Физические основы термоэлектрических термометров

Изучение термоэлектрического датчика

Методические указания к лабораторным работам

По курсу «Автоматизация технологических процессов
проектированию для студентов специальности
“Авиационные двигатели и энергетические установки”

Составитель: Хренов В.В.

Москва 2008

Лабораторная работа №2

Изучение термоэлектрического датчика.

Цель работы:

I. Изучение теоретических основ термоэлектрических термометров

II. Нахождение зависимости термо – ЭДС от температуры горячего спая термопары (определение статических характеристик термодатчика)

III. Определение кривой переходного процесса термодатчика

IV. Определение коэффициента передачи и постоянной составляющей времени термодатчика

Теоретические основы

Физические основы термоэлектрических термометров

Действие термоэлектрических термометров основано на свойстве металлов и сплавов создавать термоэлектродвижущую силу (термо-э.д.с.), зависящую от температуры места соединения (спая) концов двух разнородных проводников (термоэлектродов), образующих чувствительный элемент термометра – термопару. Зная закон изменения термо-э.д.с. термопары от температуры и, определяя значение термо-э.д.с. электроизмерительным прибором, можно найти искомое значение температуры в месте измерения.

Термоэлектрический термометр, состоящий из двух спаянных и изолированных по длине термоэлектродов, защитного чехла и головки с зажимами для подключения соединительной линии, является первичным измерительным преобразователем.

В качестве вторичных приборов, работающих с термоэлектрическими термометрами, применяются магнитоэлектрические милливольтметры и потенциометры.

К числу достоинств термоэлектрических термометров следует отнести достаточно высокую степень точности, большой диапазон измерения, высокую чувствительность, незначительную инерционность, отсутствие постороннего источника тока, легкость осуществления дистанционной передачи показаний, возможность централизации контроля температуры путем присоединения нескольких термоэлектрических термометров через переключатель к одному измерительному прибору, возможность автоматической записи измеряемой температуры с помощью самопишущего прибора.

В основу измерения температуры с помощью термоэлектрических термометров положены термоэлектрические явления, открытые Зеебеком в 1821 г.

При соединении одинаково нагретых концов двух проводников из разнородных материалов, из которых в первом количество свободных электронов в единице объема больше, чем во втором, последние будут диффундировать из первого проводника во второй в большем числе, чем обратно. Таким образом, первый проводник станет заряжаться положительно, а второй – отрицательно. Образующееся при этом в месте соединения (спае) проводников электрическое поле будет противодействовать этой диффузии, в результате чего наступит состояние подвижного равновесия, при котором между свободными концами указанных проводников появится некоторая разность потенциалов (термо-э.д.с.). С увеличением температуры проводников значение этой термо-э.д.с. также увеличивается. Кроме того, термо-э.д.с. возникает и между концами однородного проводника, имеющими разные температуры. В этом случае до наступления состояния подвижного равновесия положительно заряжается более нагретый конец проводника как обладающий большей концентрацией свободных электронов по сравнению с концом, менее нагретым. Возрастание разности температур между концами проводника приводит к увеличению возникающей в нем термо-э.д.с.

Если взять цепь, составленную из двух различных термоэлектрически однородных по длине проводников А и В (например, меди и платины), то при подогреве спая 1 в цепи появится электрический ток, который в более нагретом спае 1 направлен от платины В к меди А, а в холодном спае 2 – от меди к платине. При подогреве спая 2 ток получает обратное направление. Такие токи называются термоэлектрическими. Электродвижущая сила, обусловленная неодинаковыми температурами мест соединения 1 и 2, называется термоэлектродвижущей силой, а создающий ее преобразователь – термоэлектрическим первичным преобразователем или термопарой. Спай, погружаемый в измеряемую среду, называется рабочим или горячим спаем термопары; второй спай носит название свободного или холодного. Суммарную электродвижущую силу замкнутой цепи из проводников А и В, спаи которой нагреты до температур t и t₀, можно выразить уравнением:

E_AB(t,t₀= e_AB (t)+ e_AB (t0),

где E_AB(t,t₀)- суммарная термо-э.д.с. термопары; eAB(t)и eBA(t0) - потенциалы, возникающие в местах соприкосновения проводников. Индексы при Е и е указывают направление термо-э.д.с.: от А к В или от В к А. При изменении порядка индексов, напри мер, у символа е_ВА, должен измениться также и знак, т.е.:

E_AB(t,t₀=e_AB(t)- e_AB (t0).

Так как потенциалы е спаев зависят от температуры, то суммарная термо-э.д.с., наблюдаемая в цепи из двух разнородных проводников с разными температурами спаев, равна разности функций температур t и t₀:

E_AB(t,t₀)=f1(t)-f2(t₀).

Поддерживая температуру одного из спаев постоянной, например, полагая, что t₀ = const, т.е. f₂(t₀) = const, получим:

E_AB(t,t₀)=f1(t)-const или

E_AB(t,t₀)=f(t), гдеf(t)=f1(t)-const.

Таким образом, если для данной термопары экспериментально, т.е. путем градуировки, найдена последняя зависимость, то измерение неизвестной температуры сводится к определению термо-э.д.с. термопары, которая невелика (0,01 – 0,06 мВ на 1° С), но все же достаточна для измерения посредством измерительного прибора.

При введении в цепь термопары третьего проводника, если концы последнего имеют одинаковые температуры, термо-э.д.с. термопары не изменяется (то же относится и к нескольким проводникам). Поэтому включение в цепь термопары соединительных проводов, измерительных приборов и подгоночных сопротивлений не отражается на точности измерения.