Термоэлектрические термометры (термопары). Термоэлектрический эффект

Лекция 5 - 10.04.2013

Термоэлектрический эффект. Зеебек уста­новил, что в цепи протекает ток, если она состоит; из двух различных металлов или сплавов и точки их соединения находятся при различных температурах (рисунок 4). На концах такой разомкнутой цепи можно измерить так называемую термоэлектродви­жущую силу (т.э.д.с).

Рнсунок 4. Термоэлектрический эффект Зеебека

Если же, наоборот, через такую цепь пропускать ток, то в зависимости от на­правления тока одна из точек соединения проводников (термоэлектродов) будет нагреваться а другая охлаждаться (эффектПельтье). Если температура t_о одной точки соединения известна, то т.э.д.с. может быть использована в качестве меры разности из­меряемой температуры t₁ и контрольной температуры t_о. Место соединения провод­ников, помещаемое в среду с измеряемой температурой, называют также рабочим спаем термопары, а другое соединение, на­ходящееся при температуре t_о, — свобод­ным спаем.

Связь между т.э.д.с. и разностью темпе­ратур в общем случае является нелинейной и может быть выражена уравнением треть­ей степени. При технических измерениях и при обычных температурах, как правило, достаточную точность обеспечивает квадра­тичная зависимость

Постоянные а, b, с зависят от природы обоих металлов или сплавов. Их можно оп­ределить при градуировке в реперных точ­ках. При малых изменениях температуры характеристики многих термопар могут быть линеаризованы без большого ущерба для точности:

где k — коэффициент т.э.д.с, зависящий от уровня температуры, мВ/К.

Используя уравнение для т.э.д.с, можно для каждой комбинации материалов по­строить график зависимости т.э.д.с. от изме­ряемой температуры t₁ (температуры рабо­чего спая термопары), полагая температуру ее свободного спая t_о равной 0° С (рисунок 5, ɑ).

Температура t₁ , ° С

Температура t₁ , ° С

Рисунок 5. Основные величины т. э. д. с. в сред­ней области температур:

ɑ − зависимости т.э.д.с, от температуры (частично согласно DIN 43710);

б − допустимые отклонения (DIN 43710); 1 − медь — константен; 2− железо − константан; 3 − хромель − алюмель; 4 − платинородий (13% родия) − платина; 5− платинородий (10% родия) — платина; 6 — пла­тинороднй (30% родия) — платинородий (6% ро­дия)

Если контрольная темпе­ратура t_о не равна 0° С, а, как это часто бывает, поддерживается равной 20, 50 или 60° С или даже изменяется (при измерении разности температур), то в замеренное зна­чение т.э.д.с. ∆Е_м надо ввести поправку ∆Е_к, которая соответствует отклонению контрольной температуры t_о от 0° С:

Значения т.э.д.с. в зависимости от изме­ряемой температуры, а также допустимые отклонения при измерении температуры (рисунок 5, б) регламентируются для ос­новных комбинаций материалов фирмами-изготовителями и национальными управлениями стандартизации и указываются в специальных таблицах (при t = 0° C). Допу­стимые отклонения гарантируются изготови­телями, но в процессе эксплуатации термо­электрических термометров точность изме­рения температуры может измениться. По­лярность т.э.д.с. считается положительной, когда измеряемая температура t₁ выше контрольной t_о. Положительным считается тот термоэлектрод, от которого идет ток в свободном конце термопары при t₁>t_o, a отрицательным — к которому идет ток. При обозначении термопары на первом месте указывается материал положительного электрода, а на втором — отрицательного.

Материал термоэлектродов. Выбор под­ходящей термопары для решения определен­ной задачи измерения температуры должен производиться с учетом различных требова­ний, причем в отношении некоторых требо­ваний приходится принимать компромис­сные решения. Обычно к термоэлектродам предъявляются следующие требования: при­емлемая цена; высокая надежность; высо­кая чувствительность к изменению темпе­ратуры; приемлемые динамические свойст­ва; механическая прочность при высоких и низких температурах; устойчивость против коррозии; стабильность термоэлектрических свойств.

