4. Термоэлектрические термометры

Термоэлектрическим термометром называют устройство, состоящее из термоэлектрического преобразователя (термопары), вторичного измерительного прибора и соединительных проводов. В основе измерения температуры термоэлектрическим термометром лежит открытое в 1821 году Т. Зеебеком термоэлектрическое явление. Это явление заключается в том, что в цепи, составленной из двух соединенных между собой проводников А и Б (рис. 50, а) при наличии разности температур в точках соприкосновения (спаях) 1 и 2 возникают две термоэлектродвижущие силы (термоЭДС).

Для включения прибора необходимо разорвать цепь термопары в спае 2 (рис. 50, б) либо разорвать один из термоэлектродов (рис. 50, в). В первом случае у термопары будет три спая: один горячий 1 и два: 2 и 3– холодные, которые должны иметь постоянную температуру t₀. Во втором случае у термопары окажется четыре спая: один горячий 1, один холодный 2 и два нейтральных: 3 и 4, Спаи 3 и 4 должны иметь одинаковую температуру.

Абсолютное значение термоЭДС промышленных термопар очень невелико (порядка нескольких милливольт), поэтому для его измерения необходимо применять достаточно чувствительные приборы.

В тех случаях, когда желательно получить большую термоЭДС (например, при измерении низких температур), применяют последовательное включение термопар (рис. 51, а). Если необходимо получить разность температур двух точек, то термопары включают навстречу одна другой (рис. 51, б). Такая термопара называется дифференциальной. Если необходимо измерить среднюю температуру нескольких точек одновременно, то применяют параллельное соединение нескольких термопар (рис. 51, в).

Рис. 50. Схема термоэлектрического термометра:

а – термоэлектрическая цепь из двух разнородных проводников; б и в – включение измерительного прибора в цепь первичного преобразователя .

Рис. 51. Схемы включения термоэлектрических термометров:

а – последовательное; б – для измерения разности температура; в – параллельное

Существует достаточно много различных материалов, которые в паре друг с другом образуют термопару. Однако практическое применение нашло ограниченное число материалов.

По характеру применяемых материалов термопары могут быть разбиты на три группы: из благородных металлов, неблагородных металлов и из металлических электродов в паре с неметаллами.

Термопары третьей группы отличаются низкой механической прочностью, но обладают весьма значительной термы ЭДС, превосходящей в несколько раз термы ЭДС термопар первых двух групп.

В настоящее время наиболее широкое применение получили термопары со стандартной градуировкой. В табл. 5 приведены их характеристики, а на рис. 52 – градировочные кривые.

Таблица 5

Основные характеристики термоэлектрических термометров

Термопара	Градуировка	Химический состав термоэлектродов		Пределы измерений, °C			ТермоЭДС при t% =100°С tx=0°С, мВ
		положительного	отрицательного	нижний	длительный	кратковременный
Платинородий- платиновая ТПП	ПП-1	Платинородий (90 % Pt + 10 % Rh)	Платина (100 % Pt)	0	1300	1600	0,64 ± 0,03
Платинородий-платинородиевая ТПР	ПР 30/6	Платинородий (70 % Pt + 30 % Rh)	Плати нородий (94 % Pt + 6 % Rh)	300	1600	1800	—
Xромель-алюмелевая ТХА	ХА	Хромель (89 % Ni + 9,8 Cr + 1% Fe + + 0,2 % Mn)	Алюмель (94 % Ni + + 2 % Al + + 2,5 % Mn + + 1 % Si + 0,5 % Fe)	200	1000	1300	4,10+0,10
Хромель-копелевая ТХК	ХК	To же	Копель (55 % Си + 45 % Ni)	200	660	800	6,95 ± 0,2
Вольфрамрениевая ТВР	ВР 5/20	Вольфрам-рений (95% W + 5% Re)	Вольфрам-реиий (80 % W + 20 % Re)	0	2200	2500	1,33 ± 0,03
Вольфраммолибденовая	ВМ	Вольфрам (100 % W)	Молибден (100 % Mo)	1250	2000	2000	0,40 ± 0,03

Рис. 52. Градуировочные характеристики термопар

Для изготовления термопар чаще всего применяют электроды в виде проволоки диаметром 1,5 ... 3,2 мм для термопар из неблагородных металлов и диаметром 0,5 – для благородных. Для измерения температуры поверхности применяют ленточные и лепешечные термопары.

