2.10. Тепловые преобразователи

Тепловым называется преобразователь, принцип действия которого основан на тепловых процессах, а естественная входная величина которого — температура. По изменению температуры тела можно судить о тепле, полученном или отданном телом, о переходе из одного агрегатного состояния в другое и т. д.

Приборы для измерения температур по принципу действия можно разделить на группы.

Термометры расширения применяются для измерения температур в диапазоне —190...+500 °С. Принцип их действия основан на свойстве тел изменять свой объем и линейные размеры при изменении температуры.

Манометрические термометры используются для измерения температур в диапазоне от -160... +600 °С. Они построены на контроле за изменением давления жидкости, газа или пара, находящихся в замкнутом пространстве, при изменении их температуры.

Термоэлектрические пирометры применяются в температурном диапазоне —50...+2000 °С. Их работа основана на использовании термо-ЭДС, возникающей между двумя спаями разнородных ме­таллов (или сплавов), когда температуры спаев различны.

Электрические термометры сопротивления обычно применяют в температурном диапазоне —200... +650 °С. Их работа основана на свойстве проводников и полупроводников изменять свое сопротивление при нагреве.

■ Пирометры излучения (температурный диапазон -0...+6000°С) работают по принципу измерения излучаемой нагретыми телами энергии, изменяющейся в зависимости от температуры этих тел.

На практике в системах управления наибольшее распространение получили термоэлектрические пирометры и электрические термометры сопротивления из-за своих малых габаритов, низкой стоимости, высокой точности и простоты включения в электрические измерительные цепи.

Термоэлектрические преобразователи, или термоэлектрические пирометры, или термопары используют явление термоэлектричества, состоящее в возникновении ЭДС и тока в цепи из двух раз­личных проводников или полупроводников А и В (рис. 24, а), если температура 0_О одного их соединения отличается от температуры 0, другого соединения.

Экспериментально доказано, что термо-ЭДС зависит только от материалов проводников и температуры мест их соединения и не зависит от температуры других участков цепи. ТермоЭДС не зави­сит также от способа, которым произведено соединение (спайкой, сваркой, скруткой и т. д). Проводники в термопаре называются термоэлектродами, а места их соединения — горячим и холодным спаями. Величина ЭДС зависит сложным образом от температур спаев и от материалов термоэлектродов

При небольшом перепаде температур между спаями Δθ = – термо ЭДС примерно пропорциональна разности температур:

На рис. 24, б приведена цепь термопары с подключенным к ней милливольтметром для измерения температуры . Если рабочий спай поместить в среду с температурой температуру остальных спаев θ_О поддерживать постоянной, то f(θ_О) = const. При этом получается сравнительно простая зависимость термо ЭДС термопары (естественной выходной величины) от температуры рабочего спая , (естественной входной величины)

Рис. 24. Термоэлектрический пирометр

Ниже приведены термо-ЭДС, которые развиваются различными термоэлектродами в паре с платиной при температуре рабочего спая = 100 С и температуре нерабочих спаев = 0 С.

Материал	ТермоЭДС, мВ
Хромель	+ 2,4
Нихром	+ 2,2
Медь	+ 0,76
Серебро	+0,72
Платинородий	+0,643
Платина	0
Никель	-1,5
Алюмель	-1,6
Константан	-3,4
Копель	-4,5

Рис. 25. ТермоЭДС различных метал­лов в паре с платиной при температу­ре холодного спая 0 °С

Для увеличения уровня полезного сигнала стремятся при изготовлении термопары так выбрать материалы термоэлектродов, чтобы один из них развивал с платиной положительную термо-ЭДС, а другой — отрицательную. Тогда в паре они дадут большую термо-ЭДС и большую разрешающую способность измерительного прибора.

На рис. 25 приведены термо-ЭДС различных сплавов в паре с платиной. Видно, что наибольшую термо-ЭДС развивают хромель-копелевые термопары (при 100 °С W = 6,9 мВ). Для повышения выходной термоЭДС несколько термопар соединяют последовательно в батарею (см. рис. 15), так что результирующая ЭДС будет равна сумме термо-ЭДС отдельных термопар. Выходной величиной термоэлектрического пирометра является непрерывно меняющееся напряжение, поэтому эти датчики являются аналоговыми генераторными.

Холодный спай термопары должен иметь постоянную температуру, лучше всего 0 "С, так как тарировочные данные термопар приводятся именно для этой температуры. Это требует выноса холодного спая из рабочей зоны, что не всегда возможно: термоэлектроды реальной термопары имеют ограниченную длину, гибкость и прочность (толщина проводов стандартных термопар со­ставляет 0,05...0,5 мм). Горячий спай термопары работает в условиях более жестких, чем линия связи горячего и холодного спаев и сам холодный спай (высокие температуры, коррозия и т.д).

