Термоэлектрические преобразователи Содержание.

1. Принцип действия. Основные соотношения. Применяемые материалы. _______________________________________Стр. 2

2. Конструкция термопар. _____________________Стр. 8

3. Погрешности термоэлектрических преобразователей ___Стр. 13

4. Контрольные вопросы. _____________________________Стр. 27

5. Список литературы. ________________________________Стр. 28

Принцип действия. Основные соотношения. Применяемые материалы.

Явление термоэлектричества, открытое в начале прошлого века. Оно заключается в следующем. Если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) А и В, соединив их между собой концами (рис.1), причем температуру t₁ одного места соединения сделать отличной от температуры t₀ другого, то в цепи появится э.д.с., называемая термоэлектродвижущей силой (термо-э.д.с.) и являющаяся разностью функций температур мест соединения проводников:

Подобная цепь называется термоэлектрическим преобразователем, или иначе термопарой; проводники, составляющие термопару, - термоэлектродами, а места их соединения – спаями.

Термопара может быть применена для измерения температуры. Если один спай термопары, называемый рабочим спаем, поместить в среду с температурой t₁, подлежащей измерению, а температуру другого – нерабочего – спая поддерживать постоянной, то и

независимо от того, каким образом произведено соединение термоэлектродов (спайкой, сваркой и т.д.). Последняя взаимосвязь и положена в основу измерения температур при помощи термопар. Таким образом, естественной входной величиной термопары является температура t₁ ее рабочего спая, а выходной величиной термо-э.д.с., которую термопара развивает при строго постоянной температуре t₀ нерабочего спая.

Приборы, представляющие собой сочетание термопары и указателя, используемые для измерения температуры, часто называют не термометрами, а термоэлектрическими пирометрами, хотя никакого принципиального различия между этими терминами нет.

Включить указатель в цепь термопары можно как по наиболее часто применяемой схеме рис.2,а (здесь два нерабочих спая), так и по схеме рис.2,б. Для того чтобы включение в цепь термопары указателя (т.е. третьего проводника) не изменило значения термо-э.д.с., места соединения указателя с термоэлектродами должны иметь одинаковую температуру.

Рис.1. Термоэлек­трическая цепь

Рис. 2. Включение указателя в термоэлектрическую цепь

Материалы, применяемые для термопар. Для измерения температур до 1100С используют в основном термопары из неблагородных металлов, а для измерения температур выше 1100 и до 1600С – термопары из благородных металлов платиновой группы и, наконец, для измерения температур более 1600С – различные термопары, изготовленные из очень жароупорных материалов.

Для термопар, не погружаемых непосредственно в печь (например, для термопар радиационных пирометров), применяют также металлические термоэлектроды в паре с неметаллами (например, теллур, кремний и т.п.). Эта категория термопар развивает термо-э.д.с., значительно превышающие термо-э.д.с. термопар из металлических термоэлектродов, но не отличается механической прочностью.

Направление термо-э.д.с. зависит лишь от природы материалов, используемых в качестве термоэлектродов. Положительным называют тот термоэлектрод, по направлению к которому ток идет через рабочий спай термопары.

В табл.1 приведены термо-э.д.с., которые развиваются различными термоэлектродами в паре с платиной при температуре рабочего спая t₁=100C и температуре нерабочих спаев t₀=0C.

Таблица 1

Материал	Термо-э.д.с., мв	Материал	Термо-э.д.с., мв
Кремний	+44,8	Свинец	+0,44
Сурьма	+4,7	Олово	+0,42
Хромель	+2,4	Магний	+0,42
Нихром	+2,2	Алюминий	+0,40
Железо	+1,8	Графит	+0,32
Сплав (90% Pt+10% Ir)	+1,3	Уголь	+0,30
Молибден	+1,2	Ртуть	0,00
Кадмий	+0,9	Палладий	-0,57
Вольфрам	+0,8	Никель	-1,5
Манганин	+0,76	Алюмель	-1,7
Медь	+0,76	Сплав (60%Au+30%Pd+10%Pt)	-2,31
Золото	+0,75	Константан	-3,4
Цинк	+0,75	Копель	-4,5
Серебро	+0,72	Висмут оси	-5,2
Иридий	+0,65	Висмут оси	-7,7
Родий	+0,64	Пирит	-12,1
Сплав (90% Pt+10% Rh)	+0,64	Молибденит	От –69 до -104

Примечание: состав сплавов: хромель 90%Ni+10%Cr;алюмель 1%Si+2%Al+0,17%Fe+Ni(остальное); копель 56,5%Cu+43,5%Ni.

При пользовании данными таблицы следует иметь ввиду, что развиваемые термоэлектродами термо-э.д.с. в значительной степени зависят от малейших присей, механической обработки (наклеп) и термической обработки (закалка, отжиг).

