15 Термоэлектрические термометры. Виды, применение, материалы
Термоэлектрические термометры состоят из термопары, защитного чехла и соединительной головки, они основаны на термоэлектрических свойствах чувствительного элемента.
В системах контроля и управления в основном применяют преобразователи температуры, обеспечивающие получение электрического выходного сигнала.
В таких преобразователях используется:
- явление возникновения термо-ЭДС при соединении двух разнородных проводников (термопары).
Термоэлектрические датчики относятся к датчикам генераторного типа. Их работа основана на одном из термоэлектрических явлений — появлении термоэлектродвижущей силы (термоЭДС). Сущность этого явления заключается в следующем.
Если составить электрическую цепь из двух разнородных металлических проводников (или полупроводников), причем с одного конца проводники спаять, а место соединения (спай) нагреть, то в такой цепи возникает ЭДС. Эта ЭДС будет пропорциональна температуре места спая (точнее — разности температур места спая и свободных, неспаянных концов). Коэффициент пропорциональности зависит от материала проводников и в определенном интервале температуры остается постоянным.
Цепь, составленная из двух разнородных материалов, называется термопарой;
проводники, составляющие термопару, называются термоэлектродами;
места соединения термоэлектродов— спаями. Спай, помещаемый в среду, температуру которой надо измерить, называют горячим, или рабочим, концом термопары. Спай, относительно которого измеряется температура, называется холодным или свободным.
Возникающая при различии температур горячего и холодного спаев ЭДС называется термоЭдС. По значению этой термоЭДС можно определить температуру.
Рисунок 1 - Термопара и схемы ее включения
При одинаковой температуре спаев (θ1 = θ2 на рисунке 1,а) контактная разность потенциалов не может создать тока в замкнутой цепи.
Контактная разность в спае 1 направлена навстречу контактной разности в спае 2. Но если нагреть один из спаев (рабочий) до температуры θ1> θ2, то контактная разность в спае 1 увеличится, а в спае 2 останется без изменения. В результате в контуре и возникает термоЭДС, тем большая, чем больше разность температур спаев 1 и 2 (θ1 - θ2).
Для измерения термоЭДС, вырабатываемой термопарой, в цепь термопары включают измерительный прибор (например, милливольтметр).
Милливольтметр включают, разомкнув свободный спай (рисунок 1,б), либо в разрыв одного из термоэлектродов (рисунок 1, в).
Как видно из схем включения измерительного прибора, в случае разомкнугого свободного спая (рисунок 1,б) у термопары три спая: один горячий 1 и два находиться при одинаковой, но не обязательно постоянной температуре). Для обеих схем термоЭдС и показания прибора будут одинаковыми, если соответственно одинаковыми будут температуры горячих и холодных спаев.
Материалы, применяемые для термопар
Значения термоЭдС и ее направление зависят от материалов электродов. холодных 2 и 3, которые должны иметь постоянную температуру. При включении милливольтметра в разрыв одного из термоэлектродов (рисунок 1, в) имеется четыре спая: один горячий 1, один холодный 2 (он должен иметь постоянную температуру), два нейтральных Зи 4 (они должны
В зависимости от материалов электродов термопары разделяются на две основные группы: из драгоценных металлов (платина, золото, иридий, родий) и их сплавов и неблагородных металлов и сплавов (сталь, никель, хром, сплавы нихром, копель, алюмель).
В качестве термопар (ТП) наиболее часто применяются комбинации материалов: хромель-копелевые (ТХК), хромель-алюмелевые (ТХА), платинородий - платиновые (ТПП), вольфрам - рениевые (ТВР) и др. Наиболее точной является термопара ТПП, которая используется в качестве рабочих эталонов и образцовых термометров 1-го, 2-го и 3-го разряда.
Материалы для термопар следует подбирать таким образом, чтобы термоЭДС имели достаточно большие значения, обеспечивающие высокую чувствительность измерения.
Термопары промышленного типа применяют для измерения температур в печах, соляных ваннах, газоходах.