Рис. 53. Конструкция арматуры термоэлектрического термометра:

I – корпус с крышкой; 2 – клеммная коробка; 3 – фарфоровые бусы; 4 – штуцер с резьбой; 5 – защитный чехол; 6 – термопара

Термопары обычно изготовляют сваркой или пайкой. Так как термоэлектроны должны соприкасаться друг с другом только в рабочем конце (горячем спае), то по всей длине их изолируют друг от друга. Для внутренней изоляции отдельных электродов из неблагородных металлов применяют фарфоровые одноканальные трубочки (бусы). Термоэлектроды платинородий – платиновой термопары по всей длине изолируют друг от друга фарфоровой одно канальной трубкой, надетой на платиновый электрод, или двухканальной фарфоровой трубкой. Для защиты от механических повреждений и непосредственного воздействия вредных газов термоэлектроды помещают в защитный чехол (рис. 53).

В качестве вторичных приборов в термометрических термометрах используют пирометрические милливольтметры (гальванометры) и компенсационные приборы (потенциометры).

Пирометрические милливольтметры – приборы магнитоэлектрической системы. Их работа основана на принципе взаимодействия проводника, по которому протекает электрический ток, с магнитным полем постоянного магнита.

Рис. 54. Схема милливольтмметра

Милливольтметр (рис. 54) состоит из постоянного магнита 2, на концах которого расположены полюсные наконечники 3 из мягкого железа, и неподвижного стального магнитопровода 5. Наличие цилиндрического магнитопровода в междуполюсном пространстве магнита уменьшает магнитное сопротивление, создает равномерный зазор и формирует радиальный магнитный поток. В кольцевом воздушном зазоре между полюсными наконечниками и магнитопроводом размещается прямоугольная рамка 4, состоящая из большого числа витков изолированного медного провода. С обеих сторон по центру рамки установлены полуоси, на которых рамка может поворачиваться в опорных подшипниках, изготовленных из рубина или агата. Ось вращения рамки совпадает с осью магнитопровода.

Рамка поворачивается вместе с легкой стрелкой 1, один конец которой перемещается вдоль шкалы, а на втором расположены два усика с грузами 6. Перемещением грузов по винтовой нарезке добиваются уравновешивания подвижной системы, т. е. совпадения центра тяжести с осью вращения. Для создания противодействующего момента и подвода тока к подвижной рамке служат две спиральные пружины 7, изготовленные из фосфористой бронзы. Добавочный резистор R_доб, выполненный из манганиновой проволоки, используется для подгонки диапазона шкалы и ограничения влияния изменений температуры окружающей среды на показания прибора (температурный коэффициент сопротивления манганина – низкий). Подгонка внешнего сопротивления осуществляется резистором R_вн, значение его подбирается по сопротивлению внешней цепи (сопротивление резистора R_вн внешней цепи должно соответствовать значению, указанному на шкале прибора).

При измерении температуры ток от термопары поступает в рамку через спиральные пружины. Протекающий по рамке ток взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита, вследствие чего рамка поворачивается под действием момёнта. Поворот рамки прекратится при уравновешивании двух моментов. Переменной величиной практически является сопротивление подсоединительных проводов, т. е. их длина оказывает влияние на показания прибора.

Промышленность выпускает показывающие, регистрирующие и регулирующие милливольтметры. Шкала градуируется либо в градусах температуры, либо в милливольтах, применяется и двойная градуировка шкалы. Технические характеристики показывающих милливольтметров приведены в табл. 6.

Поверка милливольтметров сводится к определению соответствия градуировки и класса точности приведенным значениям. Она проводится с помощью лабораторных приборов более высокого класса точности. На вход обоих приборов от источника регулируемого напряжения одновременно подается одинаковый сигнал. Результаты измерений сравнивают при прямом и обратном ходе (увеличение и уменьшение напряжений) и определяют погрешности поверяемого милливольтметра.

Таблица 6