При конструировании термопар, естественно, стремятся сочетать термоэлектроды, один их которых развивает с платиной наиболее положительную, а другой – отрицательную термо-э.д.с.. При этом необходимо учитывать также пригодность того или иного термоэлектрода для применения в заданных условиях измерения (влияние на термоэлектрод среды, температуры и т.д.).

Термопары из благородных металлов (платиновой группы) имеют широкое распространение в основном как образцовые термопары для измерения температур выше 1000С. Основной термопарой этой группы является термопара платинородий – платина, один термоэлектрод которой представляет собой чистую платину, а второй – сплав (90%Pt+10%Rh). Эта термопара может применяться для измерения температур до 1600С кратковременно и до 1400С длительно и развивает при 1600С термо-э.д.с., равную 17 мв (при температуре нерабочих спаев, равной нулю). При температурах выше 1400С электроды начинают взаимодействовать с окружающими элементами, вследствие чего изменяются термоэлектрические характеристики термопары. Достоинством этой термопары является ее химическая стойкость в окислительной среде, восстановительная же среда отравляет термопару.

Для измерения температур до 1800С применяют термопары из платинородиевых сплавов с различным содержанием родия, например термопару ПР 30/6. В ней положительным термоэлектродом является сплав, состоящий из 70%Pt и 30%Rh, а отрицательным термоэлектродом – сплав из 94%Pt и 6%Rh. Верхним пределом кратковременно измеряемой температуры для этой термопары можно принять температуру 1750С. Термопара ПР30/6 развивает при 1546С термо-э.д.с., равную 10,82 мв. Термопары с другим содержанием родия (ПР40/10, ПР30/13 и ПР40/20) развивают несколько меньшую термо-э.д.с., чем термопара ПР30/6, но пригодны для измерения немного более высоких температур (до 1800 - 1850С).

Термопары из неблагородных металлов и других материалов. Из числа термопар этой группы стандартными являются четыре термопары, основные характеристики которых указаны в таблице 2.

Таблица 2

Наименование термопары	Термо-э.д.с. при t1=100 C, t0=0 C, мв	Верхний предел измеряемой температуры, С
		При длительном измерении	При кратковременном измерении
Медь – копель	4,75	350	500
Железо – копель	5,75	600	800
Хромель – копель	6,90	600	800
Хромель - алюмель	4,10	1100	1250

Особенно широко применяется термопара хромель – алюмель. Эта термопара хорошо работает в окислительной среде благодаря возникновению при нагреве тонкой защитной пленки окислов, препятствующей проникновению кислорода внутрь металла. Восстановительная среда, напротив, вредно действует на эту термопару, разрушая пленку окислов.

Термопара хромель – копель химически стойка в окислительной и несколько менее стойка в восстановительной средах (в пределах температур до 600С). следует особо отметить высокую термо-э.д.с., развиваемую термопарой хромель – копель, однако ее термоэлектрическая характеристика отличается значительно большей нелинейностью по сравнению с характеристикой термопары хромель – алюмель (рис.3).

Термопары железо – копель и медь – копель не получили распространения ввиду отсутствия у них каких-либо существенных преимуществ по сравнению с термопарой хромель – копель.

Кроме описанных стандартных термопар, применяется и ряд нестандартных термопар на константановой

Рис. 3. Термоэлектрические ха­рактеристики термопар хромель-ко-пель и хромель-

основе, близких по свойствам к аналогичным термопарам с копелевым термоэлектродом

:медь – константан, железо – константан и нихром – константан.

В группе термопар, предназначенных для измерения температур превышающих 1600С, следует отметить термопару вольфрам – молибден. К достоинствам такой термопары относятся высокая температура плавления обоих электродов, доступность получения этих материалов и их сравнительно небольшая

стоимость. Недостатками этих термоэлектродов являются их быстрое окисление и хрупкость при высоких температурах, а такженевоспроизводимость характеристики термо-э.д.с., что требует индивидуальной градуировки каждой такой термопары.

Большой интерес для измерения высоких температур в условиях воздействия различных агрессивных сред представляет термопара из борида и карбида циркония (ZrB₂ и ZrC) – твердых тугоплавких соединений. Борид и карбид циркония обладают при относительно высокой прочности низким электрическим сопротивлением и хорошей теплопроводностью. Они устойчивы против действия водорода, окиси углерода, смеси окиси углерода с азотом, расплавленных цветных и черных металлов, а также некоторых расплавленных солей и шлаков. Термопара с электродами из борида и карбида циркония, как показали исследования, имеет практически линейную термоэлектрическую характеристику и развивает термо-э.д.с. около 16 мв при 1800С.

Помимо перечисленных термопар, существует ряд других, не нашедших пока широкого применения.