Лекция 6
27. Конструкция термоэлектрических преобразователей постоянного и кратковременного действия. Требования предъявляемые к термопарам.
Термометры термоэлектрические представляют собой чувствительные элементы в виде двух проводов из разнородных металлов или полупроводников со спаянными концами. Действие термоэлектрического преобразователя основано на эффекте Зеебека - появлении термоЭДС в контуре, составленном из двух разнородных проводников, спаи которых нагреты до различных температур. При поддержании температуры одного из спаев постоянной можно по значению термоЭДС судить о температуре другого спая. Спай, температура которого должна быть постоянной, принято называть холодным, а спай, непосредственно соприкасающийся с измеряемой средой - горячим. В наименовании термоэлектрического преобразователя всегда принято ставить на первое место название положительного термоэлектрода, а на второе - отрицательного. Термопреобразователи различают: По способу контакта с измеряемой средой - погружаемые, поверхностные. По условиям эксплуатации - стационарные, переносные, разового применения, многократного применения, кратковременного применения. По защищенности воздействия окружающей среды - обыкновенные, водозащитные, защищенные от агрессивных сред, взрывозащищенные, защищенные от других механических воздействий. По герметичности к измеряемой среде - негерметичные, герметичные. По числу термопар - одинарные, двойные тройные. По числу зон - однозонные, многозонные. Если температуру холодного спая поддерживать постоянной, то термоЭДС будет зависеть только от степени нагрева рабочего конца термопреобразователя , что позволяет отградуировать измерительный прибор в соответствующих единицах температуры . В случае отклонения температуры свободных концов от градуировочного значения, равного 0°С, к показаниям вторичного прибора вводиться соответствующая поправка. Температуру свободных концов учитывают для того, чтобы знать величину поправки.
Для вывода свободных концов термопреобразователя в зону с постоянной температурой служат удлиненные термоэлектродные провода. Они должны быть термоэлектрически идентичны термоэлектродам термопреобразователя.
Вес важнейшие характеристики термоэлектрического термометра: величина сигнала, чувствительность, диапазон измеряемых температур, ресурс, стабильность и др., зависят в основном от свойств материалов, образующих чувствительный элемент термометра — термопару. Для изготовления термопары принципиально возможно пользоваться парой любых разных металлов и сплавов, однако целесообразно использовать только определенные, так называемые термоэлектродные сплавы, которые получили распространение в измерительной технике.
Одной из главных причин того, что для термопар используются вполне определенные сплавы является многообразие и сложность предъявляемых к ним следующих требований.
1. T. э. д. с. термоэлектродных сплавов, образующих термопару должна быть достаточно большой для того, чтобы ее можно было измерить с необходимой точностью. Она должна быть непрерывной и однозначной функцией температуры, без экстремумов в интервале температур, для которого предназначена термопара. Желательно чтобы эта функция была максимально близка к линейной.
У термопар, для которых не требуются поправки на температуру свободных концов, необходимо, чтобы величина т. э. д. с. в определенном интервале температур была ничтожно малой.
2. Температура плавления термоэлектродных сплавов должна быть выше максимальной температуры, при которой термопара должна работать. Необходимо, чтобы температура плавления сплава превышала максимальную температуру эксплуатации не менее чем на 50—150 °С. Это превышение может быть и большим, если при высоких температурах прочность термоэлектродных сплавов резко падает и (или) они активно взаимодействуют с окружающей средой и пр.
3. Термоэлектродные сплавы должны быть коррозионно-устойчивыми в тех средах и при тех температурах, при которых должна работать термопара. В большинстве случаев речь идет о стойкости на воздухе, а когда речь идет о других средах, то часто оказывается необходимым, чтобы наряду с коррозионной стойкостью в этих средах была обеспечена также стойкость на воздухе. Этому требованию термоэлектродные сплавы далеко не всегда удовлетворяют, поэтому термоэлектроды термопар стремятся защитить от воздействия внешней среды.
