Термоэлектродные материалы и термоэлектрические преобразователи

Конструктивно ТЭП представляет собой две проволоки из разнородных металлов, нагреваемые концы которых скручиваются, а затем свариваются или спаиваются. Для устранения влияния изменения температуры окружающей среды на величину возникающей ТЭДС свободные концы ТЭП термостатируют или применяют специальные компенсирующие устройства. ТЭП соединяют с вторичными приборами термоэлектродными проводами, из таких же материалов, что и ТЭП, или из других сплавов, развивающих в пределах до 100 °С ТЭДС, равную ТЭДС ТЭП.

Любая пара разнородных проводников может образовывать ТЭП. Однако не всякий ТЭП пригоден для практического применения, т.к. современная техника предъявляет к материалам термоэлектродов определенные требования:

• Устойчивость к воздействию высоких температур,

• Постоянство трмо – ЭДС во времени,

• Возможно большая величина термо – ЭДС и однозначная зависимость ее от температуры,

• Небольшой температурный коэффициент электрического сопротивления и большая электропроводимость,

• Воспроизводимость термоэлектрических свойств, обеспечивающая взаимозаменяемость термоэлектрических термометров.

Всем указанным требованиям не удовлетворяет полностью ни один из известных термоэлектродных материалов, поэтому на практике приходится пользоваться различными материалами в разных пределах измеряемых температур. Для всех металлов и сплавов функциональная зависимость термо – ЭДС сложна, и выразить ее аналитически затруднительно. Исключение составляет лишь пара платинородий – платина, для которой зависимость термо – ЭДС от температуры в интервале от 300 до 1300 ^оС при температуре t = 0⁰С достаточно точно совпадает с параболой

где а, в, с – постоянные, определяемые по температурам затвердевания сурьмы (630.74 ^оС), серебра (961.93 ^оС) и золота (1064.43 ^оС).

Классификация и условия работы термоэлектропреобразователей

(по ГОСТ Р 8.585)

Принято 6 основных типов - нормированных стандартных характеристик (НСХ) технических ТЭП с металлическими термоэлектродами:

1. Платинородий (90 % Pt + 10% Rh) – платиновые ТЭП (тип ТПП). В зависимости от назначения эти преобразователи подразделяются на эталонные, образцовые и рабочие. Они надежно работают в нейтральной и окислительной средах, но быстро разрушаются в восстановительной атмосфере. Также вредно действуют на платину пары металла и углерод, потому при промышленных измерениях требуется тщательная изоляция ТЭП от непосредственного воздействия измеряемой среды. ТЭП типа ТПП по жаростойкости и постоянству термо – ЭДС лучшие из всех существующих. Они долговечны. К недостаткам этих ТЭП следует отнести малую термо – ЭДС по сравнению с другими ТЭП.

2. Платонородий (30% Rh) – платинородиевый (6% Rh) ТЭП (тип ТПР). Особенностью ТЭП является развитие очень малой термо – ЭДС, что не требует введения поправки на температуру свободных концов. ТЭП типа ТПП и ТПР изготовляют обычно в виде проволоки диаметром 0.5 или 1 мм, которую изолируют фарфоровыми бусами или трубками.

3. Хромель (90.5% Ni + 9.5% Cr) – алюмелевый (94% Ni + 2%Al + 2.5%Mn + 1%Si + 0.5% примесей). ТЭП (тип ТХА) применяют для измерения температур до 1000^оС. Так как кривая зависимости термо – ЭДС от температуры близка к прямой. Большое содержание никеля в сплаве обеспечивает стойкость ТЭП против окисления и коррозии, а восстановительная среда вредно действует на проводники.

4. Хромель – копелевый (56% Cu + 44% Ni) ТЭП (тип ТХК) из всех стандартных ТЭП развивает наибольшую термо – ЭДС, что позволяет изготовлять термоэлектрические термометры с узкой температурной шкалой. Например с диапазоном от 0 до 300^оС. Стандартные ТЭП типа ТХА и ТХК изготавливают из проволоки диаметром 0.7 ÷ 3.2 мм и изолируются керамическими бусами.

