Термоэлектрические датчики

         Глава 10 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

§ 10.1. Принцип действия

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

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, от носительно 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   электро-

нов приобретает отрицательный потенциал. Возникает контактная разность потенциалов. При одинаковой температуре спаев (0₁=  0₂ на рис. 10.1, а) контактная разность потенциалов не может создать тока в замкнутой цепи. Контактная разность в спае / направлена навстречу контактной разности в спае 2. Но если на­греть один из спаев (рабочий) до температуры 0₁>0₂, то контакт­ная разность в спае 1 увеличится, а в спае 2 останется без изме­нения. В результате в контуре и возникает термоЭДС, тем боль­шая чем больше разность температур спаев 1 и 2 (0,—8₂).

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 горячий 1 и два холодных 2 и 3, которые должны иметь постоянную температуру. При включении милливольтметра в разрыв одного из термоэлектродов (рис. 10.1, в) имеется четыре спая: один горячий /, один холодный 2 (он должен иметь постоян­ную температуру), два нейтральных 3 и 4 (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.

Рекомендуемые материалы

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

ТермоЭДС, вырабатываемая термопарой, составленной из элек­тродов А и В, является разностью двух термоЭДС:  —тер-моЭДС горячего спая при температуре  —термоЭДС хо­лодного спая при температуре 02, т. е.

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

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

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.

§ 10.2. Материалы, применяемые для термопар

К материалам для термоэлектродов термопар кроме тре­бования получения большого значения термоЭДС предъявляются и другие требования. Пожалуй, наиболее важным из них является обеспечение взаимозаменяемости.   Это означает,  что  термопары

одного и того же типа должны иметь при одинаковых температу­рах одну и ту же термоЭДС. В этом случае замена термопары не должна привести к перенастройке или переградуировке измери­тельного прибора. Поскольку термопары часто используются в очень тяжелых условиях (высокие температуры, агрессивная среда и т. п.), порой их необходимо менять уже через 1—2 тыс. ч. А изме­рительные приборы способны работать годами, их менять при заме­не термопары нецелесообразно. К тому же в промышленности полу­чили большое распространение так называемые обегающие системы автоматического контроля, когда на один и тот же измерительный прибор последовательно подаются сигналы от нескольких десятков термопар, контролирующих температуру в разных местах. Поэто­му необходима стабильность и повторяемость свойств термопар. В табл. 10.2 приведены основные типы термопар, выпускаемых серийно, и их характеристики. В паре материалов первым указан положительный электрод

В зависимости от материала электродов термопары, получившие практическое применение, разделяются на две основные группы: из благородных и неблагородных металлов.

Наибольшее распространение из первой группы получила термо­пара типа ТПП. Один электрод ее изготовлен из платинородия (90% платины и 10% родия), другой — из чистой платины. Эта термопара может использоваться как образцовая. Достоинствами ее являются химическая стойкость к окислительной среде, взаимо­заменяемость термоэлектродов, повторяемость характеристик. Не достаток—малое значение термоЭДС. Термопара типа lllll мо­жет длительно работать при температуре 1300°С, термоЭДС ее при этой температуре составляет 13,152 мВ.

Для более высоких температур (длительно — до 1600°С, крат­ковременно—до 1800°С) применяется термопара ТПР. Один элек­трод—платинородий (70% платины и 30% родия), другой  элек-

трод также платинородий (94% плати­ны и 6% родия). При температуре 1800°С термоЭДС составляет 13,927 мВ.

Существенно большие значения тер­моЭДС имеют термопары из неблаго­родных металлов, материалом для эле­ктродов которых служат специально раз­работанные сплавы: хромель (89% ни­келя, 9,8% хрома, 1% железа, 0,2% мар­ганца), алюмель (94% никеля, 2,5% марганца, 2% алюминия, 1% кремния, 0,5% железа), копель (55% меди, 45% никеля).

