4.6.2. Характеристики термоэлектрических преобразователей

Основными характеристиками термоэлектрических ПИП являются: 1) градуировочная характеристика; 2) чувствительность; 3) погрешность; 4) показатель тепловой инерции (постоянная времени).

Градуировочная характеристика устанавливает зависимость между значением термоЭДС и температурой рабочего спая термопары. Обычно градуировочная характеристика определяется при температуре свободных концов термопары, равной 0 ⁰С, и представляется в табличном виде. По значениям термоЭДС, взятым из таблиц, могут быть определены соответствующие им температуры. Промежуточные значения температур, не указанные в таблицах, определяются методом интерполяции по формуле

Т_Х= Т_min+ (Т_max- Т_min)(E- Е_min)/( Е_mах- Е_min), (4.72)

где Т_min, Е_min, Т_max, Е_mах–табличные значения температуры и термоЭДС, между которыми лежит измеренное значение ЭДС Е термопары.

Чувствительность термопар S_T зависит от температуры и при температуре Т₀ = 0 ⁰С из (3.20) может быть найдена как

S_T = E_T/T = ₁ + 2₂Т + … +(n – 1)_nТ^n-1. (4.73)

При малом диапазоне температур в районе Т₀ = 0 ⁰С чувствительность можно принять равной значению коэффициента Зеебека α₁.

Чувствительность для различных термопар составляет значение от единиц до десятков микровольт на градус. Например, термопара платина-родий имеет чувствительность S_T  10 мкВ /⁰ С, у пары вольфрам-рений чувствительность S_T  20 мкВ / ⁰С, термопара медь-константан имеет значение S_T до 60 мкВ / ⁰С.

Для повешения выходной ЭДС часто используется несколько термопар, образующих термобатарею.

4.6.3. Погрешности термоэлектрических преобразователей

Основными причинами погрешности термопар являются: отклонение характеристики термопары от стандартной; нестабильность характеристики термопары во времени; отклонение температуры свободных концов от градуировочного значения; потери тепла за счет лучеиспускания и теплопроводности защитной арматуры; тепловая инерция.

Отклонение характеристики термопары от стандартной обусловлено различными причинами: различием в составе сплава термоэлектродов, механическими напряжениями и др. Для промышленных термопар в соответствии с ГОСТом допускаются отклонения реальных термоЭДС от градуировочных значений от сотых до десятых долей милливольта.

Нестабильность характеристик термопар во времениобусловлена рекристаллизационными и диффузионными процессами. Эта погрешность не превышает значения тысячных долей процента в час.

При отклонении температуры свободных концов Т^/₀ от градуировочного значения Т₀ термоЭДС будет отличаться от градуировочной, что приводит к погрешности преобразования (измерения) температуры. При измерении температуры для уменьшения этой погрешности необходимо ввести соответствующую поправку. ПоправкаТ к показаниям термометра приближенно может быть определена соотношением

, (4.74)

где k– коэффициент, зависящий от температуры и вида термопары;– температура свободных концов термопары.

Для термопары хромель–копель k = 0,8–1; для хромель–алюмелевой термопарыk= 0,98–1,11; для платинородий–платинаk= 0,82–1,11. При небольшой разности температуриногда можно считатьk= 1. Коэффициентkнеодинаков для различных температур рабочего спая, но в некотором интервале температур его с достаточной точностью можно считать постоянным. Коэффициентkможно определить из характеристики термопары.

