Термоэлектрические преобразователи (термопары)
Принцип работы, схемы включения и использования термопары, градуировка, точность измерения. Сплавы для термопар, изготовление.
Принцип работы термопары основан на термоэлектрическом эффекте, который заключается в том, что в замкнутом контуре, состоящем из двух разнородных проводников возникает термо ЭДС (напряжение), если места спаев проводников имеют различные температуры. Если взять замкнутый контур, состоящий из разнородных проводников (термоэлектродов), то на их спаях возникнет термо ЭДС E(t) и E(tо), которые зависят от температур этих спаев t и t0. Так как рассмотренные термо ЭДС оказываются включенными встречно, то результирующая термоЭДС, действующая в контуре, будет определяться как E(t) - E(t0).
В случае равенства температуры обоих спаев результирующая термо ЭДС будет равна нулю. На практике один из спаев термопары погружается в термостат (как правило тающий лед) и относительно его определяется разность температур и температура другого спая. Спай, который погружается в контролируемую (исследуемую) среду, называют рабочим концом термопары, а второй спай (в термостате) - свободным.
У любых пар однородных проводников величина результирующей термо ЭДС не зависит от распределения температуры вдоль проводников, а зависит только от природы проводников и от температуры спаев. Если термоэлектрический контур разомкнуть в каком либо месте и включить в него разнородные проводники, то при условии, что все появившиеся при этом места соединений находятся при одинаковой температуре, результирующая термо ЭДС в контуре, не изменится. Это явление используется для измерения величины термоЭДС термопары. Возникающая в термопарах ЭДС невелика: она меньше 8 мВ на каждые 100 °С и, как правило, не превышает по абсолютной величине 70 мВ.
С помощью термопар можно измерять температуры в интервале от -270 до 2200°С. Для измерения температур до 1100 0С используют термопары из
неблагородных металлов, для измерения температуры в пределах 1100 до 1600 °С - термопары из благородных металлов, а также сплавов платиновой группы. Для измерения еще более высоких температур служат термопары из жаростойких сплавов на основе вольфрама.
В настоящее время наиболее часто для изготовления термопар используют платину, платинородий, хромель, алюмель.
При измерении температуры в широком интервале необходимо учитывать нелинейность функции преобразования термопары. Например, функция преобразования медь - константановых термопар для диапазона температуры от -200 до 300 °С с погрешностью, примерно, ± 2 мкВ описывается формулой
E = At^2 + Bt + C,
где A, B и C - постоянные, которые определяются путем измерения термо ЭДС при трех температурах, t - температура рабочего спая при °С.
Постоянная времени (инерционность) термоэлектрических преобразователей зависит от конструкции термопары, качества теплового контакта рабочего спая термопары и исследуемого объекта. Для промышленных термопар постоянная времени находится на уровне нескольких минут. Однако существуют и малоинерционные термопары, у которых постоянная времени лежит в пределах 5 - 20 секунд и даже ниже.
Измерительный прибор подключается к контуру термопары в свободный конец термопары и в один из термоэлектродов.
Как отмечено выше, при измерении температуры свободный конец термопары должны находиться при постоянной температуре. Если длины самой термопары недостаточно, то чтобы отвести этот конец в зону с постоянной температурой, применяют провода, которые состоят из двух жил, изготовленных из материалов (металлов) имеющих одинаковые термоэлектрические свойства с электродами термометра.
Для термопар из неблагородных металлов удлиняющие провода изготавливаются чаще всего из тех же материалов, что и основные термоэлектроды. Для термопар из благородных металлов удлиняющие провода выполняются из других (не дорогих) материалов, развивающих в паре между собой в интервале температур 0 - 150 °С ту же термо ЭДС, что и электроды термопары. Например, для термопары платина - платинородий удлинительные термоэлектроды делают из меди и специального сплава, которые образуют термопару, идентичную по термо ЭДС термопаре платина-платинородий в интервале 0 - 150 °С. Для термопары хромель - алюмель удлинительные термоэлектроды изготавливают из меди и константана, а для термопары хромель - копель удлинительными могут быть основные термоэлектроды, выполненные в виде гибких проводов. Если неправильно подключить удлинительные термоэлектроды, то может возникать существенная погрешность.
