Термоелектричні перетворювачі термопари

Механізм роботи термопари

Ще в 1821 р Зєєбеком було відкрито явище, назване його ім`ям, що полягає в тому. що в що складається з різних провідникових матеріалів замкненого кола виникає е. д. з. (Так звана термо-е. Д. С), якщо місця контакту цих матеріалів підтримуються при різних температурах.

У простому вигляді, коли електронна ланцюг складається з 2-ух різних провідників, вона носить назву термоелемента, або термопари.

Суть явища Зеєбека полягає в тому, що енергія вільних електронів, що обумовлюють появу електричного струму в провідниках, різна і по-різному змінюється з температурою. Тому якщо уздовж провідника є перепад температур, на його жаркому кінці електрони будуть мати величезні енергії і швидкості в порівнянні з прохолодним, що визначить поява в провіднику потоку електронів від жаркого кінця до холодного. У підсумку на обох кінцях будуть накопичуватися заряди - негативний на прохолодному і позитивний на спекотному.

Тому що у різних провідників ці заряди різні, то при з`єднанні 2-ух з їх в термоелемент з`явиться разностная термо-е. д. з. Для аналізу проходять в термоелементі явищ комфортно вважати, що утворюється в ньому термо-е. д. з. Е є сумою 2-ух контактних електрорухомий сил е, що виникають в місцях їх контакту і є функцією температури цих контактів (рис. 1, а).

Мал. 1.Схема термоелектричної ланцюга з 2-ух і 3-х провідників, схема включення приладу електровимірювання в спай і термоелектроди термопари.

Термоелектрорушійна сила, що виникає в ланцюзі з 2-ух різнорідних провідників, дорівнює різниці електрорухомий сил на їх кінцях.

З цього визначення випливає, що при рівності температур на кінцях термоелемента його термо-е. д. з. буде дорівнює нулю. Звідси може бути виготовлений дуже важливий висновок, що обумовлює можливість використання термопари, як датчика для вимірювання температури.

Електрорушійна сила термопари не поміняється від введення в її ланцюг третього провідника, якщо температури на його кінцях будуть схожими.

Цей 3-ий провідник може бути включений як в один із спаїв, так і в розріз 1-го з провідників (рис. 1,6, в). Цей висновок може бути поширений і на кілька провідників, що вводяться в ланцюг термопари, тільки б температури на їх кінцях були схожі.

Тому в ланцюг термопари можна включити вимірювальний прилад (також складається з провідників) і ведуть до нього з`єднувальні дроти, не викликавши конфігурації розвивається нею термо-е. д. з, якщо тільки температури точок 1 і 2 або 3 і 4 (рис. 1, г і д) будуть рівні. При цьому температура цих точок може відрізнятися від температури на висновках приладу, але температура обох висновків повинна бути схожа.

Якщо опір ланцюга термопари буде залишатися постійним, то проходить в ній струм (а отже, і показання приладу) буде залежати тільки від розвивається нею термо-е. д. з, т. е. від температур робочого (жаркого) і вільного (прохолодного) її кінців.

Далі, якщо підтримувати постійної температуру вільного кінця термопари, показання приладу буде залежати тільки від температури робочого кінця термопари. Такий прилад буде демонструвати конкретно температуру робочого спаю термопари.

Таким чином, термоелектричний пірометр складається з термопари (термоелектродів), приладу електровимірювання незмінного струму і сполучних проводів.

З вищесказаного можна зробити наступні висновки.

1. Метод виробництва робочого кінця термопари (зварювання, пайка, скручування і т. Д.) Не робить вплив на розвивається нею термо-е. д. з, якщо тільки розміри робочого кінця такі, що температура у всіх його точках схожа.

2. Тому що параметром, що вимірюється приладом, є не термо- е. д. з, а струм ланцюга термопари, не обходимо, щоб опір ланцюга в експлуатації залишалося постійним і рівним його значенню при градуюванні. Але тому що виконати це практично неможливо тому, що опір термоелектродів і сполучних проводів змінюється зі зміною температури, з`являється одна з принципових помилок способу: похибка від невідповідності опору схеми її опору при градуюванні.

Для зменшення цієї похибки прилади для термічних вимірювань виробляються високоомними (50-100 Ом при грубих вимірах, 200-500 Ом при більш чітких) і з малим температурним електронним коефіцієнтом, з тим щоб сумарний опір схеми (а отже, і зв`язок між струмом і термо-е. д. с.) змінювалося в малому ступені при коливаннях навколишньої температури.

3. Термоелектричні пірометри градуюються завжди при повністю певній температурі вільного кінця термопари - при 0 ° С. Зазвичай в роботі ця температура відрізняється від градуювальної, в результаті цього з`являється 2-а принципова похибка способу: похибка на температуру вільного кінця термопари.

