Термоэлектрические преобразователи. Контроль температуры

Работы 2,3

Термоэлектрические преобразователи. Контроль температуры

1. Принцип измерения температуры термоэлектрическим методом. Конструкция термопары

Первичным преобразователем термоэлектрического термометра служит термопара, состоящая из двух разнородных проводников. Принцип действия термопары основан на термоэлектрическом эффекте, т.е. на возникновении в замкнутой цепи из двух разнородных проводников электрического тока, в том случае если места спаев имеют разную температуру [1].

Рис 1. Термоэлектрическая цепь из двух разнородных

проводников

Спай с температурой t называется горячим или рабочим, спай с температурой t₀- холодным или свободным, а проводники А и В - термоэлектродами.

Термоэлектри­ческий эффект объясняется наличием в металлесвободных элек­тронов, число которых в единице объема различно для разных металлов.

Электрическое поле, возникающее в месте соприкосновения проводников, препятствует диффузии электронов, и, когда скорость диффузии электронов станет, равна скорости их обратного перехода под влиянием установившегося электрического поля, наступает состояние подвижного равновесия. При таком состоянии между проводниками возникает некоторая разность потенциалов, а следовательно, и ТЭДС. Таким образом, термоЭДС (ТЭДС) является функцией двух переменных величин, т.е. Е_АВ (t,t₀).

Поддерживая температуру спаев t₀ постоянной, получим

Е_АВ (t,t₀)=f (t).

Это означает, что измерение температуры t сводится к определению ТЭДС термопары. ТЭДС не меняется от введения в цепь термопары третьего проводника, если температуры концов этого проводника одинаковы. Следовательно, в цепь термопары можно включать соединительные провода и измерительные приборы.

Требования к материалу для изготовления термопары:

1. постоянство ТЭДС во времени;

2. устойчивость к воздействию высоких температур;

3. возможно большая величина ТЭДС и однозначная зависимость ее от температуры;

4. небольшой температурный коэффициент электрического сопротивления и большая электропроводность;

5. Воспроизводимость термоэлектрических свойств, обеспечивающих взаимозаменяемость термопар.

2. Типы стандартных термопар и диапазоны изменяемых температур для каждого их вида

В соответствии с ГОСТ 6616-94 [3] известны следующие виды термопар (см. таблицу).

Таблица 1

Тип термопары	Буквенное обозначение НСХ	Пределы измеряемых температур
		Нижний	Верхний	Кратко-временно
Медь-константановая ТМКн	T	-200	350	400

Окончание табл. 1

Хромель-копелевая ТХК		L		-200		600	800
Хромель-константановая ТХКн		E		-200		700	900
Железо-константановая ТЖКн		J		-200		750	900
Хромель-алюмелевая ТХА		K		-200		1200	1300
Нихросил-нисиловая ТНН		N		-270		1200	1300
Платинородий-платиновые ТПП13, ТПП10		R,S		0		1300	1600

Платинородий-платинородиевая	B	600	1700	-
Вольфрамрений-вольфрамрени-евые	А-1,А-2, А-3	0	2200	2500

3. Применение термоэлектродных проводов и их свойства

Правильное измерение температуры возможно лишь при постоянстве температуры холодных спаев. Соединительные провода предназначены для удаления холодных спаев термопары на возможно большее расстояние от объекта измерения, т.е. от зоны с меняющейся температурой [1].

Соединительные провода должны быть термоэлектрическими, подобно термоэлектродам термопары, их целесообразно называть термоэлектродными проводами. Термоэлектродные провода для термопар из неблагородных металлов выполняются из тех же металлов. Для термопар из благородных металлов термоэлектродные провода выполняются из сплава (99,4% Cu + 0,6%Ni).

4. Измерительные приборы применяемые комплексно с термопарами для измерения температуры

Для измерения ТЭДС в комплектах термоэлектрических термометров применяют милливольтметры и потенциометры.

Милливольтметры делятся на переносные и стационарные, а потенциометры — на лабораторные, переносные и автоматиче­ские. Милливольтметры – это магнитоэлектрические приборы: их работа основана на взаимодействии проводника, по которому течет ток магнитного поля постоянного магнита [1].

Принцип потенциометрического метода измерения основан на уравновешивании (компенсации) измеряемой ТДЭС известной разностью потенциалов, образованной вспомо­гательным источником тока.

5. Принцип действия магнитоэлектрического милливольтметра

Рис. 2. Магнитная и подвижная системы милливольтметра:

1-постоянный магнит;

2-полюсный наконечник;

3-сердечник; 4-рамка;

5-стрелка; 6-керн;7-стойка;

8-агатовый подпятник;

9-пружина; 10-корректор нуля;

11-зажим;12-добавочное сопротивление; 13-противовес

Магнитная система милливольтметра (рис. 2) состоит из подковооб­разного магнита, полюсных наконечников и цилиндрического сердеч­ника. В воздушном кольце­вом зазоре между полюсными наконечниками и сердечником вращается рамка из медного (реже алюминиевого) провода. Чаще всего рамка крепится на кернах, которые опира­ются на подпятники из агата или рубина. Момент, проти­водействующий вращению рамки, создаётся спираль­ными пружинами, которые одновременно служат и для подвода тока от термоэлек­трического преобразователя к рамке [1].