Рекомендуемые материалы
4. Термоэлектродные сплавы должны отличаться воспроизводимыми и однородными свойствами при производстве их в необходимых масштабах. В современном приборостроении легче использовать термоэлектродные сплавы с малой, но воспроизводимой т. э. д. с, чем сплавы с большой и плохо воспроизводимой т. э. д. с. Погрешность воспроизводимости т. э. д. с. (допуск на т. э. д. с.) термоэлектродных сплавов, образующих термопару, равную ±1 %, можно считать приемлемой для некоторых видов промышленных термопар, хотя желательно, чтобы она была меньше.
5. Сплавы для термопар в процессе эксплуатации и градуировки должны сохранять свою термоэлектрическую характеристику неизменной. Величина нестабильности т. э. д. с. термопар служит критерием отказа при оценке их надежности. Желательно, чтобы нестабильность т. э. д. с. промышленных высокотемпературных термопар не превышала 1 % от измеряемой величины после эксплуатации в течение 1000 ч. Во многих случаях и эта цифра представляется чрезмерно большой.
6. Сплавы для термопар должны быть достаточно пластичными, чтобы из них было возможно изготавливать проволоку (в некоторых случаях и другие виды полуфабрикатов), и вместе с тем достаточно прочными. Последнее требование особенно важно для термопар, подвергающихся механическим нагрузкам, особенно знакопеременным.
- Объяснить влияние колебаний температуры свободных концов термопары на ее показания по градуировочной кривой.
Так как градуировка свободных концов термопары ведется как правило при 0 °С, то отклонение температуры свободного конца приведет к изменению термо-ЭДС, что в свою очередь увеличит погрешность измерения. Если свободный конец термопары имеет температуру большую чем 0 °С, то тогда значение ТЭДС будет меньше, следовательно прибор покажет температуру меньшую чем действительная. Поэтому стоит избегать изменения температуры свободного конца термопары от градурировочного значения.
- Классификация термоэлектрических термометров.
Типы термопар
Технические требования к термопарам определяются ГОСТ 6616-94.Стандартные таблицы для термоэлектрических термометров (НСХ), классы допуска и диапазоны измерений приведены в стандарте МЭК 60584-1,2 и в ГОСТ Р 8.585-2001.
платинородий-платиновые - ТПП13 - Тип R
платинородий-платиновые - ТПП10 - Тип S
платинородий-платинородий - ТПР - Тип B
железо-константановые (железо-медьникелевые) ТЖК - Тип J
медь-константановые (медь-медьникелевые) ТМКн - Тип Т
нихросил-нисиловые (никельхромникель-никелькремниевые) ТНН - Тип N.
хромель-алюмелевые - ТХА - Тип K
хромель-константановые ТХКн - Тип E
хромель-копелевые - ТХК - Тип L
Обратите внимание на лекцию "6 - Представление чисел в ЭВМ".
медь-копелевые - ТМК - Тип М
сильх-силиновые - ТСС - Тип I
вольфрам и рений - вольфрамрениевые - ТВР - Тип А-1, А-2, А-3
Точный состав сплава термоэлектродов для термопар из неблагородных металлов в МЭК 60584-1 не приводится. НСХ для хромель-копелевых термопар ТХК и вольфрам-рениевых термопар определены только в ГОСТ Р 8.585-2001. В стандарте МЭК данные термопары отсутствуют. Тип L установлен только в немецком стандарте DIN и стандартные таблицы отличаются от таблиц для термопар ТХК.
В настоящее время стандарт МЭК 60584 пересматривается. Планируется введение в стандарт вольфрам-рениевых термопар типа А-1, НСХ для которых будет соответствовать российскому стандарту, и типа С по стандарту АСТМ [2].
В 2008 г. МЭК ввел два новых типа термопар: золото-платиновые и платино-палладиевые. Новый стандарт МЭК 62460 устанавливает стандартные таблицы для этих термопар из чистых металлов. Аналогичный Российский стандарт пока отсутствует.
