Термоэдс термопары – термоэлектрический преобразователь. Теория, устройство, характеристики, принцип работы термопар.

7.4. ТермоЭдс. Термопара. Термоэлектрические эффекты Томпсона и Пельтье

Для измерения температуры используетсятермоЭДС, см. (Рис. 46), возникающая при контакте двух различных проводников. Это явление было открыто в 1821 г.Т. Зеебекоми получило названиеэффекта Зеебека. Для многих комбинаций металлов при их соединении возникаетвнутренняя контактная разностьпотенциалов, линейно зависящая от температуры соединения, если температурный диапазон не слишком велик.

Рис. 46. ТермоЭДС, возникающая при контакте двух различных проводников

Возникновение внутренней контактной разности потенциалов обусловлено тем, что максимальная энергия свободных электроновзависит от их концентрации и потому имеет различную величину для разных металлов. При соединении металлов возникаетдиффузияэлектронов из металла с большей концентрацией и, соответственно, большей максимальной энергией свободных электронов в металл с меньшей концентрацией свободных электронов. В результате диффузии металлы приобретают разноимённые заряды, возникает внутреннее электрическое поле, внутренняя разность потенциалов, а максимальные энергии свободных электронов двух металлов становятся

равными. Эта контактная разность потенциалов вместе с электрическим полем локализована в тонком слое вблизи контакта. Для измерения температуры используются два последовательных контакта металлов при различной температуре (термопара), как показано на Рис. 47.

Рис. 47. Система двух последовательных контактов полупроводников или металлов при различных температурах Т

1и Т₂, используемая для измерения температуры.

Величина напряжения V, измеряемая вольтметром на Рис. 47, описывается выражением

V=_T=_ab(T₁-T₂), T₁>T₂, (7.4.1)

где_ab – коэффициент Зеебека. По известной Т₂с помощью напряженияVна выходе термопары можно определить неизвестную температуру Т

1. Величина коэффициента Зеебека зависит от физической природы контактирующих проводников:

а) для контакта двух металлов

_ab=ln, (7.4.2)

б) для контакта металла и невырожденного дырочного полупроводника

_ab=

(r+2+ln), (7.4.3)

в) для контакта металла и невыраженного электронного полупроводника

_ab=-(r+2+ln).(7.4.4)

Здесь <>=(r+2)kT– средняя энергия носителя тока,r– показатель степени в зависимости длинысвободного пробега электрона от энергии

электрона

 ~^r. 7.4.5

При рассеянии на ионах примеси r=2, при рассеянии на акустических фононахr=0, при рассеянии на оптических фононахr=(T<_D) иr=1 (T>_D).

В области температур Т~273 К коэффициент Зеебека для термопар из металла лежит в диапазоне от 6 до 68 мкВ/К и не зависит от площади контакта. Для проводников величина

может достигать 1 200 мкВ/К (Cu₂O).

Для повышения чувствительности из термопар собирают термобатарею, см. Рис. 48. С помощью термобатареи можно зафиксировать разность температурТ~10¹⁶К.

Рис. 48. Термобатарея

Термобатареи используются также в качестве маломощных генераторов тока, где КПД преобразования тепловой энергии в энергию электрического тока достигает 75% и выше (при использовании полупроводников с разными типами проводимости). Основные потери в таких генераторах обусловлены теплопроводностью. Примечательным свойством таких генераторов является отсутствие

движущихсячастей.

Преимущества термопары как датчика температуры:

1. линейная связь между разностью температур Т и измеряемым напряжениемV;

2. малая инерционность в силу формирования термоЭДС в малом объёме контакта;

3. Возможность измерения температур в широком диапазоне значений: от сверхнизких (железо-золото) до очень высоких ~3 000 К (графит-карбид титана, графит-цирконат бора).

Напряжение на выходе термопары зависит не только от внутренней контактной

разности потенциалов, но также отджоулева тепла, которое меняет температуру термопары и вносит температурную погрешностьэффекта Пельтьеиэффекта Томпсона. Для уменьшения джоулева тепла схема измерений должна иметь большую величину входного импеданса.

Эффект Пельтье(Ш. Пельтье, 1834 г.) заключается в выделении или поглощении тепла при прохождении электрического тока через контакт двух различных проводников

Q_П=П₁₂It, (7.4.6)

где П₁₂– коэффициент Пельтье для контакта проводников 1 и 2, который зависит от природы проводника и температуры контакта. При изменении направления токаIзнак

Q_Пизменяется на противоположный (выделение тепла превращается в поглощение тепла и наоборот). В известном опыте Ленца на стыке стержней из висмута и сурьмы была помещена капля воды. При пропускании электрического тока в одном направлении вода замерзала, а при пропускании тока в противоположном направлении образовавшийся лёд таял. Для металлов коэффициент Пельтье ~10^-2-10^-3В, а для полупроводников порядка 3*10^-1-10^-3В. Эффект Пельтье используется для создания холодильников, где температура понижается до -14 ^оС. Причина эффекта Пельтье заключается в том, чтосредняя энергияносителей токав двух проводниках, находящихся в контакте, несмотря на совпадение уровня Ферми,различна. Для иллюстрации на Рис. 49 показан контакт металла и полупроводникаp-типа.

Рис. 49. Энергетическая диаграмма границы двух проводников при возникновении эффекта Пельтье

Если электрон переходит из металла в полупроводник, то поглощается тепло Q=Е_п/п-Е_м(переходят электроны с энергиейЕ_п/п

, тепловое равновесие в металле восстанавливается за счёт передачи тепловой энергии решётки свободным электронам металла). Если электрон переходит из полупроводника в металл, то выделяется теплоQ=Е_п/п-Е_м, которое передаётся решётке.

