Термоэлектрические преобразователи

Принцип действия и конструкция. Термоэлектрический пре­образователь представляет собой термопару, состоящую из двух раз­нородных проводников и , соединенных между собой в двух точ­ках, как схематически показало на рис. 4.37,а.

На границе раздела двух различных металлов имеется контактная разность потенциалов , зависящая от рода металлов и от температуры контакта. В цепи, показанной на рис. 4.37, а, контактные разности потенциалов образуются в точках 1 и 2. Если , то они равны между собой и, будучи противоположно направленными, взаимно уравновешиваются. Если же , то в цепи развивается результирующая ЭДС

(4.141)

называемая термоэлектродвижущей силой (термоЭДС). Места кон­тактов называются спаями термопары.

Из (4.141 ) следуют следующие свойства термопары.

1. Если в цепи термопары включен третий проводник (проводник R на рис. 4.37,б и его концы находятся при одинаковых температу­рах , то включение этого третьего проводника не изменяет ЭДС цепи. Третьим проводником могут быть провода прибора, изме­ряющего ЭДС термопары, и провода, соединяющие его с термопарой. Если концы термопары, подключенные к соединительным проводам, находятся при одинаковых температурах, то подключение измеритель­ного прибора не изменяет термоЭДС.

2. ЭДС термопары является функцией двух независимых темпера­тур — температур ее спаев — и не зависит от температур других точек термопары. ЭДС термопары (4.141) есть сумма функ­ций одной переменной.

3. Если термопара имеет температуры спаев и , то термоЭДС равна алгебраической сумме двух ЭДС, одна из которых генериру­ется при температуре спаев , другая — при температурах (рис. 4.38):

(4.142)

Это свойство используется при измерении температуры спая, если температура второго спая отличается от температуры , при кото­рой была произведена градуировка термопары.

При функция представляет собой градуировочную функцию преобразования данной термопары. Значение определяется экспериментально, а значение — по значению температуры и градуировочной функции преобразования. По значени­ям и вычисляется , по которой определя­ется измеряемая температура.

Термоэлектрические преобразователи используются для измери­тельного преобразования температуры в ЭДС. В табл. 4.1 приведены наиболее широко используемые термопары (ГОСТ 6616-84) и их ос­новные характеристики (ГОСТ 3044-84).

Градуировочные характеристики и допустимые погрешности этих термопар также приведены в ГОСТ 3044-84.

Термоэлектрический датчик обычно называется термопарой. Уст­ройство промышленной термопары показано на рис. 4.39.

Термоэлект­роды 1 изолируются друг от друга керамическими бусами 2 или кера­мической трубкой; одним своим концом они свариваются, другим — подсоединяются к зажимам в головке 3, служащей для подключения внешних проводов. Термоэлектроды помешаются в защитный чехол 4 (трубку, закрытую с одной стороны). Чехол делается из жаропроч­ной стали, а при измерении очень больших температур — из керами­ки или кварца.

Место соединения термоэлектродов называется горячим или ра­бочим спаем. Противоположные концы называются холодными или свободными. Обычно в месте свободного спая термопара разомкнута. ЭДС термо­пары обычно не превосходит 50 мВ.

Схемы включения. Рабочий конец тер­мопары погружается в среду, температу­ру которой требуется измерить. Свобод­ные концы подключаются к вторичному прибору. Если температура свободных концов постоянна, то подключение мо­жет быть сделано медным проводом, а если не постоянна, то оно выполняется специальными удлинительными (компен­сационными) проводами.

В качестве по­следних используются два провода из различных материалов. Провода подбираются так, чтобы при темпера­туре свободных спаев и в паре между собой они имели такие же термо­электрические свойства, как и рабочая термопара. При подсоединении к термопаре компенсационные провода удлиняют ее и дают возмож­ность отвести холодный спай образованной составной термопары в такое место, где температура остается постоянной.

В качестве вторичных преобразователей используются либо магни­тоэлектрические милливольтметры, либо потенциометры постоянного тока. В лабораторной практике используются потенциометры с ручной компенсацией, а в производственной — автоматические потенциометры. Упрощенная схема автоматического потенциометра приведена на рис. 4.40.

