8. Измерение температуры при помощи термоэлектрических преобразователей температуры. Принцип действия пирометрических милливольтметров и потенциометров.

Термопа́ра (термоэлектрический преобразователь) — устройство, применяемое в промышленности, научных исследованиях, медицине, в системахавтоматики. Применяется, в основном, для измерения температуры.

Принцип действия

Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Между соединёнными проводниками имеется контактная разность потенциалов; если стыки связанных в кольцо проводников находятся при одинаковой температуре, сумма таких разностей потенциалов равна нулю. Когда же стыки находятся при разных температурах, разность потенциалов между ними зависит от разности температур. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными от нуля коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой Т₁, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т₂, которое будет пропорционально разности температур Т₁ и Т₂.

С хема термопары типа К. При температуре спая проволок изхромеля и алюмеля равной 300 °C и температуре свободных концов 0 °C развивает термо-ЭДС 12,2 мВ.

Наиболее распространены два способа подключения термопары к измерительным преобразователям: простой и дифференциальный. В первом случае измерительный преобразователь подключается напрямую к двум термоэлектродам. Во втором случае используются два проводника с разными коэффициентами термо-ЭДС, спаянные в двух концах, а измерительный преобразователь включается в разрыв одного из проводников.

Для дистанционного подключения термопар используются удлинительные или компенсационные провода. Удлинительные провода изготавливаются из того же материала, что и термоэлектроды, но могут иметь другой диаметр. Компенсационные провода используются в основном с термопарами из благородных металлов и имеют состав, отличный от состава термоэлектродов.

Для измерения температуры различных типов объектов и сред, а также в автоматизированных системах управления и контроля. Термопары из вольфрам-рениевого сплава являются самыми высокотемпературными контактными датчиками температуры^[2]. Такие термопары незаменимы в металлургии для контроля температуры расплавленных металлов.

Для контроля пламени и защиты от загазованности в газовых котлах - ток термопары, нагреваемой пламенем горелки, удерживает в открытом состоянии газовый клапан. В случае затухания пламени, ток термопары снижается и клапан перекрывает подачу газа.

Преимущества термопар

- Высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01 °С). - Большой температурный диапазон измерения: от −250 °C до +2500 °C. - Простота. - Дешевизна. - Надёжность.

Недостатки

Для получения высокой точности измерения температуры (до ±0,01 °С) требуется индивидуальная градуировка термопары.

На показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового датчика и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.

Эффект Пельтье (в момент снятия показаний необходимо исключить протекание тока через термопару, так как ток, протекающий через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный).

Зависимость ТЭДС от температуры существенно нелинейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.

Возникновение термоэлектрической неоднородности в результате резких перепадов температур, механических напряжений, коррозии и химических процессов в проводниках приводит к изменению градуировочной характеристики и погрешностям до 5 К.

На большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.

Пирометрические милливольтметры предназначены для измерения температуры в комплекте с термоэлектрическими преобразователями (ТЭП) стандартных НСХ. Пирометрические милливольтметры относят- ся к приборам с магнитоэлектрической системой, т.е. принцип их дей- ствия основан на взаимодействии неподвижного постоянного магнита и постоянного тока, протекающего через обмотку подвижной рамки. Устройство пирометрическо милливольтметра показано на рис. 1. Проводник в форме прямоугольой рамки 1 находится в радиальном по- ле постоянного магнита 2, помещенного в кольцо из магнитомягкой стали 3 для создания радиального магнитного поля. При прохождении тока I, вызванного выходным сигналом ТЭП – ТЭДС E (t, t0), через рам- ку возникает магнитное поле, перпендикулярное полю постоянного магнита. В результате взаимодействия магнитных полей образуется вращающий момент:

где ω – число витков в рамке; b – ширина рамки, м; l – длина рамки, м; B – магнитная индукция, Тл; I – силе тока, протекающего по рамке, А; ψ – потокосцепление рамки. Подвижная часть милливольтметра будет находиться в равновесии, если вращающий момент будет равен создаваемому пружинами 4 (рис. 1) противодействующему моменту: Mвр  Mпр

Противодействующий момент определяется выражением: M пр  k ,

где k – удельный противодействующий момент; α – угол поворота по- движной части механизма.

Подставив выражения (1) и (3) в уравнение (2) получим условие равновесия:   I  k 

И з условия (1.55) зависимость между углом поворота подвижной части и током, протекающим через обмотку рамки:

где S – чувствительность измерительного механизма к току. На рис. 2 приведена схема подключения ТЭП к пирометрическому милливольтметру.

Величина тока (рис. 2), протекающего через рамку, определяется выражением:

где E (t, t0) – ЭДС термопары, мВ; Rt – сопротивление термопары, Ом; RКП – сопротивление компенсационных проводов, Ом; RМП – сопротив- ление медных проводов, Ом; RПК – сопротивление подгоночной катуш- ки, Ом; RP – сопротивления рамки, Ом; Rдоб – добавочное сопротивле- ние, Ом. Пирометрические милливольтметры градуируются на определен- ное внешнее сопротивление цепи RВН, значение которого указывается на шкале прибора. В большинстве случаев внешнее сопротивление прибо- ра равно 5 Ом. На шкале указываются также: тип, НСХ термоэлектри- ческого преобразователя, класс точности, система прибора (магнито- электрический, электромагнитный и т.п.), рабочее положение прибора для вертикальной или горизонтальной установки, заводской номер, год выпуска и марка завода-изготовителя.

Принцип работы потенциометра заключается б непрерывном уравновешивании измеряемой Т.Э.Д.С. E(t;t₀) ТЭПТ напряжением U(d;b), между точками d и b мостовой схемы. Если  , то сигнал разбаланса   подается на вход усилителя.

Рис. 2.6. Принципиальная электрическая схема автоматического потенциометра

При изменении сигнала, поступающего с измерительного преобразователя, на входе усилителя возникает напряжение разбаланса постоянного тока, которое преобразуется в напряжение переменного тока и усиливается до величины, достаточной для приведения в действие реверсивного двигателя РД, выходной вал которого будет вращаться в ту или иную сторону (в зависимости от знака сигнала разбаланса) до тех пор, пока напряжение, снимаемое с компенсационной схемы реохорда U(d;b), не станет равным по величине подаваемого с ТЭПТ Е(t;t₀). Вращение выходного вала двигателя преобразуется в прямолинейное движение каретки, на которой закреплены указатель и устройство регистрации. Двигатель РД будет перемещать движок реохорда, изменяя напряжение U(d;b) до тех пор, пока оно не уравновесит измеряемую Т.Э.Д.С. В момент равновесия измерительной схемы положение указателя определяет значение измеряемого параметра. Таким образом, благодаря наличию электронного усилителя и реверсивного двигателя, приводящего систему в равновесие, осуществляется непрерывное автоматическое измерение величины этого параметра.

Данный метод измерения Т.Э.Д.С. является одним из наиболее точных, т.к., во-первых, в момент измерения ток в измерительной цепи равен нулю, а следовательно, отсутствуют погрешности за счет дополнительного падения напряжения в подводящих проводах, и, во-вторых, само отсутствие тока в цепи может быть установлено с более высокой точностью, чем его конечное значение в определенном