Термоэлектрического преобразователя

Правильное измерение температуры возможно лишь при по­стоянстве температуры свободных концов, обеспечиваемом при­менением соединительных проводов и специальных термостатирующих устройств. Соединительные провода в данном случае пред­назначены для удаления свободных концов ТЭП возможно дальше от объекта измерения, т. е. от зоны с меняющейся температурой. Соединительные провода должны быть термоэлектрически подобны термоэлектродам ТЭП, их целесообразно называть термоэлек­тродными проводами.

Как правило, термоэлектродные провода для ТЭП, изгото­вленных из неблагородных металлов, выполняют из тех же мате­риалов, из которых изготовлены термоэлектроды ТЭП. Исключе­ние составляет хромель-алюмелевый ТЭП, для которого с целью уменьшения сопротивления линии в качестве термоэлектродных проводов часто применяют медь в паре с константаном.

Для платинородий-платиновых ТЭП в качестве термоэлектрод­ных проводов используют медь в паре с медноникелевым сплавом (99,4 % Си + 0,6 % Ni). Эти провода при температуре до 100 °С в паре развивают такую же термо-ЭДС, которую развивает и платинородий-платиновый ТЭП. Для ТЭП типа ТВР применяют термоэлектродные провода из меди (98,2 %) и никеля (1,8 %).

Для правильного измерения обязательно соблюдение равенства температур в точках 1 и 2. Это равенство обеспечивается тем, что указанные точки расположены близко одна к другой в головке ТЭП. Как видно из рис., свободные концы удалены от головки ТЭП на длину термоэлектродных проводов, что обеспе­чивает термостатирование свободных концов. От термоэлектрод­ных проводов до измерительного прибора 3 (милливольтметр) можно применять медные провода. Иногда на всем протяжении от ТЭП до измерительного прибора применяют термоэлектродные провода, что облегчает введение поправки на температуру свобод­ных концов. Однако при этом надо учитывать, что термоэлектрод­ные провода' обладают относительно большим сопротивлением. Основные технические данные термоэлектродных проводов при­

ведены в специальной справочной лите­ратуре.

В лабораторных условиях темпера­туру свободных концов обычно поддер­живают равной 0 °С. В этом случае места спая погружают в пробирки с мас­лом, которые, в свою очередь, поме­щают в сосуд Дьюара, наполненный тающим льдом. Свободные концы могут находиться и при комнатной температуре, но при этом они должны быть погружены в сосуд с маслом, температуру которого контролируют.

В производственных условиях для автоматического введения поправки на температуру свободных концов применяют мостовые электрические схемы. ТЭП включают последовательно с неуравновешенным мостом, три плеча которого R1, R2 и R3 выполнены из манганина, а четвертое R4 — из меди. Мост пи­тается от стабилизированного источника питания. Резистор Re служит для подгонки подаваемого на мост напряжения до нужного значения. При постоянном напряжении источника питания изменением сопротивления резистора Rd можно настраи­вать мост для работы с ТЭП различных градуировок. От ТЭП до компенсационного моста прокладывают термоэлектродные про­вода, от моста до измерительного прибора — медные.

При градуировочной температуре свободных концов ТЭП мост находится в равновесии и разность потенциалов на вершинах моста cud равна нулю. С изменением температуры свободных концов меняется сопротивление резистора R4 и нарушается

равновесие моста и на его вершинах с и а возникает разность потенциалов. Она должна быть равна по величине и противо­положна по знаку изменению термо-ЭДС преобразователя, вы­званному отклонением температуры его свободных концов от гр адуировочной.

ную систему уравновешивают так, чтобы центр ее тяжести на­ходился на оси рамки. Ток, протекая через рамку, вызывает появление двух одинаковых сил, направленных в разные сто­роны и стремящихся повернуть рамку.

Вращающий момент, создаваемый этими силами,

M_t = kiBI,

где kx — коэффициент, зависящий от ширины рамки, активной длины (высоты) рамки и числа ее витков; В — магнитная индук­ция; / — сила тока.

Противодействующий упругий момент для спиральных пружин и подвесных лент пропорционален модулю упругости материала и углу поворота подвижной системы <р. Следовательно,

М_ф = k₂E(p или М_ф = k₂G(p,

где k₂ — постоянный множитель, зависящий от геометрических размеров упругой детали; Е — модуль продольной упругости (при уравновешивании упругой спиральной пружиной); G — модуль сдвига (при уравновешивании закручиванием ленточного подвеса). В момент равновесия M_t — М_ф или k,BI = k₂E<p. Отсюда угол

поворота подвижной системы ср — 1 k^-1. Изменения В

и Е при колебаниях температуры окружающей среды не влияют на показания милливольтметра, так как обе величины изменяются почти одинаково. Тогда зависимость угла поворота рамки от силы тока может быть выражена приближенной формулой

из которой следует, что шкала милливольтметра равномерна, и чувствительность прибора одна и та же в любом месте шкалы.