Эффект Пельтье приводит к понижению или повышению температуры контакта относительно температуры среды, поэтому он вносит температурную погрешность, влияя на разность температур Т₁-Т₂и, соответственно, величину измеряемого напряженияV.

Эффект Томсона(теоретически предсказан У. Томсоном в 1856 г.; обнаружен экспериментально Леру в 1867 г.) наблюдается в неоднородно нагретых проводниках, по которым протекает электрический ток. Схема, позволяющая наблюдать эффект Томсона, показана на . Эффект Томсона представляет собой дополнительное (помимо джоулева тепла) выделение или поглощение тепла при протекании тока в неоднородно нагретом проводнике. Процесс описывается выражением:

Q_T=σI(T₁—T₂)t, (7.4.7)

где σ – коэффициент Томсона. За положительное направление, определяющее знак тока, берётся направление, в котором растёт температура (эффект Томсона считается положительным, если ток, текущий в направлении роста температуры, вызывает нагревание проводника). При изменении направления тока и фиксированной разности температур знак

Q_Tменяется на противоположный. Для висмута при комнатной температуре σ~10^-5В/К.

Эффект Томсона возникает благодаря тому, что в проводнике с током существует поток энергии с интенсивностью

P=-(<W_K>-e), (7.4.8)

где <W_K> — средняя кинетическая энергия электрона в потоке,— потенциал электростатического поля в проводнике. Отсюда следует, что в ед. объёма за ед. времени выделяется количество теплоты

Q=(T₁—T₂)t+j(—)t, (7.4.9)

где первое слагаемое описывает эффект Томсона, а второе эффект — Джоуля-Ленца.

Для металлов

==ln, (7.4.10)

для полупроводников n-типа

=ln+. (7.4.11)

Эффект Томсона вносит температурную погрешность при измерении температуры с помощью термопары.

Важно отметить, что гальванические напряжения, вызванные влажностью и коррозией, могут оказаться на 2-3 порядка больше термоЭДС.

Если использовать законы обратимой термодинамики, то можно получить соотношения, которое связывают величины ,и П:

Q_П12=П₁₂I, (7.4.12)

(7.4.13)

П₁₂(Т₁)-П₁₂(Т₂)+((7.4.14)

или в дифференциальной форме:

. (7.4.15)

Рис. 50. Схема, демонстрирующая эффект Томсона

studfiles.net

КИП и Я — записки киповца » Архив блога » Таблица термо-ЭДС стандартных термопар

Автор: admin в рубриках: датчик, калибровка термопар, полезное, термопара

Основные значения термо-ЭДС стандартных термопар.

Градуировочные характеристики преобразователей (свободные концы ТП при 0°С)

Номинальные статические характеристики преобразования, термо-ЭДС, мВ

Стан-		ДСТУ	ДСТУ	ДСТУ	ДСТУ	ДСТУ	ГОСТ		ДСТУ	ГОСТ
дарт	ANSI	IEC	IEC	IEC	IEC	IEC,D		ANSI	IEC
ТП		ТМК	ТМКн	ТЖК	ТХКн	ТХК	ТХК68		ТХА	ТХА68
Т°С	M	M	Т	J	E	L		P	K
-200		-6,151	-5,603	-7,890	-8,825	-9,488	-9,488		-5,891	-5,892
-150		-5,112	-4,648	-6,500	-7,279	-7,831	-7,831		-4,913	-4,914
-100		-3,718	-3,379	-4,633	-5,237	-5,641	-5,641		-3,554	-3,553
-50	-1,732	-2,002	-1,819	-2,431	-2,787	-3,004	-3,004		-1,889	-1,889
0	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000
50	1,951	2,254	2,036	2,585	3,048	3,306	3,350	1,575	2,023	2,022
100	4,091	4,725	4,279	5,269	6,319	6,861	6,898	3,300	4,096	4,095
150	6,381		6,704	8,010	9,789	10,624	10,624	5,154	6,138	6,137
200	8,777		9,288	10,779	13,421	14,561	14,570	7,115	8,138	8,137
250	11,225		12,013	13,555	17,181	18,643	18,690	9,163	10,153	10,151
300	13,663		14,862	16,327	21,036	22,843	22,880	11,281	12,209	12,207
350	16,002		17,819	19,090	24,964	27,135	27,130	13,454	14,293	14,292
400	18,181		20,872	21,848	28,946	31,491	31,480	15,667	16,397	16,395
450	20,399			24,610	32,965	35,888	35,870	17,905	18,516	18,513
500	22,703			27,393	37,005	40,300	40,270	20,158	20,644	20,640
550	25,095			30,216	41,053	44,710	44,670	22,414	22,776	22,772
600	27,574			33,102	45,093	49,107	49,090	24,663	24,905	24,902
650	30,135			36,071	49,116	53,485	53,480	26,895	27,025	27,022
700	32,769			39,132	53,112	57,841	57,820	29,101	29,129	29,128
750	35,470			42,281	57,080	62,169	62,120	31,272	31,213	31,214
800	38,228			45,494	61,017	66,442	66,420	33,406	33,275	33,277
850	41,036			48,715	64,922			35,502	35,313	35,314
900	43,884			51,877	68,787			37,556	37,326	37,325
950	46,768			54,956	72,603			39,565	39,314	39,310
1000	49,680			57,953	76,373			41,529	41,276	41,269
1050	52,617			60,890				43,443	43,211	43,202
1100	55,574			63,792				45,308	45,119	45,108
1150	58,549			66,679				47,123	46,995	46,985
1200	61,537			69,553				48,887	48,838	48,828
1250	64,530							50,599	50,644	50,633
1300	67,523							52,258	52,410	52,398
1350	70,511							53,863	54,138
1400	73,503

1. P — Platinel 5355 — Platinel 7674. C — Tungsten 5% Rhenium — Tungsten 26% Rhenium

2. НСХ ТСС(I) близка к ТХА(К), с диап. 0-800 С. НСХ ВР(А)-1 находится между (А)-3 и (А)-2 для диап. 0-1800 С, отличие 0,3%.

