3.9. Термоэлектрические датчики

Термоэлектрический преобразователь (термопара) представляет собой чувствительный элемент, состоящий из двух разных проводников или полупроводников, соединенных электрически, и преобразующий контролируемую температуру в ЭДС. Принцип действия термоэлектрического преобразователя основан на использовании термоэлектродвижущей силы, возникающей в контуре из двух разнородных проводников A и В, места соединения (спаи) которых нагреты до различных температур (рис. 3.11, а). Знак и значение термоЭДС в цепи зависят от типа материалов и разности температур в местах спаев. При небольшом перепаде Δθ температур между спаями термо ЭДС Е_АВ можно считать пропорциональной разности температур Δθ:

где K_sAB — чувствительность термопары.

Рисунок 3.11 Схемы включения термопар:

а- контур из двух разнородных проводников; б- термопара с милливольтметром; в- последовательное соединение термопар

Если к термопаре подключить милливольтметр с сопротивлением R_H, то по значению термоЭДС можно определить температуру (рис. 3.11, б). Чтобы получить достоверные результаты, необходимо один спай термопары, называемый рабочим, поместить в среду с температурой θ₁ подлежащей измерению, а температуру θ₀ других — нерабочих (холодных; свободных) спаев поддерживать постоянной. Уравнение преобразования будет иметь вид

где C = f(θ₀) — постоянная величина.

В качестве материалов для термопар используют различные драгоценные металлы (платину, золото, иридий, родий) и их сплавы, а также неблагородные металлы и сплавы (сталь, никель, хром, сплавы нихром, копель, алюмель и др.). Сравнительно редко применяют термопары из полупроводниковых материалов: кремния, селена и др.

Полупроводниковые термопары имеют малую механическую прочность, обладают большим внутренним сопротивлением, хотя и обеспечивают большую термоЭДС по сравнению с металлами.

ТермоЭДС возникает только в спаях разнородных материалов. При сравнении различных материалов в качестве базовой применяют термоЭДС платины, по отношению к которой определяются термоЭДС других материалов.

Хотя зависимость Е = f(θ) при θ₀ = 0 является нелинейной, в первом приближении значение термоЭДС можно определить по выражению:

где е_Σ — суммарная термоЭДС материалов термопары.

Суммарную термоЭДС определяют по данным табл. 3.1:

где е₁ и е₀ — термоЭДС используемых материалов.

Таблица 3.1

Значения термоЭДС некоторых материалов по отношению к платине

Для термопары стремятся использовать материалы, имеющие разный потенциал по отношению к платине.

Так, если использовать хромель, у которого термоЭДС е_х = +31,3 мкВ/°С, и алюмель, у которого е_А = -10,2 мкВ/°С, то термоЭДС хромель-алюмелевой термопары составит E_XA = е_х - е_А = 31,3 + 10,2 = +41,5 мкВ/°С. При выборе материала термопары необходимо учитывать условия эксплуатации (влияние температуры, влажности, загрязненности и других факторов на материал электродов).

Чтобы повысить выходную ЭДС, используют последовательное включение термопар — термобатарею (рис. 3.11, в). В этом случае все свободные спаи должны находиться при постоянной температуре, лучше всего при 0 °С.

Для измерения температур в пределах от -200 до 2500 °С выпускают стандартные термопреобразователи температуры.

В зависимости от назначения термопары делятся на:

• погружаемые, предназначенные для измерения температуры жидких и газообразных сред;

• поверхностные, предназначенные для измерения температуры поверхности твердого тела.

Различают термопары:

• малоинерционные, тепловая постоянная времени которых не превышает 5 с для погружаемых и 10 с для поверхностных;

• средней инерционности — соответственно не более 60 и 120 с;

• большой инерционности — соответственно до 180 и 300 с.

Термопары помещают в защитный чехол из металла или керамики.

Для изоляции используют стекло, асбест, фарфор, шамот. При низких температурах можно использовать шелковую и эмалевую изоляцию.

К достоинствам термопар необходимо отнести возможность измерений в большом диапазоне температур, простоту устройства, надежность в эксплуатации. Благодаря этим достоинствам термопары применяют очень широко.

Недостатки термопар — невысокая чувствительность, большая инерционность, необходимость поддержания постоянной температуры свободных спаев.