В приборах с рамкой на кернах необходимо учитывать момент трения в опорах, который вносит погрешность в результаты изме­рений и создает вариацию в показаниях прибора. Кроме трения в опорах, погрешности вызываются также неуравновешенностью подвижной системы, когда ее центр тяжести не совпадает с осью вращения. Неотбалансированный прибор имеет непрямолиней­ную зависимость угла отклонения от силы тока.

Отечественная приборостроительная промышленность вы­пускает указывающие и регистрирующие милливольтметры с раз­личными пределами измерений.

Погрешности при измерении термо-ЭДС милливольтметром. Сила протекающего в цепи тока

Таким образом, угол поворота подвижной части милливольт­метра при неизменной термо-ЭДС зависит от электрического со­противления цепи, которая, в свою очередь, зависит от длины соединительных проводов и температуры окружающей среды. В связи с этим при эксплуатации термоэлектрического термо­метра возможны погрешности от изменения сопротивления внеш­ней цепи и сопротивления рамки милливольтметра.

Из этой формулы следует, что U_ab всегда меньше термо-ЭДС, развиваемой ТЭП. Отсюда следует также, что чем меньше R_mi по сравнению с R_M, тем ближе U_ab к Е (ti₀), и что колебания R_mi тем меньше будут влиять на результаты измерения, чем больше R_M. Поэтому сопротивление R_M делают всегда достаточно большим, включая добавочную манганиновую катушку Rq последовательно с рамкой милливольтметра. Однако при значительном увеличе­нии R_M уменьшается сила тока и возникают затруднения при конструировании прибора. Практически в милливольтметрах со­противление R_M колеблется от 100 до 500 Ом. у

Показания милливольтметра в большой степени зависят от величины внешнего сопротивления. Для получения правильных показаний действительное значение R_mi должно соответствовать расчетному. В приборах отечественного производства расчетная величина R_№ равна одному из следующих значений: 0,6; 1,6; 5; 15; 25 Ом. Под это расчетное сопротивление, указанное на шкале милливольтметра, подгоняют при монтаже фактическое сопро­тивление термоэлектрического термометра и соединительных про­водов. Подгонку выполняют с помощью добавочной (уравнитель­ной) R манганиновой катушки, включенной последовательно с ТЭП.

При подключении к одному милливольтметру (через переклю­чатель) нескольких ТЭП одинаковой градуировки каждая цепь термометра должна быть подогнана под расчетное значение R_BH. При значительной длине соединительных проводов колебания внешней температуры могут вызывать ощутимые изменения со­противления внешней цепи, что вызывает дополнительную по ­ грешность при измерении. Изменение сопротивления ТЭП из благородных металлов влияет также на точность измерений. Так, сопротивление ТЭП типа ТПП длиной 1 м возрастает с 1,5 Ом при температуре 20 °С до 5,4 Ом при 1200 °С. Если глубина по­гружения ТЭП при эксплуатации отличается от глубины погру­жения при градуировке, то возможны ощутимые погрешности, особенно при низкоомных милливольтметрах. Для ТЭП из не­благородных металлов из-за большого диаметра их термоэлектро­дов, малого температурного коэффициента сопротивления и более низких измеряемых температур возможные изменения сопроти­вления незначительны и их можно не учитывать.

Чтобы исключить погрешности, связанные с изменением со­противления соединительных проводов и ТЭП, при эксплуатации соединительные линии должны иметь температуру, близкую к 20 °С, а глубина погружения ТЭП должна соответствовать гра- дуировочной. Если милливольтметр имеет шкалу, выраженную только в милливольтах, то к нему можно подключить ТЭП любой градуировки. Из формулы (5.14) имеем Е (tt₀) = U_ab (R_m + + R_BH)/R_M. Отсчитывая по шкале милливольтметра U_ab и зная величины R_M и R_B„, можно подсчитать значение Е (tt₀), по кото­рому согласно градуировочным таблицам определяют темпера­туру.

В эксплуатационных условиях температура окружающей среды часто отклоняется от градуировочной +20 °С (в большинстве слу­чаев в сторону увеличения), что вызывает изменение сопротивле­ния рамки милливольтметра, изготовленной из медной или алю­миниевой проволоки. Эти металлы обладают почти одинаковым температурным коэффициентом электрического сопротивления, примерно равным 0,4 % на 1 °С. Следовательно, при отклонении температуры окружающей среды от +20 °С, например на +10 °С, показания прибора, изменились бы на +4 % от измеряемой вели­чины. Эта ошибка слишком велика и ее необходимо уменьшать.

