3.9. Термоэлектрические измерительные преобразователи

3.9.1. Принцип действия.

Термоэлектрические преобразователи основаны на термоэлектрическом эффекте, который был открыт в 1821 г. немецким физиком Зеебеком. {3К22}

Этот эффект (рис. 3.21) состоит в том, что если любым способом соединить два проводника А и Б из разных материалов (сварить, спаять, просто скрутить) и место этого соединения нагреть до некоторой температуры θ, а свободные концы оставить при исходной температуре θ₀ < θ, то между ними образуется разность потенциалов, т.е. возникает ЭДС Е, которая является разностью функций θ и θ₀:

E = F(θ) – F(θ₀). (3.18)

Эту ЭДС называют термоэлектродвижущей силой (термо-ЭДС), а проводники А и Б – термоэлектродами.

Рис. 3.21. К пояснению сущности термоэлектрического эффекта.

У разных металлов и сплавов термо-ЭДС сильно отличаются друг от друга. Существуют таблицы термо-ЭДС для различных металлов и сплавов в паре с платиной при θ = 100 ⁰С и θ₀ = 0 ⁰С, например, у железа + 1,8 мВ; у никеля – 1,5 мВ. При выборе пар – их называют термопарами – желательно иметь:

• высокую чувствительность при θ₀ = 0 ⁰С;

• линейную функцию преобразования Е(θ);

• широкий рабочий диапазон θ_min ÷ θ_max;

• химическую стойкость в агрессивных средах;

• механическую прочность.

На термопары, получившие наибольшее применение имеется стандарт. {3К23}

Основным вопросом при конструировании промышленных термоэлектрических преобразователей является выбор материала защитной трубы (арматура) и изоляция термоэлектродов. Защитная арматура должна оградить преобразователь от воздействия горячих, химически агрессивных газов, быстро его разрушающих. Арматура должна быть газонепроницаемой, хорошо проводящей тепло, прочной и жароупорной. Кроме того, при нагревании она не должна выделять газа или пара, вредных для термоэлектродов. При температурах до 600 ⁰С обычно применяют стальные трубы, до 1100 ⁰С – трубы из легированных сталей, до 1400 ⁰С – фарфоровые. В качестве изоляции термоэлектродов применяют кварцевые (до 1000 ⁰С) и фарфоровые (до 1400 ⁰С) трубки или бусы. {3К24}

3.9.2. Измерительные цепи.

Термо-ЭДС, развиваемые термопарами в диапазоне от θ_min до θ_max составляют для разных типов от 10 до 50 мВ. Для измерения таких ЭДС могут использоваться, например, аналоговые или цифровые вольтметры, а также компенсаторы постоянного тока (см. раздел 2.1).

Выбираемое средство измерений должно обеспечивать достаточно малый ток потребления от термопары. При этом результат измерений будет мало зависеть от нестабильного сопротивления линии связи между термопарой и средством измерений (это сопротивление обычно не превышает 10 Ом).

Как выбрать материал проводов А΄, Б΄ линии связи (рис. 3.22)?

θ0 Б΄ А΄ θ +

Рис. 3.22. К вопросу о выборе материала проводов линии связи.

Соединение электрода А с проводом А΄ – это тоже термопара, также, как и соединение электрода Б с проводом Б΄. Температура θ₀ свободных концов термопары АБ может доходить до 100 ⁰С, а температура θ₁ на другом конце линии связи – комнатная. Если бы соединение электродов А и Б (так называемый «рабочий конец») основной термопары находился при температуре θ₀ (рис. 3.23,а), а свободные концы – при температуре θ₁, то она развивала бы некоторую термо-ЭДС Е₀.

Рис. 3.23. О термоэлектрической идентичности «удлинительных электродов» с основной термопарой.

Если материал проводов А΄ и Б΄ выбран произвольно, то при тех же условиях термопара А΄ Б΄ (рис. 3.23,б) разовьёт термо-ЭДС Е₀ ΄ другого значения. Разность Е₀ - Е₀ ΄ создаёт погрешность измерения температуры θ в схеме рис. 3.22. Этой погрешности можно избежать двумя способами:

• применять для линии связи провода из тех же материалов А и Б, что и основная термопара;

• применять для неё провода из таких материалов А΄ и Б΄ , которые в диапазоне температур до θ₀ обладают термоэлектрической идентичностью с термопарой АБ, т.е. обеспечивают Е₀ = Е₀ ΄.

В обоих случаях такие провода линии связи получили название «удлинительные термоэлектроды». Первый способ не применяют для термопар из благородных металлов и их сплавов, т.к. это дорого, а также, если материал термоэлектродов не гибкий, как, например, сплавы хромель и алюмель.

При названном условии термоидентичности вместо (3.18) можно записать

E = F(θ) – F(θ₁).

Ясно, что E может служить мерой θ, если θ₁ = const или если влияние изменений θ₁ компенсируется. {3К25}

ВОПРОСЫ:

1. Что представляет собой термоэлектрический измерительный преобразователь? Для измерения каких неэлектрических величин он используется?

2. Каков принцип действия термоэлектрического измерительного преобразователя?

3. Из каких соображений выбирают материал термоэлектродов?

4. Каких максимальных значений достигают термо-ЭДС стандартных термоэлектрических измерительных преобразователей?

5. Назовите основные технические характеристики термоэлектрических измерительных преобразователей.

6. Нарисуйте простейшие схемы включения термоэлектрических измерительных преобразователей.

7. Из каких соображений выбирают материал линии связи термопары со средством измерений термо-ЭДС?