Термоэлектрические преобразователи

Принцип действия термоэлектрических преобразователей основан на использовании следующего термоэлектрического явления. Если составить цепь из двух разнородных проводников А и В (рис. 2.8, а) и температуру мест их соединения поддерживать разной, то между проводниками возникает термоэлектрическая ЭДС (термо-ЭДС), значение которой зависит от материала проводников и разности температур мест их соединения. Возникновение термо-ЭДС объясняется неодинаковой плотностью свободных электронов в разнородных проводниках. Вследствие этого в месте соединения проводников происходит диффузия электронов из одного проводника в другой. Проводник с большей плотностью свободных электронов приобретает положительный потенциал (благодаря диффузии некоторой части электронов в другой проводник), а проводник с меньшей плотностью – отрицательный потенциал.

Таким образом, в месте соединения проводников возникает разность потенциалов (термо-ЭДС) Е_Θ1, значение которой зависит оттемпературы Θ₁ места соединения. В другом месте соединения также возникает термо-ЭДС Е_Θ2, значение которой зависит оттемпературы Θ₂ места соединения:

Цепь, составленная из двух разнородных проводников, называется термоэлектрическим преобразователем или термопарой. Место соединения проводников, находящееся под воздействием температуры измеряемой среды, называется горячим или рабочим спаем. Место соединения проводников, находящееся под воздействием температуры окружающей среды, называется холодным или свободным спаем. Разнородные проводники А и В, составляющие термоэлектрический преобразователь, называются термоэлектродами.

Для замкнутой цепи, состоящей из двух проводников, термо-ЭДС равна алгебраической сумме разностей потенциалов спаев: Е_АВ = Е_Θ1 – Е_Θ2.

При одинаковой температуре обоих спаев термо-ЭДС Е_АВ будет равна нулю, так как Е_Θ1 = Е_Θ2. При разной температуре спаев термо-ЭДС Е_АВ не равна нулю. Если темпе­ратуру холодного спая поддерживать постоянной, то Е_Θ2 = const, и термо-ЭДС Е_АВ изменяется в функции температуры горячего спая.

Для измерения термо-ЭДС электроизмерительные приборы включаются в цепь термопары, обычно в разрыв холодного спая (рис. 2.8, б). В этом случае преобразователь имеет один горячий и два холодных спая. При постоянстве и равенстве температур холодных спаев термо-ЭДС будет зависеть только от температуры горячего спая. Вообще в любой последующей цепи, из каких бы проводников она не составлялась, и при какой бы температуре ни были контакты, дополнительной ЭДС не образуется.

Используемые материалы.Термоэлектроды из благородных металлов (в основном платиновой группы) применяют для измерения температур в области 300–1600 °C в окислительной и нейтральной среде. Например, платинородий – платина (платинородий – сплав 90% Pt и 10% Rh) в числе лучших по точности и воспроизводимости ЭДС.

Наиболее распространены хромель-копелевые термопары типа ТХК и хромель-алюмелевые типа ТХА.

Хромель: 89% Ni + 10% Cr +примеси.

Копель: 56% Cu + 44%Ni.

Алюмель: 94%Ni + 2% Al + 2.5%Mn + 1%Si + примеси.

Термопара типа ТХК обладает наибольшей дифференциальной чувствительностью из всех промышленных термопар (около 70÷90 мкВ/°С), применяется для точных измерений температуры. Обладает высокой термоэлектрической стабильностью при нагревах до 600 °С. Технический ресурс термопар может составлять несколько десятков тысяч часов. К недостаткам ТХК можно отнести относительно высокую чувствительность к деформации.

Для термометров с термоэлектродами диаметром менее 1 мм верхний предел длительного применения менее 600 °C и составляет, например, для термоэлектродов диаметром 0,2¸0,3 мм только 400 °C.

Термопары типа ТХА наиболее распространены в промышленности и научных исследованиях. Они предназначены для длительного измерения температуры до 1100 °С в окислительных и инертных средах. Номинальная статическая характеристика ТХА близка к линейной, дифференциальная термоЭДС около 40 мкВ/°С во всем диапазоне измеряемых температур. Главное преимущество ТХА, по сравнению с другими термопарами из неблагородных металлов, состоит в значительно большей стойкости к окислению при высоких температурах. Технический ресурс термопар при температурах менее 850 °C ограничивается только дрейфом термоЭДС, т.к. жаростойкость хромеля и алюмеля позволяет использовать их при этих температурах десятки тысяч часов.

Поправка на температуру свободных концов. Обычно температура свободных концов термопары не равна нулю. Так как термо-ЭДС пропорциональна разности температур холодного и горячего спаев, то при изменении температуры холодного спая будет меняться термо-ЭДС. Поэтому для получения истинного значения температуры горячего спая необходимо измерить температуру холодного спая и сложить этот результат с результатом измерения при помощи термопары.

Термопару можно считать апериодическим звеном первого порядка, постоянная времени которого колеблется от 10 с до 7 мин.

На автоматизированных судах термопары работают совместно с измерительно-информационными системами, на вход которых должны подаваться унифицированные сигналы. Выходной сигнал термопары приводится к унифицированному виду с помощью нормирующего преобразователя.