Термоэлектрические термометры

Термоэлектрические термометры (ТЭТ) – термопары широко применяются для измерения температур от минус 200 до плюс 2500 °С в различных областях техники и научных исследованиях. Однако в области низких температур ТЭТ получили меньшее распространение, чем термометры сопротивления.

Принцип действия ТЭТ основан на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что в электроцепи, составленной из двух разнородных проводников или полупроводников (термоэлектродов), например А и В (рисунок 3.2а), при наличии разности температур между местами их соединения (спаями) возникает термоэлектродвижущая сила (термоЭДС), величина которой пропорциональна разности температур нагретого Т₁ и свободного (холодного) Т₂ концов спаев и зависит от материала термоэлектродов.

 

Рисунок 3.2 – Термоэлектрическая цепь (а) и схемы измерения термоЭДС термопары – без термоэлектродных проводов (б) и с термоэлектродными проводами (в):

А и В – электроды термопары; А₁ и В₁ – термоэлектродные (удлиняющие провода); Т₁ – температура мест соединений электродов термометра с термоэлектродными проводами (в); mV – милливольтметр

 

Термопара состоит из двух специально подобранных термоэлектродов (проволок), одни концы которых спаяны или сварены (Т₁), а другие (T₂) подключаются к вторичному прибору ИП (рисунок 3.2б): Т = Т₁ , Т₀ = Т₂ .

Термоэлектрод называют положительным, от которого термоток идет в спае, имеющем температуру Т₀ < Т, отрицательным – к которому ток идет в том же спае.

Спай термопары Т₁, погружаемый в среду, температура которой измеряется, называют рабочим (горячим).

Концы термопары (Т₂), которые подключаются к измерительному прибору ИП и должны находиться при постоянной температуре (Т₂ = Т₀ = const)называют свободными (холодными).

При условии Т₂ = const термоЭДС термопары U_ТП будет зависеть только от температуры рабочего спая, т. е. температуры контролируемой среды Т₁ = Т,

U_ТП = Е_АВ (Т, Т₀) = F(T). (3.8)

Для термопар статическая характеристика (рисунок 3.3) является непрерывной и, учитывая небольшую нелинейность на отдельных ее участках, чувствительность ТЭТ можно записать в виде

мВ/^оС. (3.9)

Величина К_тп зависит от температуры Т и от природы термоэлектродов и составляет 0,006–0,07 мВ/°С – для металлов (рисунок 3.3, кривые 1,2); 0,1–1 мВ/°С – для полупроводниковых термопар (рисунок 3.3, кривая 3).

Наиболее распространенными в практике технологического контроля являются стандартные термопары с металлическими термоэлектродами из благородных и неблагородных металлов.

Платинородий-платиновые термопары типа ТПП (градуировка ПП) применяются для измерения температур в области 0–1300 °С, термоэлектроды изготавливают из проволоки диаметром 0,5 мм, что удовлетворяет условиям достаточной прочности и не слишком высокой стоимости;

 

Рисунок 3.3 – Статические характеристики термопар:

1 – хромель-алюмелевой; 2 – хромель-копелевой (металлические);

3 – карбид кремния-графитовой (полупроводниковая)

 

§ платинородий-платинородиевые термопары типа ТПР (градуировка ПP 30/6) применяются для измерения температур в области 300–1600 °С;

§ хромель-копелевые термопары типа ТХК (градуировка ХК) применяются для измерения температур в области –200–600 °С;

§ хромель-алюмелевые термопары типа ТХА (градуировка ХА) применяются для измерения температур в области –200–1000 °С, диаметр термоэлектродной проволоки до 3,2–5 мм.

Допустимая основная погрешность стандартных термопар составляет 0,01–0,23 мВ.

Стандартные термопары градуируют, определяя экспериментально зависимость термоЭДС от изменения температуры рабочего спая при строго постоянной температуре свободных концов термопары (обычно Т₀ = 0 °С) методом сравнения с образцовым термометром.

