Термоелектричні перетворювачі

Для вимірювання температури в металургії найбільш широке застосування отримали термоелектричні термометри, що працюють в інтервалі температур від -200 до 2500еc.

Принцип дії термоелектричного термометра основан на ефектах Томсона і Зєєбека. Ефект Томсона полягає в тому, що якщо провідник нагрітий по своїй довжині нерівномірно, то на його нагрітому кінці підвищується концентрація вільних електронів, які дифундують до холодного кінця. При цьому гарячий кінець заряджає позитивно, а холодний негативно. Якщо замкнутий ланцюг складається з двох різних провідників А і Б, то термо-е. д. с. Томсона в такому ланцюзі рівна різниці термо-е. д. з, що виникають в кожному провіднику, і залежить від температури спаїв t і t₀ (t≠t₀).

Унаслідок того, що в різних металах щільність вільних електронів (число електронів в одиниці об'єму) неоднакова, в місці зіткнення два різнорідних металів, наприклад в спаї 1 (мал. 3,а), електрони дифундуватимуть з металу А в метал з меншою щільністю вільних електронів У в кількості більшому, ніж назад з металу У в метал А. Тому між металами А і В виникає деяка контактна різниця потенціалів. Оскільки щільність вільних електронів в металі залежить також і від температури спаю металів А і В, то в місці зіткнення цих провідників при будь-яких температурах виникає е. д. з, яка називається контактною термо-е. д. з, значення і знак якої залежать від природи металів А і В і температури t місця їх дотику (ефект Зєєбека).

У представленій на мал. 3,а замкнутого ланцюга з двох різнорідних провідників А і В (коли t>t₀) з'являється термострум. Напрям цього струму в спаї 2 визначає знак як самого провідника, так і термо-е. д. с. Позитивним прийнято називати той термоелектрод, від якого струм йде в спаї, що має температуру t₀<t, і негативним термоелектродом, якщо струм йде в тому ж спаї. Оскільки, як указувалося вище, в даному ланцюзі струм в спаї 2 направлений від міді А до платини В, то термоелектрод А - термоположительний, а В - термоотріцательний. Порядок написання термоелектрода АВ в індексі символу контактної термо-е. д. с. е_ав указує на напрям струму в спаї 2 і тому термоелектрод, написаний в індексі першим, - термоположительний, а другим - термоотрицательний.

Загальна термо-е. д. з, обумовлена ефектами Томсона і Зєєбека, є функцією температур t і t₀ і залежить від фізичної природи провідників А і В.

На підставі вищевикладеного, основне рівняння термоелектричного термометра, що виражає в загальному вигляді залежність сумарної термо-е. д. з, що виникає в ланцюзі з двох різнорідних термоелектродов А і В, від температур місць їх з'єднання має вигляд:

Е_АВ (t, t₀) = е_ав (t) + е_ва (t₀)

або

Е_АВ (t, t₀) =е_АВ (t) - е_ав (t₀),

тобто термо-е.д.с. термоелектричного термометра (ланцюги з двох різнорідних провідників), місця з'єднань яких мають різні температури, рівна різниці контактних термо-е. д. с.

Таким чином, видно, що термо-е. д. с. термоелектричного термометра є функція двох температур робочого і холодного спаїв, тобто

E_AB(t, t₀)=f(t) - f(t₀).

Якщо при вимірюванні змінної температури (±) термоелектричним термометром температуру t₀ підтримувати постійною, то тоді, вважаючи t₀ = const і ввівши f(t₀)=c, отримаємо:

Е_АВ(t,t₀) /t₀ =const= f(t)-c=F(t).

Таким чином, якщо для даного термоелектричного термометра експериментально знайдена залежність Е_АВ(t,t₀)=F(t), тобто шляхом градуювання термометра, те вимірювання невідомої температури t зводиться до вимірювання термо-е. д. с. E_AB(t, t₀). При цьому передбачається, що t₀ залишається незмінною, оскільки при порушенні постійності цієї температури змінюється термо-е. д. с. термоелектричного термометра. Зазвичай градуювання термоелектричних первинних перетворювачів проводять при температурі t₀=0°c. Для вимірювання термо-е. д. с. термоелектричного термометра в його ланцюг необхідно включити вимірювальний прилад (ИП). Для цього необхідно розірвати термоелектричний ланцюг в спаї 2 (мал. 3,б). В цьому випадку у термометра буде три кінці: робочий 1, занурюваний в середовище, температура якого вимірюється, і вільні кінці 2 і 3, які повинні знаходитися при постійній температуре (t₀=const). Вимірювальний прилад можна також включати і в розрив один з електродів.

Конструкції термоелектричних термометрів різноманітні і залежать в основному від умов їх застосування.

Пристрій термоелектричного термометра показаний на мал. 4. У нижній частині термометра знаходиться його робочий кінець 9, що складається з двох зварених термоелектродів, на кожен з яких як ізоляція надіті фарфорові трубки 8. У головці 3 термометра розташована ізоляційна колодка 6 із затискачами 1 для термоелектродів і сполучних дротів 5. Для механічної міцності і захисту від шкідливої дії вимірюваного і оточуючого середовищ ці термометри поміщають в спеціальний чохол з металевих матеріалів, які витримують високу температуру і тиск середовища. Чохол складається з гільзи 10, нерухомого 7 (або рухомого) штуцера з сальниковим ущільненням і головками, кришки 2 і вихідного патрубка 4 з ущільненням. У робочих умовах необхідно вільні кінці термоелектродів перенести в зону з постійною температурою. З цією метою до вільних кінців термоелектродів приєднують компенсаційні (що подовжують) дроти з тих же матеріалів, що і термоелектроди термометра. Проте для термометрів ТПП і ТПР це дорого. Тому компенсаційні дроти виготовляють з інших металів, які розвивають в парі між собою таку ж едс, як і термоелектричний термометр, не будучи при цьому дефіцитними. Так, для ТПП один компенсаційний дріт виконують з міді, а другий - з мідно-нікелевого сплаву.

Термоедс, що виникає в термометрі, порівняно невелика, тому для її вимірювання служать високоточ¬ниє магнітоелектричні мілівольтметри і потенцио¬метри.

Дата добавления: 2014-01-04