5. Вольфрам – рений (5% Re) – вольфрам-рениевый (20% Re) (тип ТВР) и вольфрам – рений (10%) – вольфрам-рениевый (20%Re) применяют для измерения температур до 2300^оС в нейтральной и восстановительной средах, а также в вакууме. Также их используют для измерения температуры расплавленных металлов.

В особых случаях применяют и нестандартные ТЭП. Из них чаще всего используют медь - константановые (60%Cu + 40%Ni), железо – константановые, медь – копелевые. Следует учитывать, что железо в присутствии влаги корродирует и меняются его термоэлектрические характеристики. Нестандартные ТЭП при изготовлении обязательно градуируют.

Кроме того, осваиваются ТЭП с унифицированным выходным сигналом 0÷5, 4÷20 мА (ТППУ на пределы от 600 до 1300 °С) и др. ТЭДС, развиваемую ТЭП обычно измеряют потенциометрическим методом.

По международным обозначениям приняты 9 стандартных градуировочных характеристик МТШ – 90, а также эталонные термопары типов ТПП и ТПР с индивидуальными градуировочными характеристиками.

Эти стандартные градуировочные характеристики соотносятся с характеристиками по ГОСТ Р 8.585 следующим образом:

Термопары с НСХ	Тип
Тип В (платинородий 30% / платинородий 6%)	ТПР
Тип Е (хромель / константан)	ТХКн
Тип J (железо /константан)	ТЖКн
Тип К (хромель / алюмель)	ТХА
Тип L (хромель / копель)	ТХК
Тип N (нихросил / нисил)	ТНН
Тип R (платинородий 13% / платина)	ТПП
Тип S (платинородий 10% / платина)	ТПП
Тип T (медь / константан)	ТМКн

Пределы допускаемой основной погрешности преобразования термопар представлены в следующей таблице:

Тип термопар	Диапазон температур, 0С	Погрешность преобразования, 0С, не более
B	+350 … +1820	±0,2
E	-200 … +1000	±0,2
J	-210 … +900	±0,2
K	-200 … +1372	±0,2
L	-200 … +800	±0,2
N	-200 … +1300	±0,2
R	0 … +1768	±0,2
S	0 … +1768	±0,2
T	-200 … +400	±0,2

Лекция№5 Потенциометрический метод

Потенциометрический метод измерения основан на уравновешивании (компенсации) измеряемой ТЭДС известной разностью потенциалов, образованной вспомогательным источником тока.

Рис.1. принципиальная схема потенциометра.

На схеме ток от вспомогательного источника Б с сухого элемента с разностью потенциалов U_Б проходит в первой цепи, в которую между точками А и В включен калиброванный проволочный резистор R_АВ, называемый реохордом. Для него справедливо соотношение: (1.2)

ток в этой цепи выразится (1.3)

Вторая цепь включает ТЭП, чувствительный нуль-прибор НП, являющийся индикатором наличия тока в цепи ТЭП, и участок реохорда l между точкой А и скользящим контактом D. ТЭП в этой цепи включен так, что на участке сопротивления R_АD ток идет в том же направлении, что и от источника Б.

При можно найти такое положение точки D на реохорде R_АВ

при котором ток в цепи термопары i₂ станет равным нулю и стрелка НП установится на нулевом делении шкалы.

При этом Е(tt₀) = i₁ R_АD (1.4)

Учитывая при этом соотношения (1.2) и (1.3) из уравнения (1.4) найдем

Е (tt₀) = U_В (l/L). (1.5)

Следовательно, ТЭДС ТЭП Е_АВ (tt₀) определяется падением напряжения на участке l реохорда и не зависит от сопротивления НП и внешнего сопротивления цепи ТЭП. Реохорд снабжают шкалой, градуированной в милливольтах или градусах. При измерении таким методом ток в первой цепи нужно поддерживать на постоянном уровне.