Термопара включается таким образом, что ее ЭДС направ­лена встречно компенсирующему напряжению , создаваемому с помощью мостовой цепи. Это напряжение изменяется пропорциональ­но перемещению движка по реохорду . Разность ЭДС термопары и ком­пенсирующего напряжения усиливается усилителем и подает­ся на реверсивный двигатель РД. Вал двигателя, вращаясь, через ре­дуктор, перемещает движок реохорда так, чтобы разность умень­шалась. Когда она становится равной нулю, вал останавливается. С движ­ком реохорда связаны стрелка прибора, перемещающаяся по шкале, записывающее устройство, регистрирующее текущее значение темпе­ратуры, контакты для ее регулирования, а также устройство для дис­танционной передачи показаний.

Для увеличения стабильности напряжения и точности измерения температуры мост питается от стабилизированного источника напряже­ния ИПС, а сопротивления плеч моста изготавливаются из манганиново­го провода.

Современные автоматические потенциометры имеют основную при­веденную погрешность измерения ± (0,25 — 1) %, погрешность регист­рации ± (0,5 - 1 ) %.

Погрешность термоэлектрического термометра. Одним из источни­ков погрешности термоэлектрического термометра является несоот­ветствие температуры свободных концов термопары температуре, при которой была произведена градуировка.

Номинальная функция преобразования термопар со стандартной гра­дуировкой задается градуировочной таблицей. Она определяет зави­симость ЭДС термопары от измеряемой температуры при температуре свободных спаев . Если в условиях измерения температура свободных спаев не равна температуре t₀, то ЭДС тер­мопары отличается от ЭДС , которая нужна для опре­деления температуры по стандартной градуировке. Введение поправ­ки основано на третьем свойстве термопары.

Второй член правой части равенства (4.142) определяет

поправку. представляет собой ЭДС термопары при условии,

что ее свободные концы находятся при температуре градуировки , а рабочие — при температуре. Значение определяется по

таблице стандартной функции преобразования.

Вследствие неравенства температур показание пирометрического милливольтметра не равно действительной температуре. По­правка к его показаниям приближенно может быть определена соотно­шением

(4.143)

где — коэффициент, зависящий от измеряемой температуры и от ви­да термопары. Для хромель-копелевой термопары он лежит в пределах 0,8—1; для хромель-алюминиевой — в пределах 0,98—1,11; для платиноро-дий-платиновой — в пределах 0,82—1,11. При малом значении в ряде случаев можно принять . Это позволяет вводить поправку в показания пирометрического милливольтметра с помощью корректора нуля. При отключенной термопаре стрелку прибора с по­мощью корректора ставят на отметку, соответствующую . При вклю­чении термопары и измерении температуры показания пирометра будут больше некорректированных на значение . Такое введение поправ­ки целесообразно, когда значение сохраняется постоянным.

Другим источником погрешности термоэлектрического термомет­ра является изменение сопротивления измерительной цепи термоэлект­рического преобразователя.

В качестве пирометрического милливольтметра применяются при­боры магнитоэлектрической системы. Для повышения чувствительно­сти они выполняются с относительно малым внутренним сопротивле­нием. При этом измеряемое напряжение зависит от сопротивления внешней цепи. Внешняя цепь милливольтметра состоит из термопары, удлинительных и соединительных проводов и специальных мангани­новых уравнительных (подгоночных) катушек. Изменение сопротив­ления этих элементов приводит к погрешности термоэлектрического термометра. Для иллюстрации заметим, что при помещении платино-родий-платиновой термопары с электродами' толщиной 0,5 мм в печь с температурой 1000 °С на глубину одного метра ее сопротивление из­меняется на 3,86 Ом. Погрешность может происходить также вследствие плохой подгонки сопротивлений уравнительных катушек.

Можно показать, что приведенная погрешность, вызванная измене­нием сопротивления внешней цепи на , равна

(4.144)

где — внутреннее сопротивление милливольтметра;

— номиналь­ное сопротивление его внешней цепи.

Сопротивление пирометрического милливольтметра и номинальное сопротивление внешней цепи , при котором он градуировался, указываются на его шкале.

Термоэлектрический термометр с потенциометром свободен от рассматриваемой погрешности. В момент компенсации по внешней цепи ток не течет и на ее сопротивлении отсутствует падение напря­жения. Потенциометр измеряет термоЭДС.

Дата добавления: 2014-01-05