Термоелектричні перетворювачі (термопари)

Термоелектричним перетворювачем (термопарою) називається чутливий елемент, якій складається з двох електрично з’єднаних різнорідних металевих провідників (або напівпровідників) і перетворює значення контрольованої температури в ЕРС.

Принцип дії термоелектричних перетворювачів генераторного типу оснований на використанні термоелектрорушійної сили (термо-ЕРС.), яка виникає в контурі з двох різнорідних провідників, місця з’єднань (спаї) яких розігріті до різних температур. Знак і величина термо-ЕРС. в спаї двох різнорідних металів залежать від природи матеріалів і температур в місцях спаїв.

Для двох різнорідних провідників А і В (рис. 2.7.2, а), які складають замкнене коло і мають в місцях з’єднання кінців температури Q1 і Q2, підсумкова термо-ЕРС. при постійності температури одного зі з’єднань (наприклад, Q2 = const)

ЕАВ (Q1 , Q2) = f (Q1) -C = j( Q1),

image004

де С = f (Q2) — постійна величина.

Зазвичай термо-ЕРС. не розраховують, а визначають за експериментальними градуйованими кривими Еq = f (Q1) при Q2 = 0, на основі яких складають таблиці для практичного користування.

В якості матеріалу для термопар використовують різні дорогоцінні метали (платину, ірідій, родій, золото і їх сплави) а також неблагородні метали і їх сплави (сталь, мідь, нікель, ніхром, константант, хромель, алюмель, копель). Порівняно рідко використовують напівпровідники: селен, кремній, телур і ін. Термопари з напівпровідників забезпечують велику термо-ЕРС., але мають великий внутрішній опір і малу механічну міць.

В термопарах металеві провідники представляють собою дві різнорідні проволоки або пластини, які називаються термоелектродами, одні кінці яких спаяні або зварені, а інші (вільні) під’єднані в зовнішне коло.

Спаї з однорідних металів не генерують термо-ЕРС. Термо-ЕРС. виникає лише в спаях двох різнорідних металів, при цьому знак і величина термо-ЕРС. для даної термопари залежать лише від природи матеріалів.

Якщо відомі термо-ЕРС., які розвиваються різними термоелектродами Б, В, Г з якимось термоелектродом А, метал який прийняли за еталоний, то можна знайти термо-ЕРС. будь-якої комбінації цих термоелектродів :

image006 (2.7.1)

В якості приклада визначимо за даними табл. 2.7.2 термо-ЕРС. термопари хромель-алюмель (ЕХА). З таблиці знаходимо, що відносно платини термо-ЕРС. хромеля складає ЕХП = +31,3 мкВ/0С, а термо-ЕРС. алюмеля ЕАП = -10,2 мкВ/оС. На основі (2.7.1) знаходимо:

ЕХА = ЕХП — ЕАП = 31,3 +10,2 = +41,5 мкВ/оС

При використанні в якості вимірюваного елемента термопари, складеної з двох різнорідних металів, необхідно, щоб спаї термопари мали різну температуру. Спай, який помістили в середовище з вимірюваною температурою, зазвичай називають гарячим або робочим спаєм, а спай, який знаходиться поза робочим середовищем, — неробочим або холодним спаєм. При наявності декількох холодних спаїв залежність буває однозначною тільки в тому випадку, якщо всі холодні спаї мають одну і ту ж температуру. В цьому випадку вихідна напруга термопари не залежить від матеріалу навантажувального опору. Пояснимо це на принциповій схемі термопари, яка наведена на рис. 2.7.2, б. Нехай, навантажувальний опір RH виконаний з матеріалу В і спай АБ знаходиться при температурі Q1, спай БВ — при температурі Q2, спай ВА - при температурі Q3. Згідно з законом Ома напруга на виході термопари

image008

де Rі - власний опір термопари.

Зазвичай Ri <<RH. Тоді

image010

Якщо температура спаю БВ дорівнює температурі спаю ВА, то на підставі (2.7.1) маємо

image012 (2.7.2)

З (2.7.2) видно, що для стабільних показань термопари необхідно, щоб температура холодних спаїв була постійною. Якщо ці умови не виконуються, то необхідно вводити поправки на температуру холодних спаїв.

