3.4. Термоэлектрические термометры

Комплект термоэлектрического термометра состоит из тер­моэлектрического преобразователя, измерительного прибора и соединительных проводов.

3.4.1. Термоэлектрические преобразователи температуры

Преобразователь термоэлектрический служит первичным преобразователем (чувствительным элементом) термоэлектрического термометра. Он состоит из двух разнородных проводников-электродов, соединенных между собой. Место соедине-ния электродов, нагреваемое до тем­пературы t (температурой изме­ряемой среды), называется ра­бочим (горячим спаем), а до постоянной температуры t₀ — свободным (холодным). Дейст­вие преобразователя основано на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что в замкнутой цепи из двух или не­скольких разнородных проводников возникает термоэлектродвижущая сила (термоЭДС), если спаи проводников имеют разную температуру. Следовательно, термоЭДС, развиваемая преобразователем, зависит как от температуры t рабочего спая, так и от температуры t_O холодного спая. Если температура хо­лодного спая поддерживается постоянной, то термоЭДС зави­сит лишь от степени нагрева горячего спая t. Измеряя эту тер­моЭДС, можно определить искомую температуру.

Термопреобразователи изготавливают из чистых металлов и сплавов, обладающих постоянством и хорошей воспроизводи­мостью термоэлектрических свойств, устойчивостью к воздействию температуры, постоянством термоЭДС во времени, однозначностью зависимости термоЭДС от температуры, небольшим температурным коэффициентом сопротивления, большой электропроводностью, сравнительной простотой и легкостью воспроизводимости термоэлектрических свойств, обеспечивающих их взаимозаменяемость, и т. д. В технических термометрах создаваемая термо-ЭДС не пре­вышает 8 мВ на каждые 100 °С; при измерении высоких темпе­ратур она не превышает 70 мВ.

Для большинства термоэлектродных материалов функциональная зависимость термоЭДС от температуры достаточно сложна и, как правило, находится по таблицам.

Согласно ГОСТ 3044—74 допускается применение стандарт­ных термоэлектрических преобразователей пяти типов:

1. Платинородий (10% родия) - платиновые. Обозначение ТПП (первым указывается положительный термоэлектрод, вторым — отрицательный). Подразделяются на эталонные, образцовые и рабочие. Надежно работают в нейтральной и окислительной среде, но разрушаются в восстановительной. На платину вредно действуют пары металлов и углерод. По комплексной оценке являются лучшими до температуры 1300—1600° С. Изготовляются из проволоки диаметром 0,5 и 1 мм, которая изолируется фарфоровыми бусами или трубками.

2. Платинородий (30% родия) - платинородиевые (6% родия). Обозначение ТПР. Применяются до температуры 1600—1800° С. Не требуют введения поправки на температуру холодных спаев, так как при 20°С развивают очень малую термоЭДС (около 0,002 мВ).

3. Хромель-алюмелевые. Обозначение ТХА. Применяются до температуры 1100—1300° С. На эти термопреобразователи наиболее вредно действует восстановительная газовая среда.

3. Хромель-копелевые. Обозначение ТХК. Применяются до температуры 600—800° С. Развивают наибольшую термоЭДС (около 7 мВ на 100°С).

3. Вольфрам-рений (5% рения)-вольфрам-рениевые (20% рения). Обозна- ние ТВР. Применяются до температуры 2300° С.

В отдельных случаях могут применяться нестандартные ТПТ: медь-константановые, железо-константановые, медь-копелевые, железо-копелевые и др., однако асе они требуют индивидуальной градуировки.

а

Рис. 3.6. Термоэлектрический Рис.3.7. Схема компенсационной

термометр: а-общий вид; б-рабочий коробки КТ-54

конец чувствительного элемента

В специальных случаях применяются полупроводниковые преобразователи, которые развивают термо-ЭДС в 5—10 раз большую, чем указанные выше. Электродами в них являются сплавы цинка, свинца, олова, кадмия и углерода.

На рис. 3.6, а показан общий вид термоэлектрического термометра. Термоэлектроды помещены в стальной чехол 8 с насаженным на него фланцем 9 со стопорным винтом. Рабо­чий конец чувствительного элемента 12 (рис. 3.6, б) располо­жен в фарфоровом стаканчике 11 или приваривается ко дну чехла. Оба электрода изолированы фарфоровыми бусами 10. Головка термоэлектрического термометра состоит из корпуса 7, крышки 3, штуцера 5 для вывода проводов. Крышка прикреп­ляется к головке цепочкой 1. Внутри головки расположена фар­форовая колодка 6 с двумя подвижными зажимами 4, имею­щими две пары винтов 2 для закрепления термопроводов и со­единительных проводов.

Температура головки термометра под действием окружаю­щей среды может изменяться, вследствие чего нарушается по­стоянство температуры холодных спаев, вызывающее погреш­ность измерения. Устранения влияния температуры окружающей среды на величину термо-ЭДС достигают путем использования двух схем подключения термоэлектрического преобразователя к измерительному прибору.

Первая схема – подключение преобразователя с помощью термоэлектродных проводов, которые развивавают при температурах не более 100…150 ^оС термоЭДС, равную термоЭДС преобразователя. При наращивании преобразователя термоэлектродными проводами холодные спаи удаляются от среды с меняющейся температурой в зону с постоянной температурой, где может находиться нулевой (ледяной) или иной термостат (ТС). Вторая схема предусматривает использование компенсационной коробки КТ-54, принцип действия которой основан на уравновешивании термоЭДС холодных спаев, вызванной изменением температуры окружающей среды, при помощи мостовой схемы. Схема моста коробки (рис. 3.7) включает постоянные сопротивления R₁, R₂, R₃ и переменное сопротивление R₄. Добавочное сопротивление R_Д служит для подгонки подаваемого на мост напряжения. От термо-электрического преобразователя до моста коробки прокладываются термоэлектродные провода, а от моста до измерительного прибора – медные. Вторичиый измерительный прибор и преобразователь включены по­следовательно в диагональ аб моста, источник тока и добавоч­ное сопротивление R_Д — в диагональ сd.

При отклонении температуры окружающего воздуха от 20°С сопротивление R₄ изменяется, равновесие моста наруша­- ется и между вершинами а и б возникает разность потенциа­- лов, равная по величине изменению термоЭДС преобразова­- теля и противоположная по знаку. В результате происходит автоматическая компенсация температуры холодных спаев. По­- этому показания измерительного прибора будут зависеть только от состояния рабочего конца термоэлек­трического преобразователя.