3. Термопары R, S, ТПП13, ТПП10 и ТПП68 не требуют компенсации свободных концов.

4. Стандарты: IEC — IEC584, DIN IEC584, ANSI — ANSI/ASTM, D — DIN43710, ДСТУ — ДСТУ2837-94, ДСТУ2857-94, ГОСТ — ГОСТ6616-68.

Оставьте отзыв

kipiya.ru

Термопара принцип работы простым языком. Преобразователи термоэлектрические

• Используется для измерения температур в диапазоне от -200 °С до +1000 °С (рекомендуемый предел, зависящий от диаметра термоэлектродной проволоки).
• В диапазоне температур от 200 до 500 °С может возникнуть эффект гистерезиса, когда показания при нагревании и охлаждении могут различаться. В некоторых случаях разница достигает 5 °С.
• Работает в нейтральной атмосфере или атмосфере с избытком кислорода.
• После термического старения показания снижаются.
• Может произойти изменение термо-ЭДС при использовании в разряженной атмосфере, т.к. хром может выделяться из Ni-Cr вывода (так называемая миграция). При этом термопара показывает заниженную температуру.
• Атмосфера серы вредна для термопары, т.к. воздействует на оба электрода.

2. Тип L (хромель-копель )

• Используется для измерения температур в диапазоне от -200 °С до +800 °С (рекомендуемый предел, зависящий от диаметра термоэлектродной проволоки).

3. Тип Е (хромель-константан)

• Используется для измерения температур в диапазоне от -40 °С до +900 °С.
• Обладает высокой чувствительностью, что является плюсом.
• Материалы электродов обладают термоэлектрической однородностью.

4. Тип Т (медь-константан)

• Используется для измерения температур в диапазоне от -250 °С до +300 °С.
• Может работать в атмосфере с небольшим избытком или недостатком кислорода.
• Не рекомендуется использование термопар данного типа при температурах выше 400 °С.
• Не чувствительна к повышенной влажности.
• Оба вывода могут быть отожжены для удаления материалов, вызывающих термоэлекрическую неоднородность.

5. Тип J (железо-константан)

• На железном выводе может образоваться ржавчина из-за конденсации влаги.
• Хорошо работает в разр

mmdog.ru

4.2.9. Термоэлектрические преобразователи

Принцип действия и конструкция. Термоэлектрический преобразователь представляет собой термопару, состоящую из двух разнородных проводников Р иQ, соединенных между собой в двух точках, как схематически показано на рис. 4.37,а. На границе раздела двух различных металлов имеется контактная разность потенциалов Е_PQ(t), зависящая от рода металлов и от температуры контакта. В цепи, показанной на рис. 4.37,а, контактные разности потенциалов образуются в точках1 и 2. Еслиt₁ = t₂, то они равны между собой и, будучи противоположно направленными, взаимно уравновешиваются. Если жеt₁  t₂, то в цепи развивается результирующая ЭДС

(4.141)

называемая термоэлектродвижущей силой (термоЭДС). Места контактов называютсяспаями термопары.

Из (4.141) следуют следующие свойства термопары.

1. Если в цепи термопары включен третий проводник (проводник Rна рис. 4.37,б) и его концы находятся при одинаковых температурах (t ₂ = t  ₂), то включение этого третьего проводника не изменяет ЭДС цепи. Третьим проводником могут быть провода прибора, измеряющего ЭДС термопары, и провода, соединяющие его с термопарой. Если концы термопары, подключенные к соединительным проводам, находятся при одинаковых температурах, то подключение измерительного прибора не изменяет термоЭДС.

2. ЭДС термопары является функцией двух независимых температур – температур ее спаев Е = Е(t₁, t₂) – и не зависит от температур других точек термопары. ЭДС термопары (4.141) есть сумма функций одной переменной.

3. Если термопара имеет температуры спаев tиt₀, то термоЭДС равна алгебраической сумме двух ЭДС, одна из которых генерируется при температуре спаевtиt ₀, другая – при температурахt ₀иt₀(рис. 4.38):

(4.142)

Это свойство используется при измерении температуры спая t, если температура второго спаяt ₀ отличается от температурыt₀, при которой была произведена градуировка термопары.

При t₀ = 0функцияЕ(t, 0)представляет собой градуировочную функцию преобразования данной термопары. ЗначениеЕ(t,t₀) определяется экспериментально, а значениеЕ(t₀, 0)– по значению температурыt ₀и градуировочной функции преобразования. По значениямЕ(t,t₀) иЕ(t₀, 0)вычисляетсяЕ(t₀, 0), по которой определяется измеряемая температура.

Таблица 4.1.

Тип термопары	Материал термоэлектродов	Обозначение градуировки	Диапазон измерения при длительном измерении, С
ТХК	Хромель – копель	ХК (L)	– 200 … + 600
ТХА	Хромель – алюмель	ХА (К)	– 200 … + 1000
ТПП	Платинородий (10%) – платина	ПП (S)	0… +1300
ТВР	Вольфрамрений (5%) – вольфрамрений (20%)	ВР (А) – 1	0 … 2200

Термоэлектрические преобразователи используются для измерительного преобразования температуры в ЭДС. В табл. 4.1 приведены наиболее широко используемые термопары (ГОСТ 6616-84) и их основные характеристики (ГОСТ 3044-84).

