Коллоквиумы ФОПИ / Термопары

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Принцип действия. Основные соотношения. Применяемые материалы.

Явление термоэлектричества, открытое в начале прошлого века русским академиком Эпинусом, заключается в следующем. Если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) А и В, соединив их между собой концами (рис.1), причем температуру t₁ одного места соединения сделать отличной от температуры t₀ другого, то в цепи появится э.д.с., называемая термоэлектродвижущей силой (термо-э.д.с.) и являющаяся разностью функций температур мест соединения проводников:

Подобная цепь называется термоэлектрическим преобразователем, или иначе термопарой; проводники, составляющие термопару, - термоэлектродами, а места их соединения – спаями.

Термопара может быть применена для измерения температуры. Если один спай термопары, называемый рабочим спаем, поместить в среду с температурой t₁, подлежащей измерению, а температуру другого – нерабочего – спая поддерживать постоянной, то и

независимо от того, каким образом произведено соединение термоэлектродов (спайкой, сваркой и т.д.). Последняя взаимосвязь и положена в основу измерения температур при помощи термопар. Таким образом, естественной входной величиной термопары является температура t₁ ее рабочего спая, а выходной величиной термо-э.д.с., которую термопара развивает при строго постоянной температуре t₀ нерабочего спая.

Приборы, представляющие собой сочетание термопары и указателя, используемые для измерения температуры, часто называют не термометрами, а термоэлектрическими пирометрами, хотя никакого принципиального различия между этими терминами нет.

Включить указатель в цепь термопары можно как по наиболее часто применяемой схеме рис.2,а (здесь два нерабочих спая), так и по схеме рис.2,б. Для того чтобы включение в цепь термопары указателя (т.е. третьего проводника) не изменило значения термо-э.д.с., места соединения указателя с термоэлектродами должны иметь одинаковую температуру.

Рис.1. Термоэлек­трическая цепь

Рис. 2. Включение указателя в термоэлектрическую цепь

Материалы, применяемые для термопар. Для измерения температур до 1100С используют в основном термопары из неблагородных металлов, а для измерения температур выше 1100 и до 1600С – термопары из благородных металлов платиновой группы и, наконец, для измерения температур более 1600С – различные термопары, изготовленные из очень жароупорных материалов.

Для термопар, не погружаемых непосредственно в печь (например, для термопар радиационных пирометров), применяют также металлические термоэлектроды в паре с неметаллами (например, теллур, кремний и т.п.). Эта категория термопар развивает термо-э.д.с., значительно превышающие термо-э.д.с. термопар из металлических термоэлектродов, но не отличается механической прочностью.

Направление термо-э.д.с. зависит лишь от природы материалов, используемых в качестве термоэлектродов. Положительным называют тот термоэлектрод, по направлению к которому ток идет через рабочий спай термопары.

В табл.1 приведены термо-э.д.с., которые развиваются различными термоэлектродами в паре с платиной при температуре рабочего спая t₁=100C и температуре нерабочих спаев t₀=0C.

Таблица 1

Материал	Термо-э.д.с., мв	Материал	Термо-э.д.с., мв
Кремний	+44,8	Свинец	+0,44
Сурьма	+4,7	Олово	+0,42
Хромель	+2,4	Магний	+0,42
Нихром	+2,2	Алюминий	+0,40
Железо	+1,8	Графит	+0,32
Сплав (90% Pt+10% Ir)	+1,3	Уголь	+0,30
Молибден	+1,2	Ртуть	0,00
Кадмий	+0,9	Палладий	-0,57
Вольфрам	+0,8	Никель	-1,5
Манганин	+0,76	Алюмель	-1,7
Медь	+0,76	Сплав (60%Au+30%Pd+10%Pt)	-2,31
Золото	+0,75	Константан	-3,4
Цинк	+0,75	Копель	-4,5
Серебро	+0,72	Висмут  оси	-5,2
Иридий	+0,65	Висмут  оси	-7,7
Родий	+0,64	Пирит	-12,1
Сплав (90% Pt+10% Rh)	+0,64	Молибденит	От –69 до -104

Примечание: состав сплавов: хромель 90%Ni+10%Cr;алюмель 1%Si+2%Al+0,17%Fe+Ni(остальное); копель 56,5%Cu+43,5%Ni.

