Термоэлектрические термометры (термопары)

Термометры сопротивления.

Применяются в промышленности для измерения температур в пределах от -200 до +650⁰С.

Принцип действия термометров сопротивления основан на свойствах вещества изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Зная зависимость сопротивление от температуры, можно по его измеренной величине судить о температуре измеряемой среды. В качестве материалов для изготовления термометров сопротивления применяют платину, медь и никель.

Особенно пригодной для термометра сопротивления является платина. Платиновый термометр сопротивления служит самым точным прибором для измерения температуры в лабораторных условиях. Во-первых, платину можно получить высокой степени чистоты, во-вторых, измерение сопротивления платины с изменением температуры в интервале от 0 до +630⁰С достаточно велико.

Рис.3. Платиновый термометр сопротивления

Зависимость сопротивления платинного термометра R_t от температуры в интервале от 0 до +630 ⁰С выражается уравнением

R_t=R₀(1+At+Bt²), (6)

где R_t- сопротивление проволоки термометра при температуре t⁰С;

R₀- сопротивление этой проволоки при температуре 0⁰С;

А и В- постоянные термометра.

Конструкция платинового термометра сопротивления приведена на рис 3. Платиновая проволока, диаметром, чаще всего, 0,1 мм, свитая в спираль (1), уложенна на кварцевом каркасе (2). К концам спирали припаяны выводы из платиновой проволоки – по два с каждого конца. Все это помещено в защитную кварцевую трубку (3).

Достоинства: широкий диапазон измерений, высокая точность и чувствительность, возможность дистанционной передачи и автоматической записи показаний, незначительная инерционность.

Термопары применяются для измерения температур в диапазоне от —200 до 2500°С. Они обладают достаточно высокой точностью и могут быть использованы в автоматизированных системах сбора и обработки экспериментальных данных.

В основу термоэлектрического метода измерения температуры положен эффект Зеебека; суть его заключается в том, что в разомкнутой цепи, составленной из двух различных и термоэлектрически однородных проводников, спаи которых помещены в среды с различными температурами, возникает термо-э.д.с, пропорциональная разности температур спаев.

В практике измерения температур в воздушной и нейтральной средах широкое распространение получили термопары, изготовленные из неблагородных металлов и их сплавов, вследствие их низкой стоимости и достаточно высокой чувствительности. Основным недостатком термопар из неблагородных металлов является то, что для их изготовления практически очень трудно получить термоэлектрически однородную проволоку, а следовательно, и обеспечить хорошую воспроизводимость стандартной градуировочной кривой.

Хромель (84% Ni + 9,8% Cr+10% Fe+0,2%Mn )-копелевые (56% Cu + 44% Ni) термопары (ТХК).

ТХК имеют наибольшую термо-э.д.с. [ Е (100°С, 0°С) =6,88 мВ] но сравнению с другими термоэлектрическими измерителями температуры, но сравнительно невысокий верхний предел длительного использования (500...600°С) в воздушной среде.

Хромель-алюмелевые (94% Ni + 2% Al + 2,5% Mn+1% Si+ + 0,5% примеси) термопары (ТХА). ТХА имеют более высокий температурный предел (1000°С), но меньшую термо-э.д.с.

Стандартные градуировочные зависимости ТХА и ТХК приведены в справочниках. Допустимые отклонения термо-э.д.с. от указанных в таблице весьма значительны, но не должны превышать для термопары ТХА Е_Т = = 0,16 мВ в диапазоне температур (50...300°С) и Е_Т = 0,16 + + 2х10^-4 (t -300) мВ в диапазоне температур 300... 1300°С, а для термопары ТХК Е_Т = 0,2 мВ в диапазоне температур -50... 300°С.

Платинородий (90% Pt+10% Rh) -платиновые (100% Pt) термопары (ПП). Термопары ПП применяются для измерения температур 300... 1600°С в окислительной и нейтральной средах. Они обладают наибольшей точностью и используются в качестве эталонных измерителей температуры с допустимой по­грешностью, равной Е_Т = 0,01+2,5-10^-5 (t -300) мВ в диапазо­не 300...1600°С.

Термопара (рис. 4) представляет собой два разнородных проводника, составляющих общую электрическую цепь (4). Если температура мест соединений (спаев) проводников t и t₀, неодинакова, то возникает термо-э.д.с. и по цепи протекает ток.

Рис. 4. Cхемы термоэлектрических сопротивлений

Величина ЭДС однозначно зависит от разности температур t и t₀, поэтому по величине термо-э.д.с. термопары судят о температуре.

