2.3. Термоэлектрические термометры (термопары)

Этот тип первичного преобразователя температуры основан на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что в замкнутой цепи, образованной из двух или более разнородных проводников, возникает термоток при неравенстве температур в местах их соединения -спаях (эффект Зеебека, 1822 г.).

Рис. 2.3.1

Цепь термопары образуется из проводников и (рис. 2.3.1). При этом спай с температурой называется рабочим (горячим), а спай с температурой – свободным (холодным). Разность потенциалов между двумя проводниками возникает благодаря различной плотности свободных электронов у разнородных металлов (различие уровней Ферми). В процессе диффузии электронов из металла (с большим их количеством в единице объема) в металл последний заряжается отрицательно, а металл – положительно. При достижении подвижного равновесия и возникает электродвижущая сила (ЭДС).

Кроме того, ТЭДС возникает и при наличии однородного проводника. При этом электроны диффундируют от более нагретой части к менее нагретой (эффект Бенедикса) при наличии градиента температуры. Таким образом, в простейшей цепи возникают четыре различные ЭДС: две в местах спая и две на концах проводников и . Суммарную ЭДС можно представить в виде:

. (2.3.1)

При имеем :

, (2.3.2)

тогда

(2.3.3)

и

(2.3.4)

Таким образом, ТЭДС является функцией двух температур: и при :

(2.3.5)

и измерение температуры сводится к измерению ТЭДС термопары.

При включении вторичного прибора цепь разрывают либо в месте холодного спая, либо в одном из термоэлектродов (рис. 2.3.2). Суммарная ТЭДС (для варианта а):

(2.3.6)

при имеем:

(2.3.7)

Подставляя в (2.3.6), получим:

Аналогичное выражение можно вывести и для варианта (б). Таким образом, ТЭДС, развиваемая термопарами, будет аналогична и при введении в цепь третьего проводника, при условии, что концы его будут иметь одинаковую температуру.

Для измерения разности температур применяют так называемую дифференциальную термопару (рис. 2.3.3).:

Рис. 2.3.3

.

при имеем:

.

Тогда .

Для повышения чувствительности термоэлектрического датчика применяют термобатареи, представляющие собой несколько последовательно соединенных термопар (рис. 2.3.4).

_.

При и имеем:

.

Рис. 2.3.4

При получаем:

;

;

.

К материалам, применяемым для изготовления термопар, предъявляются определенные требования:

• устойчивость к воздействию высоких температур;

• постоянство ТЭДС;

• большая электропроводность;

• воспроизводимость термоэлектрических свойств, что обеспечивает взаимозаменяемость;

• небольшой температурный коэффициент сопротивления и др.

Характеристики материалов приведены в таблице 2.3.1.

Таблица 2.3.1

Материал	Полярность	Изменение ТЭДС на 100 °С по отношению к платине, мВ	Удельное электрическое сопротивление, Омм10	Температурный коэффициент, К
Платина	-	0	0,1	410
Платинородий (10% родия)	+	+0,64	0,2	1,610
Хромель	+	+3	0,6	0,510
Алюмель	-	-1	0,3	110
Копель	-	-4	0,4	0,110
Никель-кобальт (НК)	+	0	-	-

В настоящее время применяются следующие стандартные термоэлектрические термометры:

• медь-копелевые и медь-медноникелевые – типа Т (-200400 °С);

• железо-медноникелевые J (-200700 °С);

• хром-копелевые L(ХК) (-50600 °С);

• никельхром-медноникелевые Е;

• никельхром-никельалюминиевые К (ХА) (хромель-алюмелевые);

• платинородий-платиновые S (01800 °С), +10% родия и 50% платины – чистая платина;

• платинородий-платинородиевые термоэлектрические термометры В (ПР) (300-1600 °C), + сплав 30 % родия и 70 % платины – 6 % родия и 94 % платины.

Пределы допустимых отклонении определяются из уравнения:

,

где , , – определяют из таблицы ;

– коэффициент преобразования термопары .

В качестве материала для изготовления термопар могут служить и другие пары металлов. Но при их применении требуется индивидуальная градуировка.

В некоторых случаях, в частности, термоэлектрогенераторах, термоэлектрохолодильниках, различных измерительных приборах, применяют также полупроводниковые термометры с ТЭДС в 5-10 раз больше приведенной ранее. В этих термометрах применяют сплавы ZnSb и CdSb.