При пользовании данными таблицы следует иметь ввиду, что развиваемые термоэлектродами термо-э.д.с. в значительной степени зависят от малейших присей, механической обработки (наклеп) и термической обработки (закалка, отжиг).

При конструировании термопар, естественно, стремятся сочетать термоэлектроды, один их которых развивает с платиной наиболее положительную, а другой – отрицательную термо-э.д.с.. При этом необходимо учитывать также пригодность того или иного термоэлектрода для применения в заданных условиях измерения (влияние на термоэлектрод среды, температуры и т.д.).

Термопары из благородных металлов (платиновой группы) имеют широкое распространение в основном как образцовые термопары для измерения температур выше 1000С. Основной термопарой этой группы является термопара платинородий – платина, один термоэлектрод которой представляет собой чистую платину, а второй – сплав (90%Pt+10%Rh). Эта термопара может применяться для измерения температур до 1600С кратковременно и до 1400С длительно и развивает при 1600С термо-э.д.с., равную 17 мв (при температуре нерабочих спаев, равной нулю). При температурах выше 1400С электроды начинают взаимодействовать с окружающими элементами, вследствие чего изменяются термоэлектрические характеристики термопары. Достоинством этой термопары является ее химическая стойкость в окислительной среде, восстановительная же среда отравляет термопару.

Для измерения температур до 1800С применяют термопары из платинородиевых сплавов с различным содержанием родия, например термопару ПР 30/6. В ней положительным термоэлектродом является сплав, состоящий из 70%Pt и 30%Rh, а отрицательным термоэлектродом – сплав из 94%Pt и 6%Rh. Верхним пределом кратковременно измеряемой температуры для этой термопары можно принять температуру 1750С. Термопара ПР30/6 развивает при 1546С термо-э.д.с., равную 10,82 мв. Термопары с другим содержанием родия (ПР40/10, ПР30/13 и ПР40/20) развивают несколько меньшую термо-э.д.с., чем термопара ПР30/6, но пригодны для измерения немного более высоких температур (до 1800 - 1850С).

Термопары из неблагородных металлов и других материалов. Из числа термопар этой группы стандартными являются четыре термопары, основные характеристики которых указаны в таблице 2.

Таблица 2

Наименование термопары	Термо-э.д.с. при t1=100 C, t0=0 C, мв	Верхний предел измеряемой температуры, С
		При длительном измерении	При кратковременном измерении
Медь – копель	4,75	350	500
Железо – копель	5,75	600	800
Хромель – копель	6,90	600	800
Хромель - алюмель	4,10	1100	1250

Особенно широко применяется термопара хромель – алюмель. Эта термопара хорошо работает в окислительной среде благодаря возникновению при нагреве тонкой защитной пленки окислов, препятствующей проникновению кислорода внутрь металла. Восстановительная среда, напротив, вредно действует на эту термопару, разрушая пленку окислов.

Термопара хромель – копель химически стойка в окислительной и несколько менее стойка в восстановительной средах (в пределах температур до 600С). следует особо отметить высокую термо-э.д.с., развиваемую термопарой хромель – копель, однако ее термоэлектрическая характеристика отличается значительно большей нелинейностью по сравнению с характеристикой термопары хромель – алюмель (рис.3).

Термопары железо – копель и медь – копель не получили распространения ввиду отсутствия у них каких-либо существенных преимуществ по сравнению с термопарой хромель – копель.

Кроме описанных стандартных термопар, применяется и ряд нестандартных термопар на константановой

Рис. 3. Термоэлектрические ха­рактеристики термопар хромель-ко-пель и хромель-

основе, близких по свойствам к аналогичным термопарам с копелевым термоэлектродом:

медь – константан, железо – константан и нихром – константан.

