Термоэлектрические преобразователи (термопары)

Принцип действия термопар основан на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что в замкнутом контуре, состоящем из двух разнородных проводников (или полупроводников), течет ток, если места спаев проводников имеют различные температуры. Если взять замкнутый контур, состоящий из разнородных проводников (термоэлектродов), то на их спаях возникнут термоЭДС E (t) и E (t₀), зависящие от температур этих спаев t и t₀. Так как эти термоЭДС оказываются включенными встречно, то результирующая термоЭДС, действующая в контуре, равна E (t) — E (t₀).

При равенстве температур обоих спаев результирующая термоЭДС равна нулю. Спай, погружаемый в контролируемую среду, называется рабочим концом термопары, а второй спай — свободным.

У любой пары однородных проводников значение результирующей термоЭДС зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температуры вдоль проводников. Термоэлектрический контур можно разомкнуть в любом месте и включить в него один или несколько разнородных проводников. Если все появившиеся при этом места соединений находятся при одинаковой температуре, то результирующая термоЭДС, действующая в контуре, не изменяется. Это используется для измерения термоЭДС термопары. Создаваемая термопарами ЭДС сравнительно невелика: она не превышает 8 мВ на каждые 100 ⁰С и обычно не превышает по абсолютной величине 70 мВ.

Термопары позволяют измерять температуру в диапазоне от -200 до 2200 ⁰С. Для измерения температур до 1100 ⁰С используют в основном термопары из неблагородных металлов, для измерения температур от 1100 до 1600 ⁰С — тер-мопары из благородных металлов и сплавов платиновой группы, а для измерения более высоких температур — термопары из жаростойких сплавов (на основе вольфрама).

Наибольшее распространение для изготовления термоэлектрических преобразователей получили платина, платинородий, хромель, алюмель.

При измерениях температуры в широком диапазоне учитывается нелинейность функции преобразования термоэлектрическогго преобразователя. Так, например, функция преобразования медь-константановых термопар в диапазоне температур от -200 до 300 ⁰С с погрешностью ± 2 мкВ описывается эмпирической формулой.

E = At² + Bt + C,.

где A, B и C — постоянные, определяемые путем измерения термоЭДС при трех известных температурах, t — температура рабочего спая при ⁰С.

Постоянная времени термоэлектрических преобразователей зависит от их конструкции и качества теплового контакта рабочего спая термопары со средой и для промышленных термопар исчисляется в минутах. Однако известны конструкции малоинерционных термопар, у которых постоянная времени лежит в пределах 5 — 20 секунд и ниже.

Электроизмерительный прибор (милливольтметр) или измерительный усилитель термоЭДС могут подключаться к контуру термопары двумя способами: в свободный конец термопары или в один из термоэлектродов; выходная термоЭДС от способа подключения измерительных устройств не зависит.

Как указано выше, при измерении температуры свободные концы термопары должны находиться при постоянной температуре, но как правило, свободные концы термопары конструктивно выведены на зажимы на ее головке, а следовательно, расположены в непосредственной близости от объектов, температура которых измеряется. Чтобы отнести эти концы в зону с постоянной температурой, применяются удлиняющие провода, состоящие из двух жил, изготовленных из металлов или сплавов, имеющих одинаковые термоэлектрические свойства с термоэлектродами термометра.

Для термопар из неблагородных металлов удлиняющие провода изготавливаются чаще всего из тех же материалов, что и основные термоэлектроды, тогда как для датчиков из благородных металлов в целях экономии удлиняющие провода выполняются из материалов, развивающих в паре между собой в диапазоне температур 0 — 150 ⁰С ту же термоЭДС, что и электроды термопары. Так, для термопары платина — платинородий применяются удлинительные термоэлектроды из меди и специального сплава, образующие термопару, идентичную по термоЭДС термопаре платина-платинородий в диапазоне 0 — 150 ⁰С. Для термопары хромель — алюмель удлинительные термоэлектроды изготавливаются из меди и константана, а для термопары хромель — копель удлинительными являются основные термоэлектроды, но выполненные в виде гибких проводов. При неправильном подключении удлинительных термоэлектродов возникает существенная погрешность.

В лабораторных условиях температура свободных концов термопары поддерживается равной 0 ⁰С путем помещения их в сосуд Дьюара, наполненный истолченным льдом с водой. В производственных условиях температура свободных концов термопары обычно отличается от 0 ⁰С. Так как градуировка термопар осуществляется при температуре свободных концов 0 ⁰С, то это отличие может явиться источником существенной погрешности; для уменьшения указанной погрешности, как правило, вводят поправку в показания термометра. При выборе поправки учитываются как температура свободных концов термопары, так и значение измеряемой температуры (это связано с тем, что функция преобразования термопары нелинейная); это затрудняет точную коррекцию погрешности.

На практике для устранения погрешности широкое применение находит 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 образованы манганиновыми терморезисторами. При температуре свободных концов термопары, равной 0 ⁰С, мост находится в равновесии; при отклонении температуры свободных концов термопары от 0 ⁰С напряжение на выходе моста не равно нулю и суммируется с термо ЭДС термопары, внося поправку в показания прибора (значение поправки регулируется специальным резистором). Вследствие нелинейности функции преобразования термопары полной компенсации погрешности не происходит, но указанная погрешность существенно уменьшается.

В лабораторных условиях для точного измерения термоЭДС применяются лабораторные и образцовые компенсаторы постоянного тока с ручным уравновешиванием.