Термоелектричні перетворювачі (термопари)
22 травня 2012 о 10:00
Принцип роботи термопари
Ще 1821 р. Зеебеком було відкрито явище, назване його ім'ям, що полягає у цьому. що у що складається з різних провідникових матеріалів замкненого ланцюга з'являється е. д. с. (так звана термо-е. д. с), якщо місця контакту цих матеріалів підтримуються за різних температур.
У найпростішому вигляді, коли електричний ланцюг складається з двох різних провідників, він має назву термоелемента, або термопари.
Сутність явища Зеебека у тому, що енергія вільних електронів, що зумовлюють виникнення електричного струму в провідниках, різна і по-різному змінюється з температурою. Тому якщо вздовж провідника є перепад температур, на його гарячому кінці електрони матимуть великі енергії та швидкості в порівнянні з холодним, що зумовить виникнення у провіднику потоку електронів від гарячого кінця до холодного. В результаті на обох кінцях накопичуватимуться заряди — негативний на холодному та позитивний на гарячому.
Так як у різних провідників ці заряди різні, то при з'єднанні двох з них термоелемент з'явиться різницева термо-е. д. с. Для аналізу проходять у термоелементі явищ зручно вважати, що термо-е, що утворюється в ньому. д. с. Е є сумою двох контактних електрорушійних сил е, що виникають у місцях їх контакту і є функцією температури цих контактів (рис. 1, а).
Мал. 1.Схема термоелектричного ланцюга з двох і трьох провідників, схема включення електровимірювального приладу в спай і термоелектрод термопари.
Термоелектрорушійна сила, що виникає в ланцюзі з двох різнорідних провідників, дорівнює різниці електрорушійних сил на їх кінцях.
З цього визначення випливає, щоза рівності температур на кінцях термоелемента його термо-е. д. с. дорівнюватиме нулю. Звідси може бути зроблено надзвичайно важливий висновок, що зумовлює можливість використання термопари як датчика для вимірювання температури.
Електрорушійна сила термопари не зміниться від введення в її ланцюг третього провідника, якщо температури на його кінцях будуть однаковими.
Цей третій провідник може бути включений як до одного з спаїв, так і до розрізу одного з провідників (рис. 1,6,в). Цей висновок може бути поширений і на кілька провідників, що вводяться в ланцюг термопари, аби температури на їхніх кінцях були однакові.
Тому в ланцюг термопари можна включити вимірювальний прилад (також що складається з провідників) і сполучні проводи, що ведуть до нього, не викликавши зміни термо-е, що розвивається нею. д. с, якщо температури точок 1 і 2 або 3 і 4 (рис. 1, г і д) будуть рівні. При цьому температура цих точок може відрізнятись від температури на висновках приладу, але температура обох висновків має бути однаковою.
Якщо опір ланцюга термопари буде залишатися незмінним, то струм, що проходить в ній (а отже, і показання приладу) буде залежати тільки від термо-е, що розвивається нею. д. с, тобто від температур робочого (гарячого) та вільного (холодного) її кінців.
Далі, якщо підтримувати незмінною температуру вільного кінця термопари, показання приладу залежатиме лише від температури робочого кінця термопари. Такий пристрій показуватиме безпосередньо температуру робочого спаю термопари.
Таким чином, термоелектричний пірометр складається з термопари (термоелектродів), електровимірювального приладу постійного струму та з'єднувальних проводів.
Зі сказаного вище можна зробити такі висновки.
- Спосібвиготовлення робочого кінця термопари (зварювання, паяння, скручування і т. д.) не впливає на термо-е, що розвивається нею. д. с, якщо розміри робочого кінця такі, що температура в усіх його точках однакова.
- Так як параметром, що вимірюється приладом, є не термо-е. д. с, а струм ланцюга термопари, необхідно, щоб опір ланцюга в експлуатації залишалося незмінним і рівним його значенню при градуювання. Але так як здійснити це практично неможливо тому, що опір термоелектродів і з'єднувальних проводів змінюється зі зміною температури, виникає одна з важливих похибок методу: похибка від невідповідності опору схеми її опору під час градуювання. Для зменшення цієї похибки прилади для теплових вимірювань виконуються високоомними (50—100 Ом при грубих вимірах, 200—500 Ом при більш точних) і з малим температурним електричним коефіцієнтом, щоб сумарний опір схеми (а отже, і зв'язок між струмом і термо-е. д. с.) змінювалося мінімальною мірою при коливаннях навколишньої температури.
