6.3. Характеристики термоэлектрических преобразователей

Основными характеристиками термоэлектрических ИП являются:

1) градуировочная характеристика; 2) чувствительность; 3) погрешность; 4) показатель тепловой инерции (постоянная времени).

Градуировочная характеристика устанавливает зависимость между значением термоЭДС и температурой рабочего спая термопары. Обычно градуировочная характеристика определяется при температуре свободных концов термопары равной 0 ⁰С и представляется табличном виде. По значениям термоЭДС, взятым из таблиц, могут быть определены соответствующие им температуры. Промежуточные значения температур, не указанные в таблицах, определяются методом интерполяции по формуле

Т_Х = Т_min + (Т_max - Т_min)(E - Е_min)/( Е_mах - Е_min), (6.5)

где Т_min, Е_min, Т_max, Е_mах - табличные значения температуры и термоЭДС, между которыми лежит измеренное значение ЭДС термопары Е.

Чувствительность термопар S_T зависит от температуры и при температуре Т₀ = 0 ⁰С может быть найдена как

S_T = E_T/T = ₁Т + ₂Т² + … +_nТⁿ. (6.6)

Чувствительность для различных термопар составляет значение от единиц до десятков микровольт на градус. Например термопара платина-родий имеет чувствительность S_T  10 мкВ/⁰С, у пары вольфрам-рений чувствительность S_T  20 мкВ/⁰С, термопара медь-константан имеет значение S_T до 60 мкВ/⁰С.

Для повешения выходной ЭДС часто используется несколько термопар, образующих термобатарею.

Основными причинами погрешности термопар являются: отклонение характеристики термопары от стандартной; нестабильность характеристики термопары во времени; потери тепла за счет лучеиспускания и теплопроводности защитной арматуры; отклонение температуры свободных концов от градуировочного значения; тепловая инерция.

Отклонение характеристики термопары от стандартной обусловлено различными причинами: различием в составе сплава термоэлектродов, механическими напряжениями и др. Для промышленных термопар в соответствии с ГОСТ допускаются отклонения реальных термоЭДС от градуировочных значений от сотых до десятых долей милливольта.

Нестабильность характеристик термопар во времени обусловлена рекристаллизационными и диффузионными процессами. Эта погрешность не превышает значения тысячных долей процента в час.

При отклонении температуры свободных концов Т^/₀ от градуировочного значения Т₀ термоЭДС будет отличаться от градуировочной, что приводит к погрешности преобразования (измерения) температуры. При измерении температуры для уменьшения этой погрешности необходимо ввести соответствующую поправку. Поправка Т к показаниям термометра приближенно может быть определена соотношением

Т = k(Т^/₀ - Т₀), (6.7)

где k - коэффициент, зависящий от температуры и вида термопары.

Для термопары хромель-копель k = 0,8 - 1; для хромель-алюмелевой термопары k = 0,98 - 1,11; для платинородий-платиновой - в пределах 0,82 - 1,11. При небольшой разности температур (Т^/₀ - Т₀) иногда можно считать k =1 [10]. Коэффициент k неодинаков для различных температур рабочего спая, но в некотором интервале температур его с достаточной точностью можно считать постоянным. Коэффициент k можно определить из характеристики термопары. На рис. 6.3 приведена характеристика некоторой термопары. Если температура свободных концов термопары Т^/₀ > Т₀ , то термоЭДС уменьшится на величину Е = Е(Т^/₀, Т₀) и станет равной Е(Т_Х, Т^/₀). При этом показания прибора будут соответствовать температуре Т^/_Х, не равной измеряемой температуре Т_Х. Считая участки Т₀ - Т^₀ и Т^/_Х - Т_Х характеристики Е_Т= f(Т) линейнымы, получим

Е= Е(Т^/₀ ,Т₀) = (Т^₀ - Т₀) tg₁= (Т_Х - Т^/_Х)tg. (6.8)

Из (6.8) найдем значение поправки к показаниям прибора

Т = (Т_Х - Т^/_Х) = tg₁/ tg (Т^₀ - Т₀) = k(Т^₀ - Т₀), (6.9)

и измеряемое значение температуры будет равно Т_Х = Т^/_Х + k(Т^₀ - Т₀).

