Термоэлектрические преобразователи

Термоэлектрические преобразова­тели, используемые для измерений температуры, базируются главным образом на эффекте Зеебека. Суть его состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из последовательно соеди­ненных разных проводников, возника­ет термоЭДС, если на контактах про­водников поддерживается различная температура. В простейшем случае цепь образуется двумя проводниками и называется термопарой. Этот случай является самым типичным в технике измерений температуры.

Для такой цепи, образованной проводниками А и В, возникает тер-

моЭДС E _АВ:

где— абсолютная температура в местах соединений проводников;

— коэффициенты Томсона для про­водников А и В. Предполагается, что

По знаку разности потенциалов, возникающих между каждой парой проводников, все проводники распола­гаются в определенной последователь­ности (ряд Вольта):

Каждый из проводников ряда явля­ется отрицательным по отношению к предыдущим в ряду и положительным — к последующим.

В общем случае термоЭДС тер­мопары представляет собой разность ЭДС на ее концах, соответствующих температурам Т₁ и Т₂. При малых разностях температур Т₁ и Т₂ развива­емая Т₁-Т₂ ЭДС пропорциональна разности

Таким образом,

Если на одном из концов термопа­ры поддерживать постоянство темпе­ратуры

Место контакта термопа­ры, располагаемое в зоне измеряемых температур, называют рабочим кон­цом, а термостатируемый конец назы­вают свободным. Если контактирова­ние свободных концов термопары АВ осуществляется через третий провод­ник С, то в общем случае

где— температура контакта

Если создать условия, при кото­рыхОтсюда следует, что измеритель ЭДС, подклю­ченный к свободным концам, должен иметь на клеммахАна­логично термопарная замкнутая цепь инвариантна к произвольному числу проводников (закон Бекереля), если на их концах, кроме одного (измеряемо­го) поддерживается постоянство тем­пературы. Отсюда следует также, что термопарные электроды можно замы­кать через третий металл и в области измеряемых температур, лишь бы на концах третьего электрода поддержи­валась постоянная температура (изме­ряемая). На этом принципе устроены так называемые штыковые термопары.

Отсюда следует также, что уст­ройства, измеряющие термоЭДС, мож­но располагать на достаточном удале­нии от рабочего конца лишь бы темпе­ратуры промежуточных стыков были одинаковы и соответствовали темпера­туре свободных концов при градуиро­вании термопары. Если же темпера­тура свободных концов при измерении отличается от температуры свободных концов при градуировании, то в изме­ренную термоЭДС необходимо вводить поправки. В соответствии с требова­ниями о международной практической температурной шкале (МПТШ) темпе­ратура свободных концов термопары при градуировании должна быть О °С. ¹ Основные схемы соединения тер­мопар приведены на рис. 2.33, на кото­ром представлены наиболее часто реа­лизуемые варианты включения термо­пар и термобатарей.

В диапазоне температур —273... +1100 °С (+1300 кратковременно), как правило, используются термопары из неблагородных металлов и сплавов.

В диапазоне температур+1100...+1600 °С (+1800 кратковре­менно) используются термопары из благородных металлов и сплавов.

Для измерений температуры до +3000 °С (в нейтральной и восстанови­тельной средах) используются термо­пары на основе тугоплавких металлов.

В экзотической для контактных измерений температуры области до 4000 °С известны попытки использова­ния термопар на основе графита и кар­бидов, нитридов, силицидов и боридов.

Ко всем используемым в практи­ческой термометрии термоэлектрод­ным материалам предъявляются об­щие требования — достаточной для практических целей чувствительно­сти, стабильности и воспроизводимо­сти свойств на метрологическом уров­не, достаточной гомогенности матери­ала. Термопары, наиболее полно отве­чающие этим требованиям, стандарти­зованы. Рассмотрим такие термопары в последовательности повышения из­меряемой ими границы температуры.

Термопара медь-константан (МК). Главное применение — в обла­сти низких температурВ этих термопарах обязательно ис­пользование специального термопар­ного константана

При температуре имеет чувствительность — 0,9 мкВ/К, в тройной точке водорода — 4,96 мкВ/К, в тройной точке азота — 15,7 мкВ/К, в тройной точке кислорода — 17,4 мкВ/К.

Зависимимость ЭДС термопары МК приведена в табл. 2.11.

Термопара хромель— алюмель Термопара наиболее массового использования. Имеет температурную зависимость термоЭДС, близкую к ли­нейной (табл. 2.11). Оба электрода на базе никеля. Положительный термо­электрод хромель

Термопара устойчи­во работает в окислительной среде до температуры 1100 °С длительно л до 1300ºС кратковременно. Температура плавления хромеля 1435 °С, алюмеля — 1440 °С.

Термопара хромель—копель (ХК). Копель

Одна из самых высокочув­ствительных термопар. Уступает тер­мопаре ХА по линейности и верхнему температурному пределу (600 °С дли­тельно, 800 °С кратковременно). Температура плавления копеля 1290 °С. • Зависимость термоЭДС приведена в табл. 2.П.