Н

Рис. 4.27

а рис. 4.27 приведена характеристика некоторой термопары. Если температура свободных концов термопары, то термоЭДС уменьшится на величинуи станет равной. При этом показания прибора будут соответствовать температуре, неравной измеряемой температуреТ_х.Считая участкиихарактеристикиЕ_Т=F(T) линейными, получим

. (4.75)

Из (4.74) найдем значение поправки к показаниям прибора:

, (4.76)

и измеряемое значение температуры

. (4.77)

На практике чаще всего введение поправки осуществляется автоматически. При измерении термоЭДС автоматическая коррекция может осуществляться с помощью устройства, показанного на рис. 4.28. Схема работает по принципу неуравновешенного моста. В одно плечо моста включается терморезисторR_Tиз медной или никелевой проволоки, находящийся в тех же температурных условиях, что и свободные концы термопары. Остальные плечи моста выполнены из манганиновых резисторов. При температуре свободных концов, равной градуировочной Т₀, мост урав­новешивается с помощью одного из манн­га­ни­новых резисторов и на выходной диагонали моста н

Рис. 4.28

а­пряжение будет равно нулю. При изменении тем­пературы свободных концов изменяется термо­ЭДС на величинуЕ и изменяется значение сопротивленияR_Т. При этом мост выйдет из равновесия, т. е. на его выходе появится напряжение, которое корректирует изменение термоЭДС термопары. Так как характеристика преобразования термопар нелинейная, полной коррекции погрешности, обусловленной изменением температуры свободных концов, получить не удается. Остаточная погрешность таких устройств не превышает 0,04 мВ на 10⁰С.

Для уменьшения погрешности, обусловленной отклонением температуры свободных концов от градуировочного значения, свободные концы должны находиться при постоянной температуре, соответствующей градуировочной (обычно 0 ⁰С). Следует отметить, что не всегда возможно сделать термоэлектроды достаточно длинными и гибкими, чтобы разместить свободные концы термопары на достаточном удалении от рабочего спая. Для этой цели используются провода из другого материалы, так называемыеудлинительные термоэлектроды, которые должны в паре между собой развивать в диапазоне возможных температур (примерно в диапазоне от 0 до 100⁰С) такую же термоЭДС, как и термопара. Кроме того, места присоединения удлинительных термоэлектродов к основным термоэлектродам должны иметь одинаковую температуру. В этом случае при включении удлинительных электродов термоЭДС не изменится.

Для термопар изнеблагородных металлов, например для термопары хромель-копель, могут использоваться удлинительные электроды из тех же материалов, что и основные электроды, но выполненные в виде гибких проводов. Для термопары хромель-алюмель удлинительные электроды выполняются из меди и константана. Длятермопары платинородий-платинаприменяются провода из меди и сплава ТП. Эти же материалы с измененными знаками полярности применяются для термопары вольфрам-молибден.

В термоэлектрических термометрах, использующих милливольтметры для измерения термоЭДС, может возникать погрешность из-за падения напряженияна всех элементах, составляющих цепь термоЭДС, которая включает в себя рабочие и удлинительные термоэлектроды, соединительные провода. Например, падение напряженияЕ на сопротивлении самой термопары составит

Е =Е_ТR_Т/(R_Т+R_Л+R_В), (4.78)

где R_Т– сопротивление термопары;R_Л– сопротивление соединительных проводов;R_В– внутреннее сопротивление милливольтметра.

Для уменьшения этой погрешности милливольтметры градуируются по температуре в комплекте с термопарой с указанием сопротивления линии. Изменение сопротивления внешней цепи милливольтметра также приводит к погрешности термоэлектрического термометра.

Использование в качестве измерительного прибора термоЭДС потенциометра постоянного тока позволяет данную погрешность исключить.

При работе термоэлектрического преобразователя в газовой среде вблизи поверхностей, температура которых отличается от температуры преобразователя, между поверхностью и термоэлектрическим ИП происходит лучистый теплообмен, вызывающий погрешность.

Потери тепла за счет теплопроводностиразличных конструктивных элементов, в частности защитной арматуры, термоэлектрического ИП также приводят к погрешности измерения температуры.

