Теоретические основы работы

Температура, как физическая величина, относится к числу наиболее используемых параметров для характеристики объекта измерения. Наибольшее распространение при выполнении контактных измерений получили средства измерения на основе ТЭП.

Работа ТЭП основана на использовании термоэлектрического эффекта, который заключается в следующем: при нагревании спая из двух электродов, изготовленных из различных металлов или полупроводников, на свободных концах этих электродов возникает электродвижущая сила, которую называют термоэлектродвижущей силой (термоЭДС), или при замыкании свободных концов электродов по образовавшемуся контуру протекает электрический ток. ТЭП также называют термоэлектрическими термометрами (или просто термопарами).

Схема простейшего ТЭП изображена на рис. 3.1. Он состоит из электродов А и В и двух спаев, температуры которых в общем случае различны. Спай, находящийся в контакте с объектом измерений или погруженный в этот объект, называется рабочим или «горячим», а спай, расположенный вне объекта измерений, – свободным или «холодным». Если температуры спаев и неравны, то в замкнутой цепи будет протекать электрический ток. Направление этого тока, называемого термотоком, зависит от cooтношения температур спаев, т. е. если t > t ₀, то ток протекает в одном направлении, а при t < t ₀ – в другом.

Возникновение термоЭДС в металлических ТЭП объясняется тем, что различные металлы обладают различной работой выхода электродов. Поэтому при соприкосновении двух различных металлов возникает контактная разность потенциалов, значение которой изменяется при измерении температуры. Электрод из металла с большей работой выхода электронов считается положительным, а электрод из металла с меньшей работой выхода электронов – отрицательным. Кроме контактной разности потенциалов, при различных температурах спаев ТЭП за счет увеличения концентрации электронов в концах электродов, находящихся в нагретом спае, происходит их диффузия вдоль электродов от горячих концов спаев к холодным. В результате возникает разность потенциалов между концами этих проводников.

Результирующая термоЭДС в контуре ТЭП (рис. 3.1) описывается выражением    

,                            (3.1)

где  и  – термоЭДС, возникающая в рабочем и свободном спаях ТЭП соответственно. При записи выражения (3.1) принято, что электрод А является термоположительным, поэтому во всех индексах для термоЭДС он написан первым.

 

 

 

Выражение (3.1) называют основным уравнением сигнала ТЭП. Из данного уравнения следует, что возникающая в контуре термоЭДС зависит от двух температур. Если одна из температур (например, ) поддерживается постоянной, то возникающая термоЭДС  является функцией только одной температуры:

,                                       (3.2)

где е ₀ – постоянная величина.

Функция (см. выражение (3.2)) представляет собой статическую характеристику ТЭП и в общем случае является нелинейной (рис. 3.2).
В технических измерениях с достаточной точностью она может быть принята квадратичной:

,                                  (3.3)

где a, в, с – постоянные, зависящие от природы обоих электродов ТЭП. Их значения находят из градуировочной характеристики преобразователя.

 

 

Значение возникающей в контуре термоЭДС зависит от химического состава термоэлектродов и температуры спаев (t^' ₀и t_и) и не зависит от их геометрических размеров.

Для измерения термоЭДС ТЭП в его контур включают измерительное устройство (например, измерительный прибор или преобразователь) по одной из трех схем (рис. 3.3). 

Рис. 3.3. Подключение ТЭП к измерительному устройству: в разрыв свободного спая (а); в разрыв одного из термоэлектродов (б); через удлиняющие провода (в)

 

Подключение измерительного прибора в контур ТЭП можно рас-сматривать как включение в него третьего проводника. При включении измерительного устройства в разрыв свободного спая (см. рис. 3.3а) ТЭП имеет один рабочий спай 1 и два свободных 2 и 3. При включении измерительного устройства в разрыв одного из термоэлектродов (см. рис. 3.3б) ТЭП помимо рабочего 1 и свободного 2 спаев имеет еще два дополнительных (нейтральных) спая 3 и 4.

Подключение измерительного устройства в контур ТЭП не вызывает каких-либо погрешностей при условии, что при использовании схемы, представленной на рис. 3.3а, температуры  и  свободных спаев одинаковы или при использовании схемы, показанной на рис. 3.3б, одинаковы температуры  и  дополнительных спаев.

Чрезвычайно важным для получения корректных результатов при измерениях температуры с помощью ТЭП является правильное подключение ТЭП к измерительному устройству при значительных расстояниях между ними. Обычно применяют удлиняющие термокомпенсационные провода (см. рис. 3.3в). Как видно из рис. 3.3в, здесь образуются следующие спаи 1 – 3: электрода А с проводом Е, электрода В с проводом F, проводника С с проводами F и Е. При правильном подборе удлиняющих проводов точки их подключения к проводнику С, то есть к измерительному устройству, можно рассматривать как свободные спаи.

Подключение ТЭП к измерительному прибору с помощью удлиняющих проводов не вносит погрешности в результат измерения в том случае, если термоЭДС E_EF (t ₁ t ₀) ТЭП, составленного из этих проводов, равна термоЭДС E_AB (t ₁ t ₀) ТЭП, составленного из термоэлектродов А и В, в интервале возможных измерений температуры свободных спаев от t ₀ до t ₁ (обычно t ₀ = 0 °С, а t ₁ = 100÷120 °С), то есть

.                         (3.4)

Выбор удлиняющих проводов в практике измерений осуществляют для конкретного ТЭП по справочным таблицам.

Из выражения (3.2) следует, что сигнал ТЭП однозначно зависит от измеряемой температуры в том случае, когда температура свободных спаев неизменна. Чаще всего на практике встречается случай, когда эта температура в процессе измерений изменяется, и тогда используют специальные средства, обеспечивающие исключение влияний таких изменений на результат измерений температуры, либо измеряют температуру холодных спаев.

Для определения значения измеряемого рабочим спаем ТЭП тем-пературы при этом используют статическую характеристику ТЭП, задан-ную в виде таблицы или графика. Обычно эту характеристику (см. рис. 3.2) получают при температуре свободного спая ТЭП, равной 0 °С. Процесс определения значения определяемой температуры сводится к следующему:

1. Измеряют температуру  свободного спая ТЭП.

2. По найденному значению , используя градуировочную характе-ристику, определяют соответствующее этой температуре значение термоЭДС  ТЭП, которое называют поправкой на температуру свободных спаев.

3. С помощью измерительного устройства измеряют термоЭДС , развиваемую ТЭП.

4. Скорректированное с учетом названной поправки значение сигнала ТЭП определяют как сумму:

.                     (3.5)

По значению , используя градуировочную характеристику, определяют значение измеряемой температуры t. (Ход определения показан на рис. 3.2 стрелками.)

Термоэлектрический измерительный преобразователь может быть реализован с использованием любых двух металлов, обладающих различной работой выхода электронов. Обычно применяют следующие типы ТЭП:

ТХК (хромель-копелевый) в диапазоне температур от –50 до
+600 °С;

ТХА (хромель-алюмель) в диапазоне температур от –50 до +1000 °С;

ТПП (платинородий-платиновый) в диапазоне температур от 0 до 1300 °С.

Типовая конструкция ТЭП изображена на рис. 3.4 [3].

 

 

В защитной гильзе 1 расположены термоэлектроды 3 с надетыми на них изоляционными бусами 4. Спай 2 касается дна защитной гильзы или может быть изолирован от него с помощью керамического наконечника. К термоэлектродам в головке 8 винтами 6 на розетке 5 подсоединяются удлиняющие провода 7. Защитная гильза с содержимым вводится в объект измерения и крепится на нем с помощью штуцера 9.