- Термоелектричні пірометри завжди градуюються при цілком певній температурі вільного кінця термопари - при 0°С. Зазвичай у роботі ця температура відрізняється від градуювальної, у результаті виникає друга принципова похибка методу: похибка на температуру вільного кінця термопари.
Так як ця похибка може досягати десятків градусів, необхідно в показання приладу вносити відповідну поправку. Ця поправка може бути підрахована, якщо відома температура вільних кінців.
Так як температура вільного кінця термопари при градуюванні до дорівнює 0 ° С, а в експлуатації вона, як правило, вище 0 ° С (вільні кінці знаходяться зазвичай вприміщенні, часто вони розташовані близько до печі, температура якої вимірюється), то пірометр дає занижене проти дійсної вимірюваної температури показання і значення останнього треба збільшити на величину виправлення.
Зазвичай це здійснюється графічним шляхом. Це викликається тим, що зазвичай немає пропорційності між термо-е. д. с. та температурою. Якщо ж залежність між ними пропорційна, то градуювальна крива представляє пряму лінію і в цьому випадку поправка на температуру вільного кінця термопари дорівнюватиме безпосередньо його температурі.
Конструкція та типи термопар
До матеріалів для термоелектродів висуваються такі вимоги:
- висока термо-е. д. с. та близький до пропорційного характеру її зміни від температури;
- жаростійкість (неокислюваність при високих температурах);
- незмінність фізичних властивостей з часом у межах вимірюваних температур;
- висока електрична провідність;
- мінімальний температурний коефіцієнт опору;
- можливість виробництва у великих кількостях з постійними фізичними якостями.
В даний час застосовуються такі стандартні термопари.
Хромель-алюмелева термопара. Ці термопари призначені для вимірювання температур при тривалому застосуванні до1000 °С і при короткочасному - до 1300 °С. Вони надійно працюють у цих межах в окислювальній атмосфері (якщо відсутні агресивні гази), тому що на поверхні електродів при нагріванні утворюється тонка захисна плівка оксидів, що перешкоджає проникненню кисню в метал.
Хромель-копелева термопара. Ці термопари дозволяють вимірювати температури до 600°С і короткочасно до 800°С. Вони успішно працюють як у окисній, так і у відновлювальній атмосфері, а також у вакуумі.
Залізо-копелева термопара. Межі вимірювань — ті ж, що й хромель-копелеві термопари, умови роботи — такі самі. Вона дає меншу термо-е. д. с. в порівнянні з термопарою ХК: 30,9 мВ при 500 °С, але її залежність від температури ближче до пропорційної. Істотним недоліком термопари РК є корозія її виконаного із заліза електрода.
Мідь-копелева термопара. Так як мідь в окисній атмосфері починає інтенсивно окислюватися вже при 350 ° С, то межі застосування цих термопар - 350 ° С тривало і 500 ° С короткочасно. У вакуумі ці термопари можна використовувати до 600 °С.
Криві залежності термо-е. д. с. від температури для найпоширеніших термопар. 1 - хромель-капелєва; 2 - залізо-капелєва; 3 - мідь-капелєва; 4 - ТГБЦ-350М; 5 - ТГКТ-360М; 6 - хромель-алюмелева; 7 - платинородій-платинова; 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 відхилення термо-е. д. с. від градуювальних для неблагородних термопар становлять ±1%, для платинородій-платинових ±0,3-0,35%.
Стандартна термопара представляєсобою жезл діаметром 21-29 мм і довжиною 500 - 3000 мм. На верхній частині захисної труби надіта штампована або лита (звичайно з алюмінію) головка з карболітової або бакелітової пластиною, в яку запресовані дві пари висновків з гвинтовими затискачами, попарно з'єднані; в один із висновків затиснутий термоелектрод, до іншого приєднаний з'єднувальний провід, що веде до вимірювального приладу. Іноді з'єднувальні дроти полягають у гнучкий захисний шланг. При необхідності герметизувати отвір, в якому встановлюється термопара, остання постачається штуцером з різьбленням. Для ванн термопари виконуються також колінчастої форми.