Термоэлектрические преобразователи ТП (термопары) широко применяют для измерения температуры от —200 до 2500 С. Принцип действия их основан на зависимости термоэлектродвижущей силы (термо-эдс) от температуры. Термопара состоит из двух разнородных проводников, спаянные концы которых называют горячими или рабочими, а свободные — холодными (рисунок ниже, а-г).
Общий вид (а) и рабочие концы хромель-алюмелевой (б), платинородий-платиновой (в) и малоинерционной (г) термопар
При нагреве спаянных концов в цепи термопары появляется электрический ток. Объясняется это явление тем, что в различных металлах плотность свободных электронов неодинакова. Поэтому в месте соприкосновения разнородных металлов электроны в основном будут диффундировать из металла большей плотности в металл меньшей плотности и значительно слабее в обратную сторону. Образующееся в месте соединения двух металлов электрическое поле будет препятствовать этой диффузии. Когда скорость диффузионного перехода электронов сравняется со скоростью их обратного движения под влиянием установившегося электрического поля, наступит состояние подвижного равновесия. В этом состоянии между разнородными металлами возникает контактная разность потенциалов. Но так как плотность свободных электронов зависит также от температуры горячего спая, в месте соприкосновения разнородных проводников при любых температурах возникает термо-эдс, для измерения которой в цепь термопары включают измерительный прибор.
|
|
По материалу, из которого выполняют термопары, их разделяют: из благородных или неблагородных металлов и из тугоплавких соединений или их комбинаций с другими материалами. Кроме того, термопары бывают нестандартных и стандартных градуировок. Градуировочные кривые приведены на рисунке ниже.
Градуировочные кривые термопар: 1 - хромель-копелевой ХК, 2 - хромель-алюмелевой ХА, 3 - из сплава НК-СА, 4 - платинородий-платиновой ПП, 5 - платинородий-платинородиевой ПР30/6
Платинородий-платиновая термопара ТПП, изготовляемая из благородных металлов и широко применяемая в технике, характеризуется высокой воспроизводимостью градуировочной характеристики и стабильностью, предназначена для измерения температур до 1200-1300 °С. При повышении верхнего предела измерения ее стабильность существенно снижается, а при длительной работе вследствие летучести родия из платинородиевого термоэлектрода уменьшается термо-эдс. Недостатками этой термопары являются небольшая чувствительность и высокая стоимость термоэлектродного материала.
Платинородий-платинородиевая термопара ТПР, также изготовляемая из благородных металлов, предназначена для измерения температур от 1200-1600 °С, при которых ее градуировочная характеристика стабильна. Из градуировочной кривой видно, что термо-эдс термопары при температурах до 200 °С равна нулю. Поэтому отпадает необходимость в компенсации температуры ее свободных концов.
|
|
По остальным основным характеристикам термопары ТПП и ТПР аналогичны друг другу. Из-за высокой стоимости их термоэлектроды делают малых размеров (Ø 0,5-0,6 мм). Используют эти термопары только для измерения температур, превышающих 1000 °С, так как при более низких температурах с успехом могут быть применены более дешевые.
Термопары хромель-алюмелевые ТХА, хромель-копелевые ТХК и из спецсплавов ТНС изготовляют из неблагородных металлов. Самыми распространенными являются термопары ТХА и ТХК, применяемые в различных отраслях промышленности.
Хромель-алюмелевые термопары ТХА, как правило, служат для измерения температур не выше 1000—1100 °С и редко до 1250—1300 °С. При работе на воздухе стабильность этих термопар изменяется вследствие выгорания компонентов сплава. Кроме того, их стабильность зависит от продолжительности работы и диаметра термоэлектродов, которые выполняют по возможности толстыми (до 3,2 мм). На точность показаний влияет также длина погружаемой в печь части термопары. Термопары ТХА имеют линейную зависимость термо-эдс от температуры.
Хромель-копелевые термопары ТХК из-за невысокой жаростойкости копеля применяют для измерения температуры до 600 °С, но чувствительность их в два раза выше, чем термопар ТХА.