С целью упрощения конструкции термопар и условий термостабилизации свободных концов термоэлектродов их удлиняют специальными проводами, которые называют термоэлектродными (иногда компенсационными, что неверно). Это позволяет удалить свободные концы термопары в зону, где температура окружающей среды изменяется незначительно. В этом случае свободными концами термопары считают места соединения термоэлектродных проводов с медными проводами подключения или с зажимами измерительного прибора, если термоэлектродные провода присоединяются к ним непосредственно. В качестве материала для термоэлектродных проводов используют недефицитные неблагородные металлы, которые в интервале температур окружающей среды развивают в паре между собой такую же термоЭДС, как и термопара, с которой они комплектуются. Для термопар типа ТПП применяют термоэлектродные провода марки ПП (положительный термоэлектрод – медь, отрицательный – сплав меди и никеля), для ТХК – марки ХК (положительный – хромель, отрицательный – копель), для ТХА – марки М (положительный – медь, отрицательный – константан).

Для исключения влияния изменения температуры окружающей среды, т. е. температуры свободных концов термоэлектродов, на работу термопары, в схему измерения вводят автоматическую термокомпенсацию при помощи специального устройства. Устройство термокомпенсации KТ включают последовательно в измерительную цепь, составленную из термопары АВ, термоэлектродных проводов А1 и В1, медных соединительных проводов С и измерительного (вторичного) прибора mV-милливольтметра (рисунок 3.4).

В простейшем виде устройство термокомпенсации представляет собой равноплечий мост, три плеча R2, R3, R4которого выполнены из манганиновой проволоки (имеет очень малый температурный коэффициент сопротивления), а плечо R1 – из медной проволоки (с большим ТКС). Мост питается от стабилизированного источника напряжения U, R_Д – добавочный мангониновый резистор в линии питания моста, R_у – уравнительный мангониновый резистор для подгонки внешнего сопротивления милливольтметра mV до заданного значения. Устройство термокомпенсации выпускается отдельным блоком или встроенным во вторичный прибор.

 

Рисунок 3.4 – Схема измерения температуры с автоматической термокомпенсацией

 

При температуре 0 °С мост уравновешен, напряжения U_ав назажимах а и в равно нулю, а термоЭДС термопары соответствует градуировочному значению U_тп (Т, Т₀). При изменении температуры окружающего воздуха, а следовательно, и температуры Т₀ до значения Т₀¢ > Т₀, медный резистор R1 также увеличивает свое сопротивление до значения R1¢. Вследствие этого нарушается равновесие моста и на зажимах а и возникает напряжение U_ав, которое компенсирует изменение термоЭДС термопары до значения U (Т, Т₀) = U (Т, Т₀¢) + U_AB, здесь U (Т, Т₀¢)термоЭДС термопары при температуре свободных концов Т₀¢, (U (Т, Т₀¢) £ U (Т, Т₀) при Т₀¢ > Т₀) и той же температуре Т рабочего конца.

Для защиты от механических повреждений и воздействия контролируемой среды электроды (чувствительный элемент) термопары, армированные изоляцией, помещают в специальную защитную арматуру. Особенности конструкции различных типов термопар представлены на лабораторном стенде и учебных плакатах. Термопары типа ТПП и ТПР выпускаются нескольких разновидностей: эталонные, образцовые, рабочие повышенной точности и технические; типа ТХА и ТХК – только технические.

К числу достоинств термопарследует отнести простоту изготовления, достаточно высокую точность, возможность централизации контроля температуры путем присоединения нескольких термопар через переключатель к одному измерительному прибору, возможность автоматической записи измеряемой температуры при помощи самопишущего прибора, надежность в эксплуатации, возможность раздельной градуировки вторичного прибора и первичного преобразователя – термопары.

Недостатками термопар являются: большая инерционность (до 180 с), необходимость введения поправки на температуру свободных концов, а также применения удлиняющих термоэлектродных проводов.