4.5. Термоелектричні перетворювачі

Принцип дії термоелектричних перетворювачів заснований на використовуванні наступного термоелектричного явища. Якщо з'єднати між собою два різнорідні провідники А і В (мал. 4.18, а) і температуру місць їх з'єднання підтримувати різною, то між провідниками виникає термоелектрична ЕРС (термо-ЕРС), значення якої залежить від матеріалу провідників і різниці температур місць їх з'єднання. Виникнення термо-ЕРС пояснюється неоднаковою густиною вільних електронів в різнорідних провідниках. Внаслідок цього в місці з'єднання провідників відбувається дифузія електронів з одного провідника в іншій. Провідник з більшою густиною вільних електронів набуває позитивний потенціал (завдяки дифузії деякої частини електронів в інший провідник), а провідник з меншою густиною — негативний потенціал. Таким чином, в місці з'єднання провідників виникає різниця потенціалів, значення якої залежить від температури Θ₁ місця з'єднання:

У іншому місці з'єднання також виникає різниця потенціалів, залежна від температури Θ₂ місця з'єднання:

Ланцюг, складений з двох різнорідних провідників, називається термоелектричним перетворювачем або термопарою. Місце з'єднання провідників, що знаходиться під впливом температури вимірюваного середовища, називається гарячим або робочим спаєм. Місце з'єднання провідників, що знаходиться під впливом температури навколишнього середовища, називається холодним або вільним спаєм. Різнорідні провідники А та В, які складають термоелектричний перетворювач, називаються термоелектродами.

Для замкнутого ланцюга, що складається з двох провідників, термо-ЕРС рівна алгебраїчній сумі різниць потенціалів спаїв:

При однаковій температурі обох спаїв (Θ₁ = Θ₂) термо-ЕРС буде рівна нулю, оскільки e_Θ1 = е_Θ2 . При різній температурі спаїв (Θ₁ > Θ₂) термо-ЕРС не рівна нулю, оскільки e_Θ1 > е_Θ2. Якщо температуру холодного спаю підтримувати постійною, то е_Θ2 = const. Тому термо-ЕРС термопари змінюватиметься у функції температури гарячого спаю:

Для вимірювання термо-ЕРС електровимірювальні прилади включаються в ланцюг термопари або в розрив холодного спаю (мал. 4.18, б), або в розрив одного з електродів (мал. 4.18, в). У першому випадку перетворювач має один гарячий і два холодні спаї. При постійності і рівності температур холодних спаїв термо-ЕРС залежатиме лише від температури гарячого спаю. У другому випадку перетворювач має чотири спаї: один гарячий, один холодний і два нейтральних. При постійності температури холодного спаю і рівності температур нейтральних спаїв термо-ЕРС залежатиме лише від температури гарячого спаю. Таким чином, введення третього провідника в ланцюг термоелектричного перетворювача не змінює результуючу термо-ЕРС за умови рівності температур в місцях підключення третього провідника.

Для підвищення вихідної термо-ЕРС застосовують послідовне включення декількох перетворювачів, утворюючих термобатарею.

Для зручності порівняння термоелектричних властивостей різних матеріалів на рис. 4.19 приведені криві термо-ЕРС різних металів і сплавів в парі з платиною при температурах гарячого спаю Θ₁ = 100°С і холодного спаю Θ₂ = 0°С.

У верхній частині рисунка зображені криві для матеріалів, що є позитивними по відношенню до платини, в нижній — негативними.

Позитивними називають матеріали, у яких в парі з платиною струм в гарячому спаї тече від платини до матеріалу, а негативними — матеріали, в яких струм тече від матеріалу до платини.

Приведені криві дозволяють будувати градуїровочні криві для будь-якої пари матеріалів, оскільки термо-ЕРС пари рівна алгебраїчній різниці термо-ЕРС вибраних матеріалів в парі з платиною. Звичайно температура вільних кінців термопари вища за нуль. Тому термо-ЕРС не відповідає істинному значенню вимірюваної температури. Зміна температури холодного спаю призводить до зміни термо-ЕРС при незмінній температурі гарячого спаю, тобто до виникнення погрішності. Термоелектроди мають невелику довжину, унаслідок чого головка, в якій закріплюються вільні кінці термопари, знаходиться в безпосередній близькості від місця вимірювання. При цьому температура в місці розташування головки виявляється відносно високою і змінною в значних межах. Для зменшення погрішності вимірювання термоелектроди штучно подовжують, і вільні кінці виносять в зручніше місце. В більшості випадків подовжуючі частини термоелектродів виготовляють з тих же матеріалів, що і самі термоелектроди термопари. У термопар з електродами з благородних металів і сплавів, наприклад у платінородієвій термопарі, подовжуючі частини термоелектродів виготовляють з міді і сплаву, що складається з 99,4% Сu і 0,6% Ni. З великої кількості термоматеріалів на практиці для виготовлення позитивного термоелектрода найбільш ширше використовують хромель, залізо, платінородій, сплав нікелю з кобальтом, а для виготовлення негативного термоелектрода — алюмель, константан, капіж, платину, спеціальний алюмель.

Конструктивно термопара є двома дроту з різнорідних матеріалів, гарячий спай яких скручується, а потім зварюється. Гарячий спай ізолюється фарфоровим наконечником. Сама термопара полягає в кожух, який захищає її від дії гарячих, хімічно агресивних газів. Термопари з благородних матеріалів відрізняються стабільністю характеристик і стійкістю до впливу зовнішнього середовища. Недоліком є невелике значення термо-ЕРС, набагато менше, ніж у термопар з неблагородних матеріалів (хромель — алюмель, хромель — крапель).

Термоелектроди з благородних металів виготовляють з дроту діаметром 0,5 мм, термоелектроди з неблагородних матеріалів — з дроту діаметром від 1,5 до 3 мм. На судах знайшли також застосування термопари з термоелектродами з нікелю — сплаву хрому з нікелем, заліза — константану.

Для всіх вживаних термопар функціональна залежність між термо-ЕРС і вимірюваною температурою має складний характер. Термо-ЕРС термопар вимірюється за допомогою мілівольтметра, який має коректор для установки стрілки на відмітку, відповідну температурі вільних кінців термопари. Шкала мілівольтметра градуюється з урахуванням зовнішнього опору електричного ланцюга. У приладі є подстроєчні резистори, що дозволяють набути необхідне значення зовнішнього опору. На автоматизованих судах термопари працюють спільно з вимірювально-інформаційними системами, на вхід яких повинні подаватися уніфіковані сигнали. Вихідний сигнал термопари приводиться до уніфікованого вигляду за допомогою нормуючого перетворювача. Термопару можна вважати аперіодичною ланкою першого порядку, постійна часу якого коливається від 10 с до 7 хв.