Тэрмоэлектрические преобразователи и термометры сопротивления

Термоэлектрические преобразователи ТП (термопары) широко применяют для измерения температуры от —200 до 2500 С. Принцип действия их основан на зависимости термоэлектродвижущей силы (термо-эдс) от температуры. Термопара состоит из двух разнородных проводников, спаянные концы которых называют горячими или рабо­чими, а свободные — холодными (рисунок ниже, а-г).

Общий вид (а) и рабочие концы хро­мель-алюмелевой (б), платинородий-платиновой (в) и малоинерционной (г) термопар

При нагреве спаянных концов в цепи термопары появляется элек­трический ток. Объясняется это явление тем, что в различных металлах плотность свободных электронов неодинакова. Поэтому в месте сопри­косновения разнородных металлов электроны в основном будут диф­фундировать из металла большей плотности в металл меньшей плотно­сти и значительно слабее в обратную сторону. Образующееся в месте соединения двух металлов электрическое поле будет препятствовать этой диффузии. Когда скорость диффузионного перехода электронов сравняется со скоростью их обратного движения под влиянием установившегося электрического поля, наступит состояние подвижного равно­весия. В этом состоянии между разнородными металлами возникает контактная разность потенциалов. Но так как плотность свободных электронов зависит также от температуры горячего спая, в месте сопри­косновения разнородных проводников при любых температурах возни­кает термо-эдс, для измерения которой в цепь термопары включают измерительный прибор.

По материалу, из которого выполняют термопары, их разделяют: из благородных или неблагородных металлов и из тугоплавких соеди­нений или их комбинаций с другими материалами. Кроме того, термо­пары бывают нестандартных и стандартных градуировок. Градуировочные кривые приведены на рисунке ниже.

Градуировочные кривые термопар: 1 - хромель-копелевой ХК, 2 - хромель-алюмелевой ХА, 3 - из сплава НК-СА, 4 - платинородий-платиновой ПП, 5 - платинородий-платинородиевой ПР30/6

Платинородий-платиновая термопара ТПП, изготовляемая из благо­родных металлов и широко применяемая в технике, характеризуется высокой воспроизводимостью градуировочной характеристики и ста­бильностью, предназначена для измерения температур до 1200-1300 °С. При повышении верхнего предела измерения ее стабильность существен­но снижается, а при длительной работе вследствие летучести родия из платинородиевого термоэлектрода уменьшается термо-эдс. Недостатка­ми этой термопары являются небольшая чувствительность и высокая стоимость термоэлектродного материала.

Платинородий-платинородиевая термопара ТПР, также изготовля­емая из благородных металлов, предназначена для измерения температур от 1200-1600 °С, при которых ее градуировочная характеристика стабильна. Из градуировочной кривой видно, что термо-эдс термопары при температурах до 200 °С равна нулю. Поэтому отпадает необходи­мость в компенсации температуры ее свободных концов.

По остальным основным характеристикам термопары ТПП и ТПР аналогичны друг другу. Из-за высокой стоимости их термоэлектроды делают малых размеров (Ø 0,5-0,6 мм). Используют эти термопары только для измерения температур, превышающих 1000 °С, так как при более низких температурах с успехом могут быть применены более де­шевые.

Термопары хромель-алюмелевые ТХА, хромель-копелевые ТХК и из спецсплавов ТНС изготовляют из неблагородных металлов. Самыми распространенными являются термопары ТХА и ТХК, применяемые в различных отраслях промышленности.

Хромель-алюмелевые термопары ТХА, как правило, служат для измерения температур не выше 1000—1100 °С и редко до 1250—1300 °С. При работе на воздухе стабильность этих термопар изменяется вслед­ствие выгорания компонентов сплава. Кроме того, их стабильность за­висит от продолжительности работы и диаметра термоэлектродов, кото­рые выполняют по возможности толстыми (до 3,2 мм). На точность показаний влияет также длина погружаемой в печь части термопары. Термопары ТХА имеют линейную зависимость термо-эдс от темпера­туры.

Хромель-копелевые термопары ТХК из-за невысокой жаростойкости копеля применяют для измерения температуры до 600 °С, но чувстви­тельность их в два раза выше, чем термопар ТХА.

Термопары ТНС отличаются от других особой формой градуировоч­ной кривой, которая в интервале температур от 0 до 200 °С близка к нулю. Поэтому изменение температуры холодных (свободных) кон­цов термопары ТНС не влияет на ее термо-эдс. Это является достоин­ством данных термопар; их недостаток — низкая чувствительность. Термопары ТНС применяют для измерения температур до 1000 °С. В интервале температур от 400 до 1000 °С зависимость их термо-эдс от температуры линейна.

Вольфрам-рениевые термопары ТВР являются нестандартными, из­готовляются из тугоплавких металлов и предназначены для измерения температур до 2000—2500 °С в восстановительной атмосфере или ва­кууме. В окислительной атмосфере эти термопары могут работать толь­ко кратковременно (несколько десятков секунд).

При определении температур термоэлектрическими преобразова­телями погрешности измерений, вызываемые действием электрических и магнитных полей, незначительны, поэтому их обычно не учитывают. Погрешности из-за изменения температуры свободных (холодных) концов преобразователей довольно существенны и их следует учитывать. Это объясняется разницей между температурой градуировки, равной 0 °С, и действительной температурой свободных концов. Измерив тем­пературу, вносят, пользуясь специальной таблицей, поправку.

Термостатированием свободных концов преобразователя погрешно­сти компенсируют. Термостатирование можно выполнять тремя способа­ми: ледяной ванной, компенсационным мостом и термоэлектрическим термостатом. Наиболее удобен и отвечает современным требованиям способ термоэлектрического термостата, позволяющий измерять темпе­ратуру с погрешностью ±(5 • 10^-3 ÷5 • 10^-5) °С. При этом используют полупроводниковые микрохолодильники ТЛМ, обеспечивающие в режи­ме охлаждения перепад температур не менее 50 °С, а в режиме нагрева — до +50 °С. В качестве регистрирующего прибора применяют цифровой милливольтметр, измеряющий постоянное напряжение от 100 мкВ и выше (например, универсальный вольтметр В7-27 или другие анало­гичные).

Раздел 10