Термоэлектрические преобразователи. Принцип действия. Конструкция.
Явление термоэлектричества открыто в 1823г. Зеебеком. Из двух разнородных проводников соединив их между собой, причем концы этих проводников находятся под разными температурами, то в такой цепи будет течь ток под действием ЭДС, которую называют термоЭДС.
Етдс=f(T2)-f(T1)
Проводник А положителен по отношению к проводнику В, если ток течет от проводника А к В в более холодном спае.
Измерения проводят амперметром либо милливольтметром:
Часто измерения проводят по следующей схеме:
ЭДС термопары зависит от конкретного материала термопары.
Если Т1=0°С, Т2=1°С, то:
медь – константан: Еав≈39мкВ
медь – платинородий: Еав≈5мкВ.
В зависимости от материала электродов термопары делят на 2 группы:
выполненные из благородных металлов (Pt, платинородий)
выполненные из неблагородных металлов (хромель, копель, алюмель)
Все значения термоЭДС затабулированы в специальных градуировочных таблицах и при этом приближенно описываются с помощью специальных полиномов:
ТХА – 1772П – термопреобразователь хромель-алюмелевый.
Законы термоЭДС.
В цепи, образованной одним однородным проводником, наличие grad t° не приводит к возникновению дополнительной термоЭДС.
Закон промежуточных проводников
Если в цепь термопары включен третий проводник и его концы находятся при одинаковой температуре, то включение третьего проводника не изменяет термоЭДС цепи, т.е. в разрыв проводника можно включать соединительные провода. ИП не изменяет характеристик цепи, при условии, что контакты этого прибора будут находиться при одной и той же температуре.
Закон промежуточных температур
Если в термометрах индуцируется термоЭДС Е1 при Т1 и Т2 и Е2 при Т2 и Т3, то в случае, когда спаи находятся при Т1 и Т3 термоЭДС будет равна Е1+Е2, что обозначает, что градуировочные таблицы можно использовать даже при отличии t° холодного спая от 0°С.
Закон аддитивности термоЭДС
Если
известна термоЭДС металлов А и В к
опорному металлу R,
то термоЭДС для комбинации металлов А
и В равна алгебраической сумме
и
,
это означает, что можно создавать цепи
из стандартных термопарных комбинаций
и по прежнему использовать для них
градуировочные таблицы.
Компенсация температуры холодногоспая концов термопары.
Если непосредственно подключить вольтметр к термопаре, то его показания не будут соответствовать фактическому значению термоЭДС. Это связано с тем, что выводы вольтметра сами образуют термоэлектрическую ЭДС. В данном случае это контакты 1 и 2. Причем контакт 1 это медь – медь и он не создает никакой термоЭДС, т.е. Е2=0, а контакт 2 это медь – константан и он создает некоторую термоЭДС Е3, направленную встречно основной термоЭДС Е1. Кроме того, для того, чтобы использовать градуировочные таблицы термопар, места подключения вольтметра (т.е. свободные концы термопары) необходимо поместить в ледяную ванну, тогда Е=f(Т1).
Часто такое условие в производственных условиях невыполнимо. И тогда для компенсации температуры свободных концов термопары используют термоудлинительные компенсационные провода, с помощью которых происходит помещение свободных концов термопары в местол постоянной нулевой температуры. Для подключения этих проводов необходимо выполнить два условия:
места подключения термоудлинительных компенсационных проводов должны иметь одинаковую температуру в местах подключения головки термопары
материал проводов должен иметь термоэлектрически одинаковую структуру с материалом основных компонентов термопары. Например, для термопары ТХА термоудлинительные провода должны быть изготовлены из меди и константана.
е1 должно быть равным е2.
Градуировка термопар осуществляется при температуре свободных концов, равной 0°С. Если температура свободных концов будет отличаться от нуля, то измеренная ЭДС меньше и необходимо ввести соответствующую поправку. Однако, следует иметь ввиду, что из-за нелинейной зависимости между ЭДС термопары и температурой рабочего спая будет возникать погрешность. Для автоматического введения поправок на температуру свободных концов в промышленных устройствах в цепь термопары включают мост, причем один из резисторов которого выполняется из меди и помещается в непосредственной близости к свободным концам термопары. Остальныее резисторы моста выполняются из манганина.
Rt=Ro·(1+α·t)
Резистор Rt помещен в непосредственной близости от свободных концов термопары. При нулевой температуре мост находится в равновесии и напряжение на его диагоналях равно нулю. При повышении температуры свободных концов медный резистор Rt увеличивает свое сопротивление, мост выходит из равновесия, и на его диагоналях появляется напряжение, компенсирующее изменение термоЭДС. Изменение крутизны моста для подгонки его под конкретную термопару служит Rр. Следует отметить, что вследствие нелинейности напряжения выходного моста, а также нелинейности термопары, полной компенсации влияния температуры свободных концов осуществить не удается, и поэтому используются вместо моста медные термометры сопротивления или же полупроводниковый датчик типа AD590 и линеаризующие схемы либо при наличии вычислительных устройств програмным способом.