В группе термопар, предназначенных для измерения температур превышающих 1600С, следует отметить термопару вольфрам – молибден. К достоинствам такой термопары относятся высокая температура плавления обоих электродов, доступность получения этих материалов и их сравнительно небольшая

стоимость. Недостатками этих термоэлектродов являются их быстрое окисление и хрупкость при высоких температурах, а такженевоспроизводимость характеристики термо-э.д.с., что требует индивидуальной градуировки каждой такой термопары.

Большой интерес для измерения высоких температур в условиях воздействия различных агрессивных сред представляет термопара из борида и карбида циркония (ZrB₂ и ZrC) – твердых тугоплавких соединений. Борид и карбид циркония обладают при относительно высокой прочности низким электрическим сопротивлением и хорошей теплопроводностью. Они устойчивы против действия водорода, окиси углерода, смеси окиси углерода с азотом, расплавленных цветных и черных металлов, а также некоторых расплавленных солей и шлаков. Термопара с электродами из борида и карбида циркония, как показали исследования, имеет практически линейную термоэлектрическую характеристику и развивает термо-э.д.с. около 16 мв при 1800С.

Помимо перечисленных термопар, существует ряд других, не нашедших пока широкого применения.

Погрешности термоэлектрических преобразователей и методы их коррекции

Погрешность, обусловленная изменением температуры нерабочих спаев термопары. Градуировка термопар осуществляется при температуре нерабочих спаев, равной нулю. Если при практическом использовании термоэлектрического пирометра температура нерабочих спаев будет отличаться от 0С, то это вызовет появление погрешности измерения. Для устранения этой погрешности термостатируют нерабочие спаи в ванне с тающим льдом (см. рис.5), т.е. при температуре 0С. однако такой способ практически не всегда можно применить. Тогда нерабочие спаи термостатируют при других известных температурах и вводят поправку.

Простейшим устройством, применяемым для стабилизации температуры нерабочего спая, является массивная коробка с тепловой изоляцией, снабженная ртутным термометром и двумя штуцерами для ввода удлинительных и медных проводов. Обладая значительной тепловой инерцией, коробка достаточно медленно реагирует на изменение внешней температуры. В некоторых случаях для стабилизации температуры нерабочих спаев их помещают в глубокие слои почвы (на глубину нескольких метров), температура которых мало меняется в течении года. Наиболее радикальным средством стабилизации температуры нерабочего спая является автоматическое термостатирование с электрическим подогревом.

Если температура нерабочего спая известна, то ввести соответствующую поправку к показаниям термоэлектрического пирометра можно следующим образом. Пусть мы имеем градуировочную кривую термопары E=f(t), изображенную на рисунке 6. Градуировка термопары производилась при температуре t₀=0C. Положим, что термопарой нужно измерить температуру t при температуре нерабочих спаев t₀^, большей, чем t₀.

Очевидно, что термо-э.д.с. Е_{(t, t’0)} термопары в этом случае будет меньше термо-э.д.с. Е_{(t, t0)}, которая была бы при той же температуре t рабочего спая, но при температуре нерабочих спаев t₀. Термо-э.д.с. термопары уменьшится на величину Е_{(t’0, t0)} и окажется равной (см. рис.6) термо-э.д.с. Е_{(t’, t0)}, которая была бы при температуре нерабочего спая, равной t₀, и температуре рабочего спая, равной t’, т.е.

(2)

В результате по шкале прибора будет отсчитано значение температуры t’, меньшее, чем t.

Рис. 5-6. Градуировочная кривая термопары

Если прибор имеет линейную шкалу или двойную шкалу и в градусах температуры, и в милливольтах, то ввести поправку на температуру свободных концов, согласно уравнению (2), не представляет затруднений. Сложнее обстоит дело тогда, когда прибор имеет нелинейную шкалу и только в градусах температуры.

