Для термопар в корпусе постоянная времени ~ десятков секунд. Для бескорпусных термопар - доли секунды.

ЛЕКЦИЯ №5 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Термоэлектрические преобразователи относятся к типу тепловых и основаны на явлении термоэлектричества. Это явление заключается в следующем. Если составить цепь из двух различных проводников А и В и соединить их между собой концами, причем температуру t₁ одного места соединения сделать отличной от температуры t₂ другого, то в цепи появится ЭДС, называемая термоЭДС. Она является следствием разности температур мест соединения проводников.

Е_AB = f(t₁ –t₂) = α ∆ t,

где α - коэффициент термоэлектрической чувствительности.

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

Поскольку измерительная информация поступает от спая, размеры которого могут быть очень малыми, то это обеспечивает высокое быстродействие и позволяет проводить точечные измерения температуры.

Другое преимущество термопары заключается в вырабатываемом сигнале термоЭДС, поэтому для измерения не нужно пропускать ток через нее и не будет возникать погрешности, связанной с саморазогревом, как в случае с термометрами сопротивления.

Недостаток термопары заключается в том, что для измерения необходимо знать значения температур t₁ и t₂. Обычно температура одного из спаев постоянна и известна; она служит опорной (нулевой) точкой. Температура другого спая Т₂ является температурой Т_с, которую он приобретает в исследуемой среде с температурой Т_х.

Учитывая это, Е_АВ = f(t₁ -t₂) = f₁(t₁).

ЭДС термопары в широком диапазоне температур является нелинейной функцией T_C.

Если в довольно широком диапазоне температур нельзя считать зависимость ЭДС линейной, то в ограниченной области это допустимо. Ширина такой области зависит от требуемой точности.

Термопары в зависимости от их типа применимы от очень низких температур (от -270 °С для термопары медь - сплав серебра с кобальтом) до очень высоких температур (2700 °С для термопары вольфрам-рений (5% Re) - вольфрам-рений (26% Re)). В последнем случае они позволяют измерять значительно более высокие температуры, чем термометры сопротивления (приблизительно на 1400 °С).

Чувствительность термопары к температуре, или термоэлектрическая способность S при температуре Т определяется соотношением:

Она зависит от температуры и выражается в мкВ/°С. Например, для термопары железо-константан S(0°C)=52, 9 мкВ/°С, a S(700°C)=63, 8 мкВ/°С. Таким образом, чувствительность термопар значительно ниже чувствительности измерительных установок с термометрами сопротивления.

Термоэлектрические эффекты.

Термоэлектрические явления, происходящие в металлических или полупроводниковых цепях, показывают, что в них, помимо эффекта Джоуля, происходит преобразование энергии теплового движения в электрическую энергию движущихся зарядов.

Эффект Пельтье. В соединении двух различных проводников А и В с одинаковой температурой Т устанавливается разность потенциалов, называемая ЭДС Пельтье, которая зависит только от температуры и природы проводников.

Согласно закону Вольта, в изотермической замкнутой цепи, составленной из различных проводников, сумма ЭДС Пельтье равна нулю. Отсюда для цепи, состоящей из металлических проводников А, В, С и D имеем:

P_A/B+ P_B/C+ P_C/D+ P_D/A=0

Эффект Томпсона. Между двумя точками М и N однородного проводника А с различными температурами возникает ЭДС, которая зависит только от природы проводника и температур Тм и T_N:

Эта величина называется ЭДС Томпсона; здесь h_A - зависящий от температуры коэффициент Томпсона для проводника А.

Закон Магнуса гласит, что если концы цепи изготовлены из одного и того же проводника и находятся при одинаковой температуре, то ЭДС Томпсона равна нулю.

Эффект Зеебека. Рассмотрим замкнутую цепь, состоящую из двух проводников А и В, спаи которых находятся при температурах Ti и Т₂. Эти проводники образуют термопару. В термопаре возникает ЭДС, называемая ЭДС Зеебека, которая является результатом эффектов Пельтье и Томпсона в данной цепи:

Рассмотрим две пары, которые образуют проводники А и С с третьим проводником В, спаи которых находятся при температурах Т₂ и T₁ соответственно. Соответствующие им значения ЭДС Зеебека равны:

Закон последовательности металлов.

Отсюда легко найти ЭДС пары, состоящей из металлов А и С:

Это отношение, называемое законом последовательности металлов, позволяет определить ЭДС Зеебека пары А/С, если известны ЭДС Зеебека для пар, образованных проводниками А и С с третьим проводником В.

Закон последовательности температур. Если температура Т₁ опорного спая принимает новое значение T₁^’, то ЭДС Зеебека термопары А/В изменяется от значения до значения :

, то можно записать в виде:

Отсюда .

Это соотношение, называемое законом последовательности температур, используется, в частности, при измерениях, в которых опорный спай термопары находится при температуре окружающей среды Т₁’ и создает ЭДС , тогда как необходимо знать величину , чтобы по значению последней и с помощью таблицы для используемой термопары найти значение Т ₂.

Закон промежуточных металлов. Когда цепь термопары А/В включают проводник из другого металла, то ЭДС цепи не изменяется, если температуры на концах этого проводника одинаковы.

Действительно, проводник С, включенный в цепь термопары между

точками, температуры которых одинаковы, создает результирующую ЭДС,

равную нулю.

Этот вывод показывает, что в цепь термопары можно вводить любое число промежуточных проводников, если их концы попарно находятся при одинаковых температурах.

Закон промежуточных металлов позволяет измерять ЭДС термопары с помощью электрической цепи, проводники которой отличаются от проводников термопары.

Основные типы термопар и их технические характеристики.

Диапазон температур, в котором применима термопара ограничивается при низких температурах снижением термоэлектрической способности, а при высоких температурах - опасностью проникновения примесей из внешней среды, испарения одного из компонентов сплава термопары, плавления одного из проводников.

В обозначении термопары проводник, указанный первым. Соответствует положительному потенциалу при измеряемой температуре выше 0°С и при температуре опорного спая 0°С.

Для гарантии стабильности ЭДС максимальная рабочая температура должна определяться с учетом реальных условий эксплуатации термопары. Ее необходимо снижать тем больше, чем тоньше проволока, поскольку в тонкой проволоке структурные изменения быстрее проникают на всю ее глубину.

Конструкция термопары. При изготовлении термопары и при ее использовании следует избегать конструктивных неоднородностей, которые вследствие местных изменений термоэлектрических свойств могут создавать паразитные термо-ЭДС. Спай термопары должен иметь достаточно малый

объем, чтобы не создавать неравномерности температуры в различных его точках, которая может привести к возникновению паразитной ЭДС вследствие химической неоднородности металла в спае.

Чтобы избежать какого-либо контакта за пределами измерительных спаев, проволоки пропускаются через керамические изоляторы. Изолятор должен быть химически инертным и иметь большое электрическое изолирующее сопротивление при высокой температуре. Вследствие хрупкости изоляторов обычно требуется дополнительная защита, которая обеспечивается герметичной оболочкой или трубкой, нечувствительной к тепловым ударам (она обычно изготавливается из керамики или стали). Спай термопары может быть изолирован или соединен с корпусом, что уменьшает время запаздывания, но может привести к нежелательным электрическим наводкам.

Для термопар в корпусе постоянная времени ~ десятков секунд. Для бескорпусных термопар - доли секунды.