8. Термоэлектрические преобразователи (термопары)
Эффект термоэлектричества был открыт Зеебеком в 1832 году и состоит в том, что если составить замкнутую цепь и двух различных проводников АБ, причем температуру одного места соединения t00 сделать отличной от температуры другого t01 , то в цепи потечет ток под действием ЭДС, называемой термоэлектродвижущей силой (т.ЭДС).
ЕАБ(t01;
t00)=f(t01)-
f(t00)
=F(Δ t0).
Проводники, составляющие термопару, называются термоэлектродами. Места соединения проводников называют спаями. Тот спай, который находится в зоне измерения температуры, называется рабочим спаем, а спай, который находится в зоне другой температуры, называется свободным или холодным. Подобная цепь называется термоэлектрическим преобразователем (термопарой). Положительным называем тот электрод, по направлению к которому ток течет через рабочий спай термопары (ТП). Измерительные приборы могут включаться следующим образом (рисунок 8.1.):
Рисунок 8.1. Схемы подключения измерительных приборов в термоэлектрическую цепь
Термо-ЭДС зависит только от природы проводников и разности температуры спаев и не зависит от распределения температуры вдоль проводников. Если все, появившиеся при этом места соединения находятся при одинаковых температурных условиях, то не возникает паразитных термо-ЭДС Отсюда следует, что термоэлектрический контур можно разомкнуть в любом месте и в разрыв можно включить один или несколько разнородных проводников.
Эффект Пельтье (обратный термоэффекту) состоит в том , что если через цепь, состоящую из двух различных проводников или полупроводников пропустить электрический ток, то теплота будет выделяться на одном спае и поглощаться на другом. Теплота в отличие от теплоты Джоуля связана с силой тока линейной зависимостью. Нагревание или охлаждение спая зависит от направления тока через спай. На этом эффекте в качестве термоэлектродов используются полупроводниковые материалы.
Эффект Томсона состоит в том, что на концах однородного проводника, имеющего температурный градиент, возникает разность потенциалов с выделением дополнительной тепловой мощности при прохождении тока по этому проводнику. Эффект очень слабый. Для определения термо-ЭДС любого металла пользуются справочником по физике, в котором дается значение термо-ЭДС в паре с платиной при t10=1000С и t00=00С. Например, термо-ЭДС железа и меди равны ЕFe,Cu=EPt,Fe - EPt,Cu .
Материалы термопар. Для измерения температур до 1000 оС используют термопары из неблагородных металлов. Для измерения температуры 1100-1600 оС термопары выполняются из благородных материалов. Для измерения температур более 1600 оС термопары изготавливаются из очень жаропрочных материалов хромель(Х) (90 % никеля и 10 % хрома, алюмель (А) (1 % кремния, 2 % алюминия, 0,17 % железа, 2 % марганца и никель остальное), копель (К) (56,5 % меди и 43,5 % никеля). Платиновая группа используется, в основном как образцовые термопары для измерения температур более 1000 оС. Основой термопар этой группы является платина. Одним электродом является чистая платина, а вторым – платино-родий (90 % платины и 10 % родия). Из материалов для термопар более 2500 оС используется вольфрам-молибден, борид-карбид циркония, карбиды металлов плюс титан, цирконий, ниобий, галлий, гафний (до 3500 оС). Термопары из неблагородных металлов используются до температур 1000 оС. Это четыре типа: МК; ХК; ХА; (Ж – железо, М – медь).
Термопары промышленного типа выпускаются в соответствии с ГОСТ 6616-74, градуировочные таблицы термопар даны в ГОСТ 3044-77. Обозначение промышленных термопар – ТХК, ТХА, ТПП, ТПР, ТВР [ ].
В широком диапазоне температур градуировочная характеристика линейна. Однако на отдельных участках она может быть аппроксимирована линейной функцией.
Погрешности термопар.
1. Погрешность от нестабильности температуры холодного спая. Эта погрешность может быть уменьшена путем автоматического введения поправки на температуру нерабочего спая (рисунок 8.2.)
Рисунок 8.2. Схема автоматического введения поправки на изменение температуры свободного спая
При нормальной температуре мост уравновешен. При изменении температуры свободного спая мост разбалансируется резистором Rt0 и на выходе возникает напряжение компенсации Uк.
2.Изменение сопротивления соединительных проводников.
Рисунок 8.3. Термоэлектрическая цепь термопары
где Е – термо-ЭДС темопары; Rук , Rп , Rт – сопротивление указателя, проводов (включая удлинительные термоэлектроды) и термопары. Погрешность указателя при градуировке с учетом (Rп+ Rт), равное 5 Ом.
3.Использование компенсационного метода измерения.
Рисунок 8.4. Компенсационный метод измерения термо-ЭДС