Тверской государственный технический университет

Кафедра АТП

Лабораторная работа 5

Изучение термоэлектрического преобразователя и определение его статической характеристики

Тверь 2009

Цель работы: изучение принципа действия, схемы и конструкции термоэлектрического преобразователя, освоение методики определения его статической характеристики.

Задание на работу:

1. Изучить принцип действия, схему и конструкцию термоэлектрического преобразователя.

2. Изучить методику определения статической характеристики термоэлектрического преобразователя.

3. Экспериментальным путем определить статическую характеристику.

4. Составить отчет по лабораторной работе.

Термоэлектрические средства измерений температуры

Работа термоэлектрического преобразователя (ТЭП) основана на использовании термоэлектрического эффекта, который проявляется в том, что при нагревании спая из двух электродов, изготовленных из различных металлов или полупроводников, на свободных концах этих электродов возникает электродвижущая сила, которую называют термоэлектродвижущей силой (т.э.д.с.), или при замыкании свободных концов электродов по образовавшемуся контуру протекает электрический ток.

В измерительной технике в настоящее время используется ТЭП с металлическими электродами. Их также называют термоэлектрическими термометрами или, просто, термопарами.

Схема простейшего ТЭП показана на рис. 1,а. Он состоит из электродов А и B и двух спаев, температуры которых в общем случае различны. Спай, находящийся в контакте с объектом измерений или погруженный в этот объект, называется рабочим или «горячем», а спай, расположенный вне объекта измерений, называется свободным или «холодным».

Возникновение т.э.д.с. или электрического тока в металлических ТЭП объясняется тем, что различные металлы обладают различной работой выхода электродов. Поэтому при соприкосновении двух различных металлов возникает контактная разность потенциалов, значение которой изменяется при измерении температуры. При этом электрод из металла с большей работой выхода электронов считается положительным (или термоположительным), а электрод из металла с меньшей работой выхода электронов – отрицательным (или термоотрицательным). Кроме контактной разности потенциалов, при различных температурах спаев ТЭП за счет увеличения концентрации электронов в концах электродов, находящихся в нагретом спае, происходит их диффузия вдоль электродов от горячих концов спаев к холодным. В результате возникает разность потенциалов между концами этих проводников.

Результирующие т.э.д.с. в контуре ТЭП (рис. 1,а) описывается выражением:

, (1)

где - и - т.э.д.с., возникающая, соответственно, в рабочем и свободном спаях ТЭП.

При записи выражения (1) принято, что электрод А является термоположительным. Поэтому во всех индексах для т.э.д.с. он написан первым. Уравнение (1) называют основным уравнением сигнала ТЭП. Из данного уравнения следует, что возникающая в контуре т.э.д.с. зависит от двух температур, а если поддерживать одну из этих температур, например , постоянной, то возникающая т.э.д.с. является функцией только одной температуры:

, (2)

где - постоянная величина.

Функция (2) представляет собой статическую характеристику ТЭП и в общем случае является нелинейной (рис. 1,б), а в технических измерениях, как правило, с достаточной точностью она может быть принято квадратичной:

, (3)

где a, в, с - постоянные, зависящие от природы обоих электродов ТЭП, значения которых находят при градуировки преобразователя.

Необходимо отметить, что значение возникающей в контуре т.э.д.с. зависит только от химического состава термоэлектродов и температуры спаев и не зависит от их геометрических размеров.

Для измерения т.э.д.с. ТЭП в его контур включают измерительное устройство (измерительный прибор или преобразователь) по одной из двух схем (рис. 1,в и г), а именно, в разрыв свободного спая или в разрыв одного из термоэлектродов. Подключение измерительного прибора в контур ТЭП можно рассматривать как включение в него третьего проводника C. При включении измерительного устройства в разрыв свободного спая (рис. 1,в) ТЭП имеет один рабочий спай и два свободных. При включении измерительного устройства в разрыв одного из термоэлектродов (рис. 1,г) ТЭП имеет помимо рабочего и свободного спаев еще два дополнительных (нейтральных) спая.

Рис. 1 Схемы термоэлектрических преобразователей

В теории ТЭП доказано, что его т.э.д.с. не изменяется при включении в контур третьего проводника С при равенстве температур концов последнего, т.е. подключение измерительного устройства в контур ТЭП не вызывает каких-либо погрешностей при условии, что при использовании схемы (рис. 1,в) температуры и свободных спаев одинаковы, или при использовании схемы (рис. 1,г) одинаковы температуры и дополнительных спаев.