Термопары ХА и ХК разработаны в виде кабельных конструктивов ти­пов КТХАС, КТХАСП, КТХКС. Пер­вые два типа — с термоэлектродами ХА в стальной оболочке и в оболочке из жаропрочного сплава ХН78Т. Тре­тьего типа — с термоэлектродами ХК В стальной оболочке. Диаметр термо­парного кабеля от 1 до 6 мм. Толщина оболочки от 0,15 до 0,75 мм. Длина от 10 до 50 м (табл. 2.12 и 2.13 для тер­мопар с уточненным рабочим участ­ком).

Имеются модификации микротер­мопар — с электродами, защищенны­ми капилляром из коррозионностойной стали. Термоэлектроды имеют двухслойное изоляционное покрытие. Диаметр капилляра до 0,3 мм. Длина до 10 м.

Описано большое число нестан­дартных термоэлектродных материа­лов из неблагородных металлов. Наи­более широкое применение получили:

Термопара железо—константан (ЖК) (табл. 2.11).

Термопара НХК-НКМ. Поло­жительный термоэлектрод

Отрицательный —(табл. 2.11).

Наиболее широко используемые термопары из благородных металлов:

Термопара платинародий— платина. Положительный платино­вый электрод обычно легируется роди­ем (температура плавления 1970 °С). Термопара работоспособна во всех сре­дах, кроме восстановительной.

Широко используются термопары с легированием родием и положитель­ного, и отрицательного электродов. В этом случае в положительном элек­троде процент родия должен преобла­дать над концентрацией родия в отри­цательном электроде.

Более высокий температурный предел (1850 °С) имеет термопара Пр40/20. В термопарах с большим со­держанием родия в электродах прак­тически не требуются поправки на температуру свободных концов, если эта температура находится в пределах 0...150°С.

Из других благородных метал­лов в термопарах используется ири­дий (также металл платиновой груп­пы). Обычно в положительном элек­троде используется сплав 50 % 1г а в отрицательном элек­троде — чистый иридийЭта термопара работоспособна в окисли­тельной среде до 2200 °С, однако срок работы ограничивается несколькими десятками часов. Воспроизводимость у иридий-родиевых термопар ниже, чем у платино-родиевых.

Термопары на основе туго­плавких металлов. В этих термо­парах используют термоэлектроды из вольфрама и молибдена. Вольфрам имеет температуру плавления около 3410 °С, а молибден — около 2620 °С. Оба этих металла легко окисляются при высоких температурах. Поэтому термопары из этих металлов предна­значаются для работы в нейтральных и восстановительных средах, а также в вакууме. Вольфрам хрупок, молибден достаточно пластичен.

Известны варианты использова­ния вольфрама с молибденом в соче тании с различными присадками

которые улучшают пластичность термоэлектродов и су­щественно меняют зависимости термо-ЭДС от температуры.

В отечественной практике получи­ла применение термопара ЦНИИЧМ-1. Ее положительный электрод — чистый вольфрам, а отрицательный — молиб­ден с присадкойОба тер­моэлектрода изготавливались метода­ми порошковой металлургии и горя- чего волочения. Эта термопара мо­гла кратковременно работать в воз­душной среде (10... 15 мин до 2400 °С) и длительно (сотни часов) в вакууме 10^-3... 10^-5 мм рт.ст., нейтральных средах и инертных газах. Зависимость термоЭДС термопары ЦНИИЧМ-1 приведена в табл. 2.14.

Новые возможности получила вы­сокотемпературная термометрия при сочетании вольфрама с рением. До­бавка рения в вольфрам существен­но повысила пластичность вольфрамо­вой проволоки. Температура плавле­ния рения 3410 °С. В табл. 2.14 приве­дены зависимости термоЭДС для тер­мопар

Тер­мопарыпредложены С.К. Данишевским. Следует иметь в виду, что термопары этого типа имеют три группы градуировки.

С целью удаления свободных кон­цов термопар от мест со значитель­ными изменениями температуры при­меняют удлинительные (компенсаци­онные) провода. Применяются два ти­па удлинительных проводов — поэлектродной компенсации термоЭДС и сум­марной компенсации.

Удлинительные провода поэлектродной компенсации ТЭДС составля­ют из проводников, каждый из которых в паре с одним из термоэлектро­дов не развивает термоЭДС в опреде­ленном интервале температуры.

Удлинительные провода суммар­ной компенсации должны развивать термоЭДС, равную термоЭДС компен­сируемой термопары в диапазоне тем­пературы свободных концов. При этом должно соблюдаться равенство темпе- ратуры мест подсоединения удлини­тельных проводов к свободным кон­цам.

Предполагается очевидным со­блюдение полярности подключения соединительных проводов. Табли­ца соответствий термоэлектродов и термокомпенсационных проводов — табл. 2.15.

Дата добавления: 2014-01-07