2.2. Средства измерения температур

В электрических информационно-измерительных системах для измерения температур используется два типа первичных преобразователей - генераторныеипараметрические. В общем случае, генераторные датчики преобразуют физическую величину в электрический сигнал (ЭДС), а параметрические меняют значение своего электрического параметра (сопротивление, емкость и т.д.) в соответствии со значением измеряемой физической величины. В качестве генераторного преобразователя обычно применяется термопара, о которой ниже рассказано подробнее. В параметрических преобразователях температуры обычно используется изменение электрического сопротивления материала датчика при изменении его температуры. Такие преобразователи называются термометрами сопротивления (терморезисторы), если используются металлы, или термисторами, если в качестве термочувствительного материала используются полупроводники.

Рис. 2. 12. Измерение температур с помощью термопары

Термопары

Представителем класса генераторных первичных преобразователей является термопара– датчик, представляющий собой два проводника, изготовленные из различных материалов и спаянные в одной точке (см. рис. 2.12). При нагревании места спая до температурыТ₁между свободными концами проводников, имеющих температуруТ₂, возникает напряжение термоэдс, соответствующее разнице температур (Т₁ – Т₂)¹.

Появление термоэдс вызвано разницей в интенсивности проявления эффекта Зеебекав различных проводниках. Эффект Зеебека заключается в том, что при нагреве одного из концов проводника увеличивается кинетическая энергия свободных электронов. Это приводит к увеличению интенсивности взаимодействия электронов на «горячем» конце и к вытеснению некоторой их части в «холодный» конец. В результате между «горячим» и «холодным» концами проводника возникает разность потенциалов, зависящая не только от температуры, но и от материала проводника.

В небольшом диапазоне температур (0-100⁰С) величину термоэдс можно задать линейной зависимостью:

, 2.18

где α – коэффициент Зеебека или удельная термоэдс.

Рис. 2. 13. Внешний вид чувствительного элемента хромель-копелевой термопары

Таблица 2.2

Материал	α,	Материал	α,
Сурьма	+43	Ртуть	-4,4
Железо	+15	Платина	-4,4
Молибден	+7,6	Натрий	-6,6
Кадмий	+4,6	Палладий	-8,9
Вольфрам	+3,6	Калий	+13,8
Медь	+3,2	Никель	-20,8
Цинк	+3,1	Висмут	-68,0
Золото	+2,9	Хромель	+24
Серебро	+2,7	Нихром	+18
Свинец	0,0	Родий	+6
Олово	-0,2	Алюмель	-17,3
Магний	-0,0	Константан	-38
Алюминий	-0,4	Копель	-38

Как уже отмечалось, коэффициент Зеебека зависит от материалов, из которых выполнены проводники. В таблице 2.2 приводятся значения коэффициента αдля некоторых металлов и сплавов по отношению к свинцу [11]. Знак «+» указывает, что ток течет от свинца к данному материалу через нагретый спай, а знак «-» - наоборот.

В зависимости от материала проводников выделяют термопары из благородных, неблагородных и тугоплавких металлов. К первому типу относятся платинородий-платиновые и платинородий-платинородиевые термопары¹. К достоинствутермопар из благородных металловможно отнести устойчивость к агрессивным средам и высоким температурам (до 1400⁰С) [4,5], а также высокую стабильность удельной термоэдс, что важно при серийном производстве. Основным недостатком данного типа термопар является малое значение термоэдс.

Бóльшая чувствительность достигается применением термопар из неблагородных металлов[4,5]. Наиболее распространенным преобразователем данного типа является хромель-копелевая термопара², имеющая удельную термоэдс порядка 62 мкВ/⁰С и хорошую стабильность параметров при серийном производстве. Однако, из-за наличия в составе сплава меди, температурный диапазон применения этой термопары ограничен величиной +400⁰С. Хромель-копелевая термопара обычно выпускается в виде двухжильного кабеля различной длины со спаем на одном конце и разъемом для подключения к линии связи на другом (см. рис. 2.13).

Работу при более высоких температурах (до 1200⁰С), но при значительно меньшей (29 мкВ/⁰С) чувствительности, обеспечивают термопары сталь-никель. Благодаря тому, что данные термопары по своим теплофизическим свойствам практически не отличаются от стали, их используют для измерения температуры нагрева поршней двигателей внутреннего сгорания, стволов артиллерийских орудий и т. п. Общий вид конструкции подобной термопары представлен на рисунке 2.14. Чувствительный элемент1имеет вид стальной пробки9, внутри которой находится никелевая проволока7. Изоляция между сталью и никелем достигается за счет наличия на поверхности никелевой проволоки оксидной пленки.

Рис. 2. 14. Схема устройства для измерения нагрева внутренней

поверхности канала ствола

Спай на торце чувствительного элемента достигается либо за счет опрессовки конца датчика усилием в несколько тонн, либо путем зачистки торца и напыления тонкого (2 мкм) слоя никеля [2]. Для крепления на поршне двигателя на внешней поверхности чувствительного элемента нарезается резьба, а на стволе артиллерийского орудия 2термопара крепится с помощью полого болта3 [4]. Медная шайба10служит для предотвращения прорыва пороховых газов. Внешняя часть центрального никелевого электрода защищена слоем изоляции8от короткого замыкания на корпус датчика (он выполняет функции второго электрода термопары).

Сигнал первичного преобразователя через усилитель постоянного тока 4подается на регистрирующее устройство (осциллограф)5. Для настройки аппаратуры в комплект может входить градуировочное устройство6.

Отверстие в стволе выполняется таким образом, чтобы его ось находилась в середине нарезов, а сам датчик устанавливался заподлицо с внутренней поверхностью (глубина установки датчика может регулироваться подбором шайбы или набора шайб). Расстояние между торцом датчика и горячим спаем термопары (глубина заделки термопары) не должна превышать 0.5-1.0мм, так как более глубокая заделка термопары увеличивает инерционность датчика, и, как следствие, погрешность измерения температуры.

Основными преимуществами термопар является простота их изготовления и их малая инерционность, а также дешевизна. Недостатки – малая механическая прочность (необходимость защиты), протяженные провода до холодного спая, невысокая точность.