4 Теоретическое обоснование

4.1 Тепловые измерительные преобразователи

Тепловыми измерительными преобразователями неэлектрических

величин называются преобразователи, основанные на тепловых процессах: нагреве, охлаждении, теплообмене и др. Практически используются два принципа преобразования параметров тепловых процессов в электрические величины, а именно, термоэлектрический и изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников при изменении их температуры. Преобразователи первого вида получили название термоэлектрических, вторые - терморезисторов. Тепловые преобразователи применяются не только для измерения температуры, но и таких величин, как перемещение и размеры, скорость и расход жидких и газообразных веществ, малые концентрации газов (вакуум), влажность и даже для химического анализа газовых смесей. При этом используются зависимости протекания тепловых процессов от таких факторов, как теплопроводность среды, площадь поверхности теплообмена, скорость движения среды, охлаждающей нагретое тело, концентрация теплопроводной среды и др.

С точки зрения динамических свойств все тепловые преобразователи отличаются довольно большой инерционностью и плавностью переходных процессов, так как в них отсутствуют резонансные явления. В первом приближении поведение этих преобразователей в динамическом режиме может быть описано линейными дифференциальными уравнениями первого порядка. Характерной особенностью тепловых преобразователей является зависимость коэффициентов (постоянных времени) дифференциальных уравнений, описывающих тепловой обмен, от условий теплообмена. Например, переходные характеристики терморезистора при внезапном погружении его в нагретую среду будут разными - в зависимости не только от температуры среды, но и от ее теплопроводности. Частотные характеристики этих преобразователей зависят и от амплитуды изменения температуры среды, в которую помещен терморезистор. В общем случае динамические свойства тепловых преобразователей описываются нелинейными дифференциальными уравнениями с переменными коэффициентами.

Анализ и опыт показывают, что инерционность тепловых преобразователей уменьшается с ростом интенсивности теплообмена. Во всех случаях для уменьшения как динамических, так и статических погрешностей преобразователей необходимо стремиться к улучшению теплового контакта со средой, с которой происходит теплообмен. Кроме того, в измерительных цепях тепловых преобразователей с этой же целью применяют дифференцирующие корректирующие звенья, исправляющие в определенной мере спад частотной характеристики преобразователя на повышенных частотах изменения входной величины. Применение активной коррекции позволяет уменьшить постоянную времени тепловых преобразователей в 10 - 20 раз.

4.2 Термоэлектрические преобразователи

Термоэлектрический преобразователь как разновидность электрических преобразователей следует рассматривать состоящим из двух преобразователей, представляющих единое целое. Переменный электрический ток - его действующее значение - преобразуется в тепло (первая ступень преобразования), а тепло, связанное с температурой, преобразуется в постоянную э.д.с. (вторая ступень преобразования). Вторая ступень преобразования основывается на термоэлектрическом явлении и осуществляется термоэлектрическим преобразователем, называемым также термопарой.

Рисунок 3 – Устройство и принцип действия термопары

Если два разнородных проводника или полупроводника А и Б, называемые термоэлектродами, соединены так, как показано на рисунке 3, и если температура места соединения термоэлектродов t₁ (рабочий или горячий спай), а концов, называемых нерабочими или холодными спаями, t₂ < t₁ то в цепи возникает э.д.с. Е_Т, являющаяся функцией температур t₁ и t₂

Е_Т = f (t₁) – f (t₂) (1)

Поддерживая t₂ = const, получим возможность измерять температуру, так как теперь Е_Т = f₁(t₁) . Соединение термопары с измерительным прибором ИП можно осуществить разными способами, один из которых показан на рисунке 3. Так как при этом в цепь вводится третий проводник (ИП), отличающийся по своим термоэлектродным свойствам от термоэлектродов термопары, необходимо, чтобы t₂ холодных спаев была не только постоянной, но и одинаковой.

Преобразование переменного тока в тепло осуществляется с помощью нагревателя (металлическая проволока), по которому протекает преобразуемый ток. Количество тепла, выделяющееся в нагревателе за период Т переменного тока

, (2)

где R_H - сопротивление нагревателя.

Вследствие тепловой инерции нагревателя, характеризуемой тепловой постоянной времени τ₀, при частотах переменного тока, больших 1/τ₀, температура нагревателя практически не изменяется при изменении мгновенного значения переменного тока. Поэтому количество тепла Q₀, отводимого за время Т, если не учитывать лучеиспускания, определяется выражением

, (3)

где с - коэффициент теплоотдачи;

А - поверхность охлаждения нагревателя;

- разность температур нагревателя и окружающей среды.