При наличии дополнительного манганинового сопротивления, включенного последовательно с рамкой милливольтметра, суммар­ный температурный коэффициент прибора

а_м = 0,004R^T_P^P/R7, где р — сопротивление рамки при градуировке; R^ — общее сопротивление прибора, равное сумме R^> и добавочного манга­нинового сопротивления (при градуировке).

В технических милливольтметрах отношение сопротивления рамки к общему сопротивлению милливольтметра обычно не более

Рис. 5.13. Принципиальная схема потенциометра

1:3., При увеличении общего сопроти- Л В вления милливольтметра его температур­ный коэффициент снижается. При этом уменьшается и погрешность от колеба­ния температуры окружающей среды.

Потенциометр. Принцип потенциометрического метода измерения основан на уравновешивании (компенсации) измеряе­мой термо-ЭДС известной разностью потен­циалов, образованной вспомогательным источником тока.

Принципиальная схема потенциометра приведена на рис. 5.13. "Ток от вспомогательного источника Е (сухого элемента) проходит по цепи, в которую между точками А и В включен ком­пенсирующий переменный резистор R_aB (КПР), представля­ющий собой калиброванную проволоку длиной L. Разность по­тенциалов между точкой А и любой промежуточной точкой D пропорциональна сопротивлению резистора R_AD (в точке D на­ходится скользящий контакт). Последовательно с ТЭП включен чувствительный милливольтметр НП с нулем посредине шкалы (нуль-прибор, нуль-индикатор). ТЭП подключен таким образом, что ток на участке сопротивления R_AD идет в том же направлении, что и от вспомогательного источника.

Если сила тока от источника Е равна /_х, а от ТЭП /₂, то на участке AD: I = /_х + /₂.

Следовательно, термо-ЭДС преобразователя Е (tt₀) опреде­ляется падением напряжения на участке компенсирующего пере­менного резистора (КПР), т. е, не зависит от сопротивления НП и внешнего сопротивления цепи R_m. КПР R_AB может быть снаб­жен шкалой, отградуированной в единицах напряжения (милли­вольтах) или в градусах. В последнем случае для каждого типа термометра необходима своя шкала.

Измерение термо-ЭДС компенсационным методом зависит от постоянства тока в цепи КПР.

«Необходимая сила тока / устанавливается И контролируется также компенсационным методом. Схема такого потенциометра показана на рис. 5.14. В этой схеме три электрические цепи.

В цепь источника тока (компенсационную) входит источник тока Е, регулировочный резистор R_B (реостат), постоянный рези­стор Янэ ^и КПР R_p с перемещающимся вдоль него контактом D. КПР в потенциометрах выполняют в виде калиброванной про­волоки, секционных резисторов или в виде их сочетаний.

В цепь нормального элемента входит нормальный элемент НЭ,' резистор £>_Нэ ^и нулевой прибор ИП. В цепь ТЭП входят ТЭП, нулевой прибор НИ и часть КПР R_v.

Нормальный элемент, предназначенный для контроля постоян­ства разности потенциалов между конечными точками КПР, развивает вполне определенную постоянную во времени ЭДС. Обычно применяют ртутно-кадмиевый гальванический элемент Вестона, развивающий при температуре 20 °С ЭДС 1,01830 В и сохраняющий это значение при малых и кратковременных нагрузках в течение длительного времени. Пользуясь нормальным элементом, можно довольно точно установить постоянство раз­ности потенциалов на концах КПР. Для этой цели переключа­тель П переводят на контакт /С, включая ИП в цепь НЭ и одно­временно разрывая цепь ТЭП. Нормальный элемент присоеди­няют к концам резистора R_H3 так, что его ЭДС оказывается на­правленной навстречу ЭДС источника тока Е. Регулируя силу тока в компенсационной цепи реостатом R_v, добиваются такого положения, при котором разность потенциалов на концах рези­стора R_H3 равна ЭДС НЭ. При этом сила тока в цепи нормаль­ного элемента равна нулю и стрелка ИП устанавливается на нуле шкалы. В этом случае сила тока в компенсационной цепи 1_Х = = E_K3/R_H3.

Для измерения термо-ЭДС преобразователя переключатель Я переводят на контакт И, подключая при этом ТЭП последова­тельно с ИП к КПР в точке и скользящему контакту D. Термо-ЭДС преобразователя тогда будет действовать в сторону, противоположную ЭДС источника тока Е.