Градуировочные характеристики и допустимые погрешности этих термопар также приведены в ГОСТ 3044-84.

Термоэлектрический датчик обычно называется термопарой. Устройство промышленной термопары показано на рис. 4.39. Термоэлектроды 1 изолируются друг от друга керамическими бусами2или керамической трубкой; одним своим концом они свариваются, другим – подсоединяются к зажимам в головке3, служащей для подключения внешних проводов. Термоэлектроды помещаются в защитный чехол4 (трубку, закрытую с одной стороны). Чехол делается из жаропрочной стали, а при измерении очень больших температур – из керамики или кварца.

Место соединения термоэлектродов называется горячим или рабочим спаем. Противоположные концы называются холодными илисвободными. Обычно в месте свободного спая термопара разомкнута. ЭДС термопары обычно не превосходит 50мВ.

Схемы включения. Рабочий конец термопары погружается в среду, температуру которой требуется измерить. Свободные концы подключаются к вторичному прибору. Если температура свободных концов постоянна, то подключение может быть сделано медным проводом, а если не постоянна, то оно выполняется специальными удлинительными (компенсационными) проводами, В качестве последних используются два провода различных материалов. Провода подбираются так, чтобы при температуре свободных спаев и в паре между собой они имели такие же термоэлектрические свойства, как и рабочая термопара. При подсоединении к термопаре компенсационные провода удлиняют ее и дают возможность отвести холодный спай образованной составной термопары в такое место, где температура остается постоянной.

В качестве вторичных преобразователей используются либо магнитоэлектрические милливольтметры, либо потенциометры постоянного тока.

В лабораторной практике используются потенциометры с ручной компенсацией, а в производственной – автоматические потенциометры. Упрощенная схема автоматического потенциометра приведена на рис. 4.40. Термопара Т включается таким образом, что ее ЭДСЕ направлена встречно компенсирующему напряжениюЕ_к, создаваемому с помощью мостовой цепи. Это напряжение изменяется пропорционально перемещению движка по реохордуR_p. Разность ЭДС термопары и компенсирующего напряженияЕ – Е_к усиливается усилителем и подается на реверсивный двигательРД. Вал двигателя, вращаясь, через редуктор. перемещает движок реохорда так, чтобы разностьЕ – Е_к уменьшалась. Когда она становится равной нулю, вал останавливается. С движком реохорда связаны стрелка прибора, перемещающаяся по шкале, записывающее устройство, регистрирующее текущее значение температуры, контакты для ее регулирования, а также устройство для дистанционной передачи показаний.

Для увеличения стабильности напряжения Е_ки точности измерения температуры мост питается от стабилизированного источника напряжения ИПС, а сопротивления плеч моста изготавливаются из манганинового провода.

Современные автоматические потенциометры имеют основную приведенную погрешность измерения (0,25 – 1) %, погрешность регистрации(0,5 – 1) %.

Погрешность термоэлектрического термометра. Одним из источников погрешности термоэлектрического термометра является несоответствие температуры свободных концов термопары температуре, при которой была произведена градуировка.

Номинальная функция преобразования термопар со стандартной градуировкой задается градуировочной таблицей. Она определяет зависимость ЭДС Е(t, t₀₎ термопары от измеряемой температурыtпри температуре свободных спаевt₀ = 0  С. Если в условиях измерения температура свободных спаевt ₀не равна температуреt₀, то ЭДС термопарыЕ(t, t ₀₎отличается от ЭДСЕ(t, t₀₎, которая нужна для определения температуры по стандартной градуировке. Введение поправки основано на третьем свойстве термопары.

Второй член Е(t _{0, t0)}правой части равенства (4.142) определяет поправку.Е(t _{0, t0)}представляет собой ЭДС термопары при условии, что ее свободные концы находятся при температуре градуировкиt₀, а рабочие – при температуреt ₀. ЗначениеЕ(t _{0, t0)}определяется по таблице стандартной функции преобразования.

Вследствие неравенства температур t₀  t ₀ показание пирометрического милливольтметра не равно действительной температуре. Поправка к его показаниям приближенно может быть определена соотношением

(4.143)

где k– коэффициент, зависящий от измеряемой температуры и от вида термопары.

Для хромель-копелевой термопары он лежит в пределах 0,8 – 1; для хромель-алюминиевой – в пределах 0,98 – 1,11; для платинородий-платиновой – в пределах 0,82 – 1,11. При малом значении t = t ₀  t₀в ряде случаев можно принятьk = 1. Это позволяет вводить поправку в показания пирометрического милливольтметра с помощью корректора нуля. При отключенной термопаре стрелку прибора с по мощью корректора ставят на отметку, соответствующуюt ₀. При включении термопары и измерении температуры показания пирометра будут больше некорректированных на значениеt. Такое введение поправки целесообразно, когда значениеt ₀сохраняется постоянным.

В показания автоматического потенциометра поправка вводится автоматически. Для этого в одном из плеч моста включена катушка, намотанная медной проволокой, сопротивление которой R _м= R₀(1 +  t ₀)зависит от ее температуры. Катушка помещена возле зажимов потенциометра, к которым подводятся удлинительные провода, и имеет температуру свободных концов “ составной” термопары. Температурное изменение сопротивления катушки создает дополнительный разбаланс моста, равный ЭДС поправкиЕ(t _{0, t0)}. Поправка пропорциональна отклонению температуры свободных концовt ₀от их номинальной температурыt₀ = 0 С.