Наибольшее распространение получи­ли термопары типа ТХА (хромель-алю-мель) и типа ТХК (хромель-копель). За­висимость термоЭДС этих термопар от температуры показана на рис. 10.2. Хро-

мель-алюмелевые термопары применяют дли измерении icmncpa-тур в пределах от —50 до 1000^СС. Они способны работать в окис­лительной среде, поскольку образуемая при нагреве тонкая за­щитная пленка препятствует проникновению кислорода внутрь металла. Зависимость термоЭДС от температуры для термопар ТХА близка к линейной. Хромель-копелевые термопары имеют самую высокую чувствительность: 6,95 мВ на 100°С. Однако диа­пазон измеряемых температур (от —50 до 600°С) несколько ниже, чем у термопар типа ТХА. Несколько хуже у термопар типа ТХК и линейность характеристики. Их достоинством является более высокая влагостойкость.

Термопара типа ТНС (электроды выполнены из сплавов НС-СА) применяется в диапазоне температур от 300 до 1000°С. ТермоЭДС ее невелика — всего 13,39 мВ при 1000°С. Но характер­ной особенностью этой термопары является то, что на точность ее работы почти не влияет температура холодного спая. Объясняется это тем, что термоЭДС термопары типа ТНС в диапазоне низких температур (до +200°С) практически близка к нулю. Следователь­но, изменения температуры холодного спая, вызванные обычными погодными колебаниями в помещении и даже на улице, почти не влияют на результаты измерения.

Кроме перечисленных материалов для термопар используются и другие, менее распространенные, но имеющие    свои достоинства.

Для измерения высоких температур применяют термопару из туго­плавких металлов — вольфрама и молибдена. Достоинством тер­мопар медь-копель и железо-копель является низкая стоимость.

Конструктивно термопары выполняются в специальной армату­ре, обеспечивающей защиту электродов от действия горячих хими­чески агрессивных газов и паров, электрическую изоляцию выво­дов. Для защиты термопар из неблагородных металлов применя­ют стальные трубки диаметром 21 мм и с максимальной глубиной погружения до 2 м.

Для защиты термопар из благородных металлов применяются кварцевые и фарфоровые трубки диаметром 8 и 20 мм. Для изоля­ции используют асбест (до 300°С), кварц (до 1000°С), фарфор (до 1400°С).

Так как термопары являются датчиками генераторного типа, то их в принципе можно использовать и для получения электроэнергии. Измерительные термопары для этой цели практически непригодны, поскольку их термоЭДС невелика. Но термопары с электродами из полупроводниковых материалов имеют термоЭДС, на порядок боль­шую (до 65 мВ на 100°С). С помощью таких термопар может осу­ществляться, например, и преобразование солнечной энергии в элек­трическую. Нашли применение они в быту: термогенераторы используются для -питания радиоприемников. КПД полупроводни­ковых термоэлементов достигает 10%. Для целен измерения полу­проводниковые термопары пока не применяются из-за нелинейно­сти характеристики, малой механической прочности и сравнитель­но малого (до 500°С) температурного диапазона.

§ 10.3. 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.С

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_в сопротивление милливольтметра, R_T — со­противление термопары, R_a — сопротивление соединительных про водов. Ток, проходящий по рамке милливольтметра под действием термоЭДС Е_ти,

Из этой формулы видно, что показания прибора зависят не только от термоЭДС Е_ти, но и от сопротивлений R_B, R_t, R_n. Так как шкала прибора уже проградуирована для термопары определенного типа, то сопротивления R_t, и R_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 С учетом (10.2)

Обозначим внешнее сопротивление цепи из (10.3) термоЭДС

Из (10.4) видно, что измеряемое милливольтметром напряжение будет всегда меньше, чем ЭДС термопары, на U_B(R_вн/R_н). Эта ве­личина будет тем меньше, чем больше сопротивление милливольт­метра R_B по сравнению с внешним сопротивлением R_вн. 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 . На практике при измерении температуры 0i холодный спай имеет . Следовательно, по измеренной термо-ЭДС нельзя точно определить 8i. 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 . 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 цвет­ном' пряжи или цветные опознавательные нити, проложенные в проводе.

Информация в лекции "3.1. Общие сведения об Интернет" поможет Вам.

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-нике-лгным 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_к не сравняется с Е_Д. Одновременно перемещаются указатель на шкале прибора и перо самописца. При U_к=Е_Д напряжение на входе усилителя равно нулю (U_к— Е_Л =0) и электродвигатель (ЭД) оста­новится. Каждому значению выходного сигнала датчика Е_Л = [(Т°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_К 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 терморезнстора 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 Rк, 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 перемеща ет 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.