5. Термоелектричні датчики

Термоелектричний перетворювач (термопара) являє собою чутливий елемент, що складається з двох різних провідників або напівпровідників, з'єднаних електрично, і перетворює контрольовану температуру в ЕРС.

Принцип дії термоелектричного перетворювача заснований на використанні термоЕРС, що виникає в контурі з двох різнорідних провідників А с В, місця з'єднання (спаї) яких нагріті до різних температур (рис. 4.19, а). Знак і значення термоЕРС в ланцюзі залежать від типу матеріалів і різниці температур у місцях спаїв. При невеликому перепаді температур ΔΘ між спаями термоЕРС Е_АВ можна вважати пропорційною різниці температур ΔΘ:

де K_sAB - чутливість термопари.

а - контур з двох різнорідних провідників; б - термопара з опором навантаження; в – послідовне з'єднання термопар

Рисунок – 4.19 – Схеми з'єднання термопар

Якщо до термопар підключити мілівольтметр з опором R_Н, то за значенням термоЕРС можна визначити температуру (мал. 4.19, б). Щоб отримати достовірні результати, необхідно один спай термопари, званий робочим, помістити в середовище з температурою ₁, що підлягає вимірюванню, а температуру θ₀ інших - неробочих (холодних, вільних) спаїв підтримувати постійною. Рівняння перетворення буде мати вигляд

де С = f (θ₀) - постійна величина.

Зазвичай термоЕРС не розраховують аналітично, а визначають з градуювальних таблиць або графіків, одержуваних експериментально, для різних матеріалів при температурі холодних спаїв θ₀ = 0.

При включенні в ланцюг термопари вимірювального приладу або іншого перетворювача в місцях приєднання утворюються інші спаї, і в загальному випадку таку ланцюг можна розглядати як таку, що складається з трьох провідників. Можна показати, що якщо точки підключення приладу мають однакову температуру, то підключення приладу не впливає на термоЕРС вимірювальної термопари.

Як матеріали для термопар використовують різні дорогоцінні метали (платина, золото, іридій, родій) та їх сплави, а також неблагородні метали та сплави (сталь, нікель, хром, сплави ніхром, копель, алюмель та ін.) Порівняно рідко застосовують термопари з напівпровідникових матеріалів: кремнію, селену і ін.

Напівпровідникові термопари мають малу механічну міцність, володіють великим внутрішнім опором, хоча і забезпечують велику термоЕРС в порівнянні з металами.

ТермоЕРС виникає тільки в спаях різнорідних матеріалів. При порівнянні різних матеріалів як базу застосовують термоЕРС платини, по відношенню до якої визначаються термоЕРС інших матеріалів.

Хоча залежність Ε = f(θ) при θ₀ = 0 є нелінійної, в першому наближенні значення термоЕРС можна визначити за виразом

де e_Σ - сумарна термоЕРС матеріалів термопари. Сумарну термоЕРС визначають за даними таблиці 4.4:

где е₁, е₂ — термоЭРС використаних матеріалів.

Таблиця 4.4 – Значення термоЕРС деяких матеріалів по підношенні до платини

матеріал	ТермоЕРС, мкв/°С	матеріал	ТермоЕРС, мкв/°С
Алюмель Вольфрам Золото Константан Копель Манганин	-10,2 7,9 8,0 -35 -40 8	Мідь Молібден Платиноіридій Платинородій Хромель	7,6 1,3 13 6,46 31,3

Для термопари прагнуть використовувати матеріали, які мають різний потенціал по відношенню до платині.

Так, якщо використовувати хромель, у якого термоЕРС е_х = 31,3 мкВ/°С, і алюмель, у якого е_А = -10,2 мкВ/°С, то термоЕРС хромель-алюмелевой термопари складе Е_ХА = е_х - е_А = 31,3 – (-10,2) = 41,5 мкВ/°С. При виборі матеріалу термопари необхідно враховувати умови експлуатації (вплив температури, вологості, забруднення та інших факторів на матеріал електродів).

Щоб підвищити вихідну ЕРС, використовують послідовне включення термопар - термобатарею (рис. 4.19, в). У цьому випадку всі вільні спаї повинні знаходитися при постійній температурі, найкраще при 0 °С.