Другим источником погрешности термоэлектрического термометра является изменение сопротивления измерительной цепи термоэлектрического преобразователя.

В качестве пирометрического милливольтметра применяются приборы магнитоэлектрической системы. Для повышения чувствительности они выполняются с относительно малым внутренним сопротивлением. При этом измеряемое напряжение зависит от сопротивления внешней цепи. Внешняя цепь милливольтметра состоит из термопары, удлинительных и соединительных проводов и специальных манганиновых уравнительных (подгоночных) катушек. Изменение сопротивления этих элементов приводит к погрешности термоэлектрического термометра. Для иллюстрации заметим, что при помещении платинородий-ллатиновсй термопары с электродами толщиной 0,5 мм в печь с температурой 1000С на глубину одного метра ее сопротивление изменяется на 3,86 Ом. Погрешность может происходить также вследствие плохой подгонки сопротивлений уравнительных катушек.

Можно показать, что приведенная погрешность, вызванная изменением сопротивления внешней цепи на R _{ц, равна}

(4.144)

где R _{в – внутреннее сопротивление милливольтметра;} R _{ц – номинальное сопротивление его внешней цепи.}

_{Сопротивление пирометрического милливольтметра} R _{в и номинальное сопротивление внешней цепи} R _{вн, ном, при котором он градуировался, указываются на его шкале.}

_{Термоэлектрический термометр с потенциометром свободен от рассматриваемой погрешности. В момент компенсации по внешней цепи ток не течет и на ее сопротивлении отсутствует падение напряжения. Потенциометр измеряет термоЭДС.}

studfiles.net

Принцип работы термопары, определение, типы и виды термопар, схемы работы термопары, способы подключения

Термопара — термоэлектрический преобразователь — это два разных сплава металла (проводники) которые образуют замкнутую цепь (термоэлемент). Термопара — один из наиболее распространенных в промышленности температурный датчик. Применяется в любых сферах промышленности, автоматики, научных исследованиях, медицине — везде, где нужно измерять температуру. Так же применяется в термоэлектрических генераторах для преобразования тепловой энергии в электрическую.

Действие термопары основано на эффекте, который впервые был открыт и описан Томасам Зеебеком в 1822 г. — термоэлектрический эффект или эффект Зеебека. В замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает термоэлектрический эффект (термо-ЭДС), если места контактов поддерживают при разных температурах. Цепь, которая состоит только из двух различных проводников, называется термоэлементом или термопарой. В сочетании с электроизмерительным прибором (милливольтметром, потенциометром и т. п.), термопара образует термоэлектрический термометр.

Измерительный прибор подключают либо к концам термоэлектродов, либо в разрыв одного из них. В среду, которую контролируют, помещают рабочий спай, а свободные концы подсоединяются к измерительному прибору. Чем больше различие между свойствами проводников и тепловой перепад на концах, тем выше термо-ЭДС.

По-простому — термопара это две проволоки из разнородных металлов (например, Хромель и Копель), сваренных или скрученных между собой. Место сварки (скрутки) называется рабочий спай Т1, а места соединения с измерительным прибором Т2 называют холодными спаями. То есть рабочий спай помещают в среду, температуру которой необходимо измерить, а холодные спаи подключают к приборам (милливольтметр). Но надо знать прибор — например, ИРТ 7710 не меряет температуру рабочего спая, он меряет разницу температур холодного и рабочего спаев. Это значит простым милливольтметром (тестером) мы можем узнать, поступает ли сигнал с рабочего спая (есть обрыв или нет), узнать где у термопары плюс (+) а где (-), примерно узнать какой тип термопары (но для этого нужен точный милливольтметр).

Типы, виды термопар

Типы российских термопар приведены в ГОСТ 6616-94.

Почему российские термопары? Термопара ТХК, то есть Хромель-Копель была придумана в СССР и сейчас выпускается только у нас и в странах СНГ. Не известно почему, но везде пишут ХК (L) — в скобках подразумевается международный тип, но это не так — на западе тип L это (Fe-CuNi). Может быть, они чем то и похожи по названию металлов входящих в сплав, но самое главное — у них разные таблицы НСХ. Мы с этим столкнулись, заказывая термопару из Италии. Наш совет — когда закупаете термопарный провод или кабель, сравнивайте таблицы НСХ, т.е. номинальные статические характеристики преобразователя ГОСТ Р 8.585-2001.

Таблица соответствия типов отечественных и импортных термопар

Тип температурного датчика	Сплав элемента	Российская маркировка температурных датчиков	Температурный диапазон
	Термопара типа ТХК — хромель, копель (производства СССР или РФ)	хромель, копель	-200 … 800 °C
Термопара типа U	медь-медьникелевые		-200 … 500 °C
Термопара типа L	хромель, копель	ТХК	-200 … 850 °C
Термопара типа B	платинородий — платинородиевые	ТПР	100 … 1800 °C
Термопара типа S	платинородий — платиновые	ТПП	0 … 1700 °C
Термопара типа R	платинородий — платиновые	ТПП	0 … 1700 °C
Термопара типа N	нихросил нисил	ТНН	-200 … 1300 °C
Термопара типа E	хромель-константановые	ТХКн	0 … 600 °C
Термопара типа T	медь — константановые	ТМК	-200 … 400 °C
Термопара типа J	железо — константановые	ТЖК	-100 … 1200 °C
Термопара типа K	хромель, алюмель	ТХА	-200 … 1300 °C

Таблица ANSI Code (Американский национальный институт стандартов) и IEC Code (Международная электротехническая комиссия — МЭК)

В настоящее время в её состав входят более 76 стран (наша в том числе).

eltermo.ru

Термоэлектрические датчики

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Принцип действия

Термоэлектрические датчики относятся к датчикам генераторного типа. Их работа основана на одном из термоэлектрических явле­ний — появлении термоэлектродвижущей силы (термоЭДС).

