Термоэлектрические преобразователи (термопары)

Термоэлектрические преобразователи (термопары) относятся к основным измерительным преобразователям температуры в промышленности.

Принцип действия термопар основан на эффекте Зеебека. Если взять два разнородных металла, спаять их между собой, то при нагреве спая этих металлов, в замкнутой цепи возникает электрический ток. Разные металлы разогреваются с разной скоростью. Электроны более разогретого металла имеют большую скорость и начинают переходить в более холодный металл. В результате, холодный проводник насыщаясь электронами получает отрицательный заряд, а более горячий – положительный.

Схема перетекания электронов на примере соединения железо-медь.

 

Если проводники замкнуть в электрическую цепь, то электроны начнут циркулировать по цепи в результате чего возникает электрический ток. Чем выше температура нагрева проводника, тем выше напряжение, возникающее в термопаре.

Схема движения электронов при замыкании цепи

Для стабильной работы термопары необходимо, чтобы спай проводов нагревался, а свободные концы термопары были холодными. Если термопара полностью прогреется, то движение электронов прекратиться.

Термопара изготавливается из проволоки диаметром от 0,5 мм до 3 мм.

В последнее время большое распространение получили термопары изготовленные из специального кабеля. Кабель представляет собой стальную трубку набитую порошком оксида магния, через которую проходят термопарные провода.

Внешний вид термопарного кабеля с одной и двумя

парами термопарного провода

1 – оболочка кабеля; 2 – провода; 3 – минеральная изоляция (MgO)

 

Название и маркировка термопар складывается из названий сплавов проволоки: ХК – хромель – копель с диапазоном от -50 до +600 ⁰С; ХА – хромель – алюмель - от -50 до +1200 ⁰С; ПП – платинородий – платина - от 0 до +1300 ⁰С; ВР - вольфрам - вольфрамрений от 0 до +2200 ⁰С. Термопары изолируются фарфоровыми трубками и при необходимости помещаются в металлический кожух.

Для измерения температур термопара подключается к милливольтметру. Обычно специализированные милливольтметры проградуированы в градусах Цельсия. На каждом таком милливольтметре указано, для какого вида термопар он предназначен. Это обусловлено тем, что различные виды термопар вырабатывают разное напряжение при одной и той же температуре.

Достоинства термопар: простота, дешевизна, широкий спектр применения, регистрация и передача данных на расстояние.

Недостатки: необходимость дополнительного специализированного оборудования, нестабильность показаний при старении термопары.

 

Датчики давления.

В настоящее время наиболее распространены тензометрические сенсоры с металлической мембраной. Однако все более широкое применение находят емкостные сенсоры с мембраной из сверхчистой керамики (99,9% Al₂O₃) и пьезорезистивные сенсоры.

Тензодатчики давления

Принцип действия тензосенсоров основан на тензоэффекте, который выражается в том, что при линейном удлинении проводника его электрическое сопротивление увеличивается. В качестве тензорезисторов используются пластинки кремния (полупроводник), меди (металл), никеля нанесенные на сапфировую подложку (КНС). Сапфировая подложка припаяна к титановой мембране.

Под действием давления измеряемой среды мембрана прогибается, тензорезисторы деформируются (изменяются линейные размеры). Их сопротивление меняется. Выходной сигнал данного типа датчиков измеряется в миллиамперах (mA). Мембрана и корпус сенсора образуют герметичную конструкцию, заполненную внутри кремнийорганической жидкостью.

Принципиальное устройство тензорезисторного датчика давления.

 

Несмотря на множество достоинств, таких как: высокая степень защиты от воздействия агрессивных сред, возможность измерять среды с высокой температурой, низкая стоимость, отлаженное серийное производство датчики давления с тензосенсорами и металлической мембраной имеют ряд недостатков. В частности, при эксплуатации датчиков с сенсорами данного типа практически всегда наблюдается эффект прямого и обратного хода. Например, если на датчик со шкалой 0-10 Bar и выходным сигналом 4-20 mA подать давление, плавно увеличивая его от 0 до 5 Bar, то установиться, допустим, выходной ток 8 mA. Если же, на том же датчике установить давление 5 Bar, но плавно уменьшая с 10 Bar до 5 Bar, то выходной сигнал будет не 8 mA, а 9 mA. Этот эффект связан с упругими свойствами металлической мембраны.

Достаточно широко в настоящее время распространены датчики с чувствительными элементами на основе монокристаллического кремния. Несмотря на схожую конструкцию с приборами на основе КНС структур они имеют на порядок большую временную и температурную стабильности, более устойчивы к воздействию ударных и знакопеременных нагрузок. Эффект прямого – обратного хода также отсутствует, что объясняется использованием идеально-упругого материала.

 

Емкостные датчики давления.

 

Работа емкостных сенсоров датчиков давления основана на зависимости емкости конденсатора от расстояния между его обкладками. Чем меньше расстояние, тем больше емкость. Роль одной обкладки (подвижной) выполняет металлизированная внутренняя сторона мембраны, роль второй обкладки (неподвижной) – металлизированное основание сенсора. Подвижная мембрана изготавливается из сверхчистой керамики, кремния или упругого металла. При изменении давления рабочей среды мембрана с обкладкой прогибается (деформируется), расстояние между ней и основанием сенсора уменьшается, что приводит к изменению емкости.

 

Принципиальное устройство емкостного датчика давления

 

Достоинством емкостного сенсора из сверхчистой керамики является простота конструкции, высокая точность и временная стабильность показаний, возможность измерять низкие давления и слабый вакуум благодаря отсутствию заполняющего масла. Керамическая мембрана обладает коррозионной стойкостью к химически-агрессивным средам и стойкостью к истиранию. Кроме того у емкостных керамических сенсоров отсутствует эффект прямого и обратного хода. Они в меньшей степени подвержены воздействию гидравлических ударов, так как мембрана в этом случае просто прижимается к основанию сенсора.

К недостаткам емкостных сенсоров можно отнести нелинейную зависимость емкости от приложенного давления, но эта нелинейность компенсируется электроникой датчика. Так, например, к керамическим емкостным сенсорам датчиков давления некоторых фирм прилагается специальный паспорт, в котором производитель указывает настроечные коэффициенты.