Перемещая контакт D, находят такое его положение, при кото­ром разность потенциалов между точками b и D КПР равна термо- ЭДС преобразователя; при этом сила тока в цепи ТЭП равна нулю (стрелка ИП устанавливается на нуль шкалы); тогда Е (tt₀) = = IRbD = E_H3R_bD/Rn₃. Так как Е_нэ и R_n3 постоянны, то опре­деление термо-ЭДС термометра сводится к определению длины участка bD сопротивлением R_bD. Измерение термо-ЭДС ком­пенсационным методом осуществляют при отсутствии тока в цепи ТЭП, поэтому сопротивление цепи (ТЭП, соединительных проводов, ИП), а следовательно, и его зависимость от темпера­туры-не влияют на точность измерения. Это свойство является одним из существенных преимуществ компенсационного метода измерения.

Автоматические электронные потенциометры. Если в рас смотренных выше потенциометрах ток разбаланса измерительной цепи потенциометра вызывает отклонение стрелки нулевого при­бора, то в автоматических потенциометрах нулевой прибор отсут­ствует. Он заменен электронным нуль-индикатором.

Автоматические электронные потенциометры, кроме измерения температуры, могут быть использованы и для ее автоматического регулирования. В этом случае их снабжают дополнительным регу­лирующим устройством. • Кроме того, на базе автоматических потенциометров созданы вторичные приборы, которые в комплекте с соответствующими преобразователями используют дляТизмере- ния других неэлектрических величин (давления, расхода, уровня, концентрации и др.).

Автоматические потенциометры работают в комплекте"с одним из стандартных ТЭП или с пирометром полного излучения. Шкалы их практически равномерны.

Принцип действия автоматических, потенциометров различных модификаций, различающихся наличием или отсутствием опре­деленных узлов, одинаковый.

Измерительные схемы всех автоматических потенциометров предусматривают автоматическое введение поправки на тем­пературу свободных концов ТЭП. С этой целью их выполняют в виде неуравновешенного моста.

Все резисторы измерительной схемы (рис. 5.15), кроме R_v, выполняют из манганина; R_K — из меди или никеля.

ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ТЕРМОМЕТРОВ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Измерение температуры термометрами сопротивления основано на свойстве проводников и полупроводников изменять свое элек­трическое сопротивление при изменении их температуры. Таким образом, омическое сопротивление проводника или полупровод­ника представляет некоторую функцию его температуры R — = / (t). Вид этой функции зависит от природы материала.

Для изготовления чувствительных элементов серийных термо­метров сопротивления применяют чистые металлы. К металлам предъявляют следующие основные требования.

Металл не должен окисляться и вступать в химическое вза­имодействие с измеряемой средой, должен обладать высокой воспроизводимостью значений электрического сопротивления в ин­тервале рабочих температур.

Температурный коэффициент электрического сопротивления металла а = -г- должен быть достаточно большим и К их

неизменным. Этот коэффициент принято определять соотноше­нием а₀.„ ₁₀₀ = (R_Wo — R₀)/lOOR₀, где R₀ и R_m — сопротивление

образца данного материала при температуре соответственно О и 100 °С. Для большинства чистых металлов а» 4 -10~³ 1/°С.

Сопротивление должно изменяться с изменением темпера­туры по прямой или плавной кривой без резких отклонений и явлений гистерезиса.

Удельное электрическое сопротивление металла должно быть достаточно большим: чем больше удельное сопротивление, тем меньше нужно металла для получения требуемого перво­начального сопротивления термометра.

Указанным требованиям в определенных температурных пре­делах наиболее полно отвечают платина, медь, никель и железо.

Платина. Удельное электрическое сопротивление платины р = 0,1 Ом-мм²/м, а температурный коэффициент электриче­ского сопротивления в диапазоне температур от 0 до 100 °С а = = 3,9-10"³ 1/°С.

Изменение сопротивления платины выражается уравнениями:

в диапазоне температур от 0 до +650 °С

Rt = R»{\+at + bf), (6.1)

в диапазоне температур от —200 до 0 °С

f>_t = R₀ [1 + at + bf + c(t — 100) t^s), (6.2)

где R_t и R₀ — сопротивление платины при температуре соответ­ственно t и 0 °С; а, Ь, с — постоянные коэффициенты, значения которых определяют при градуировке термометра по точкам кипения кислорода, воды и серы (а = 3,96847- Ю^-3 1/°С; Ь = - -5,847-1(Г^? 1ЛС; с = —4,22-10~¹² 1/°С).