В таблице 3 приведены характеристики наиболее широко используемых термопар, а на рис. 2.3.5 – графические зависимости их ТЭДС от температуры.

Таблица 3

Металл	Тип	Градуировка	Нижний предел	Верхний предел	ТЭДС, мВ
Платинородий-платина	ТПП-0555	Т (ПП-1)	-20	1600	0,6
Платинородий-платинородий	ТПР-0555	Т (ПР-30/6)	+300	1800	0
Хромель-алюмель	ТХА-0515	ТХА	-50	1700	4,0
Хромель-никель	ТХК-0515	ТХК	-50	600	7,0
НК-СА		ТНС	+300	1000	0

Рис. 2.3.5

Так как температура холодного спая может отличаться от 0 °С, вводится поправка из выражения:

,

где – истинное значение температуры;

и – температура свободного конца при градуировке и при измерении;

– коэффициент, зависящий от типа термопары.

Обеспечение стабильности измерений возможно также с помощью так называемых компенсационных проводов, которые служат для отвода концов термопары в зону с постоянной температурой. Эти провода изготавливаются из материалов, термоэлектрически подобных материалам для термопар, и входят в комплект первичного измерителя. Так, для термопар ТПП – это сплав меди с никелем (0,6 %). До 100 °С эти провода в паре между собой развивают ту же ТЭДС, что и ТПП.

Для автоматической термокомпенсации применяют мостовые электрические схемы.

Мостовая схема включает в себя три манганиновых сопротивления и одно медное. Добавочное сопротивление служит для корректировки напряжения питания.

От термопары до моста прокладываются термоэлектродные провода, а до измерительного прибора – медные.

При температуре холодных спаев, равной градуировочной, напряжение, снимаемое с вершины моста, равно 0. При отклонении температуры изменяется величина медного сопротивления , что приводит к разбалансу моста и появлению ЭДС, противоположной по знаку изменению ТЭДС термопары, вызванной изменением температуры холодных спаев.

Конструктивно термометры изготовляются сваркой в пламени вольтовой дуги. Платинные – без флюса, а остальные – под флюсом. Термоэлектроды (диаметрами 0,5 и 1 мм) изолируются друг от друга с помощью керамических или стеклянных изоляторов (бус). Спай термопары изолируется фарфоровым наконечником, помещенным на дне защитной металлической трубки. Защитная трубка ввинчивается в головку термопары, внутри которой располагаются клеммы для подключения термоэлектродов и проводов. На трубке располагается штуцер с резьбой для установки термопары на трубопроводе. Способ крепления может быть – скользящая насадка с последующей приваркой. Монтажная длина термопар составляет от 60 до 1000 мм. Тепловая инерция от 3 до 210 с. Передаточная функция термопары описывается уравнением:

,

где =50 с и =10 с.

При применении термопар, горячий спай которых приварен к защитному чехлу, передаточная функция описывается уравнением в виде:

,

где с, с, с.

Этому уравнению соответствует передаточная характеристика игольчатой термопары типа ТХК-0033, применяемая в пищевой промышленности для измерения температуры внутри изделия, в частности, батонов колбас. Диаметр термоэлектродов составляет 0,2 мм. Диапазон измерений 0150 °С. Инерционность не более 3 с, условное давление до 0,6 МПа. Монтажная длина 60, 80 и 100 мм. Материал защитной арматуры – сталь X18H10T, её диаметр 1,6 мм. Вероятность безотказной работы в течение 2000 ч – 0,96. Масса 0,1 кг. Погрешность 0,2 мВ.

Преимущества термоэлектрических термометров:

• высокий верхний предел измерений;

• большая стабильность при высоких температурах (по сравнению с термопреобразователями сопротивления);

• простота технологии.

Термоэлектрические термометры выпускаются одинарные и двойные, одно- и многозонные.

По инерционности делятся на: I класс – до 40 с, II – до 3,5 мин, III – свыше 3,5 мин.

Термопары могут комплектоваться специальными измерительными преобразователями, с помощью которых на выходе можно иметь стандартный унифицированный сигнал, который можно подать на ЭВМ. Такими стандартными сигналами являются токовые 0-5, 0-20, 4-20 мА и вольтовые 0-5, 0-10 В.