Из рис.6 видно, что в этом случае

(3)

откуда поправка (t-t’) равна

(4)

при резко нелинейной шкале коэффициент k, называемый поправочным коэффициентом на температуру нерабочих спаев, является функцией t и, следовательно, для каждого участка кривой будет различным. Практически в этом случае градуировочную кривую разделяют на участки по 100С и для каждого участка определяют значение k.

В качестве примера устройства для автоматического введения поправки на температуру нерабочих спаев на рис.7 схематично показано устройство типа КТ-08. В цепь термопары и милливольтметра включен мост, одним из плеч которого является термосопротивление R из медной или никелевой проволоки, помещенное возле нерабочих спаев термопары (остальные плечи моста выполнены из манганиновых сопротивлений). Мост питается от аккумуляторной или сухой батареи.

При температуре градуировки мост находится в равновесии и напряжении на его входной диагонали равно нулю. При повышении температуры нерабочих спаев значение R также увеличивается, мост выходит из равновесия и возникающее напряжение на выходной диагонали моста корректирует уменьшение термо-э.д.с. термопары. Вследствие нелинейности термопар полной коррекции погрешности, обусловленной изменением температуры нерабочих спаев, при помощи описываемого устройства получить не удается, однако величина остаточной погрешности не превышает 0,04 мв на 10 град.

Недостатком подобных устройств является необходимость в источнике тока для питания моста и появление дополнительной погрешности, обусловленной изменением напряжения этого источника.

Рис. 7. Схема устройства типа КТ-08 для автоматиче­ского введения поправки на температуру нерабочих спаев

Погрешность, обусловленная изменением температуры линии, термопары и указателя. В термоэлектрических пирометрах для измерения термо-э.д.с. применяют как обычные милливольтметры, так и низкоомные компенсаторы с ручным или автоматическим уравновешиванием на предел измерения до 100мв.

В тех случаях, когда термо-э.д.с. измеряется компенсатором, сопротивление цепи термо-э.д.с., как известно, роли не играет. В тех же случаях, когда термо-э.д.с. измеряется милливольтметром, может возникнуть погрешность, обусловленная колебаниями температуры всех элементов, составляющих цепь термо-э.д.с.

В самом деле, ток I милливольтметра, включенного в цепь термопары, равен

где Е – термо-э.д.с, развиваемая термопарой;

R_ук, R_П, R_Т – сопротивления указателя, проводов (включая удлинительные термоэлектроды) и термопары.

Милливольтметр измеряет напряжение на своих зажимах, равное

Из этого выражения непосредственно следует необходимость стремиться к постоянному значению сопротивления проводов и самой термопары.

В отечественных термоэлектрических пирометрах при их градуировке учитывается сопротивление внешней относительно милливольтметра цепи(R_П+R_Т), равное 5 ом. Регулировка сопротивления этой внешней цепи осуществляется при помощи добавочной катушки сопротивления из манганина, называемой «уравнительной катушкой», непосредственно при монтаже прибора.

Если сопротивление термопары в процессе эксплуатации изменяется (термоэлектроды становятся тоньше) или если изменится сопротивление линии и милливольтметра вследствие колебаний температуры окружающей среды, то возникает погрешность измерения. Изменение сопротивления термопары под воздействием измеряемой температуры не вызывает появления погрешности, так как учитывается при градуировке.

Температурная погрешность, обусловленная изменением сопротивления отдельных участков электрической цепи пирометра вследствие колебаний температуры окружающей среды, в общем виде равна

где R_p –сопротивление рамки милливольтметра;

_р и _П – температурные коэффициенты сопротивлений (если рамка, как обычно, намотана медной проволокой, то _р равна _Cu - температурному коэффициенту сопротивления меди);

t – температура среды;

t_ук – температура, при которой производилась градуировка милливольтметра (20С);

t_р – температура, при которой производилась регулировка сопротивления (R_П+R_Т) до значения 5 ом.

