6.5 Способи з’єднання термоелектричних перетворювачів

Для певних експериментів з метою підвищення точності вимірювання температури термоелектричні перетворювачі з’єднують між собою по різному. Так, при необхідності вимірювання різниці температур застосовують диференціальний спосіб з’єднання термоелектричних перетворювачів (рис. 6._____а).

Тут обидва кінця 1 і 2 термоелектричного перетворювача – робочі і кожний з них розміщується відповідно в місці з температурою і . Кінці термоелектричного перетворювача 3 і 4 повинні мати однакову температуру . ТермоЕРС, що виникає в контурі визначає різницю температур .

Якщо температура об’єкту вимірювання мало відрізняється від температури вільних кінців термоелектричного перетворювача, то використовують термобатарею (рис. 3.11,б), тобто систему з послідовно з’єднаними термоелектричними перетворювачами. Спаї з температурою є робочими і розміщені в об’єкті вимірювання, а вільні кінці з температурою – поза об’єктом. Сумарна термоЕРС в контурі термобатареї в разів більша ніж в окремому термоелектричному перетворювачі, тобто , завдяки чому збільшується чутливість вимірювання.

Для вимірювання невеликої різниці температур застосовують диференціальну термобатарею (рис. 6.____,в). В ній робочі спаї 1 і 2 розміщуються в місцях відповідно з температурою і , а спаї 3 і 4 є нейтральними з температурою . Результувальна термоЕРС дифе-ренціальної термобатареї дорівнює .

Термоелектричні термометри дозволяють централізувати вимірювання, тобто до одного електровимірювального приладу можна приєднувати декілька термоелектричних перетворювачів. З метою виключення впливу на роботу термоелектричних перетворювачів можливого замикання окремого перетворювача на корпус застосовують двопровідні схеми. На рис. 6.__ представлена монтажна схема із за-гальним вільним спаєм, який розміщено в термостаті. Електровимірювальний прилад 7 за допомогою перемикача 6 по черзі підключається в коло термоелектричних перетворювачів 2.

Підключення компенсаційних проводів 3 до з’єднувальних проводів 5 здійснюється за допомогою збірної коробки 4. Температура в коробці не впливає на термоЕРС, якщо вона однакова на всіх місцях з’єднання. Вільний спай термоелектричних перетворювачів може розміщуватися в термостаті 1 (посудині Дьюара), в якому підтримується температура 0 оС.

6.6. Способи вимірювання термоЕрс

ТермоЕРС, що виникає в термоелектричному перетворювачі вимірюється двома способами: прямим – за допомогою мілівольтметрів і компенсаційним – за допомогою потенціометрів.

Схема вимірювання термоЕРС за допомогою мілівольтметра показана на рис. 6.____. Електричне коло термоелектричного термометра складається з термопари Rт, компенсаційних проводів Rк, термостатної коробки, яка підтримує температуру , з’єднувальних проводів Rз.п, мілівольтметра Rм, підгоночного і додаткового Rд опорів. Дія магнітоелектричного мілівольтметра ґрунтується на впливі магнітного поля постійного магніту на рамку, по якій тече струм. Рамка виготовляється з сотень витків тонкого мідного або алюмінієвого дроту. Її закріплюють по центру осердя на кернах або підвісках. Обертанню рамки протидіють спіральні пружини або підвіски. Рамку підключають до електричного кола, в якому змінюється термоЕРС. При протіканні струму виникає обертовий момент, який зрівноважується протидіючим моментом. Кут повороту рамки і зв’язаної з нею стрілки пропорційний силі струму, що протікає по рамці, тобто (де – постійна приладу; вона залежить від розмірів рамки і кількості витків, маг-нітної індукції та пружних властивостей механічної системи приладу).

Сила струму в електричному колі термоелектричного термометра визначається формулою

.

6.5)

Мілівольтметр вимірює напругу в точках і , яка дорівнює

,

(6.6)

де

(6.7)

Rвн – внутрішній опір мілівольтметра; Rз = Rт + Rк + Rз.п + R1 – зовнішній опір електричного кола.

З формули (6.7) виходить, що вимірювана мілівольтметром напруга завжди менше термоЕРС. Для зменшення різниці між термоЕРС і напругою і підвищення точності вимірювання треба, щоб Rвн Rз.

Для збільшення Rвн послідовно з рамкою в мілівольтметр вводять додатковий опір Rд, який в магнітоелектричних мілівольтметрах в залежності від класу точності складає 100…500 Ом.

К о м п е н с а ц і й н и й м е т о д вимірювання ґрунтується на зрівноважуванні вимірюваної термоЕРС відомою різницею потенціалів. В цьому випадку струм в електричному колі термоелектричного перетворювача відсутній, тому коливання опорів перетворювача, компенсаційних і з’єднувальних проводів не впливають на точність вимірювання.

