Теоретические положения. Принцип действия термоэлектрического датчика, называемого термопарой, основан на термоэлектрическом эффекте

Принцип действия термоэлектрического датчика, называемого термопарой, основан на термоэлектрическом эффекте, который состоит в том, что при наличии разности температур мест соединения (спаев) двух разнородных металлов или полупроводников в контуре возникает электродвижущая сила, тем больше, чем больше разность температур ее концов.

Проводники, из которых составляется термопара, называют электродами. Если температуру одного из спаев термопары поддерживать постоянной, а другой спай нагревать, то получится вполне определенная зависимость между термо – ЭДС и температурой нагреваемого конца.

Соединенные между собой концы термопары, погруженные в измеряемую среду, называют рабочим концом термопары. А концы термопары находящиеся при постоянной температуре, называют свободными концами. Таким образом термо – ЭДС будет зависеть только от температуры рабочего конца.

Величину термо – ЭДС можно измерить прямым методом с помощью магнитоэлектрического милливольтметра или компенсационным методом с помощью автоматического потенциометра.

Стандартные термопары градуируют, т.е. определяют зависимость термо –ЭДС от изменения температуры рабочего конца при строго постоянной температуре свободного конца обжига 0°С. Поэтому при пользовании термопарой ее свободные концы термостатируют. Для этого термопару «удлиняют» с помощью термоэлектродных проводов, что позволяет отвести свободные концы в зону, где температура окружающей среды устойчива. Однако на практике температура свободных концов соответствует окружающей температуре, а не градуировочной (нулевой) и может изменяться. Это приводит к появлению погрешности, которую учитывают введением поправки на фактическую температуру рабочих концов.

Обычно такая поправка осуществляется путем расположения в непосредственной близости от свободного конца термопары термочувствительного сопротивления, которое изменяясь по величине с измерением температуры, обеспечивает постоянств показаний.

Термо – ЭДС, развиваемая термопарой, зависит от материала термоэлектродов, из которых она составлена. В качестве материалов термоэлектродов преимущественно применяют металл и сплавы, которые отвечая одновременно и ряду других требований, развивают сравнительно большое термо – ЭДС.

Для термоэлектродов применяют чистые металл: медь, железо, никель, платину и сплавы: хромель, алюмель, копель, нихром, платинородий. Для изготовления термопар чаще всего используют термоэлектроды в виде проволок диаметром 0, 5 – 3, 2 мм. Термоэлектроды соприкасаются друг с другом только в рабочем конце, по всей остальной длине они хорошо электрически изолированы форфоровыми изоляторами в виде одно или двухканальных бусинок или трубок. Термоэлектроды помещают в защитный чехол. В зависимости от предела измерения чехол выполняют из стали или из форфора.

Термоэлектроды делятся на положительные и отрицательные в зависимости от знака потенциала, образующегося на нем по отношению к химически чистой платине при их соединении, т.е. например, при соединении меди образуется положительный потенциал по отношению к платине, а на константе при тех же температурах – отрицательный. Тогда, при соединении меди и константа при этих же температурах потенциал меди по отношению к константу определится как разность:

Е_мк = Е_мп – Е_кп

Е_мк – потенциал меди по отношению к константу;

Е_мп – потенциал меди по отношению к платине;

Е_кп – потенциал константа по отношению к платине.

Зависимость термо – ЭДС от температуры приблизительно линейная.

Рисунок 1.1

Измерительным прибором, измеряющим терсо – ЭДС, может быть милливольтметр магнитоэлектрической системы или потенциометр, где используется компенсационный метод измерения.

Рисунок 1.2 – Схема подключения термопары к милливольтметру

При этом методе измерения в момент компенсации, ток в измерительной цепи отсутствует, что значительно повышает точность измерений. Приборы, основанные на компенсационном методе измерения, называются потенциометрами.

Рассмотрим работу мостовой потенциометрической компенсационной схемы. В диагональ моста включен источник стабилизированного напряжения U_ип. Ток I в точке Д разветвляется, и токи I₁ и I₂ на сопротивлениях плеч моста создают падение напряжений. В результате чего в точках А и С создается разность потенциалов. Все резисторы схемы, кроме R₁, изготовлены из манганина, R₁ – из меди. Диапазон компенсирующего напряжения (диапазон шкалы прибора) определяется сопротивлением R_р.

Нуль индикатором является электронный усилитель, который управляет реверсивным двигателем. Двигатель кинематически связан с подвижным контактором реохорда и со стрелкой прибора. Термопара в процессе измерения температуры включена через усилитель ЭУ в диагональ моста АС.

Рисунок 1.3

Схема работает следующим образом:

Если термо – ЭДС термопары равна разности потенциалов между точками АС, то в измерительной цепи существует ток, вызванный напряжением разбаланса. Во входной цепи усилителя ток разбаланса усиливается и преобразуется с помощью преобразователя в переменное напряжение 50 Гц. Двигатель приводится в движение. Вращаясь, двигатель передвигает подвижный контакт реохорда до тех пор, пока напряжение между точками А и С не станет равным термо – ЭДС термопаы. При равенстве напряжений на входе усилителя напряжение отсутствует. Двигатель, стрелка останавливается.

Важнейшим техническим показателем потенциометров является класс точности прибора, его особенная характеристика, определяемая пределами допустимых основных и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами, влияющими на точность показаний. В связи с трудностью учета факторов, вызывающих дополнительные погрешности класс точности большинства приборов определяется только пределами допустимой основной погрешности.