Термоэлектрические преобразователи

        Принцип действия термоэлектрических преобразователей состоит в использовании термоэлектрического эффекта, возникающего в цепи термопары(ТП).

   На рис. 2.9 приведены термопара и способ ее подключения к измерительному прибору. При разности температур между точками 1 и 2 соединения двух разнородных проводников A и B, образующих термопару, в цепи термопары возникает термоЭДС. При постоянной температуре точки 2 термоЭДС термопары . Эта зависимость и используется для измерения температуры с помощью термоэлектрических преобразователей. Проводники из разнородных материалов (A и B), образующие ТП, называют термоэлектродами. Соединение термоэлектродов называют горячим (рабочим) спаем, а соединения термоэлектродов с измерительным прибором 2 и 2' называют холодными (свободными) концами термопары. Для того чтобы подключение третьего проводника (измерительного прибора) не изменяло термоЭДС ТП, необходимо, чтобы температура точек подключения 2 и 2' была  одинаковой. Материалы, применяемые для изготовления ТП, должны отвечать требованиям высокой чувствительности при широком диапазоне измеряемых температур, постоянства статической характеристики , обладать антикоррозийной способностью, хорошей электропроводностью, химической и термической стойкостью. Используемые материалы делятся на 3 группы: 1) сплавы на основе неблагородных металлов; 2) сплавы на основе благородных металлов и 3) полупроводниковые материалы. Наиболее широко используются ТП из металлов первой группы. Эта группа ТП отличается относительно узким температурным диапазоном (до 1000…1100 ºC), но имеет повышенную чувствительность.

   При подборе материалов термоэлектродов пользуются данными так называемого термоэлектрического ряда [15]. В нем термоэлектрические свойства различных материалов выражены по отношению к нормальному термоэлектроду, за который принимают химически чистую платину. Термоэлектроды из материалов первой группы чаще всего изготавливаются из сплавов на основе меди, никеля, железа, хрома, алюминия. Сложный состав сплавов и трудность получения в химически чистом виде некоторых из перечисленных элементов затрудняют изготовление идентичных термоэлектродов и   приводят   к    погрешности отклонения характеристик ТП от градуировочной [16].

   При измерении температур выше 1100 ºC используется группа ТП из благородных металлов, в основном с применением платины. Такие ТП характеризуются высокой стабильностью свойств, расширенным температурным диапазоном (до 2000 ºC), однако чувствительность их примерно на порядок ниже, чем у ТП из неблагородных металлов. Недостатком термопар из материалов второй группы является их высокая стоимость.

   При измерении температур выше 2000 ºC используются особо термостойкие материалы: вольфрам, молибден, рений, иридий, тантал. Современные ТП, изготовленные из этих материалов, позволяют производить кратковременные измерения температуры порядка 2500…3000 ºC.

Основной недостаток ТП из тугоплавких материалов – неидентичность характеристик за счет отклонения процентного состава сплавов, плохие механические свойства и высокая стоимость входящих в их состав элементов.

ТП с термоэлектродами из полупроводниковых материалов или с термоэлектродами, состоящими из пары «металл – неметалл» (кремний, теллур), отличаются повышенной чувствительностью, но практическое их применение ограничивается узким температурным диапазоном, разбросом параметров и низкой механической прочностью.

   При измерении температур выше 3000 ºC применяются термоэлектрические ИП, использующие лучистую энергию нагретых тел [14].

   Характеристики некоторых наиболее используемых (так называемых стандартных, а следовательно, взаимозаменяемых) термопар представлены в таблице. Здесь значения термоЭДС указаны при температуре рабочего конца (спая)  ºС и температуре свободных концов  ºС.

Отметим, что термопара ТПП отличается повышенной стабильностью, считается образцовой и служит для воспроизведения международной температурной шкалы в интервале температур от 660 до 1067 ºC. Термопара ТПР имеет самый широкий диапазон измеряемых температур. Термопара ТХК отличается высокой чувствительностью и может применяться при измерении низких температур. Термопара ТХА имеет практически линейную характеристику при достаточно высокой чувствительности в широком диапазоне температур.