С течением времени из большого числа возможных комбинаций термоэлектродов получили признание лишь некоторые, при­чем каждая термопара, как правило, имеет свою специфическую область применения. Все термопары делят на две группы: тер­мопары из благородных металлов и термо­пары из неблагородных металлов.

Термопары из благородных металлов, преимущественно из платины и сплава пла­тины с родием Ptl0Rh − Pt и Ptl3Rh − Pt6Rh, обладают высокой точностью и вос­производимостью термоэлектрической ха­рактеристики. Поэтому платинородий − пла­тиновая термопара Ptl0Rh − Pt использует­ся для воспроизведения Международной практической температурной шкалы (МПТШ) в интервале от 630,7 до 1064,40° C. Указанные термопары являются более устойчивыми к коррозии и окислению, чем термопары из неблагородных металлов, по­этому они могут быть использованы при более высоких температурах. Термопара Ptl0Rh − Pt используется для измерения температуры от 0 до 1600° С, а термопара PtlBRh − Pt6Rh − от 0 до 1700° С. Правда, при высоких температурах в чистую пла­тину проникают посредством диффузии по­сторонние вещества, при этом платина ста­новится хрупкой и сильно изменяются ее термоэлектрические свойства. Высоколеги­рованная платина (например, сплав ее с ро­дием) более устойчива к загрязнениям. Термопары из благородных металлов име­ют сравнительно низкую чувствительность к изменению температуры. Они сравнитель­но дороги.

Термопары из неблагородных металлов используются для более низких температур. Они более дешевы, составляют большинство всех применяемых термопар и во многих странах нормированы. К таким нормированным термопарам относятся: медь — константан, железо — константан, хромель — алюмель.

Медь-константановые термопары пригод­ны для измерения низких температур (от —250 до 400° С). При высоких температурах медь быстро окисляется в воздушной среде. Эти термопары наряду с железо-константа-новыми термопарами обладают наиболее крутой температурной характеристикой, но зато она имеет значительную нелинейность.

Железо-константановые термопары име­ют более широкий диапазон измерения от —250 до 700° С, если корродирующая атмосфера не препятствует применению этой тер­мопары (железо сильно ржавеет и покры­вается окалиной). Термоэлектрические свойства железа в значительной -мере не­стабильны.

Среди термопар из неблагородных метал­лов хромель-алюмелевые термопары имеют самые высокие пределы измерения: от —200 до 1300° С. Эти термопары являются точ­ными и устойчивыми. Правда, развиваемая ими т.э.д.с меньше, чем у медь-константа-новых и железо-константановых термопар. Характеристика достаточно линейна. Окалинообразование вследствие окисления ста­новится заметным выше 600° С, что ограни­чивает время использования термопар при высоких температурах. На рисунке 5, а характеристика этих термопар при высоких температурах изображена пунктиром. Это указывает, что при температуре выше 1000° С термопары могут быть использованы только либо в защитной атмосфере, либо кратковременно.

Устройство термоэлектрических термометров. Надежность измерения с помощью термоэлектрических термометров зависит от их конструкции, расположения термопар и от возможности контактирования их с изме ряемой средой. Если физические и химиче­ские условия позволяют, термопара может быть введена в измеряемую среду- без за­щитной оболочки. В этом случае она имеет преимущество перед другими контактными термометрами, так как может быть исполь­зована в труднодоступных местах и может обладать высокими динамическими свойст­вами благодаря весьма малым размерам. При высоких температурах или агрессивной среде термопара должна быть помещена в защитную арматуру.