Чрезвычайно важно для получения корректных результатов при измерениях температуры с помощью ТЭП является правильное подключение ТЭП к измерительному устройству при значительных расстояниях между ними. Наиболее простым решением здесь является использование для подключения проводников, изготовленных из тех же металлов или сплавов, что и электроды ТЭП. Однако, это почти всегда экономически нецелесообразно. Поэтому обычно применяют, так называемые, удлиняющие провода – термокомпенсационные провода (рис. 1,д). Как видно из рис. 1,д, здесь образуются следующие спаи: электроды А с проводом Е, электрод В с проводом F, проводника С с проводами F и Е. При правильном подборе удлиняющих проводов точки их подключения к проводнику С, т.е. к измерительному устройству можно рассматривать как свободные спаи. В теории ТЭП доказано, что подключение ТЭП к измерительному прибору с помощью удлиняющих проводов не вносят погрешности результата измерения в том случае, если т.э.д.с. ТЭП, составленного из этих проводов , равна т.э.д.с. ТЭП, составленного из термоэлектродов А и В - , в интервале возможных измерений температуры свободных спаев от t₀ до t₁ (обычно t₀ = 0 ⁰С, а t₁ = 100 – 120 ⁰С):

. (4)

Выбор удлиняющих проводов в практике измерений осуществляется для конкретного ТЭП по справочным таблицам.

Из выражения (2) следует, что сигнал ТЭП однозначно зависит от измеряемой температуры в том случае, когда температура свободных спаев неизменна. На практике часто встречается случай, когда эта температура в процессе измерений изменяется. В этом случае используются специальные средства, обеспечивающие исключение влияний этих изменений на результат измерений температуры (см. ниже) или измеряют температуру холодных спаев, например, с помощью стеклянного термометра, размещаемого непосредственной близости от свободных спаев ТЭП.

Для определения значения измеряемого рабочим спаем ТЭП температуры при этом используется статическая характеристика ТЭП заданная в виде таблицы или графика. Для пояснения хода определения значения определяемой температуры удобно использовать график градуировочной характеристики (рис. 1,б). Обычно эту характеристику получают при значении температуры свободного спая ТЭП, равной 0 ⁰С. Ход определения сводится к следующему: измеряется температура свободного спая ТЭП; по найденному значению , используя градуировочную характеристику, определяют значение т.э.д.с. ТЭП, соответствующее этой температуре , которую называют поправкой на температуру свободных спаев; с помощью измерительного устройства измеряется т.э.д.с. , развиваемая ТЭП; определяется скорректированное (с учетом названной поправки) значение сигнала ТЭП как сумма:

. (5)

По значению , используя градуировочную характеристику, определяется значение измеряемой температуры t. Ход определения показан на рис. 1,б стрелками.

Кроме простейших ТЭП в практике измерений используются дифференциальные ТЭП (рис. 1,е) и батареи ТЭП (рис. 1,ж).

Дифференциальный ТЭП представляет собой два одинаковых ТЭП, включенных встречно, и позволяет измерять разность двух температур. Сигнал дифференциального ТЭП описывается выражением:

, (6)

где к - коэффициент преобразования ТЭП (предполагается, что при малых разностях температур характеристика ТЭП линейна).

Батарея ТЭП представляет собой последовательное соединение нескольких ТЭП (рис. 1,ж). Это позволяет увеличить чувствительность измерений температуры. Сигнал батареи ТЭП описывается выражением:

, (7)

где n - число ТЭП в батареи.

Две одинаковые батареи ТЭП могут быть включены по дифференциальной схеме, что позволяет измерять малые разности температур.

ТЭП может быть реализован с использованием любых двух металлов, обладающих различной работой выхода электронов. Практикой термометрии отобран лишь весьма ограниченный ряд металлов и сплавов, использование которых позволяет создать ТЭП с воспроизводимыми статическими характеристиками, близкими к линейным, обладающие высокой чувствительностью. Обычно используются следующие типы ТЭП: ТХК (хромель-копелевый) в диапазоне температур (- 50 - +600) ⁰С; ТХА (хромель-алюмель) в диапазоне температур (- 50 - +1000) ⁰С; ТПП (платинородий-платиновый) в диапазоне температур (0 - 1300) ⁰С.

Сплавы хромель, копель, аллюмель и платинородий имеют достаточно стабильный химический состав, поэтому ТЭП, изготовленные из них, практически не нуждаются в калибровке.

Типовая конструкция ТЭП приведена на рис. 2. В жесткой защитной гильзе 1 расположены термоэлектроды 3 с надетыми на них изоляционными бусами 4. Спай 2 касается дна защитной гильзы или может быть изолирован от него с помощью керамического наконечника. К термоэлектродам в головке 8 винтами 6 на розетке 5 подсоединяются удлинительные провода 7. Защитная гильза с содержимым вводится в объект измерения и крепится на нем с помощью штуцера 9. Для обеспечения надежного контакта спай 2 изготавливается сваркой, реже пайкой или скруткой (для высокотемпературных ТЭП). Защитную гильзу 1 выполняют в виде цилиндрической или конической трубки из газонепроницаемых материалов диаметром примерно 15-25 мм и длиной в зависимости от потребности объекта измерения от 100 до 2500-3500 мм. Материалом для защитной гильзы обычно служат различные стали. Для более высоких температур используются гильзы из тугоплавких соединений, а также кварц и фарфор. Диаметр термоэлектродов состовляет 2-3 мм, кроме термоэлектродов платиновой группы, диаметр которых 0.5 мм, что связано с их высокой стоимостью. Стандартные ТЭП выпускают одинарными, двойными и поверхностными – для измерения температуры стенок объекта, когда доступ внутрь объекта затруднителен или невозможен.

Рис. 2 Конструкция термоэлектрического преобразователя