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)

Е_АВ (Q₁ , Q₂) = f (Q₁) –C = j( Q₁),

де С = f (Q₂) – постійна величина.

Зазвичай термо-ЕРС. не розраховують, а визначають за експериментальними градуйованими кривими Е_q = 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 :

(2.7.1)

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

Е_ХА = Е_ХП – Е_АП = 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 R_H 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

де R_і – власний опір термопари.

Зазвичай R_i <<R_H. Тоді

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

(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 Е_Q = f (Q) дорівнювала 0^оС і в процесі вимірювання збільшилась до Q₂ ¹ 0, то вимірювана термо-ЕРС.

(2.7.3)

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

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 R_Q, включених між термопарою і вихідним колом. Резистор R_Q 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=0^оС (температура градуювання термопари) напруга U_ВГ в діагоналі ВГ дорівнює нулю.

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

де – термо-ЕРС. гарячого і холодного спаїв термопари.

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

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

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 1600^оС). В якості термопар з неблагородних металів найбільше поширення отримали термопари: хромель-копель (S = 65 мкВ/^оС, гранична вимірювана температура Q_пр= 800^оС), хромель-алюмель (S = 41,5 мкВ/^оС, Q_пр=1300^оС). Це стандартні термопари, які серійно випускаються вітчизняними заводами.

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”