Приведенное уравнение позволяет вычислить полную темпера­турную погрешность, обусловленную как изменением температуры милливольтметра (первый член уравнения), так и изменением тем­пературы проводов (второй член уравнения). Практически, однако, можно ограничиться расчетом погрешности, опустив второй член уравнения, так как обычно полное сопротивление милливольтметра, состоящее из сопротивления рамки и добавочного манганинового сопротивления, в 40 — 50 раз, а сопротивление рамки в 5 — 20 раз больше сопротивления R_П. Температурная погрешность, получен­ная при таком расчете, оказывается близка к температурной погреш­ности милливольтметра, гарантированной заводом-изготовителем.

Погрешность, вызванная изменением сопротивления термопары вследствие утоньшения электродов, как правило, весьма мала.

Погрешности, обусловленные тепловыми потерями преобразо­вателей термоэлектрических пирометров и паразитными термо - э. д. с. При помощи термоэлектрического пирометра, по существу, измеряется температура места соединения термоэлектродов в рабо­чем спае термопары.

При измерении температуры жидких или газообразных сред, в которые помещается термопара, температура места соединения термоэлектродов может в некоторых случаях сильно отличаться от температуры среды. Это объясняется тем, что термоэлектроды термопары обычно закрыты защитным чехлом и защитной жаро­упорной трубой (см. рис. 4), препятствующей проникновению тепла к рабочему спаю.

Конструктивно термопару выполняют таким образом, чтобы обеспечить хороший тепловой контакт между рабочим спаем и за­щитной трубой. Поэтому отличие температуры рабочего спая от температуры среды вызвано в основном потерями тепла защитной трубой вследствие лучистого теплообмена с окружающими телами и в результате ее теплопроводности. При таких условиях можно считать, что перепад температуры между защитной трубой и рабо­чим спаем не существует. Это предположение значительно упрощает рассмотрение вопроса о теплообмене между термопарой и средой. Термопару, погруженную в испытуемую среду, можно предста­вить так, как это изображено на рис. 9. Обозначим измеряемую температуру t, температуру защитной трубы t_T (эту же температуру, по нашему предположению, имеет и рабочий спай термопары), тем­пературу внутренних стенок, окружающих трубу и ограничивающих объем испытуемой среды, t_ст , а температуру головки трубы t_г. При устано­вившейся температуре t можно принять, что тепло, получаемое трубой путем конвекции,

Рис. 9. Упрощенное изображение термопары, погру­женной в среду, температура кото­рой измеряется

уравновешивается потерями тепла вследствие ее теп­лопроводности и лучистого теплообмена со стенками, ограничивающими объем измеряемой среды. Особенно значительные потери тепла, а следовательно, и погрешности измерения мо­гут возникнуть

в результате лучистого теплообмена защитной трубы термопары с окружаю­щими телами.

Тепло Q₁, получаемое трубой от испытуемой среды, выражается уравнением

(6)

где  — коэффициент теплоотдачи;

F— поверхность трубы, равная (d — диаметр защит­ной трубы, а l — глубина ее погружения в испытуемую среду).

Тепло Q₂, теряемое трубой в результате лучистого теплообмена, равно

(7)

где c — приведенный коэффициент излучения;

T_T и T_ст – температуры трубы и стенок, выраженные в градусах абсолютной температуры;

F₁— поверхность излучения трубы.

Следует отметить, что поверхность излучения не всегда равна действительной поверхности трубы F; при ребристой поверхности трубы часть излучения поглощается соседними ребрами. Поэтому F₁ меньше F; для гладких поверхностей трубы, естественно, F₁ = F.

Значение коэффициента лучистого теплообмена с должно быть возможно меньшим. Величина с зависит от коэффициентов лучеиспу­скания поверхности трубы (c₁) и поверхности F₂ стенок, ограничивающих объем испытуемой среды (c₂); однако, так как обычно F₂ >> F₁ коэффициент лучистого теплообмена можно считать равным коэффи­циенту лучеиспускания поверхности трубы, т. е. с = с_1.