2.2 Термоэлектрические термометры (термопары)

Для измерения температур до 600 … 1300 ⁰С широко применяются термопары (рис. 2.3, 2.4). Термопары представляет собой два разнородных проводника, сваренных между собой. Одно соединение помещается в среду, температура которой измеряется и называется рабочим (или горячим) спаем, другое соединение называется свободным (или холодным) спаем и подсоединяется к милливольтметру или автоматическому потенциометру. Если между рабочим и свободным спаями создать разность температур, то в цепи термопары возникает э.д.с. называемая термоэлектродвижущей силой (т.э.д.с.), величина которой является функцией разности температур спаев термопары. Если температуру свободного спая термопары поддерживать постоянной, то величина т.э.д.с. будет зависеть только от температуры рабочего спая. Следовательно, по величине т.э.д.с. можно определить температуру рабочего спая термопары, т.е. определить температуру среды, в которую погружается при измерении рабочий спай.

Рис. 2.3 Термопара	Рис. 2.4 Градуировочные характеристики термопар

Электроды термопары изолируются фарфоровыми бусами или трубками и помещаются в защитный чехол из металла, фарфора или другого огнеупорного материала.

В промышленности используется несколько типов стандартных термопар, отличающихся друг от друга материалами электродов и градуировками:

ПП – Платинородий (10% родия) – платина

ПР – Платинородий (30% родия) – платинородий (6% родия)

ХА – Хромель-алюмель

ХК – Хромель-копель

На рис 2.4. приведены градуировочные характеристики E=f(θ) некоторых термопар.

Затем переключатель ставят в положение «И» и перемещая движок реохорда R, добиваются по гальванометру Г компенсации падения напряжения U_R и т.э.д.с. Ех термопары. В момент компенсации:

U_R=Ex (2.1)

и гальванометр показывает 0.

Падение напряжения на реохорде R пропорционально его длине, а положение движка реохорда будет пропорционально т.э.д.с. Шкала при измерении температуры градуируется в градусах Цельсия.

Преимуществом потенциометрического компенсационного метода измерения температуры является: высокая точность, возможность автоматизации процесса измерения и передачи информации на расстояние.

К недостаткам данной схемы относят необходимость учета температуры свободного конца термопары.

В автоматических потенциометрах используется компенсационная мостовая схема, приведенная на рис 2.2.

рис. 2.1. Компенсационная измерительная схема

Электронные автоматические потенциометры с записью на диаграмме служат для измерения и регулирования температуры. Они работают с термопарами различных стандартных градуировок типа ПП, ХК, ХА, и других [Л2]. Шкалы таких приборов градируются в ⁰С. Однако они могут работать и с другими датчиками, являющимися источниками э.д.с. или напряжения. Тогда шкалы приборов градуируются в милливольтах. В упрощенной принципиальной схеме электронного автоматического потенциометра (рис. 2.2.) имеется питающая диагональ cd с источником стабилизированного напряжения CH-1 и измерительная диагональ ab моста, последовательно-встречно к которой включена термопара с термо- э.д.с. Ех.

Рис. 2.2. Упрощенная принципиальная схема автоматического потенциометра.

Если термо- э.д.с. Ех не равна напряжению Uab, то нескомпенсированное напряжение ∆U усиливается электронным усилителем и реверсивный двигатель РД перемещает движок реохорда R до наступления компенсации.

E_x(t)=(Rб+m*Rпр)*Iвв–Rм*Iнв – условие компенсации схемы

Iвв – ток верхней ветви; Iнв – ток нижней ветви;

Rпр=(R*Rш*Rп)/(R+Rш+Rп); m – доля приведенного сопротивления

В автоматических электронных потенциометрах предусматривается автоматическая компенсация влияния на показания приборов температуры свободных концов термопары. Это достигается за счет использования медного резистора сопротивлением Rм, помещаемого в непосредственной близости от свободных концов термопар, и поэтому его температура такая же как и на свободных концах термопары. Остальные резисторы схемы автоматического потенциометра изготовлены из манганиновой проволоки и не зависят от температуры. Они имеют следующее назначение: R – реохорд, от положения движка которого зависят потенциал точки а и, следовательно, величина компенсирующего напряжения; Rш – шунт реохорда, служащий для подгонки сопротивления реохорда; Rн – резистор для установки начального значения шкалы; Rп – резистор для установки диапазона измерения; Rб – балансный резистор для установки определенного значения сопротивления верхней ветви измерительной схемы cda; Rk – резистор контроля рабочего тока при градуировке или поверке прибора; Rр – резистор для регулирования рабочего тока при градуировке или поверке прибора. Клеммы 1 и 2 используются при градуировке и поверке прибора.