Термоэлектрический преобразователь

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.

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.

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.