Сущность этого явления заключается в следующем. Если соста­вить электрическую цепь из двух разнородных металлических про­водников (или полупроводников), причем с одного конца провод­ники спаять, а место соединения (спай) нагреть, то в такой цепи возникает ЭДС. Эта ЭДС будет пропорциональна температуре места спая (точнее — разности температур места спая и свободных, неспа­янных концов). Коэффициент пропорциональности зависит от ма­териала проводников и в определенном интервале температуры остается постоянным. Цепь, составленная из двух разнородных ма­териалов, называется термопарой; проводники, составляющие тер­мопару, называются термоэлектродами; места соединения термо­электродов— спаями. Спай, помещаемый в среду, температуру ко­торой надо измерить, называется горячим или рабочим. Спай, относительно которого измеряется температура, называется холод­ным или свободным. Возникающая при различии температур горя­чего и холодного спаев ЭДС называется термоЭДС. По значению этой термоЭДС можно определить температуру.

Физическая сущность возникновения термоЭДС объясняется наличием свободных электронов в металлах. Эти свободные элект­роны хаотически движутся между положительными ионами, образу­ющими остов кристаллической решетки. В разных металлах свобод­ные электроны обладают при одной и той же температуре разными скоростью и энергией. При соединении двух разнородных металлов (электродов) свободные металлы из одного электрода проникают в Другой. При этом металл с большей энергией и скоростью свобод­ных электронов больше их теряет. Следовательно, он приобретает положительный потенциал. Металл с меньшей энергией свободных электронов приобретает отрицательный потенциал. Возникает кон­тактная разность потенциалов. При одинаковой температуре спаев (θ₁= θ₂на рис. 10.1,а) контактная разность потенциалов не может создать тока в замкнутой цепи.

Контактная разность в спае 1 на­правлена навстречу контактной разности в спае2. Но если нагреть один из спаев (рабочий) до температуры θ₁> θ₂, то контактная раз­ность в спае1 увеличится, а в спае2 останется без изменения. В ре­зультате в контуре и возникает термоЭДС, тем большая, чем больше разность температур спаев 7 и2 (9, — 6₂).

Для измерения термоЭДС, вырабатываемой термопарой, в цепь термопары включают измерительный прибор (например, милли­вольтметр). Милливольтметр включают, разомкнув свободный спай (рис. 10.1, б), либо в разрыв одного из термоэлектродов (рис. 10.1,в). Как видно из схем включения измерительного прибо­ра, в случае разомкнутого свободного спая (рис. 10.1,б) у термопа­ры три спая: один горячий1 и два холодных2 и 3, которые должны иметь постоянную температуру. При включении милливольтметра в разрыв одного из термоэлектродов (рис. 10.1,в) имеется четыре спая: один горячий 7, один холодный2 (он должен иметь постоян­ную температуру), два нейтральных3 и4 (они должны находиться при одинаковой, но не обязательно постоянной температуре). Для обеих схем термоЭДС и показания прибора будут одинаковыми, если соответственно одинаковыми будут температуры горячих и хо­лодных спаев. В этом нетрудно убедиться, если составить уравнения по второму закону Кирхгофа для каждого из контуров.

Способ изготовления спая (сваркой, спайкой и т. п.) на термо­ЭДС не влияет, если только размеры спая таковы, что температура его во всех точках одинакова.

ТермоЭДС, вырабатываемая термопарой, составленной из элек­тродов А иВ, является разностью двух термоЭДС:e_AB(θ₁) — термо­ЭДС горячего спая при температуре 6,;e_AB(θ₂) — термоЭДС холод­ного спая при температуре θ ₂, т. е.

E_AB=e_AB(θ₁) – e_AB(θ₂)

Значения термоЭДС и ее направление зависят от материалов электродов Аи В.

В табл. 10.1 приведены термоЭДС для разных материалов в паре cплатиной при температуре горячего спая 100 °С (373 К) и темпера­туре холодного спая 0 °С (273 К). Знак плюс перед термоЭДС озна­чает, что в холодном спае ток идет по направлению к платиновому электроду.

Таблица 10.1. ТермоЭДС основных материалов для термопар в паре с платиной (температура рабочего спая при 100 «С, температура холодного спая равна нулю)

Материал	ТермоЭДС, мВ	Материал	ТермоЭДС, мВ
Платина	0	Платинородий (10 % родия)	+0,64
Кремний	+44,8	Вольфрам	+0,8
Хромель	+2,95	Модибден	+1,3
Железо	+1,8	Алюмель	-1,15
Медь	+0,76	Копель	-4,0

Если составить термопару из материалов, которые по отноше­нию к платине имеют термоЭДС разных знаков, то термоЭДС такой термопары будет равна сумме термоЭДС материалов по отношению к платине. Например, из табл. 10.1 берем данные для термоЭДС Меди в паре с платиной +0,76 мВ и термоЭДС сплава копель в паре с платиной — 4,0 мВ. Термопара медь—копель на основании урав­нения (10.1) будет иметь термоЭДС Е_АВ = 0,76 — (-4) = +4,76 мВ. Ма­териалы для термопар следует подбирать таким образом, чтобы термоЭДС имели достаточно большие значения, обеспечивающие вы­сокую чувствительность измерения.

Измерение температуры с помощью термопар

При автоматическом измерении температуры с помощью термопар используются два основных метода: непосредственное измерение термоЭДС с помощью милливольтметра и компенсационный метод, рассмотренный в § 2.7.