В более точных, а также в регистри­рующих приборах рамка подвешивается на тонких металлических лен­тах (рис. 3), которые соз­дают проти­водействующий момент и одновременно служат для подвода тока. С помощью грузиков подвиж­ная система уравновешива­ется так, чтобы центр ее тя­жести на­ходился на оси рамки. Ток, протекая через рамку, вызывает появление двух одинаковых сил, направленных в разные стороны и стремящихся повернуть рамку [1]. Вращающий момент, соз­даваемый этими силами, равен:

М_φ = k₂Eφ, или М_φ = k₂Gφ,

где k₂ — постоянный множитель, зависящий от геометрических размеров упругой детали; Е — модуль продольной упругости (при уравновешивании упругой спиральной пружиной); G — модуль сдвига (при уравновешивании закручиванием ленточного подвеса).

Изменения В и Е при изменении температуры окружающей среды не влияют на показания милливольтметра, так как обе величины изменяются почти одинаково. Тогда зависимость угла поворота рам­ки от величины тока может быть выра­жена приближенной формулой Ф~СI, из которой следует, что шкала милли­вольтметра равномерна и чувствитель­ность прибора одна и та же в любом месте шкалы.

В приборах с рамкой на кернах не­обходимо учитывать момент трения в опорах, который вносит погрешность в результаты измерений и создает ва­риа­цию в показаниях прибора. Погрешно­сти вызыва­ются также неуравновешен­ностью по­движной системы, когда ее центр тяже­сти не совпадает с осью вра­щения. Неотбалансированный прибор имеет непрямолинейную зависимость угла отклонения от величины тока.

Отечественная приборостроительная промышленность выпускает показыва­ющие милливольтметры с различными пределами измерений.

6. Свойства, исключающие, влияние колебаний температуры свободного спая термопары на показании милливольтметра, электронного потенциометра

И змерительные схемы всех автоматических потенциометров предусматривают автоматическое введение поправки на температуру холодных спаев термопары. С этой целью они выполняются в виде неуравновешенного моста [1].

Рассмотрим электрическую схему автоматической компенса­ции температуры холодных спаев температуры (рис. 4). Термопара включается последовательно с неуравновешенным мостом, три плеча которого (R₁, R₂ и R₃) выполнены из манганина, а четвертое (R₄) - медное. Схема питается из стабилизирован­ного источника питания. До­бавочное сопротивление R_d служит для подгонки подавае­мого на мост напряжения до нужного значения.

При постоянном на­пряжении источника питания изменением сопротивления R_d можно настраивать мост для работы с термопарами различ­ных градуировок. От термо­пары до компенсационного моста прокладываются термо­электродные провода, от моста до измерительного прибора - медные.

При градуировочной температуре холодных спаев термопары мост находится в равновесии, и разность потенциалов на вершинах моста cd равна нулю. С изменением температуры холодных спаев меняется сопротивление R₄, вследствии чего нарушается равновесие моста, и на его вершинах cd возникает разность потенциалов, которая должна быть равна по величине и противоположна по знаку изменению ТЭДС термопары, вызванному отклонением температуры ее холод­ных спаев от градуировочной [1].

7. Сущность нулевого (компенсационного) метода измерения ТЭДС

С хема потенциометра с постоянной силой тока в компенсаци­онной цепи показана на рис. 5. В этой схеме три электрические цепи. В цепь источника тока (компенсационную) входит источник тока Е, регулировочное сопротивление R_b (реостата), постоянное сопротивле­ние R_НЭ и измерительное сопротивление R_Р с перемещающимся вдоль него контактом Д. Измерительное сопротивление в потенциометрах выполняется в виде калиброван­ной проволоки (реохорда), секци­онного сопротивления или в виде сочетаний того и другого [1].

В цепь нормального эле­мента входит нормальный эле­мент НЭ, сопротивление R_НЭ и нулевой прибор НП. В цепь тер­мопары входит термопара, нуле­вой прибор НП и часть измери­тельного сопротивления R_P.

Нормальный элемент, предназначенный для контроля постоянства разности потенциа­лов между конечными точками реохорда, развивает вполне опре­деленную постоянную во времени ЭДС. Обычно применяется ртутно-кадмиевый гальванический элемент Вестона, развивающий при температуре 20⁰С ЭДС, равную 1,01830 В, и сохраняющий это значение при малых и кратковременных нагрузках в течение длитель­ного времени. Пользуясь нормальным элементом, можно довольно точно установить постоянство разности потенциалов на концах рео­хорда. Для этой цели переключатель П переводят на контакт К, вклю­чая НП в цепь НЭ и одновременно разрывая цепь термопары.

Нормальный элемент присоединяется к концам сопротивления R_НЭ и притом так, что его ЭДС оказывается направленной навстречу ЭДС источника тока Е. Регулируя ток в компенсационной цепи реостатом R_b, добиваются такого положения, при котором разность потенциалов на концах сопротивления становится равной ЭДС НЭ. При этом ток в цепи нормального элемента равен нулю, и стрелка НП устанавливается на нуле шкалы. В этом случае ток в компенсационной цепи:

.

Для измерения ТЭДС термопары переключатель П переводят на контакт И, подключая тем самым термопару последовательно с НП к измерительному сопротивлению в точке b и скользящему контакту Д ТЭДС термопары тогда будет действовать в сторону, противоположную ЭДС источника тока Е.

Перемещая контакт Д, находят такое его положение, при котором разность потенциалов между точками b и Д измерительного сопротивления равна ТЭДС термопары; при этом ток к цепи термопары равен нулю (стрелка НП устанавливается на нуль шкалы). Тогда