![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Термоэлектрические термометры (термопары)
Этот тип первичного преобразователя температуры основан на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что в замкнутой цепи, образованной из двух или более разнородных проводников, возникает термоток при неравенстве температур в местах их соединения -спаях (эффект Зеебека, 1822 г.).
Цепь термопары образуется из проводников Кроме того, ТЭДС возникает и при наличии однородного проводника. При этом электроны диффундируют от более нагретой части к менее нагретой (эффект Бенедикса) при наличии градиента температуры. Таким образом, в простейшей цепи возникают четыре различные ЭДС: две в местах спая и две на концах проводников
При
тогда
и
Таким образом, ТЭДС является функцией двух температур:
и измерение температуры сводится к измерению ТЭДС термопары. При включении вторичного прибора цепь разрывают либо в месте холодного спая, либо в одном из термоэлектродов (рис. 2.3.2). Суммарная ТЭДС (для варианта а):
при
Подставляя в (2.3.6), получим:
Аналогичное выражение можно вывести и для варианта (б). Таким образом, ТЭДС, развиваемая термопарами, будет аналогична и при введении в цепь третьего проводника, при условии, что концы его будут иметь одинаковую температуру. Для измерения разности температур применяют так называемую дифференциальную термопару (рис. 2.3.3).:
при
Тогда
Для повышения чувствительности термоэлектрического датчика применяют термобатареи, представляющие собой несколько последовательно соединенных термопар (рис. 2.3.4).
При
При
К материалам, применяемым для изготовления термопар, предъявляются определенные требования: - устойчивость к воздействию высоких температур; - постоянство ТЭДС; - большая электропроводность; - воспроизводимость термоэлектрических свойств, что обеспечивает взаимозаменяемость; - небольшой температурный коэффициент сопротивления и др.
Характеристики материалов приведены в таблице 2.3.1.
Таблица 2.3.1
В настоящее время применяются следующие стандартные термоэлектрические термометры: – медь-копелевые и медь-медноникелевые – типа Т (-200¸ 400 °С); – железо-медноникелевые J (-200¸ 700 °С); – хром-копелевые L(ХК) (-50¸ 600 °С); – никельхром-медноникелевые Е; – никельхром-никельалюминиевые К (ХА) (хромель-алюмелевые); – платинородий-платиновые S (0¸ 1800 °С), +10% родия и 50% платины – чистая платина; – платинородий-платинородиевые термоэлектрические термометры В (ПР) (300-1600 °C), + сплав 30 % родия и 70 % платины – 6 % родия и 94 % платины.
Пределы допустимых отклонении определяются из уравнения:
где
В качестве материала для изготовления термопар могут служить и другие пары металлов. Но при их применении требуется индивидуальная градуировка. В некоторых случаях, в частности, термоэлектрогенераторах, термоэлектрохолодильниках, различных измерительных приборах, применяют также полупроводниковые термометры с ТЭДС в 5-10 раз больше приведенной ранее. В этих термометрах применяют сплавы ZnSb и CdSb. В таблице 3 приведены характеристики наиболее широко используемых термопар, а на рис. 2.3.5 – графические зависимости их ТЭДС от температуры.
Таблица 3
Рис. 2.3.5
Так как температура холодного спая может отличаться от 0 °С, вводится поправка из выражения:
где
Обеспечение стабильности измерений возможно также с помощью так называемых компенсационных проводов, которые служат для отвода концов термопары в зону с постоянной температурой. Эти провода изготавливаются из материалов, термоэлектрически подобных материалам для термопар, и входят в комплект первичного измерителя. Так, для термопар ТПП – это сплав меди с никелем (0, 6 %). До 100 °С эти провода в паре между собой развивают ту же ТЭДС, что и ТПП. Для автоматической термокомпенсации применяют мостовые электрические схемы. Мостовая схема включает в себя три манганиновых сопротивления и одно медное. Добавочное сопротивление служит для корректировки напряжения питания. От термопары до моста прокладываются термоэлектродные провода, а до измерительного прибора – медные. При температуре холодных спаев, равной градуировочной, напряжение, снимаемое с вершины моста, равно 0. При отклонении температуры изменяется величина медного сопротивления Конструктивно термометры изготовляются сваркой в пламени вольтовой дуги. Платинные – без флюса, а остальные – под флюсом. Термоэлектроды (диаметрами 0, 5 и 1 мм) изолируются друг от друга с помощью керамических или стеклянных изоляторов (бус). Спай термопары изолируется фарфоровым наконечником, помещенным на дне защитной металлической трубки. Защитная трубка ввинчивается в головку термопары, внутри которой располагаются клеммы для подключения термоэлектродов и проводов. На трубке располагается штуцер с резьбой для установки термопары на трубопроводе. Способ крепления может быть – скользящая насадка с последующей приваркой. Монтажная длина термопар составляет от 60 до 1000 мм. Тепловая инерция от 3 до 210 с. Передаточная функция термопары описывается уравнением:
где
При применении термопар, горячий спай которых приварен к защитному чехлу, передаточная функция описывается уравнением в виде:
где
Этому уравнению соответствует передаточная характеристика игольчатой термопары типа ТХК-0033, применяемая в пищевой промышленности для измерения температуры внутри изделия, в частности, батонов колбас. Диаметр термоэлектродов составляет 0, 2 мм. Диапазон измерений 0¸ 150 °С. Инерционность не более 3 с, условное давление до 0, 6 МПа. Монтажная длина 60, 80 и 100 мм. Материал защитной арматуры – сталь X18H10T, её диаметр 1, 6 мм. Вероятность безотказной работы в течение 2000 ч – 0, 96. Масса 0, 1 кг. Погрешность ±0, 2 мВ.
Преимущества термоэлектрических термометров: - высокий верхний предел измерений; - большая стабильность при высоких температурах (по сравнению с термопреобразователями сопротивления); - простота технологии. Термоэлектрические термометры выпускаются одинарные и двойные, одно- и многозонные. По инерционности делятся на: I класс – до 40 с, II – до 3, 5 мин, III – свыше 3, 5 мин. Термопары могут комплектоваться специальными измерительными преобразователями, с помощью которых на выходе можно иметь стандартный унифицированный сигнал, который можно подать на ЭВМ. Такими стандартными сигналами являются токовые 0-5, 0-20, 4-20 мА и вольтовые 0-5, 0-10 В.
|