Так как значение термоЭДС, развиваемой термопарой, невели­ко, для непосредственного измерения ее необходимы высокочувст­вительные милливольтметры магнитоэлектрического типа. Приборы этого типа работают на основе взаимодействия магнитного поля по­стоянного магнита и измеряемого тока, протекающего по подвиж­ной рамке. Для создания достаточного вращающего момента при весьма небольшом токе рамка выполняется из большого числа вит­ков тонкого медного провода. Противодействующий момент созда­ется спиральными пружинами, по которым и подводится ток в рам­ку. Шкала милливольтметра градуируется непосредственно в градусах и на ней указывается тип термопары, для которой предназначен данный милливольтметр.

Обозначим через R_B сопротивление милливольтметра,R_Т — со­противление термопары,R_П — сопротивление соединительных про­водов. Ток, проходящий по рамке милливольтметра под действием термоЭДСЕ_ТП,

I_B = E_ТП(R_{В +} R_{Т +} R_П)

Из этой формулы видно, что показания прибора зависят не то­лько от термоЭДС Е_тп, но и от сопротивленийR_B, R_Т, R_П. Так как шкала прибора уже проградуирована для термопары

определенного типа, то сопротивления R_r иR_B уже учтены при градуировке. А сопротивления внешней цепи также указываются на шкале (обычно 0,6; 5; 15 или 25 Ом).

Оценим показания прибора, шкала которого проградуирована в милливольтах. Напряжение на его зажимах U_B = I_BR_B.

С учетом (10.2)

U_B = E_ТПR_B(R_{B +} R_T+R_П)

Обозначим внешнее сопротивление цепи R_BH = R_T + R_П и выразим из (10.3) термоЭДС

Е_ТП = U_B(R_B + R_ВН)/R_B =U_B+ U_B(R_BH+R_B)

Из (10.4) видно, что измеряемое милливольтметром напряжение будет всегда меньше, чем ЭДС термопары, на U_B(R_BH/R_B). Эта вели­чина будет тем меньше, чем больше сопротивление милливольтмет­ра R_B по сравнению с внешним сопротивлением R_BH. Обычно мил­ливольтметры имеют кроме сопротивления рамки еще добавочное сопротивление из манганина, что в сумме дает не менее 100 Ом.

Обычно градуировка термопар осуществляется при температуре холодного спая θ₂ = 0. На практике при измерении температуры θ₂, холодный спай имеет θ₂ = 0. Следовательно, по измеренной термоЭДС нельзя точно определить θ ₂. Необходимо вводить так называ­емую поправку на температуру холодных спаев. Существует неско­лько способов поддержания неизменной температуры холодных спаев. Например, можно поместить холодные спаи в ванну с таю­щим льдом, но это возможно лишь в лабораторных условиях или при наладке. Можно холодные спаи закапывать в землю на глуби­ну нескольких метров, где температура довольно стабильна, или помещать холодные спаи в специальную коробку с тепловой изо­ляцией.

Если температура холодных спаев известна, то к показаниям из­мерительного прибора добавляют поправку, соответствующую термоЭДС при θ₂. Эту поправку следует брать из градуировочной кри­вой.

Поправку на температуру хо­лодных спаев можно ввести и ме­ханическим путем: при отключен­ной термопаре сместить стрелку на шкале прибора на отметку, соот­ветствующую температуре холод­ных спаев (обычно температуре окружающей среды). Применяют также схемы автоматической кор­рекции температурных погрешно­стей, в которых используются свойства терморезисторов изме­нять сопротивление в зависимости от температуры.

Рассмотрим принципиальную схему включения термопары и милливольтметра (рис. 10.3). Из­мерительный прибор может нахо­диться на довольно значительном удалении от термопары. Длина соединительных проводов может составлять несколько метров. В мес­тах присоединения этих проводов также возникают термоЭДС. Для точной компенсации этих термоЭДС необходим определенный под­бор материалов проводов и термопар. Для присоединения термопар служат специальные так называемые компенсационные провода. Каждой паре материалов компенсационных проводов присваивают буквенное обозначение, а каждому материалу придают определен­ную расцветку, для чего используют оплетку из цветной пряжи или цветные опознавательные нити, проложенные в проводе.

Для термопар типа ТПП применяют компенсационные провода с обозначением П в красной и зеленой оплетке с зелено-белыми нитями внутри. Материал провода — медь в паре с медно-никелевым сплавом. Для термопар типа ТХА применяют провода с обозна­чением М в красной и коричневой оплетке с красно-белыми нитя­ми из меди в паре с константаном. Для термопар ТХК применяют провода с обозначением ХК в фиолетово-желтой оплетке с нитями такого же цвета и материалом хромель—копель, т. е. компенсацион­ными проводами могут быть и основные термоэлектроды.

Рассмотрим измерение температуры компенсационным методом с помощью термопары и автоматического потенциометра. На рис. 10.4 показаны термопара ТП, вырабатывающая термоЭДС Е_д и мостовая схема, вырабатывающая компенсирующее напряжение U_K, снимаемое между точками А и Б. Разность этих напряжений подает­ся на вход усилителя (У), который питает управляющую обмотку исполнительного электродвигателя (ЭД). Обмотка возбуждения ЭД постоянно подключена к источнику переменного напряжения, а скорость вращения ЭД зависит (примерно пропорционально) от напряжения на его управляющей обмотке. Электродвигатель (ЭД) че­рез редуктор (Р) перемещает движок калиброванного реохорда (потенциометрического датчика) R_п до тех пор, пока напряжение U_K не сравняется с Е_п. Одновременно перемещаются указатель на шкале прибора и перо самописца. При U_K = Е_а напряжение на входе усили­теля равно нулю (U_K – Е_д = 0) и электродвигатель (ЭД) остановится. Каждому значению выходного сигнала датчика Е_д =f(T °С) соответ­ствует определенное положение указателя на шкале. Шкала проградуирована в °С и на ней указан тип термопары, для которой выпол­нена градуировка.