Якщо температура робочого спаю дорівнює Q1, а температура холодних спаїв Q2 при знятті експериментальної (градуйованої) кривої ЕQ = f (Q) дорівнювала 0оС і в процесі вимірювання збільшилась до Q2 ¹ 0, то вимірювана термо-ЕРС.

image014 (2.7.3)

На рис. 2.7.3. наведена крива ЕQ = f(Q) і показано графічне визначення image016при Q2¹0. Відкладаючи по осі ординат image018, отримаємо замість температури Q1 температуру Qх. Значення Q1-Qх=DQ складає похибку в показаннях термопари. Таким чином, для визначення вимірюваної температури необхідно, знаючи Q2, визначити image020, після чого знайти image022за формулою (2.7.3) і по кривій ЕQ=f(Q) отримати величину Q1.

image024
Щоб поправка за час вимірювання була постійною і не перевищувала визначеного значення, використовують термостатування холодних спаїв. При цьому холодні спаї зазвичай розміщують в термостаті, який автоматично підпримує постійну температуру. Використовують також автоматичну корекцію температурних похибок.

На рис. 2.7.4. наведена одна з схем корекції похибки через зміни температури холодного спаю, яка складається з дротяних резисторів R1, R2, R3 i RQ, включених між термопарою і вихідним колом. Резистор RQ виконаний з матеріалу з великим температурним коефіцієнтом опору (наприклад, нікеля), а резистори R1, R2, R3 — з матеріалу з малим температурним коефіцієнтом опору. Міст збалансований таким чином, що при температурі Q2=0оС (температура градуювання термопари) напруга UВГ в діагоналі ВГ дорівнює нулю.

image026

При зміні температури зовнішнього середовища, а відповідно, температури холодних спаїв і резистора RQ, відбувається розбалансування моста. На діагоналі ВГ моста з’являється різниця потенціалів UВГ, яка і компенсує зміну термо-ЕРС. при зміні температури холодних спаїв. Вихідна напруга схеми

image028

де image030 — термо-ЕРС. гарячого і холодного спаїв термопари.

Компенсація досягається в тому разі, якщо image032= UВГ. Ця рівність в межах можливих змін температури зовнішнього середовища забезпечується підбором параметрів моста. Крім цього, необхідно, щоб холодний спай і резистор RQ знаходились в однакових температурних умовах.

Для ізоляції в термопарах використовують гуму (до 60¸80оС), шовк і емаль (до 100¸120оС), скло і азбест (до 500¸700оС), фарфор, шамот, стеатит (до 1000¸1800оС). Ззовні термопару захищають кожухом, який виконується з міді або латуні (до 400оС), сталі (до 800оС), сталі з нікельованим покриттям (до 1000оС).

В якості термопар з благородних металів найчастіше використовується термопара платинородій-платина (S = 12 мкВ/оС), яка виконується еталонною і технічною (для вимірювання температур від 300 до 1600оС). В якості термопар з неблагородних металів найбільше поширення отримали термопари: хромель-копель (S = 65 мкВ/оС, гранична вимірювана температура Qпр= 800оС), хромель-алюмель (S = 41,5 мкВ/оС, Qпр=1300оС). Це стандартні термопари, які серійно випускаються вітчизняними заводами.

image034
На рис. 2.7.5. показаний зовнішній вигляд термопари, в якій термоелектроди поміщені в сталеву або керамічну захисну трубку 1, яка підтримується штуцером 2. Робочий кінець термопари розташований в закритій частині кожуха. Вільні кінеці термоелектродів з’єднані з двома затискачами, які закріплені в голівці 3.

Характеристики управління термопар, які представляють залежність термо-ЕРС. від вимірюваної температури, в загальному випадку нелінійні. Похибки від нелінійності характеристик термопар досягають 5%. Крім того, джерелами похибок термопар є нестабільність температур холодних спаїв, зміна опору навантаження, якщо вона співрозмірна з опором термопари, відхилення параметрів подовжувальних проводів від розрахункових.

Термопари звичайного використання характеризуються великою інерційністю. Інерційність значно менша в термопарах спеціальних конструкцій, наприклад, у хромель-копелевих і хромель-алюмелевих, які поміщені в гільзу зі сталі, що не ржавіє, з малоінерційним наконечником. Інерційність також зменшується, якщо гарячий спай безпосередньо дотикається до робочого середовища, для чого в кожусі (гільзі) відрізають днище. В залежності від конструкції постійна часу термопар складає від декількох секунд до декількох хвилин.

Термопари знайшли широке використання в техніці. Їх переваги — можливість вимірювання температур у великих діапазонах (включаючи високі температури); простота пристрою і надійність в експлуатації. Недоліки термопар — невелика чутливість, яка в ряді випадків призводить до ускладнення вимірювальних схем, а також необхідність підтримки постійної температури холодних спаїв.

Васюра А.С. – книга “Елементи та пристрої систем управління автоматики”

Оставьте комментарий к статье