Урок 9. Генераторные термоэлектрические преобразователи и термоэлектрические пирометры Раздел 2. Термоэлектрические преобразователи.

Термоэлектрические преобразователи относятся к типу теп­ловых преобразователей и основаны на явлении термоэлект­ричества, открытого в начале прошлого века академиком Эпинусом. Явление термоэлектричества заключается в следую­щем. Если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) А и В, соединив их между собой кон­цами (рис. 4.76, а), 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 являющейся разностью функций температур мест соединения проводников.

(4.42)

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

Термопара может быть использована для измерения темпе­ратуры. Если один спай термопары (рабочий спай) поместить в среду с температурой t₁, которую нужно измерить, а темпе­ратуру другого (нерабочего) спая поддерживать постоянной и

Последнее выражение положено в основу измерения темпе­ратур при помощи термопар.

Таким образом, входной величиной термопары является температура t₁ рабочего спая, а выходной величиной — термо­пары э.д.с., которую термопара развивает при строго по­стоянной температуре t₀ нерабочего спая.

Приборы, представляющие собой сочетание термопары и измерителя, используемые для измерения температуры, назы­вают термоэлектрическими пирометрами.

Включить измеритель - (указатель) в цепь термопары можно по двум схемам рис. 4.76, б и в), а для того, чтобы включение в цепь термопары указателя не изменило значения термо-э. д. с., места соединения указателя с термоэлектродами дол­жны иметь одинаковую температуру.

а) б) в)

Рис. 4.76. Термоэлектрические преобразователи.

Материалы, применяемые для термопар

Для измерения температур до 1100° используют термопары и основном из неблагородных металлов, для измерения тем­ператур свыше 1100^o и до 1600°—термопары из благородных металлов платиновой группы, а для измерения температур бо­лее 1600°С—термопары, изготовленные из жароупорных материалов (вольфрам—молибден). 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. 4.5 приведены термо-э.д.с., которые развиваются различными термоэлектродами в паре с платиной при темпе­ратуре рабочего спая t₁ = 100^oС и температуре нерабочих спаев t₀ = 0^oC. При конструировании термопар стремятся со­четать термоэлектроды, один из которых развивает с плати­ной наиболее положительную, а другой — отрицательную термо-э.д.с. Необходимо также учитывать пригодность того или иного термоэлектрода для применения в заданных условиях измерения (влияния на термоэлектрод среды, температуры и т.д.).

Таблица 4.5

Материал	Термо-э.д..c. мВ	Материал	Термо-э.д.с., мВ
Кремний	+44,8	Свинец	+0,41
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% Fe)	+1,3	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	Кфнстантан	-3,4
Цинк	+0.75	Копель	-4,5
Серебро	+0,72	Висмут I оси	-5,2.
Иридий	+0,65	Висмут II оси	-7,7
Родий	+0,64	Пирит	-12,1
Сплав (90% Pt+10%Rh)	+0,64	Молибденит	от -69 до -104

Наибольшее распространение в практике нашли термопа­ры: платинородий-платина, хромель-алюмель, хромель-копель, вольфрам-молибден, борид-карбид циркония.

Из числа термопар из неблагородных металлов стандарт­ными и наиболее распространенными являются четыре термо­пары, основные характеристики которых указаны в табл. 4.6.

Таблица 4.6

Наименование термопары	Термо-э.д.с. при t=100oС; t0=0°С, мВ	Верхний предел измеряемой температуры, 0oС
		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

Устройство термопар

Конструктивное устройство термопары промышленного ти­па, применяемое для измерения температур в печах, соляных ваннах, газоходах—рассмотрим на примере термопары, изображенной на рис. 4.77.

Эта термопара из неблагородных ме­таллов, расположенная в составной защитной трубе, с по­движным фланцем для ее крепления. Рабочий спай 1 термопары изолирован от трубы фарфоровым наконечником 2. Тер­моэлектроды изолированы бусами 3. Защитная труба состоит из рабочего 4 и нерабочего 5 участков. Передвижной фланец 6 крепится к трубе винтом. Головка термопары имеет ли­той корпус 7 с крышкой 8, закрепленной винтами 9. В голов­ке винтами укреплены фарфоровые колодки 10, с незакреплен­ными зажимами 12. Они позволяют термоэлектродам удли­няться под воздействием температуры без возникновения ме­ханических напряжений, ведущих к быстрому разрушению термоэлектродов.

Основным вопросом при конструировании термопар про­мышленного типа является выбор материала защитной трубы (арматуры) и изоляции.

Защитная арматура термопары должна ограждать ее от воздействия горячих химически агрессивных газов, которые быстро разрушают термопару. Поэтому арматура должна быть газонепроницаемой, хорошо проводить тепло, быть ме­ханически стойкой и жароупорной. При температурах до 600^оС обычно применяют стальные трубы без шва, при температуре до 1100°С — защитные трубы из легированных сталей. Для термопар из благородных металлов часто применяют кварце­вые, фарфоровые трубы. В качестве изоляции термоэлектро­дов друг от друга применяют асбест—до 300°С; фарфоровые трубки или бусы—до 1300—1400^оС, и кварцевые трубки или бусы до 2000—2500°С. В лабораторных условиях при измере­нии низких температур применяют теплостойкую резину—до 150^оС; шелк—до 100—120°С; эмаль—до 150—200°С.

Рис.4.77. Устройство термопары промышленного ти­па.

Термоэлектроды термопары, помещаемые в защитную тру­бу, обычно выполняют жесткими, а соединения их с другими элементами измерительной цепи осуществляется гибкими про­водами. Соединительные провода, идущие от зажимов, в го­ловке термопары до места нахождения нерабочего спая, назы­ваются удлинительными электродами. Удлинительные элект­роды в необходимом диапазоне температур должны иметь та­кую же термо-э.д.с., как и электроды основной термопары, и место присоединения удлинительных термоэлектродов к основ­ным термоэлектродам в головке термопары должны иметь оди­наковую температуру. При невыполнении этих условий возни­кает погрешность измерения. Удлинительные термоэлектроды для термопар из неблагородных металлов выполняют из тех же материалов, что и основные термоэлектроды.

Например, для термопары платинородий—платина приме­няются удлинительные термоэлектроды из меди и сплава ТП, образующие термопару, термоидентичную термопаре платино­родий—платина в пределах до 150°С.

Рис. 4.78. Термопары типа Тип TC 720, TC 730, TC 740, TC 750, TC 760

Представленные на рис. 4.78. термопары используются для всех промышленных и лабораторных применений.

Специальные особенности. Область применения от 0 °C до +1200 °C Гибкий кожух из нержавеющей стали, минерально изолированные провода. Высокое механическое натяженение, защита от вибрации  Искробезопасные версии (ATEX)

Большое значение при измерении температуры с помощью термопар имеет их инерционность, определяемая как время, за которое показания термопары при переносе из среды с ком­натной температурой (15…20°С), в среду с температурой 100^оС достигают 97…98^оС. Для уменьшения инерционности необходимо обеспечить хороший тепловой контакт между ра­бочим спаем термопары и средой с измеряемой температурой.