При установившемся тепловом равновесии Q_H = Q₀

(4)

Из изложенного следует, что если t₂≠t₁, то при условии линейности уравнения преобразования термопары

= , (5)

где k - коэффициент, зависящий от материалов термоэлектродов термопары;

I_X - действующее значение преобразуемого тока.

Это выражение является уравнением преобразования. Отсюда следует, что чувствительность преобразователя

(6)

На рисунке 4 схематически изображены термоэлектрические преобразователи. Ток I_X протекает по нагревателю ВГ, изготовляемому из константана, нихрома, вольфрама, платины или чугуна. Вольфрам и чугун используют только в вакууме. Термопары обычно выполняют из сплавов хромель - копель и золото - палладий - платина в па­ре с платинородием.

Рисунок 4 – Термоэлектрические преобразователи

Рисунок 5 – Принцип действия термоэлектрического

измерительного прибора

Рассмотрим один из применяемых способов включения измерительного механизма ИМ (рисунок 5) к термопаре А - Б с зажимами а и б.

Соединительные провода В и Г (удлинительные термоэлектроды, должны быть термоидентичными: провода В и В' - с электродом А, а провод Г - с электродом Б. В этом случае холодным спаем термопары является спай t₀; термостатируя его, можно избежать влияния изменения температуры спаев а' и б', при этом спаи а и б могут иметь любую, но одинаковую температуру.

К материалам термопар предъявляются следующие требования: однозначность зависимости термо-э.д.с. от температуры; постоянство термоэлектрических свойств; химическая и механическая стойкость при высоких температурах; хорошая электропроводность. Желательно, кроме того, чтобы сочетание термоэлектродов термопары давало возможно большее значение термо-э.д.с.

Термоэлектроды термопары соединяют друг с другом путем пайки или сварки и помещают в защитную арматуру, предохраняющую термопару от действия химически агрессивных газов. Эта арматура изготовляется газонепроницаемой, механически прочной и пароупорной, хорошо проводящей тепло. Материал арматуры, кроме того, не должен выделять при нагревании газов или паров, вредных для термоэлектродов.

В качестве защитной арматуры применяют трубы из специальных сталей, а для термопар из благородных металлов - кварцевые и керамические трубы. Для электрической изоляции используют асбест (до 300° С), кварцевые трубки и бусы (до 1000° С) и керамические трубки и бусы (до 1400° С).

Эксплуатационные характеристики. Уравнение преобразования термопары в общем случае с достаточным приближением можно представить в виде

Е_Т = Аt + Вt² + Сt³, (7)

где Е_т - термо ‑ э.д.с;

t - разность температур горячего спая и холодных концов; постоянные A, B и C зависят от материалов термоэлектродов. Отсюда следует, что чувствительность S_T не является величиной постоянной, а зависит от температуры, т. е.

(8)

В связи с этим для выпускаемых промышленностью термопар даются табличные данные термо - э.д.с. для разных температур с интервалом в 10 С при температуре холодных концов t₀ = 0° С.

Для измерения температур ниже 1000°С применяют, как правило, термопары из неблагородных металлов и их сплавов.

Применяя термопары для измерения температур выше 1000°С, следует иметь в виду, что с ростом температуры увеличивается подвижность и активность атомов материалов термопары, что ведет к увеличению нестабильности и невоспроизводимости ее характеристик. В связи с этим для температур от 1000 до 1750°С применяются термопары из благородных металлов платиновой группы. Термопары из благородных металлов в силу своих высоких метрологических свойств находят применение преимущественно в качестве образцовых термопар. Для кратковременных измерений высоких температур (до 1000°С) применяют дешевые вольфрамо-молибденовые термопары, характеризующиеся низкой чувствительностью (10 мВ/°С) и малой стабильностью.

Для температур выше 1750°С используются термопары из жароупорных металлов и их сплавов (иридия, необия, молибденита, рения, тантала и вольфрама). Иридий-вольфрамовые термопары, например, работают в нейтральной атмосфере до температуры 2300°С. Вольфрам-рениевые и молибден-рениевые термопары в нейтральной и восстановительных средах позволяют измерять температуры до 1800° C с погрешностью порядка 1,5%.

В некоторых случаях хорошие результаты обеспечивают специальные термопары, составленные из металлического проводника и полупроводника (уголь, кремний) или двух полупроводников. Эти термопары, не отличаясь механической прочностью, развивают термо э.д.с, значительно превышающую термо э.д.с. термопар из металлических электродов, и, кроме того, позволяют измерять высокие температуры. Например, термопара карбид необия ‑ графит в нейтральной и восстановительных средах работают до температуры 3000°С.