4.2.9. Термоелектричні перетворювачі

Принцип дії й конструкція. Термоелектричний перетворювач являє собою термопару, що складається із двох різнорідних провідників Р и Q, з'єднаних між собою у двох точках, як схематично показано на мал. 4.37,а. На межі двох різних металів виникає контактна різниця потенціалів Е_РQ(t), що залежить від роду металів і від температури контакту. У ланцюзі, показаному на мал. 4.37, а, контактні різниці потенціалів утворюються в точках 1 і 2. Якщоt₁= t₂, то вони рівні між собою й, будучи протилежно спрямованими, взаємно врівноважуються. Якщо жt₁≠t₂,,то в ланцюзі утворюється результуюча ЕРС,

яка називається термоелектрорушійною силою (термоЕРС). Місця контактів називаються спаями термопари.

З (4.141) випливають наступні властивості термопари.

1. Якщо в ланцюзі термопари включений третій провідник (провідник R на мал. 4.37,б і його кінці перебувають при однакових температурах (t’ = t"), то включення цього третього провідника не змінює ЕРС ланцюга. Третім провідником можуть бути дроти приладу, який вимірює ЕРС термопари, або дроти, що з'єднують його з термопарою. Якщо кінці термопари, підключені до з’єднувальних дротів, які перебувають при однакових температурах, то підключення вимірювального приладу не змінює термоЕРС.

2. ЕРС термопари є функцією двох незалежних температур - температур її спаїв Е - E(t₁, t₂) - і не залежить від температури інших точок термопари. ЕРС термопари (4.141) є сума функцій однієї змінної.

3. Якщо термопара має температури спаїв tі t₀, то термоЕРС дорівнює алгебраїчній сумі двох ЕРС, одна з яких генерується при температурі спаїв t і t'₀, інша - при температурах t'₀і t₀(мал. 4.38):

Ця властивість використається при вимірі температури спаю t, якщо температура другого спаю t'₀відрізняється від температури t₀, при якій було зроблено градуювання термопари.

При t₀= 0 функція E(t, 0) являє собою градуювальну функцію перетворення даної термопари. Значення E(t, t'₀) визначається експериментально, а значення E(t'₀, 0) — за значенням температури t'₀й градуювальної функції перетворення. За значеннями E(t, t'₀) і E(t'₀, 0) обчислюється Е(t_0,0), по якій визначається вимірювана температура.

Термоелектричні перетворювачі використовуються для перетворення температури в ЕРС. У табл. 4.1 наведені найбільше широко використовувані термопари. (ДЕРЖСТАНДАРТ 6616-84) і їх основні характеристики (ДЕРЖСТАНДАРТ 3044-84).

Градуювальні характеристики й допустимі погрішності цих термопар також наведені в ДЕРЖСТАНДАРТ 3044-84.

Таблиця 4.1.

Тип термопари	Матеріал термоелектродів	Позначення градуювання	Діапазон виміру при тривалому вимірі, °С
ТХК ТХА ТПП ТВР	Хромель —копель Хромель -алюмель Платинородій (10%) -платина Вольфрамреній (5%) -вольфрамреній (20%)	ХК(L) ХА(К) ПП(S) ВР(А)-1	-200... +600 -200 ... + 1000 0... +1300 0... 2200

Термоелектричний датчик звичайно називається термопарою. Будова промислової термопари показана на мал. 4.39. Термоелектроди 1 ізолюються один від одного керамічними бусинками 2 або керамічною трубкою; одним своїм кінцем вони зварюються, іншим - приєднуються до затискачів у головці 3, які служать для підключення зовнішніх проводів. Термоелектроди кладуть у захисний чохол 4 (трубку, закриту з однієї сторони). Чохол робиться з жароміцної сталі, а при вимірюванні дуже високих температур - з кераміки або кварцу.

Місце з'єднання термоелектродів називається гарячим або робочим спаєм. Протилежні кінці називаються холодними або

вільними. Звичайно в місці вільного спаю термопара розімкнута. ЕРС термопари звичайно не перевершує 50 мВ.

Схеми включення.Робочий кінець термопари поринає в середовище, температуру якого потрібно виміряти. Вільні кінці підключаються до вторинного приладу. Якщо температура вільних кінців постійна, то підключення може бути зроблено мідним дротом, а якщо не постійна, то воно виконується спеціальними подовжувальними (компенсаційними) проводами. У якості останніх використаються два дроти з різних матеріалів. Дроти підбираються так, щоб при температурі вільних спаїв і в парі між собою вони мали такі ж термоелектричні властивості, як і робоча термопара. При приєднанні до термопари компенсаційні дроти подовжують її й дають можливість відвести холодний спай утвореної складеної термопари в таке місце, де температура залишається постійною.

