродирует в низкокислородной среде. Диапазон температур от минус 200 до 1300 С.

Термопара железо-константан ТЖК (J) хрупкая при температуре меньше 0 С, может работать при пониженном давлении, в вакууме, неустойчива к парам серы. Диапазон температур от минус 200 до 900 С.

Устройство промышленной термопары:

Конструкция устройства промышленной термопары показана на рис.1.3. 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 c

одной стороны). Чехол делается из жаропрочной стали, а при измерении очень больших температур - из керамики или кварца.

Рис. 1.3. Конструкция промышленной термопары.

Термометры сопротивления.

Термометры сопротивления (ТС) применяются, в основном, для измерения сравнительно низких температур. Принцип действия ТС основан на зависимости электрического сопротивления от температуры. У большинства металлов с ростом температуры сопротивление увеличивается.

Материал для ТС должен обладать следующими свойствами:

высоким удельным сопротивлением; высоким температурным коэффициентом; химической инертностью;

легкостью технологической воспроизводимости;

постоянством физических свойств во времени.

Наиболее распространенными из металлических ТС являются платиновые и медные. Их номинальные статические характеристики стандартизованы и представлены в виде таблиц (Межгосударственный

стандарт ГОСТ 6651-94 Термопреобразователи сопротивления. Общие технические требования и методы испытаний. Введен в действие с 01.01.99). Платиновые ТС отличаются более высокой стабильностью характеристики и могут использоваться в качестве образцовых СИ в диапазоне от 73 до 630 К, но имеют нелинейную НСХ. Медные ТС применяются для измерения температур от минус 200 до +200 С. От -200 до -185 С и от -10 до +200 С НСХ линейна. Достоинством медных ТС является более низкая стоимость по сравнению с платиновыми.

ТС являются пассивными датчиками и для формирования электрического сигнала требуется внешний источник стабильного тока. При измерении сопротивления ток, протекающий по ТС, должен быть небольшим. Иначе появятся значительные погрешности от саморазогрева датчика. Обычно ток через ТС допускается не более 5 мА.

ТС имеют различные градуировки. Чаще всего используются ТС с сопротивлением при 0 С 50 и 100 Ом. Они имеют обозначение: медные -

50М, 100М, платиновые - 50П, 100П. Международное обозначение Cu50,

Cu100, Pt50, Pt100. Номинальные статические характеристики ТС

соответствуют уравнению

R_t = W_t R₀,

где R_t - сопротивление ТС при температуре t, Ом;

W_t - значение отношения сопротивлений при температуре t к сопротивлению при 0 С (приведено в градуировочных таблицах ГОСТ).

Выпускаются ТС с номинальным значением отношения сопротивлений

W₁₀₀ (отношение сопротивления при 100 С к сопротивлению при 0 С) для платиновых - 1,391 и 1,385, для медных - 1,428 и 1,426.