Термоэлектрические термометры

Термопара – два проводника из разнородных материалов, соединенных на одном конце и образующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры (ГОСТ 6616–94).

Термоэлектрические преобразователи – устройства с металлическими термопарами в качестве термочувствительных элементов, предназначенные для измерения температуры от минус 270 до плюс 2500 °С.

Принцип действия термоэлектрических термометров основан на зависимости термоэлектродвижущей силы термопары от температуры.

Термоэлектродвижущая сила (термоЭДС) возникает в цепи, составленной из двух разнородных проводников при неравенстве температур в местах соединения этих проводников, схема термоэлектрической цепи представлена на рис. 6.5. Термоэлектродвижущая сила зависит от рода проводников и температуры спаев.

Если в цепи (рис. 6.5) температуры мест соединения проводников a и b будут одинаковы и равны t, то и разности потенциалов будут равны по значению, но иметь разные знаки,

,

а суммарная термоЭДС и ток в цепи будут равны нулю,

.

Если t ¹ t ₀, то суммарная термоЭДС не равна нулю,

, (6.1)

так как разности потенциалов для одних и тех же проводников при разных температурах не равны. Результирующая термоЭДС (6.1) зависит для данных проводников a и b от температур t и t ₀. Чтобы получить однозначную зависимость термоЭДС от измеряемой температуры t, необходимо другую температуру t ₀ поддерживать постоянной.

Рис. 6.5. Термоэлектрическая цепь

Для измерения термоЭДС в цепь термоэлектрического термометра включают измерительный прибор, причем его включение вводит в цепь, по крайней мере, еще один, третий проводник.

Цепь, составленная из трех различных проводников a, b, c представлена на рис. 6.6, а.

а б

Рис. 6.6. Включение третьего проводника в цепь термопары

ТермоЭДС такой цепи при равенстве температур всех мест соединения

или

. (6.2)

Рассмотрим термоэлектрическую цепь из трех проводников, когда температура мест подсоединения третьего проводника c не равна измеряемой температуре (рис. 6.6, б),

. (6.3)

Из (6.2) следует, что

.

Тогда (6.3) можно записать так:

.

Таким образом, термоЭДС цепи, составленной из трех разнородных проводников, не отличается от термоЭДС цепи, составленной из двух проводников (6.1), если температура мест подсоединения третьего проводника одинакова.

Из закономерностей включения третьего проводника можно сделать следующие выводы:

1) включение одного, двух или нескольких проводников в цепь термоэлектрического термометра не вызовет искажения термоЭДС, если места подсоединения каждого из этих проводников будут иметь одинаковую температуру;

2) рабочий спай термоэлектрического термометра можно изготовлять путем сварки или пайки, если температура во всех точках спая будет одинакова.

На основании особенностей включения третьего проводника в цепь термоэлектрического термометра могут быть использованы два варианта включения измерительного прибора ИП в цепь термоэлектрического термометра: в разрыв электрода (рис. 6.7, а) и в разрыв спая (рис. 6.7, б).

Рис. 6.7. Включение измерительного прибора в цепь термоэлектрического термометра

В первом случае измеряемая температура, т.е. температура рабочего спая, будет t, температура свободных концов, поддерживаемая постоянной, t ₀ и температуры мест подсоединения третьего проводника с измерительным прибором t ′ и t′′. Чтобы не было искажения развиваемой термоЭДС, температуры t ′ и t ′′ должны быть равны, а температура свободных концов t ₀ постоянна.

Во втором случае третий проводник с измерительным прибором включается в разрыв свободных концов, поэтому места подсоединения третьего проводника одновременно являются свободными концами термоэлектрического термометра. Эти температуры должны быть одинаковы, как концы третьего проводника, и постоянны, как свободные концы. Если выполнены эти условия, то включение измерительного прибора не искажает термоЭДС термометра.

Для измерения температуры термоэлектрическим термометром необходимо измерить термоЭДС, развиваемую термометром, и температуру свободных концов. Если температура свободных концов термометра при измерении температуры равна 0 °C, то измеряемая температура определяется сразу из градуировочной характеристики (рис. 6.8), устанавливающей зависимость термоЭДС от температуры рабочего спая.

Градуировочные характеристики термоэлектрических термометров определены, как правило, при температуре свободных концов, равной 0 °C. Если температура свободных концов на практике отличается от 0 °C, но остается постоянной, то для определения температуры рабочего спая по градуировочной характеристике необходимо знать не только термоЭДС, развиваемую термометром, но и температуру свободных концов t ₀. Чтобы ввести поправку на температуру свободных концов t ₀, если t ₀ ¹ 0 °C, необходимо к термоЭДС, развиваемой термоэлектрическим термометром E (t, t ₀), прибавить E (t ₀, 0), чтобы получить значение термоЭДС E (t, 0),

.

Такую термоЭДС E (t, 0) развивает термоэлектрический термометр при температуре рабочего спая t и температуре свободных концов 0 °C, т.е. в условиях градуировки.

Рис. 6.8. Введение поправки на температуру свободного спая термоэлектрического термометра

Значение поправки на температуру свободных концов термоэлектрического термометра зависит от градуировочной характеристики термометра.

Поправка вводится расчетным или автоматическим путем, при этом применяется следующая методика введения поправки: определяется значение E (t ₀, 0), которое затем суммируется с термоЭДС термопары. Суммарная термоЭДС E (t, 0) соответствует градуировочному значению.

Для решения отдельных задач измерений температуры применяются различные способы соединения термоэлектрических термометров. Наиболее распространенные из них – термобатарея и дифференциальная термопара.

Термобатарея. Для увеличения коэффициента преобразования термоэлектрического термометра применяется последовательное включение нескольких термопар, т.е. термобатарея (рис. 6.9).

Рис. 6.9. Термобатарея

При таком включении термоЭДС, развиваемая термопарами, суммируется, т.е. термоЭДС термобатареи, состоящей из n термопар, в n раз больше термоЭДС отдельной термопары. Такое включение применяют для измерений при малых разностях температур рабочего t и свободного t ₀ концов. Однако, как правило, температуры в различных точках расположения рабочих и свободных концов не совсем одинаковы вследствие неоднородности температурных полей. Поэтому термобатарея, увеличивая термоЭДС термометра, позволяет уменьшить погрешность измерения термоЭДС, но не повышает существенно точности измерения температуры. Другой областью применения термобатарей является создание термоэлектрогенераторов. Такие генераторы способны вырабатывать электроэнергию напряжением 1,2÷100 В и силой тока 10÷2000 мА.

Дифференциальная термопара. В некоторых случаях возникает необходимость измерения разности температур

в двух точках. Для этого располагают рабочий спай термопары в одной из точек, а свободные концы – в другой точке (рис. 6.10).

Рис. 6.10. Дифференциальный термоэлектрический термометр

В этом случае термоЭДС, развиваемая термометром, будет определяться температурами рабочего спая t ₁ и свободных концов t ₂,

. (6.4)

Если в интервале температур t ₁… t ₂ зависимость термоЭДС от температуры может быть аппроксимирована линейной зависимостью, то уравнение (6.4) примет вид

.

Такая линейная аппроксимация обычно справедлива для любой термопары при разности температур, не превышающей 20÷25 °C.

Дата добавления: 2014-01-03