Рис. 5. схема подключения термопары к измерительному прибору

1-горячий спай; 2- медные провода; 3- холодный спай

Горячий спай термопары (1) помещают в среду, температуру которой нужно измерить, а холодный спай (3) соединяют с электроизмерительным прибором (рис.5). Обычно градуировка термопар производится при температуре холодных спаев термопары равной 0⁰С. По результатам градуировки составляются градуировочные кривые t=E(t,t₀) или таблицы (табл.1), если при измерении температуры среды, имеющей t⁰С, температура холодных спаев отличается от 0⁰С и равна t₀, то значение термо-э.д.с. Е(t,0), по которому находят искомое значение температуры t, определяется по формуле

Е(t,0)=E(t,t₀)+Е(t₀,0), (7)

где E(t,t₀)- показание милливольтметра, mV;

Е(t₀,0)- поправка на температуру холодного спая, которая находится по градуировочной кривой или табл. 1 по температуре t, равной t₀⁰С.

Для изготовления термопар применяют целый ряд материалов: платина-платинородий, хромель-алюмель, хромель-копель, железо-константан, вольфрам, молибден и другие материалы.

Градуировочная таблица термопары хромель-алюмель при температуре холодного спая 0⁰С.

Таблица 1.

t^0С
Термо-э.д.с.
		0,04	0,08	0,12	0,16	0,20	0,24	0,28	0,32	0,36
	0,40	0,44	0,48	0,52	0,56	0,60	0,64	0,68	0,72	0,76
	0,80	0,84	0,88	0,92	0,96	1,00	1,04	1,08	0,12	0,16
	1,20	1,24	1,28	1,32	1,36	1,41	1,45	1,49	1,53	1,57
	1,61	1,65	1,69	1,73	1,77	1,82	1,86	1,90	1,94	1,98
	2,02	2,06	2,10	2,14	2,18	2,23	2,27	2,31	2,35	2,39
	2,43	2,47	2,51	2,56	2,60	2,64	2,68	2,72	2,77	2,81
	2,85	2,89	2,93	2,97	3,01	3,06	3,10	3,14	3,18	3,22
	3,26	3,30	3,34	3,39	3,43	3,47	3,51	3,55	3,60	3,64
	3,68	3,72	3,76	3,81	3,85	3,89	3,93	3,97	4,02	4,06
	4,10	4,14	4,18	4,22	4,26	4,31	4,35	4,39	4,43	4,47

Предел измерения температур стандартными термометрами представлены в табл. 2.

Характеристика стандартных термопар.

Таблица 2.

Наименование термопары	Тип	Термо-э.д.с. t0=0^0C, t=100^0C	Верхний предел,^0C
При длительном применении	При кратковременном применении
Платинородий (90%Pt+10%Rt) Платина	ТПП	1,04
Хромель (90%Ni+10%Cr2)- Алюмель (95%Ni+5%Al)	ТХА	4,10
Хромель-копель (56%Cu+44%Ni)	ТХК	6,95

В качестве вторичного прибора для измерения термо-э.д.с. применяются чувствительные электроизмерительные приборы: милливольтметры, потенциометры и др.

Достоинством термоэлектрических пирометров является широкий диапазон измерений, достаточно высокая точность, возможность дистанционной передачи и автоматической записи показаний, высокая чувствительность, незначительная тепловая инерционность, возможность измерения температуры в точке поверхности или объема.

Изготовление термопар. В теплотехнических измерениях чаще всего используют термоэлектродную проволоку диаметром ~0,5 мм, так как проволока меньшего диаметра обладает боль­шей неоднородностью материала.

Рабочий конец термопары (горячий спай) изготовляют путем сварки, спайки или скрутки. Лучше всего использовать сварку, так как скрутка с числом оборотов более двух может привести к значительным и не поддающимся учету погрешностям измере­ния температуры. Сварка обычно дуговая угольным электродом при напряжении 15...20 В либо контактная конденсаторная. Иногда предварительно скрученный спай приваривают с помощью конденсаторной сварки непосредственно к поверхности, температура которой измеряется. Холодный спаи термопары обычно изготовляют пайкой оловом (с канифолью).

Термопару перед градуировкой лучше отжечь целиком при температуре, несколько превышающей рабочую.

При измерении температур до 1300°С для изоляции термоэлектродов применяют одноканальные и двухканальные, фарфоровые, а при измерении более высоких температур керамические трубки (соломку). При температурах ниже 200°С исполь­зуют «чулки», изготовленные из стекло­ткани

Поправка на температуру холодного спая. При градуировке термопар тем пературу холодного спая обычно поддерживают равной 0°С. Однако при технических и лабораторных измерениях температура холодного спая t'₀ бывает постоянна, но не равна 0°С, что вызывает необходимость введения поправки. В этом случае значение термо-э.д.с. E_AB >(t, t₀), по которому определяется температура по градуировочной кривой (или таблице), находится из уравнения

Еав (t, t₀) =E_AB (t, t^,₀) ± E_AB{t'₀, t₀), (8)

где знак плюс соответствует случаю t₀'>t₀, а знак минус - слу­чаю t₀'<t₀. Следует иметь в виду, что расчет в предположении линейной зависимости E_AB {t, t₀)=F(t), т. е. t = t'+t₀', может привести к существенной погрешности измерения температуры.

Дата добавления: 2017-02-01