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 Q1Qх=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”

2 Comments

  1. Добавлю только то, что производителей термопар не так уж и много. Сейчас популярны: Эталон; Теплоприбор, ЧТП; Тесей; Электротермометрия, ЭТМ; Термопрылад, ПАО; Энерготерм; Промсат, ООО.

  2. Дуже детально описано! Але додам вiд себе, що типи термопар iснують iншi: ТХА; ТХК; ТСП; КТХА, КТНН, КТХК, КТЖК, КТМК; ТСМ; ТЖК; ТНН; ТПР; ТСПТ; ТПП.

Добавить комментарий

Your email address will not be published.

Previous Story

Пірометри

Next Story

Терморезистивні перетворювачі

Latest from Ємнісні вимірювальні перетворювачі

Default thumbnail

Теплові перетворювачі

Тепловими називаються перетворювачі, принцип дії яких оснований на використанні теплових процесів (нагрівання,