Использование длинных прочных термоэлектродов из благородных металлов, которые часто применяются для изготавливания термопар, экономически невыгодно. Поэтому термоэлектроды горячего спая термопары А и В (рис. 26) удлиняются соединительными термоэлектродами из дешевых металлов, которые и соединяются холодным спаем, помещенным в сосуд со льдом. Чтобы термо-ЭДС термопары не изменилась, к материалу удлинительны термоэлектродов предъявляются два требования. Во-первых, удлинительные термоэлектроды должны быть термоэлектрически идентичны основным электродам термопары, т. е. должны давать ту же термо-ЭДС в заданном диапазоне температур спаев. Во вторых, места при­соединения удлинительных термоэлектродов к основным должны иметь одинаковую температуру 0₂. Например, для термопары платинородий платина применяют удлинительные термоэлектроды из меди и сплава ТП, дающие ту же термо-ЭДС в интервале температур до 150 °С.

Для термопар хромель-алюмель и хромель-копель применяют удлинительные электроды из меди и кон- стантана низкой стоимости. В паспорте на термопару приводятся градуировочные данные для температуры холодного спая 0 °С. Зависимость термо-ЭДС от температуры в широком диапазоне температур нелинейна. Если термопара используется при другой температуре нерабочих спаев, необхо­димо вводить поправку, вычисляемую по формуле

где — поправка при вычислении температуры горячего спая; — коэффициент, зависящий от температуры горячего спая (зависимость k( )) приводится в паспорте термопары); Δ — отклонение температуры холодного спая от 0 °С.

97

Мощность сигнала от термопары очень мала, поэтому для измерения термо-ЭДС применяют милливольтметры с большим входным сопротивлением или специальные приборы — низкоомные компенсаторы, настроенные на точное измерение напряжения от термопар в диапазоне до 100 мВ и использующие принцип уравновешивания, когда напряжение от термопары полностью ком­пенсируется напряжением прибора, а ток в измерительной цепи и потери в ней равны нулю.

Рис. 26. Схема включения термопары

Термоэлектрический метод измерения температур обладает относительно высокой точностью. Погрешность термо-ЭДС за счет неоднородности материала термоэлектродов составляет 10... 100 мкВ (несколько процентов).

Основные стандартизованные типы термопар приведены в табл. 3.

Таблица 3

Тип термо­пары	Материал термоэлектродов	Предел измерений при длительном применении, "С	Предел измерений при кратковременном применении, "С
ТПП	Платинородий	20... 1300	1600
	(10% родия —
	платина)
ТПР	Платинородий	300... 1600	1800
	(30% родия) —
	платинородий
	(6 % родия)
ТХА	Хромел ь-алюмель	50... 1000	1300
ТХ	Хромель-копель	50...600	800
ТНС	Сплав НК-СА	300... 1000	—

Платинородий. Платиновые термопары имеют наивысший температурный предел (до 1800 °С) и небольшую величину развиваемой термо-ЭДС, поэтому применяются преимущественно для измерения температур более 1000 °С. Для измерения температур в диапазоне 600... 1000 "С наиболее широко применяются хромель-алюмелевые термопары. Для измерения температур до 600 °С широко применяются термопары с хромель-копелевыми электродами, развивающие самую высокую термоЭДС. Однако эти термопары имеют существенно нелинейную характеристику по сравнению с хромель-алюмелевой термопарой. При использовании термопары из сплава НК-СА не требуется учета температуры холодного спая, так как термо-ЭДС этих сплавов при температурах меньше 200 °С практически постоянна и равна нулю.

Термопары незаменимы в случаях, когда требуется измерить температуру в локальной зоне (горячий спай термопары имеет диаметр доли миллиметра). Кроме того, для измерения температур в диапазоне 700...2000 °С им практически нет альтернативы.

Основным вопросом при конструировании термопар промышленного типа является выбор материала защитного корпуса, в котором монтируется чувствительный элемент — горячий спай термопары, и материала изоляции термоэлектродов. Защитный корпус должен оградить термопару от действия горячих химически активных газов и жидкостей. Поэтому он должен быть герметичен, хорошо проводить тепло, быть механически прочным и устойчивым к воздействию температуры и активной среды. Кроме того, он не должен выделять при нагреве газов, разрушающих термопару.

Чаще всего корпус изготавливают из обычной (для температур до 600 °С) или легированной (для температур до 1100 °С) стали. Для температур до 1400 °С корпус изготавливают из кварца и фарфора, однако эти материалы дороги и механически непрочны.

Ниже перечислены материалы, которые применяют в качестве изоляции термоэлектродов.

Материал изоляции Предельная температура, °С

ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ 1

20

3. Усилители 104

3.4. Корректирующие устройства 112

5. Переключающие устройства и распределители 113

8.4. Синхронные шаговые двигатели 127

9. Исполнительные механизмы 130

10. Системы автоматического регулирования 133

11. Программное обеспечение систем управления 146