Як вторинні перетворювачі використовуються або магнітоелектричні мілівольтметри, або потенціометри постійного струму.

У лабораторній практиці використовуються потенціометри з ручною компенсацією, а у виробничій -автоматичні потенціометри. Спрощена схема автоматичного потенціометра наведена на мал. 4.40. Термопара Т включається таким чином, що її ЕРС Е спрямована зустрічно напрузі, що компенсує Ек, створюваному з допомогою мостового ланцюга. Ця напруга змінюється пропорційно переміщенню движка по реохордуRp. Різниця ЕРС термопари й напруги, що компенсує, Е - Ек підсилюється підсилювачем і подається на реверсивний двигун РД. Вал двигуна, обертаючись, через редуктор, переміщає движок реохорда так, щоб різниця Е — Ек зменшувалась. Коли вона стає рівною нулю, вал зупиняється. Із движком реохорда зв'язана стрілка приладу, що переміщається по шкалі, записуючий пристрій, який реєструє поточне значення температури, контакти для її регулювання, а також пристрій для дистанційної передачі показань.

Для збільшення стабільності напруги Ек і точності вимірювання температури міст живиться від стабілізованого джерела напруги , а резистории плечей мосту виготовляються з манганінового дроту.

Погрішність термоелектричного термометра. Одним із джерел похибки термоелектричного термометра є невідповідність температури вільних кінців термопари температурі, при якій було зроблено градуювання.

Номінальна функція перетворення термопар зі стандартним градуюванням задається градуювальною таблицею. Вона визначає залежність ЕРС E(t, t₀) термопари від вимірюваної температуриtпри температурі вільних спаїв t₀= 0°С. Якщо в умовах виміру температура вільних спаїв t'₀не дорівнює температурі t₀, то ЕРС термопари E(t, t₀) відрізняється від ЕРС E(t, t₀), яка потрібна для визначення температури по стандартному градуюваню. Введення поправки базується на третій властивості термопари.

Другий член E(t'₀, t₀) правої частини рівності (4.142) визначає поправку. E(t'₀, t₀) являє собою ЕРС термопари за умови, що її вільні кінці перебувають при температурі градуювання t₀, а робочі — при температурі t'₀- Значення E(t'₀, t₀) визначається по таблиці стандартної функції перетворення.

Внаслідок нерівності температур t₀≠ t'₀показання пірометричного мілівольтметра не дорівнює дійсній температурі. Поправка до його показань приблизно може бути визначена співвідношенням

де k— коефіцієнт, що залежить від вимірюваної температури й від виду термопари.

Для хромель-копелевої термопари він лежить у межах 0,8-1; для хромель-алюмінієвої- у межах 0,98—1,11; для платинородій-платинової — у межах 0,82—1,11. При малому значенні Δt == t'₀- t₀у ряді випадків можна прийнятиk= 1. Це дозволяє вводити поправку в показання пірометричного мілівольтметра за допомогою коректора нуля. При відключеній термопарі стрілку приладу за допомогою коректора ставлять на оцінку, що відповідає t'₀. При включенні термопари й вимірі температури показання пірометра будуть більше некоректованих на значення Δt. Таке введення поправки доцільно, коли значення t'₀зберігається постійним.

Іншим джерелом погрішності термоелектричного термометра є зміна опору вимірювального ланцюга термоелектричного перетворювача.

Як пірометричний мілівольтметр застосовуються прилади магнітоелектричної системи. Для підвищення чутливості вони виконуються з відносно малим внутрішнім опором. При цьому вимірювана напруга залежить від опору зовнішнього ланцюга. Зовнішній ланцюг мілівольтметра складається з термопари, подовжувальних і зєднувальних проводів і спеціальних манганінових зрівняльних (підгінних) котушок. Зміна опору цих елементів приводить до погрішності термоелектричного термометра. Для ілюстрації помітимо, що при використанні платинородій-платинової термопари з електродами товщиною 0,5 мм у піч із температурою 1000 °С на глибину одного метра її опір змінюється на 3,86 Ом. Погрішність може мати місце також внаслідок поганого припасування (підгонки) опорів зрівняльних котушок.