Термопары ТНС отличаются от других особой формой градуировочной кривой, которая в интервале температур от 0 до 200 °С близка к нулю. Поэтому изменение температуры холодных (свободных) концов термопары ТНС не влияет на ее термо-эдс. Это является достоинством данных термопар; их недостаток — низкая чувствительность. Термопары ТНС применяют для измерения температур до 1000 °С. В интервале температур от 400 до 1000 °С зависимость их термо-эдс от температуры линейна.
Вольфрам-рениевые термопары ТВР являются нестандартными, изготовляются из тугоплавких металлов и предназначены для измерения температур до 2000—2500 °С в восстановительной атмосфере или вакууме. В окислительной атмосфере эти термопары могут работать только кратковременно (несколько десятков секунд).
При определении температур термоэлектрическими преобразователями погрешности измерений, вызываемые действием электрических и магнитных полей, незначительны, поэтому их обычно не учитывают. Погрешности из-за изменения температуры свободных (холодных) концов преобразователей довольно существенны и их следует учитывать. Это объясняется разницей между температурой градуировки, равной 0 °С, и действительной температурой свободных концов. Измерив температуру, вносят, пользуясь специальной таблицей, поправку.
Термостатированием свободных концов преобразователя погрешности компенсируют. Термостатирование можно выполнять тремя способами: ледяной ванной, компенсационным мостом и термоэлектрическим термостатом. Наиболее удобен и отвечает современным требованиям способ термоэлектрического термостата, позволяющий измерять температуру с погрешностью ±(5 • 10-3 ÷5 • 10-5) °С. При этом используют полупроводниковые микрохолодильники ТЛМ, обеспечивающие в режиме охлаждения перепад температур не менее 50 °С, а в режиме нагрева — до +50 °С. В качестве регистрирующего прибора применяют цифровой милливольтметр, измеряющий постоянное напряжение от 100 мкВ и выше (например, универсальный вольтметр В7-27 или другие аналогичные).
Термометры сопротивления широко применяют для измерения температур от —260 до +750 °С. Принцип действия их основан на свойстве веществ изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры. Наибольшее распространение получили термометры сопротивления, чувствительный элемент которых изготовлен из чистых металлов (платины, меди, никеля). Реже используют приборы с чувствительным элементом из полупроводниковых материалов. Материал чувствительного элемента не должен окисляться и должен иметь высокую воспроизводимость значений электрического сопротивления в интервале рабочих температур и монотонную зависимость сопротивления от температуры.
|
|
В наибольшей степени указанным требованиям отвечает платина, которая устойчива в воздушной среде и длительное время сохраняет свои градуировочные характеристики до температуры 750 °С. При более высокой температуре платина начинает распыляться. Недостатками платины являются высокая стоимость и нелинейная зависимость ее сопротивления от температуры.
Термометры сопротивления (рисунок ниже ,а-в) представляют собой спираль или катушку из тонкой проволоки, намотанную на каркас 5 или 6 из изоляционного материала и представляющую собой чувствительный элемент 4, заключенный в защитную гильзу 1, от которой он хорошо изолирован.
Платиновые термометры сопротивления:
а — Барбера, б - Мейера, в - Стрелкова; 1 - защитная гильза, 2 - отверстие для удаления воздуха и заполнения гелием, 3 - изогнутая стеклянная трубка, 4 - платиновый чувствительный элемент, 5,6 - крестообразные слюдяной и стеклянный каркасы
Гильза предохраняет чувствительный элемент от механических повреждений и воздействия окружающей среды.
Надежность термометров сопротивления во многом определяется механической прочностью конструкции, степенью герметичности гильзы и качеством изготовления чувствительного элемента. При значительной длине чувствительного элемента (несколько сантиметров) термометр сопротивления, помещенный в среду с неравномерной температурой, измеряет некоторую среднюю температуру.
|
|
Достоинствами термометров сопротивления являются высокая точность измерения температуры и возможность выпуска измерительных приборов для них со стандартной градуировкой шкалы. Термометры сопротивления применяют в комплекте с логометрами, автоматическими уравновешенными мостами и автоматическими компенсационными приборами, шкалы которых отградуированы в градусах Цельсия. Градуировка прибора должна соответствовать градуировке термометра сопротивления.