Тому що ця похибка може досягати 10-ов градусів, то потрібно в показання приладу заносити відповідну поправку. Ця поправка може бути вирахувана, якщо відома температура вільних кінців.

Тому що температура вільного кінця термопари при градуюванні to дорівнює 0 ° С, а в експлуатації вона, зазвичай, вище 0 ° С (вільні кінці знаходяться зазвичай в приміщенні, нерідко вони розміщені близько до печі, температура якої вимірюється), то пирометр дає занижене проти реальної вимірюваної температури показання і значення останнього необхідно збільшити на величину поправки.

Як правило це здійснюється графічним методом. Це викликається тим, що зазвичай не має пропорційність між термо-е. д. з. і температурою. Якщо ж залежність між ними пропорційна, то градуіровоч-ва крива пряму лінію і в даному випадку поправка на температуру вільного кінця термопари буде дорівнює конкретно його температурі.

Конструкція і типи термопар

До матеріалів для термоелектродів пред`являються наступні вимоги:

1) висока термо-е. д. з. і близький до пропорційного характер її конфігурації від температури-

2) жаростійкість (неокісляемость при високих температурах) -

3) незмінність фізичних параметрів з часом в пре справах вимірюваних температур-

4) висока електронна проводімость-

5) малий температурний коефіцієнт сопротівленія-

6) можливість виробництва в величезних кількостях з постійними фізичними якостями.

В даний час використовуються наступні стандартні термопари.

Платинородій-платинова термопара. Ці термопари можуть бути використані для вимірювання температур до 1300 ° С при тривалому застосуванні і до 1600 ° С при короткостроковому, за умови їх використання в окислювальному газовому середовищі. При середніх температурах платинородій-платинова термопара зарекомендувала себе як дуже надійна і стійка, тому вона застосовується як зразкова в інтервалі 630 - 1064 ° С.

Хромель-алюмелеві термопара. Ці термопари створені для вимірювання температур при тривалому застосуванні до 1000 ° С і при короткостроковому - до 1300 ° С. Вони міцно працюють в цих межах в окислювальному атмосфері (якщо відсутні агресивні гази), тому що на поверхні електродів при нагріванні з`являється вузька захисна плівка окислів, що перешкоджає проникненню кисню в метал.

Хромель-копелеві термопара. Ці термопари дозволяють визначати температури тривало до 600 ° С і короткостроково до 800 ° С. Вони успішно працюють як в окислювальному, так і в відновлювальної атмосфері, також в вакуумі.

Залізо-копелеві термопара. Межі вимірювань - ті ж, що і хромель-копелеві термопар, умови роботи - такі ж. Вона дає найменшу термо-е. д. з. в порівнянні з термопарою ХК: 30,9 мВ при 500 ° С, але її залежність від температури ближче до пропорційної. Істотним недоліком термопари ЖК є корозія її виконаного з заліза електрода.

Мідь-копелеві термопара. Тому що мідь в окислювальному атмосфері починає активно окислюватися вже при 350 ° С, то межі застосовності цих термопар - 350 ° С тривало і 500 ° С короткостроково. У вакуумі ці термопари можна використовувати до 600 ° С.

Криві залежності термо-е. д. з. від температури для найбільш поширених термопар. 1 - хромель-копелевая- 2 - залізо-копелевая- 3 - мідь-копелевая- 4 - ТГБЦ-350М- 5 - ТГКТ-360М- 6 - хромель-алюмелевая- 7 - платинородій-платіновая- 8 -ТМСВ-340М- 9 - ПР-30/6.

Опір термоелектродів стандартних термопар з неблагородних металів становить 0,13 - 0,18 Ом на 1 м довжини (в обидва кінці), для платинородій-платинових термопар 1,5-1,6 Ом на 1 м. Допустимі відмінності термо-е. д. з. від градуювальних для неблагородних термопар складають ± 1%, для платинородій-платинових ± 0,3-0,35%.

Стандартна термопара являє собою жезл поперечником 21-29 мм і довжиною 500 - 3000 мм. На верхній частині захисної труби насаджена штампована або лита (зазвичай з алюмінію) головка з карболитовой або бакелітовій платівкою, в яку запресовані дві пари висновків з гвинтовими зажимами, з`єднані попарно- в один з висновків затиснутий термоелектроди, до іншого приєднаний з`єднувальний провід, що веде до вимірювального приладу. Час від часу з`єднувальні дроти полягають в гнучкий захисний шланг. При необхідності герметизувати отвір, в якому встановлюється термопара, остання забезпечується штуцером з різьбленням. Для ванн термопари виробляються також колінчатою форми.