Для платины, применяемой для изготовления технических Термометров," R₁₀o/Ro ~ 1,391.

Из уравнений (6.1) и (6.2) видно, что характеристики платино­вых Термометров сопротивления нелинейны, однако отклонение от линейной характеристики не превышает 5 % в интервале тем­ператур от 0 до 500 °С и 19 % в интервале температур от —200 До 0 °С.

коэффициент электрического сопротивления ct — 4,26 10^_3 1/^сС и линейную зависимость сопротивления от температуры R₍ — R₀ (1 + at).

К недостаткам меди относятся малое удельное сопротивление (р = 0,017 Ом-мм²/м) и легкая окисляемость при температуре выше 100 ^сС. Для меди, применяемой при изготовлении термо­метров, отношение R_lm/R₀ = 1,426.

Никель и железо. Эти металлы обладают сравнительно высоким Температурным коэффициентом электрического сопротивления: «N1 = (6,21... 6,34).10~³ 1/°С, a_Fe = (6,25... 6,57)-10~³ 1/°С и относительно большим удельным сопротивлением: р_№ = = (0,118.,.0,138) Ом-мм²/м; р_Ге = (0,055,.,0,061) Ом-мм²/м,

Однако этим металлам присущи и недостатки: никель и железо трудно получить в чистом виде, что усложняет изготовление' вза­имозаменяемых термометров сопротивления; зависимости сопро­тивления железа и, особенно, никеля от температуры выражаются кривыми, которые не могут быть записаны в виде простых эмпи­рических формул; никель и, особенно, железо, легко окисляются даже при сравнительно низких температурах. Эти недостатки ограничивают применение никеля и железа для изготовления термометров сопротивления.

На рис. показана зависимость удельного электрического сопротивления металлов от температуры.

В СССР серийно выпускают платиновые термометры сопроти­вления (ТСП).для температур от —260 до +750 °С и медные тер­мометры сопротивления (ТСМ) для температур от —50 до +180 °С.

На рис. 6.2 показан чувствительный элемент платинового тер­мометра отечественного производства. Он состоит из двух соеди­ненных последовательно платиновых спиралей 1, расположенных в каналах керамического каркаса 4. К. двум верхним концам этих спиралей припаяны платиновые или иридиевородиевые (60 % ро­дия) выводы 2, к которым приварены выводные проводники, изо­лированные керамическими бусами. Для крепления платиновых спиралей и выводов в керамическом каркасе используют глазурь (или термоцемент) 3 на основе окисей алюминия и кремния. Про­странство между платиновыми спиралями и стенками каналов каркаса заполнено порошком окиси алюминия, который служит изолятором и улучшает тепловой контакт между спиралями и каркасом.

Изготовляют также платиновые термометры, у которых кера­мический каркас имеет четыре канала. В четырехканальном кар­касе монтируют два независимых чувствительных элемента.

Чувствительный элемент медного термометра сопротивления представляет собой бескаркасную безындукционную намотку 1 из- медной проволоки диаметром 0,08 мм (рис.), покрытую фторопластовой пленкой 2. К. намотке припаяны два вывода 3. Для обеспечения виброустойчивости чувствительный элемент по­мещен в тонкостенную металлическую гильзу, которая заполнена керамическим порошком и герметизирована.

Все технические термометры сопротивления выпускают вза­имозаменяемыми. Типы, основные параметры и размеры термо­метров сопротивления, выпускаемых в СССР, регламентированы ГОСТ 6651—78.

Условные обозначения градуировки термометров ТСП уста­новлены следующие: гр 20, гр 21 и гр 22. Для термометров с ука­занной градуировкой сопротивление R₀ составляет соответственно 10, 40 и 100 Ом.

Термометры сопротивления ТСМ выпускают с сопротивлением Ro = 53 Ом (градуировка гр 23) и R₀ = 100 Ом (градуировка ^ГР 24). Для измерения низких температур (до —260 °С) созданы также платиновые термометры сопротивления, защитную гильзу которых заполняют гелием.

Для изготовления термометров сопротивления применяют также полупроводники (окислы некоторых металлов). Суще­ственным преимуществом полупроводников является большой температурный коэффициент электрического сопротивления (от 3-10"² до 4-Ю^-2 1/°С). Вследствие большого удельного элек­трического сопротивления полупроводников из них можно изго­товлять термометры малых размеров с большим начальным со­противлением, что позволяет не учитывать сопротивление соеди­нительных проводов и других элементов электрической измери­тельной схемы термометра.

В узком температурном интервале зависимость электрического сопротивления полупроводникового резистора от температуры выражается уравнением

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