Мостовая схема в данном случае служит не для измерения, а для выработки компенсирующего напряжения U_K и автоматической коррекции из-за изменения температуры холодного спая. Плечи мо­ста состоят из проволочных резисторов R₁— R₃, выполненных из ма­териала с малым температурным коэффициентом сопротивления (например, из манганина), и терморезистора R_K, изготовленного из материала с большим температурным коэффициентом сопротивле­ния (например, из меди или никеля). Резистор располагается вбли­зи холодных спаев термопары. Мост питается от источника посто­янного тока Е — обычно это батарейка (например, сухой элемент типа ЭСЛ-30). При всяком изменении температуры холодных спаев термопары изменяется Е_д и одновременно меняется сопротивление R_K, что приводит к изменению компенсирующего напряжения U_K на ту же величину, на какую изменилось Е_д. Следовательно, колебания окружающей температуры не изменяют показаний на шкале прибо­ра. Регулировочное сопротивление R_p служит для установки тока питания моста при разряде батареи (уменьшении Е).

Обычно на панели автоматического потенциометра имеется кнопка с самовозвратом, обозначенная словами «Установка рабоче­го тока». При нажатии этой кнопки, не показанной на рис. 10.4, ра­бочая цепь прибора размыкается, а усилитель включается на раз­ность ЭДС батарейки и специального стабильного нормального эле­мента. Если батарейка разрядилась, то под действием разности этих ЭДС, усиленной усилителем, электродвигатель ЭД перемещает дви­жок регулировочного резистора R_p, автоматически устанавливая требуемое значение тока питания моста.

Ответственной деталью в измерительной схеме является рео­хорд. Он выполнен из манганиновой проволоки, намотанной на медной изолированной основе. Движок реохорда выполнен в виде контактного ролика.

Автоматические потенциометры могут иметь переключатели для поочередного подключения до 24 термопар.

studfiles.net

Термоэлектрические преобразователи (термопары)

Принцип действия термопар основан на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что в замкнутом контуре, состоящем из двух разнородных проводников (или полупроводников), течет ток, если места спаев проводников имеют различные температуры. Если взять замкнутый контур, состоящий из разнородных проводников (термоэлектродов), то на их спаях возникнут термоЭДС E(t) и E(t₀), зависящие от температур этих спаев t и t₀. Так как эти термо ЭДС оказываются включенными встречно, то результирующая термоЭДС, действующая в контуре, равна E(t) – E(t₀).

При равенстве температур обоих спаев результирующая термоЭДС равна нулю. Спай, погружаемый в контролируемую среду, называется рабочим концом термопары, а второй спай – свободным.

У любой пары однородных проводников значение результирующей термоЭДС зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температуры вдоль проводников. Термоэлектрический контур можно разомкнуть в любом месте и включить в него один или несколько разнородных проводников. Если все появившиеся при этом места соединений находятся при одинаковой температуре, то результирующая термоЭДС, действующая в контуре, не изменяется. Это используется для измерения термоЭДС термопары. Создаваемая термопарами ЭДС сравнительно невелика: она не превышает 8 мВ на каждые 100 ⁰С и обычно не превышает по абсолютной величине 70 мВ.

Термопары позволяют измерять температуру в диапазоне от –200 до 2200 ⁰С. Для измерения температур до 1100 ⁰С используют в основном термопары из неблагородных металлов, для измерения температур от 1100 до 1600 ⁰С – термопары из благородных металлов и сплавов платиновой группы, а для измерения более высоких температур – термопары из жаростойких сплавов (на основе вольфрама).

Наибольшее распространение для изготовления термоэлектрических преобразователей получили платина, платинородий, хромель, алюмель.

При измерениях температуры в широком диапазоне учитывается нелинейность функции преобразования термоэлектрического преобразователя. Так, например, функция преобразования медь-константановых термопар в диапазоне температур от –200 до 300 ⁰С с погрешностью ± 2 мкВ описывается эмпирической формулой:

E = At² + Bt + C, (7)

где A, B и C – постоянные, определяемые путем измерения термо ЭДС при трех известных температурах;

t – температура рабочего спая при ⁰С.

Термопары имеют следующие преимущества: простота изготовления и надёжность в эксплуатации, дешевизна, отсутствие источников питания и возможность измерений в большом диапазоне температур.

 Наряду с этим термопарам свойственны и некоторые недостатки — меньшая, чем у терморезисторов, точность измерения, наличие значительной тепловой инерционности, необходимость введения поправки на температуру свободных концов и необхо­димость в применении специальных соединительных проводов.

Кварцевые термопреобразователи

Для измерения температур от –80 до 250 ⁰С часто используются так называемые кварцевые термопреобразователи, использующие зависимость собственной частоты кварцевого элемента от температуры. Работа данных датчиков основана на том, что зависимость частоты преобразователя от температуры и линейность функции преобразования изменяются в зависимости от ориентации среза относительно осей кристалла кварца.

Кварцевые термопреобразователи имеют высокую чувствительность (до 10³ Гц/⁰С), высокую временную стабильность (2*10 ^–20С /год) и разрешающую способность (10 ^–4 – 10 ^–7) ⁰С, что и определяет перспективность. Данные датчики широко используются в цифровых термометрах.

studfiles.net