Термоэлектрические термометры без за­щитной арматуры. Термоэлектроды обычно изготавливаются из проволоки, реже из фольги или полосы. Диаметр проволоки из­меняется от 0,1 до 5 мм. Простейшую тер­мопару можно получить из двух термопро­водов, если концы их спаять мягким или твердым припоем или же, что обычно и де­лается, сварить их в защитной атмосфере. Эту открытую, незащищенную термопару можно использовать только в благоприят­ных условиях, например для погружения в неагрессивную жидкость, в вязкую или пла­стическую массу (рисунок 6, а) либо для установки в трубе или резервуаре (см. рисунок 6, б). У так называемого термощупа (см. 6, в) нет соединения термоэлек­тродов. Оно образуется электропроводной внешней поверхностью тела (листа, заготов­ки, слитка и т. п.), температура которой подлежит измерению. При наличии окалины или слоя окиси контактные щупы должны протыкать их. В связи с этим они являются сменными. При использовании термометра, изображенного на рисунке 6,г, пружиня­щая полоса прижимается к выпуклой внеш­ней поверхности тела. Благодаря этому мес­то соединения электродов, образованного контактной стыковой сваркой, и большая часть термоэлектродов находятся на самом теле. Поэтому теплоотвод от рабочего кон­ца термометра, а следовательно, и погреш­ность измерения сравнительно малы.

Рисунок 6.

Термоэлектрические термометры с защитной арматурой. Если по какой-либо причи-^-^ не измеряемая среда может оказать вредное воздействие на термоэлектроды, то они по­мещаются в защитные металлические или керамические трубы. Друг от друга термоэлектроды изолируются с помощью керамических трубочек. После этого термо­электроды вставляются в.закрытую с одной стороны керамическую фарфоровую защит­ную трубу, предохраняющую термоэлектро­ды от диффузии газов измеряемой среды, которые могут изменить термоэлектрические свойства термометра. Далее термоэлектро­ды помещают в металлический чехол (тру­бу), который предохраняет их от механиче­ских повреждений. Защитная арматура вы­бирается в зависимости от свойств измеря­емой среды, может иметь разнообразное конструктивное исполнение и большая ее часть регламентируется стандартами и пред­писаниями.»

Большое распространение получили тер­мометры с одной защитной оболочкой, t Компактность конструкции обеспечивает их j весьма малые размеры. Наружный диаметр | их равен 0,25—6 мм. Благодаря малым раз- 1 мерам они являются весьма гибкими при.. достаточной механической прочности. Наи­меньший радиус изгиба в 6 раз превышает." наружный диаметр термометра. Термоэлек­троды изолируются друг от друга термо-стойким керамическим порошком. Рабочий конец термопары может иметь контакт с оболочкой или изолируется от нее (рисунок 7, а).

Наиболее простая схема включения тер­мопар имеет место при непосредственном подключении термоэлектродных проводов к показывающему прибору (рисунок 8, а). При этом можно считать, что свободные концы термометра находятся на клеммах измерительного прибора, температура t_о которых неизвестна и, как правило, не посто­янна. Поэтому при таком методе подключе­ния результаты измерения являются неточ­ными, недостоверными, ориентировочными.

Рисунок 8

а - включение, требующее наименьших затрат; б – нормальное включение.

1 — термопара; 2 — место подключения термоэлектродов к термоэлектродным проводам; 3- термоэлектродные провода: 4 — место свободных концов термометра (все клеммы должны находиться при одной и той же температуре); 5 —медные цровода

В корректной схеме включения (рисунок 8, б) должно быть отдельное место для свободных концов термометра — место соединения термоэлектродных проводов с медными проводами.

Рисунок 9. Схема включения нескольких термопар с использованием одного прибора

При лабораторных измерениях температуру свободных концов термометра лучше поддерживать постоянной при 0°С, используя сосуд Дьюара, заполненный тающим льдом. Термостатирование с oxлаждением на основе принципа Пельте требует значительных затрат на аппаратуру. [Поэтому температуру свободных концов часто термостатируют на уровне выше комнатной температуры, используя электронагрев. Обычно f'₀=50±0,l° С.

Дата добавления: 2014-01-05