Контактні термоелектричні перетворювачі

Принцип дії термоелектричних термометрів (термопар, рис.1) грунтується на ефекті виникнення електрорушійної сили (ТЕРС) в замкнутому ланцюгу, який складається із різнорідних провідників А і В (їх називають термоелектродами, рис.1,а), при умові, що місця їхніх з’єднань мають різну температуру.

а) б) в) г)

Рис.1 Загальна схема ПВП а); загальний вигляд термопари в розрізі б) та ПВП в); схема комунікації термопари та під’єднання вторинного приладу г).

 

Ефект був відкритий одночасно російським вченим Епінусом та німцем Зеебеком і пояснюється тим, що виникнення ЕРС (або її ще називають контактною різницею потенціалів) пов’язане з вільними електронами в металах, які переміщуються з металу, де їх концентрація більша, в метал, у якого концентрація електронів менша.

Значення цієї ЕРС, яку називають термоелектрорушійною силою (ТЕРС) і зображують як Е(t_x, t₀), залежить: 1) від матеріалу термоелектродів, що з’єднані; 2) від різниці температур місць з’єднань провідників (дротів): t_x – температура робочого (гарячого) спаю, який розміщується в об’єкті, температуру якого вимірюють, та t₀ – температури холодного спаю (вільних кінців), що виведені ззовні з об’єкту і знаходиться в місці з постійною температурою.

Суттєвою перевагою термоелектричного перетворювача (термопари, рис.

1,г) є незалежність ТЕРС від введення в його ланцюг інших дротів (рис.1гпоз 12 та 10) при умові, що кінці цих дротів мають одинакову температурув точках поз.11 та поз.13. Практично це означає, що за цієї умови в ланцюг термопари можна вмикати з’єднувальні (компенсаційні та подовжувальні) дроти і вимірювальні прилади.

Значення ТЕРС можна виміряти, наприклад, мілівольтметром постій-

ного струму з достатньою чутливістю, який ввімкнений або в розрив проводу В (рис.1,а),або в розрив ланцюга обох дротів холодного спаю (рис.1,в поз. 8 та до верхніх кінців дротів поз.10 рис1,г).

Висока точність вимірювання температури за допомогою термопари буде забезпечена, тільки при достатньо точній фіксації температури t₀ холодного спаю (його розміщують в посудині Дьюара з льодом, де t₀=0°С при градуюванні термопари), або розміщують в термостат з автоматично стабілізованою температурою.

Характеристики градуювання термопар є статичними характеристиками перетворення і показують залежність ТЕРС термопари від температури робочого спаю при температурі холодного спаю, що дорівнює 0°С.

Якщо температура вільних кінців термопари t₀ = 0°С, то вимірювана температура визначається безпосередньо із характеристики градуювання, яка може задаватись графічно, загальний вигляд Е(t_x,0) показано на рис. 2,а; або у вигляді таблиці (табл.3); або заноситись у пам'ять сучасних мікропроцесорних вимірювальних перетворювачів. Характеристики градуювання є індивідуальними для кожного типу термопар і їхній загальний вигляд для основних типів термопар приведений на рис. 2,б.

Е,мВ Е(t_x,0) (E t_x,t₀)

E(t₀,0)

а) б)

Рис.2. Загальний вигляд характеристик перетворення термопар

 

Для виготовлення термопар можуть використовуватись будь-які метали, при умові наявності різної концентрації вільних електронів в них, але на практиці

використовують матеріали, які забезпечують найбільш можливе значення

ТЕРС. Найбільше розповсюджені наступні типи стандартних термопар (номер

надалі показує одночасно вигляд характеристики перетворення на рис. 2,б; а

першим в запису вказується термоелектрод з надлишком електронів і який, після їхнього переміщення до другого електроду термопари, має позитивний заряд):

1) Хромель – копелеві. Хромель - сплав хрому та нікелю (8¸10 % Сr, а залишок - N_i). Копель – сплав міді (Cu є основа – 56%) та Ni (43%) + Mn (0,5% - марганцю). Позначення термопари та характеристики градуювання: ТХК, ХК (Е). Діапазон вимірювання: -200°С ¸ +600°С та розвивають найбільшу ТЕРС – 7мВ на кожні 100°С.

2) Хромель – алюмелеві. Алюмель – сплав нікелю (основа 94%) та алюмінію, марганецю, кремнію в сумі» 6%. Відповідно позначення термопари: ТХА, ХА(К). Діапазон вимірювання:–50 ¸ +1000°С. Розвивають ТЕРС –1,86 ¸ до 41,32 мВ.

3) вольфрамреній (5% - Re) – вольфрамренієві (26% - Re). Позначення термопари та характеристики градуювання: ТВР (С), ВР –5/20. Діапазон вимірювання: 0°С...+2300°С.

4) Платинородій (склад: 10% родію та 90% платини) – платинові. Позначення термопари ТПП, а її характеристики градуювання ПП (S – міжнародне). Діапазон вимірювання: –20...+1600°С. Розділяються на еталонні, зразкові робочі. Надійно працюють в нейтральному та окислюваному середовищі. На платину шкідливо діють пари металів та вуглецю. Є кращими за комплексною оцінкою до 1600°С. Виготовляються із проводу діаметр

5) ом 0,5...1мм. Розвивають ТЕРС – 0,1...13,13мВ.