Одной из составляющих погрешности термопар является погрешность, обусловленная тепловой инерцией. Тепловая инерция характеризуется показателем тепловой инерции, под которым понимается постоянная времени термопары, определяемая при погружении ее в воду. Постоянная времени зависит от конструкции термопары и толщины проводов и определяет быстродействие термоэлектрического преобразователя, которое может находиться от в диапазоне от миллисекунд до минут.

В табл. 4.6 приведены основные параметры, обозначения и градуировки промышленных термопар [29].

Конструктивное оформление термопар должно соответствовать условиям их эксплуатации. Термоэлектроды в рабочем спае соединяют электродуговой сваркой, пайкой или только скруткой.

Таблица 4.6

Материал термоэлектродов	Тип термопары	Обозначение градуировки	Погреш- ность, %	Пределы измерения при длительном применении, ^ОС
Медь-константан	-	-	 1	-200 … +200
Медь-копель	ТМК	МК(М)	-	-200 … +100
Хромель-копель	ТХК	ХК(L)	-	-200 …+600
Хромель-алюмель	TXA	XA(K)	 2–3	-200 … +1000
Платинородий (10%)- платина	ТПП	ПП(S)	0,1–0,5	0 … +1300
Платинородий (30%)- платинородий (6%)	ТПР	ПР 30/6(B)	-	+300 … +1600
Вольфрамрений (5%)-вольфрамрений (20%)	ТВР	ВР 5/20 -1(А)	-	0 … +2500

На рис. 4.29 приведены варианты конструкций рабочей части термопар платина-платинородий (рис.4.29а) и хромель-алюмель (рис. 4.29б).

1– рабочий спай; 2 – фарфоровый 1 – рабочий спай;

наконечник; 3 – керамические бусы; 2 – корпус;

4 – защитная труба 3 – изолятор

а б

Рис. 4.29

По назначению и условиям эксплуатации термопары можно подразделить на ряд групп: погружаемые и поверхностные; без арматуры и с арматурой; герметичные и негерметичные и др.

Измерительные цепи термоэлектрических датчиков

Для измерения термоЭДС могут использоваться обычные милливольтметры, потенциометры постоянного тока с ручным и автоматическим уравновешиванием. В лабораторной практике используются потенциометры с ручным уравновешиванием, а в производственной – автоматические потенциометры. На рис. 4.30 приведена упрощенная схема термоэлектрического термометра с автоматическим потенциометром.

Термопара включается таким образом, что ее ЭДС Е_Тнаправлена встречно

компенсирующему напряжению Е_К, создаваемому с помощью мостовой цепи.

Разность Е_Т- Е_Кусиливается и подается на реверсивный двигатель РД. Вал двигателя перемещает движок реохордаR_Pдо тех пор, пока разность Е_Т- Е_К не станет равной нулю. С движком реохорда связана стрелка прибора, переме­ща­ю­ща­яся по шкале. Современные автоматические потенциометры имеют приведенную погрешность(0,25–1,0) % [

Рис. 4.30

19].

4.7. Пьезоэлектрические ПИП

Принцип действия пьезоэлектрических ПИП основан на пьезоэлектрическом эффекте.Пьезоэлектрические датчики относятся к пассивным датчикам, так как они не требуют внешнего источника питания. Пьезоэлектрический эффект и характеристики некоторых пьезоэлектрических материалов рассмотрены в п. 3.1.5.

Пьезоэлектрический эффект используется для построения различных преобразователей. Измерительные преобразователи, использующие прямой пьезоэффект, при­меняются в приборах для из­мерения силы, давления, ус­корения. Обратный пьезо­эффект используется в излучателях ультразвуковых колебаний, преобразователях напряжения в дефор­мацию и др. Преобразователи, в которых используются одновременно пря­мой и обратный пьезоэффекты, – пьезорезонаторы, применяются в ка­честве фильтров, пропускающих очень узкую полосу частот. Управляемые резонаторы ис­пользуются в качестве преобразователей различных неэлектрических (температуры, давления, ускорения и т. д.) величин в частоту [20].