   В зависимости от условий работы конструктивное оформление ТП может быть различным. Для защиты электродов термопары от внешних воздействий их помещают в защитную арматуру, похожую на арматуру терморезисторов. Термоэлектроды ТП из благородных материалов изготавливают из проволоки диаметром 0,4…0,7 мм, а термоэлектроды ТП из неблагородных материалов – из проволоки диаметром до 3,5 мм.

Для обеспечения большего перепада температур между горячим (рабочим) и свободным концами ТП и удобства поддержания температуры свободных концов постоянной их удаляют из зоны действия высокой (измеряемой) температуры с помощью так называемых удлинительных проводов (УП). Материалы УП должны выбираться с учетом возможного возникновения паразитных термоЭДС в местах их соединения с термоэлектродами. УП для ТП из неблагородных материалов изготавливаются из тех же материалов, что и сами термоэлектроды, только представляют собой обычные многожильные провода. УП для ТП из благородных материалов делают из специальных более дешевых сплавов, подбирая их состав таким образом, чтобы они в паре образовывали   ТП, идентичную в диапазоне температуры свободных концов (обычно 0…100 ºC) рабочей ТП.

   В зависимости от назначения ТП градуируется различным образом. Образцовые ТП, предназначенные для измерения температуры с высокой точностью, градуируются по так называемым реперным точкам, технические ТП, применяемые для измерения температуры с ограниченной точностью, – с помощью образцовых термометров. В обоих случаях термоЭДС измеряется компенсатором постоянного тока. Температура свободных концов ТП в процессе градуировки поддерживается постоянной и равной 0 ºC. Интерполяция промежуточных точек характеристик производится согласно аналитическим зависимостям, представленным для стандартных ТП в прил. 7 [16].

   В качестве реперных точек выбирают температуры кипения воды (100 ºC), затвердевания олова (231,85 ºC), кадмия (320,9 ºC), сурьмы (630,5 ºC), серебра (960,8 ºC), меди (1083 ºC)  и др.

   Основными источниками погрешности ТП являются погрешности за счет изменения температуры свободных концов, отклонения характеристики ТП от градуировочной и ее нелинейность, а также изменение параметров ТП во времени.

   Вопрос о компенсации погрешности за счет изменения температуры свободных концов будет рассмотрен в разд. 3.

   Отклонение характеристики ТП от градуировочной в основном вызывается примесями в материалах термоэлектродов и их неоднородностью. Сплавы, образующие термоэлектроды, часто имеют сложный химический состав (например, ТХА, ТХК). Неточная дозировка веществ, образующих сплав, изменяет свойства ТП. Существует также некоторая неоднородность материалов термоэлектродов, благодаря чему при перепаде температур вдоль термоэлектрической цепи могут возникнуть паразитные термоЭДС. Пределы допустимых отклонений термоЭДС стандартных ТП представлены в табл. 10–16 [16]. Нелинейность характеристик стандартных ТП составляет 0,5…5 %.

   При длительной эксплуатации ТП в термоэлектродах происходят процессы, приводящие к выгоранию материалов, изменению химического состава кристаллической и молекулярной структур. В результате снижается выходная термоЭДС, изменяется сопротивление ТП. Нестабильность ТП прогрессирует при длительной работе вблизи предельных для данной термопары значений температуры. Стабилизации свойств ТП способствует предварительный отжиг термоэлектродов с последующим охлаждением на воздухе. Из числа существующих ТП наибольшей стабильностью отличаются ТП платиновой группы.

Динамические свойства ТП характеризуются показателем тепловой инерционности – постоянной времени ТП, определяемой при погружении ее в воду. По этому показателю термопары делят на малоинерционные (постоянная времени 5…20 с) и обычные. Показатель тепловой инерционности для обычных ТП может достигать нескольких минут.