В лабораторных условиях температура свободного конца термопары поддерживается равной 0 °С путем помещения его в сосуд Дьюара, наполненный истолченным льдом с водой. В промышленных условиях температура свободных концов термопары обычно отличается от 0 °С и как правило равна комнатной температуре(температуре в помещении). Так как градуировка термопар осуществляется при температуре свободных концов 0 °С и таблицы градуировки приводятся относительно 0 °С, то это отличие может явиться источником существенной погрешности; для уменьшения указанной погрешности, как правило, вводят поправку в показания термометра. При выборе поправки учитываются как температура свободных концов термопары, так и значение измеряемой температуры (это связано с тем, что функция преобразования термопары нелинейна); это затрудняет точную коррекцию погрешности.
Для устранения погрешности широко применяется автоматическое введение поправки на температуру свободных концов термопары. Для этого в цепь термопары и милливольтметра включается мост, одним из плеч которого является медный терморезистор, а остальные плечи образованы манганиновыми терморезисторами. При температуре свободных концов термопары, равной 0 °С, мост находится в равновесии; при отклонении температуры свободных концов термопары от 0 °С напряжение на выходе моста не равно нулю и складывается с термо ЭДС термопары, при этом внося поправку в показания прибора (значение поправки можно регулировать специальным резистором). Вследствие нелинейности функции преобразования термопары полной компенсации погрешности не удается добиться, но указанная погрешность существенно уменьшается.
На практике при использовании термопары чаще всего применяются следующие схемы подключения (в зависимости от необходимой точности). Для примера взята термопара медь (М) - константан (К):
Главная >> Температура. Термоэлектричество >> Термоэлектрические преобразователи - термопары
Градуировки термопары (градуировочные таблицы)
Для условия, когда свободный конец(спай) термопары находится при нуле градусов Цельсия. Температура приведена в °с, ЭДС (напряжение) в мВ.
от -270 °с до 1370 °с
от 0 °с до 1820 °с
от -260 °с до 1000 °с
медь - константан ( -270 °с до 400 °с)
хромель - копель (-20 до 200 °с)
Преобразователи, датчики, сенсоры - Информационный портал © 2011 - 2023 Использование материалов сайта возможно при размещении активной ссылки
русский / english
• Представлена информация о различных преобразователях и датчиках физических величин, параметров различных физических процессов.
• Электрофизические свойства и эффекты в различных электротехнических материалах.
• Теория, экспериментальые результаты, практическое применение
А) схема, при которой свободный конец 1 находится при постоянной температуре (тающий лед, 0°С). Термо ЭДС образуется за счет разницы температур рабочего 2 и свободного спаев.
В) в этой схеме температура свободного конца, можно считать, равна температуре помещения и относительно ее рассчитывается (корректируется) температура в области рабочего 2 спая. В этом случае термо ЭДС в термопаре образуется за счет разности температур рабочего спая и температуры помещения.
Для измерения термо ЭДС используют вольтметры с высокоомным входом или другого типа гальванометры.
Для определения температуры используют градуировочные таблицы, которые построены для условия, что свободный конец термопары находится при нуле градусов Цельсия. Градуировочные таблицы для термопары хромель-алюмель и др. представлены на странице таблицы ТХА
Для измерений и исследований в лабораторных условиях термопары можно изготовить самостоятельно. Для этого используют выпускаемые промышленностью проволоки из материалов пригодных ...
Для изготовления термопары чаще всего используют следующие сплавы: алюмель, копель, константан ...>>>
Простая экспериментальная установка, из которой понятна сущность методики градуировки ...
В зависимости от необходимой точности, температуру по значению термоЭДС термопары можно рассчитывать по разному. При грубых измерениях, когда достаточно ...
Смотрите также:
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ, ДАТЧИКИ, СЕНСОРЫ
Информация, новости, реклама