Важливим фактором обліку погрішностей при вимірюваннях за допомогою термопари є введення поправок Δ на температуру її вільних кінців. При проведенні відповідальних вимірювань застосовується термостатування вільних кінців термопари при 0 °С.

Проте в промислових умовах термостатування застосовувати технічно складно та економічно недоцільно. Значення поправки Δ пов'язано з різницею температур вільних спаїв решт через коефіцієнт К_t . Через нелінійність залежності Ε = f(θ) значення K_t - різне для кожної ділянки кривої, тому градуювальну криву (статичну характеристику) розділяють на ділянки по 100 °С і для кожної ділянки визначають K_t.

Ще одна причина можливого виникнення похибки - опір вимірювального ланцюга, що складається з само термопари і з’єднувальних проводів.

У вітчизняних термоелектричних термометрах опір цього ланцюга приймають рівним 5 Ом і регулюють його за допомогою додаткового опору з манганіну безпосередньо під час налагодження приладу.

Для вимірювання температур в межах від -200 до 2500 °С випускають стандартні термоперетворювачі температури (табл. 4.5).

Таблиця 4.5 – Характеристики промислових термопар

Умовне позначення	Матеріал термоелектродів	Границі вимірювання, °С	Погрішність термоЕРС, мВ
			до 300 °С	понад 300 °С
ПП	Платинородій (10% родія – платина)	0…1300 (1600)	0,01	[0,01+2,5·10-5 ( - 300)]
ПР-30/6	Платинородій (30% родія) – платинородій (6% родія)	300…1600 (1800)	_	[0,01+3,3·10-5 ( - 300)]
ХА	Хромель – алюмель	-50…1000 (1300)	0,16	[0,16+2,0·10-4 ( - 300)]
ХК	Хромель – копель	-50…600 (800)	0,2	[0,2+6,0·10-4 ( - 300)]
ВР-5/20	Вольфрамреній (5% ренія) – вольфрамреній (20% ренія)	0…2200(2500)	0,08 (до1000°С)	[0,01+4,0·10-5 ( - 1000)] (від 1000 до 1800 °С)

Залежно від призначення термопари діляться на занурювані, призначені для вимірювання температури рідких і газоподібних середовищ, і поверхневі, призначені для вимірювання температури поверхні твердого тіла.

Розрізняють термопари малоінерційні, теплова постійна часу яких не перевищує 5 с для тих, що занурюються, і 10 с для поверхневих; середньої інерційності - відповідно не більше 60 і 120 с; великий інерційності - відповідно до 180 і 300 с.

Термопари поміщають в захисний чохол з металу або кераміки. Для ізоляції використовують скло, азбест, фарфор, шамот. При низьких температурах можна використовувати шовкову і емалеву ізоляцію.

До достоїнств термопар необхідно віднести можливість вимірювань у великому діапазоні температур, простоту пристрою, надійність в експлуатації. Завдяки цим достоїнств термопари застосовують дуже широко.

Недоліки термопар - невисока чутливість, велика інерційність, необхідність підтримки постійної температури вільних спаїв.

4.3 Електромашинні перетворювачі

1. Загальні відомості

Основна вимога до інформаційних електричних машинх автоматичних пристроїв - висока точність перетворення електричних або механічних вхідних величин (сигналів) відповідно в механічні або електричні вихідні величини, що знаходяться в строго постійною і цілком визеаченою функціональної залежності від вхідних величини. Наприклад, частота обертання n перетворюється в вихідну напруга U_ВИХ, що має місце в тахогенераторах; величина кута повороту α - в значення вихідних напруг, що змінюються за цілком відомомим законом у залежності від , що має місце в поворотних трансформаторах, сельсинах і т . п.

До інформаційних електричних машин не пред'являється строгих вимог щодо їх енергетичних показників (ККД, cos φ), як це має місце в звичайних силових (енергетичних) машинах. Ці вимоги тут відступають на другий план, не будучи основними.

Інформаційні машини вельми різноманітні як за побудовою, принципом дії, роду струму, так і за функціями, які вони виконують в схемах автоматики. Далі розглянуті три типи таких машин, що набули найбільш розповсюдження: тахогенератори, сельсини та поворотні трансформатори.