На практике чаще всего введение поправки осуществляется автоматически. При измерении термоЭДС автоматическая коррекция может осуществляться с помощью устройства, показанного на рис. 6.4. Схема работает по принципу неуравновешенного моста. В одно плечо моста включается терморезистор R_T из медной или никелевой проволоки, находящийся в тех же температурных условиях, что и свободные концы термопары. Остальные плечи моста выполнены из манганиновых резисторов. При температуре свободных концов, равной градуировочной Т₀, мост уравновешивается с помощью одного из манганиновых резисторов и на выходной диагонали моста напряжение будет равно нулю. При изменении температуры свободных концов изменяется термоЭДС на величину Е и изменяется значение сопротивления R_Т. При этом мост выйдет из равновесия, т. е. на его выходе появится напряжение, которое корректирует изменение тер-моЭДС термопары. Так как характеристика преобразования термопар нелинейна, полной коррекции погрешности, обусловленной изменением температуры сво-бодных концов, получить не удается. Остаточная погрешность таких устройств не пре-вышает 0,04 мВ на 10 градусов [10].

Рис. 6.3 Рис. 6.4

Для уменьшения погрешности, обусловленной отклонением температуры свободных концов от градуировочного значения, свободные концы должны находиться при постоянной температуре, соответствующей градуировочной (обычно 0 ⁰С). Следует отметить, что не всегда возможно сделать термоэлектроды достаточно длинными и гибкими, чтобы разместить свободные концы термопары на достаточном удалении от рабочего спая [10]. Для этой цели используются провода из другого материалы, так называемые удлинительные термоэлектроды, которые должны в паре между собой развивать в диапазоне возможных температур (примерно в диапазоне от 0 до 100 ⁰С) такую же термоЭДС, как и термопара. Кроме того, места присоединения удлинительных термоэлектродов к основным термоэлектродам должны иметь одинаковую температуру. В этом случае при включении удлинительных электродов термоЭДС не изменится.

Для термопар из неблагородных металлов, например, для термопары хромель-копель, могут использоваться удлинительные электроды из тех же материалов, что и основные электроды, но выполненные в виде гибких проводов. Для термопары хромель-алюмель удлинительные электроды выполняются из меди и константана. Для термопары платинородий-платина применяются провода из меди и сплава ТП. Эти же материалы с измененными знаками полярности применяются для термопары вольфрам-молибден.

В термоэлектрических термометрах, использующих милливольтметры для измерения термоЭДС, может возникать погрешность из-за падения напряжения на всех элементах, составляющих цепь термоЭДС, которая включает в себя рабочие и удлинительные термоэлектроды, соединительные провода. Например, падение напряжения Е на сопротивлении самой термопары составит

Е =Е_Т R_Т /( R_Т + R_Л + R_В), (6.10)

где R_Т - сопротивление термопары; R_Л - сопротивление соединительных проводов; R_В - внутреннее сопротивление милливольтметра.

Для уменьшения этой погрешности милливольтметры градуируются по температуре в комплекте с термопарой с указанием сопротивления линии. Изменение сопротивления внешней цепи милливольтметра также приводит к погрешности термоэлектрического термометра.

Использование в качестве измерительного прибора термоЭДС потенциометра постоянного тока позволяет данную погрешность исключить.

При работе термоэлектрического преобразователя в газовой среде вблизи поверхностей, температура которых отличается от температуры преобразователя между поверхностью и термоэлектрическим ИП происходит лучистый теплообмен, вызывающий погрешность.

Потери тепла за счет теплопроводности различных конструктивных элементов, в частности защитной арматуры, термоэлектрического ИП также приводят к погрешности измерения температуры.

Одной из составляющих погрешности термопар является погрешность, обусловленная тепловой инерцией. Тепловая инерция характеризуется показателем тепловой инерции, под которым понимается постоянная времени термопары, определяемая при погружении ее в воду. Постоянная времени зависит от конструкции термопары и толщины проводов и определяет быстродействие термоэлектрического ИП, которое может находиться от в диапазоне от миллисекунд до минут [3].

В табл. 6.1 приведены основные параметры, обозначения и градуировки промышленных термопар.

Таблица 6.1

Материал Термоэлектродов	Тип термопары	Обозначение Градуировки	Погреш- ность, %	Пределы измерения при длительном применении, ОС
Медь-константан	-	-	 1	-200 … +200
Медь-копель	-	-	-	-200 … +100
Хромель-копель	ТХК	ХК(L)	-	-200 …+600
Хромель-алюмель	TXA	XA(K)	 2  3	-200 … +1000
Платинородий (10%)- платина	ТПП	ПП(S)	0,10,5	0 … +1300
Платинородий (30%)- платинородий (6%)	ТПР	ПР	-	+300 … +1600
Вольфрамрений (5%)- Вольфрамрений (20%)	ТВР	ВР(А)-1	-	0 … +2500