Схема, що пояснює компенсаційний метод вимірювання термоЕРС показана на рис. 6._____. Замкнений контур I складається з допоміжного джерела струму напругою EБ і реохорда (компенсаційний резистор) . Цей контур є компенсаційним. Контур вимірювання II містить термопару, термоЕРС якої вимірюється і високочутливий гальванометр, що виконує функцію нуль-індикатора (ні), а також частину реохорда від точки до рухомого контакту-движка . Функція нуль – індикатора полягає у виявленні струму в електричному колі. Вимірюване джерело струму ввімкнуто назустріч допоміжному джерелу так, що струм від обох джерел на відрізку йде в одному напрямі. Якщо позначити струм, що проходить в контурі I через IБ (робочий струм), а струм в контурі II при певному положенні движка через IТ , то за законом Кірхгофа для контуру II дійсне рівняння

Iт Rз + Iт Rні + IТ Rac

де Rні і Rз – опір нуль-індикатора і зовнішніх проводів, включаючи термопару, звідки

.

Переміщуючи движок доводять струм IТ до нуля. Відсутність струму в контурі II визначається показаннями нуль-індикатора, тоді

IБ Rac..

(6.8)

Це рівняння вказує на те, що, якщо в контурі, де розміщене джерело вимірюваної ЕРС, струм дорівнює нулю, то спад напруги на відрізку буде мірою вимірюваної ЕРС. Перевагою компенсаційного методу вимірювання термоЕРС є відсутність струму в електричному колі в момент вимірювання. Це виключає необхідність враховувати опір зовнішніх проводів і його змінювання в залежності від температури.

На компенсаційному методі вимірювання термоЕРС ґрунтується дія потенціометра, схема якого показана на рис. 6._______.

Потенціометр з постійною силою струму в електричному колі має три джерела струму: нормальний елемент, термопара і допоміжне джерело (гальванічний елемент). В положенні перемикача K (контроль) компенсаційне електричне коло допоміжного джерела Б настроюється на постійну і відому силу струму. Для цього рухомий контакт реостата RБ переміщується поки стрілка нуль-індикатора (гальванометра) НІ не стане на нуль. Це означає, що ЕРС нормального елемента дорівнює спаду напруги на відрізку 1-2, тобто Eн.е Rк, а

.

(6.9)

В режимі вимірювання термоЕРС перемикач переміщують в положення В (вимірювання). Тоді електричне коло допоміжного джерела Б підключають до кола термопари і переміщують движок С реохорда до установлення стрілки нуль-індикатора на нуль. При цьому

.

(6.10)

Якщо намотка реохорда рівномірна, то опір його відрізків пропорційний відповідним довжинам його відрізків ac і cb, тобто

,

Тоді

,

(6.11)

де .

Таким чином вимірювання термоЕРС зводиться до вимірювання довжини відрізку реохорда, який проградуйований в одиницях електричної напруги. ЕРС допоміжного джерела з часом спадає, тому компенсаційне електричне коло періодично настроюється на , для чого застосовується нормальний елемент. Нормальний елемент – це зразкова міра ЕРС, яка дорівнює 1,0186 В і зберігає це значення при коротко-часних і невеликих навантаженнях на протязі довгого часу. Схема насиченого нормального елемента показана на рис. 6._____.

Н – подібна скляна посудина із впаяними в дно платиновими виводами заповнена насиченим розчином сульфату кадмію ( ). Негативним електродом нормального елемента є амальгама кадмію (10…12 % за масою), а позитивним – ртуть ( ). Такі насичені нормальні елементи мають клас точності 0,001 і 0,005; нестабільність ЕРС протягом року складає відповідно 0,01 і 0,05 мВ.

Компенсаційний метод вимірювання термоЕРС позбавлений похибок, які виникають при прямому способі вимірювання за допомогою мілівольтметра. Практично виключаються похибки за рахунок коливань температури навколишнього середовища, тому що всі резистори виготовляються з манганину. При компенсаційному методі вимірювання термоелектроди можуть мати щонайменший діаметр; обмеженням є лише їх механічна міцність.

Потенціометри з ручною наводкою застосовуються в лабораторній практиці і виготовляються класів точності до 0,0005.

Приладобудівна промисловість випускає автоматичні потенціометри, в яких зрівноважування вимірюваної термоЕРС здійснюється автоматично за допомогою безперервно діючого слідкуючого пристрою. Схема такого потенціометра показана на рис.6._____.

Якщо компенсуюча напруга UК дорівнює вимірюваній термоЕРС термопари , то виконавчий механізм слідкуючої системи не діє. У випадку порушення цієї рівності некомпенсована напруга постійного струму подається на вхід перетворювача 2, де вона перетворюється в електричний сигнал змінного струму. Цей сигнал збільшується в підсилювачі 3 до значень, достатніх для приведення в дію реверсивного двигуна 7. Вал двигуна через систему кінематичної передачі діє на движок реохорда вимірювального пристрою 8, змінюючи компенсаційну напругу Uк, поки вона не зрівноважить вимірювану термоЕРС . Реверсивний двигун 7 одночасно переміщує каретку з покажчиком шкали 6 і механізм реєструючого пристрою, що фіксує на діаграмі 4 значення вимірюваної термоЕРС. Приводом механізму переміщення діаграмного паперу є синхронний двигун 5. В автоматичних потенціометрах, призначених для термометрів конкретної градуїровки, автоматично вводиться поправка на температуру вільних спаїв термопар.

Шкала автоматичних потенціометрів градуюється в градусах Цельсія або в одиницях напруги (мВ); їх класи точності 0,25; 0,5 і 1,0.

3