6) Платинородій (30% родію) – платинородієві ( 6% родію ). Позначення:

ТПР, а характеристик градуювання ПР(В). Діапазон вимірювання: до 600 - 1800°С. Не потребують введення поправки на температуру холодних спаїв, так як при t=20°С мають мале значення ТЕРС 0,002мВ.

7) Залізо-констатанові. Констатан - сплав Cu та Ni. Позначення термопари

та градуювальної характеристики І. Діапазон вимірювання: –210 ¸

+1200°С. Абсолютна похибка вимірювання складає не більше ±2,2°С.

8) Мідь-констатанові. Позначення термопари та характеристики градуювання Т. Діапазон вимірювання: –270 ¸ +400°С. Абсолютна

похибка вимірювання складає не більше Dt=±1°С.

Якщо температура вільних кінців t₀ ¹ 0 (рис. 2,а), то для отримання значення ТЕРС Е(t_x,0), що відповідає характеристиці градуювання, необхідно до Е(t_x,t₀), тобто, ТЕРС, що розвиває термопара при температурі холодного спаю t₀, додати значення ТЕРС E(t₀,0), яке розвиває термопара при значенні температури гарячого спаю t₀ та значенні температури холодного спаю = 0°С:

E(t_x,0) = E(t_x,t₀) + E(t₀,0). ( 1)

При відхиленні температури холодного спаю від 0 в сторону збільшення,

до значення t₀, ТЕРС, що розвиває термопари, зменшується із-за збільшення температури холодного спаю (вільних кінців) до t₀.

В простих випадках використовується, так зване, пряме ввімкнення

термопари, коли в комплекті з термопарою (в якості вторинного приладу, що вимірює ТЕРС) використовується мілівольтметр (електро-вимірювальний прилад магнітоелектричної системи), шкала якого градуююється при температурі холодного спаю, як правило, що дорівнює 0°С. Якщо в умовах використання ця температура інша, то в покази приладу необхідно вводити поправки (проводити інтерполяцію), тому що в іншому випадку такі вимірювання будуть супроводжуватися великими похибками. Різні термопари розвивають різні ТЕРС при однакових температурах як гарячого спаю, так і холодного.

Існують декілька способів компенсації зміни температури холодного спаю темопари і усунення похибок, що пов’язані з цим.

Один із способів є розрахунковий і його формула в загальному має вигляд:

, (2)

де - істинна температура; - температура, яку показує приклад; - коефіцієнт інтерполяції, який залежить від типу термопари та інтервалу вимірювальної температури; та - відповідно температура холодного спаю термопари в реальних умовах вимірювання та при її градуюванні.

Ефективним методом усунення похибки від впливу зміни температури

холодного спаю є використання компенсаційних термоелектродних (рис.1,б поз. 12) па подовжувальних (рис.1,б поз. 10) дротів, які входять в комплект термопари і слугують для відведення холодного спаю на певну відстань, де можливе його розташування в зоні відносно постійної температури. Такі з’єднувальні дроти повинні бути термоелектрично подібні термоелектродам термопари і виробляються в більшості із тих же металів, що і електроди. Для платинородій - платинових (ТПП) термопар в якості продовжуваних дротів використовується, наприклад, пара мідь та сплав міді і нікелю (99,4% Си + 0.6 Ni), яка при температурі 100°С розвиває ТЕРС, яка дорівнює ТЕРС ТПП. Для термопар типу ТВР використовують термоелектроді дроти із міді (98,2%) та нікелю (1,8%). Для правильного вимірювання обов'язково повинна виконуватись умова рівності температур в точках 2 та 3 (рис. 1,б поз.11), що забезпечується їх розташуванням одна біля одної в головці термопари.

Одним із найбільш ефективних, є метод

використання мостових схем для введення поправок на нестабільність температури холодного спаю при зміні температури

Рис.3. навколишнього середовища (рис.3). Термопару і вимірювальний (вторинний) прилад ВП вмикають послідовно з вимірювальною діагоналлю мостової схеми з опорами та , яка живиться від джерела струму ДЖС. В якості вторинного приладу використовується мілівольтметр магнітоелектричної системи. Опори і виготовляють із матеріалу з

малим значенням температурного коефіцієнту опору (манганіту); а із міді

або нікелю. Схема мосту розташовується в безпосередній близькості від

холодного спаю термопари.

При початковій температурі холодного спаю t₀ міст балансується за допо-

могою одного із стабільних опорів, наприклад, . В процесі роботи, якщо температура холодного спаю підвищується, то зменшиться ТЕРС термопари із-за зменшення різниці температури між спаями, але в той же час збільшується опір (мідного опору), що приводить до розбалансування мосту і збільшенні напруги у вимірювальній діагоналі , яке компенсує зменшення ТЕРС термопари. Точність компенсації за допомогою такої схеми оцінюється значенням порядку 0,04 мВ на 10°С зміни температури t₀ холодного спаю. За такою схемою випускаються мілівольтметри типів Щ4500, Щ4540 з однопозиційним регулюванням, та Щ4516 з аналоговими законами регулювання. Класи точності від 0,5 до 2,5. Вони призначені вимірювання відносно високих температур в об'єкті в комплекті з термоелектричними перетворювачами відповідного градуювання: ХК; ХА; ПП; ТВР тощо. Градуювання обов'язково вказуються на шкалах мілівольтметрів і головках термопар, оскільки ТЕРС термопар різні.