2.7.2. Термоелектричні перетворювачі (термопари)

Термоелектричним перетворювачем (термопарою) називається чутливий елемент, якій складається з двох електрично з’єднаних різнорідних металевих провідників (або напівпровідників) і перетворює значення контрольованої температури в е.р.с.

Принцип дії термоелектричних перетворювачів генераторного типу оснований на використанні термоелектрорушійної сили (термо-е.р.с.), яка виникає в контурі з двох різнорідних провідників, місця з’єднань (спаї) яких розігріті до різних температур. Знак і величина термо-е.р.с. в спаї двох різнорідних металів залежать від природи матеріалів і температур в місцях спаїв.

Для двох різнорідних провідників А і В (рис. 2.7.2, а), які складають замкнене коло і мають в місцях з’єднання кінців температури ₁ і ₂, підсумкова термо-е.р.с. при постійності температури одного зі з’єднань (наприклад, ₂ = const)

Е_АВ (₁ , ₂) = f (₁) -C = ( ₁),

деС = f (₂) - постійна величина.

Зазвичай термо-е.р.с. не розраховують, а визначають за експериментальними градуйованими кривими Е_ = f (₁) при ₂ = 0, на основі яких складають таблиці для практичного користування.

В якості матеріалу для термопар використовують різні дорогоцінні метали (платину, ірідій, родій, золото і їх сплави) а також неблагородні метали і їх сплави (сталь, мідь, нікель, ніхром, константант, хромель, алюмель, копель). Порівняно рідко використовують напівпровідники: селен, кремній, телур і ін. Термопари з напівпровідників забезпечують велику термо-е.р.с., але мають великий внутрішній опір і малу механічну міць.

В термопарах металеві провідники представляють собою дві різнорідні проволоки або пластини, які називаються термоелектродами, одні кінці яких спаяні або зварені, а інші (вільні) під’єднані в зовнішне коло.

Спаї з однорідних металів не генерують термо-е.р.с. Термо-е.р.с. виникає лише в спаях двох різнорідних металів, при цьому знак і величина термо-е.р.с. для даної термопари залежать лише від природи матеріалів.

Якщо відомі термо-е.р.с., які розвиваються різними термоелектродами Б, В, Г з якимось термоелектродом А, метал який прийняли за еталоний, то можна знайти термо-е.р.с. будь-якої комбінації цих термоелектродів :

(2.7.1)

За еталонний метал прийнята хімічно чиста платина. Значення термо-е.р.с. деяких металів по відношенню до платини наведені в табл.2.7.2.

Таблиця 2.7.2

Значення термо-е.Р.С. Деяких металів по відношенню до платини

Метал	термо-е.р.с., мкВ/^oC	Метал	термо-е.р.с., мкВ/^oC
Алюмель Вольфрам Золото Константан Копель Манганін	-10,2 7,9 8,0 -35 -40 8	Мідь Молібден Платина Платино-ірідій Платино-родій Хромель	7,6 1,3 0,00 13 6,46 31,3

В якості приклада визначимо за даними табл. 2.7.2 термо-е.р.с. термопари хромель-алюмель (Е_ХА). З таблиці знаходимо, що відносно платини термо-е.р.с. хромеля складає Е_ХП = +31,3 мкВ/⁰С, а термо-е.р.с. алюмеля Е_АП = -10,2 мкВ/^оС. На основі (2.7.1) знаходимо:

Е_ХА = Е_ХП - Е_АП = 31,3 +10,2 = +41,5 мкВ/^оС

При використанні в якості вимірюваного елемента термопари, складеної з двох різнорідних металів, необхідно, щоб спаї термопари мали різну температуру. Спай, який помістили в середовище з вимірюваною температурою, зазвичай називають гарячим або робочим спаєм, а спай, який знаходиться поза робочим середовищем, - неробочим або холодним спаєм. При наявності декількох холодних спаїв залежність буває однозначною тільки в тому випадку, якщо всі холодні спаї мають одну і ту ж температуру. В цьому випадку вихідна напруга термопари не залежить від матеріалу навантажувального опору. Пояснимо це на принциповій схемі термопари, яка наведена на рис. 2.7.2, б. Нехай, навантажувальний опір R_H виконаний з матеріалу В і спай АБ знаходиться при температурі ₁, спай БВ - при температурі ₂, спай ВА - при температурі ₃. Згідно з законом Ома напруга на виході термопари

де R_і - власний опір термопари.

Зазвичай R_i <<R_H. Тоді

Якщо температура спаю БВ дорівнює температурі спаю ВА, то на підставі (2.7.1) маємо

(2.7.2)

З (2.7.2) видно, що для стабільних показань термопари необхідно, щоб температура холодних спаїв була постійною. Якщо ці умови не виконуються, то необхідно вводити поправки на температуру холодних спаїв.

Якщо температура робочого спаю дорівнює ₁, а температура холодних спаїв ₂ при знятті експериментальної (градуйованої) кривої Е_ = f () дорівнювала 0^оС і в процесі вимірювання збільшилась до ₂  0, то вимірювана термо-е.р.с.

(2.7.3)

На рис. 2.7.3. наведена крива Е_ = f() і показано графічне визначення при₂0. Відкладаючи по осі ординат , отримаємо замість температури₁ температуру _х. Значення ₁-_х= складає похибку в показаннях термопари. Таким чином, для визначення вимірюваної температури необхідно, знаючи ₂, визначити , після чого знайтиза формулою (2.7.3) і по кривійЕ_=f() отримати величину ₁.

Щоб поправка за час вимірювання була постійною і не перевищувала визначеного значення, використовують термостатування холодних спаїв. При цьому холодні спаї зазвичай розміщують в термостаті, який автоматично підпримує постійну температуру. Використовують також автоматичну корекцію температурних похибок.

На рис. 2.7.4. наведена одна з схем корекції похибки через зміни температури холодного спаю, яка складається з дротяних резисторів R₁, R₂, R₃ i R_, включених між термопарою і вихідним колом. Резистор R_ виконаний з матеріалу з великим температурним коефіцієнтом опору (наприклад, нікеля), а резистори R₁, R₂, R₃ - з матеріалу з малим температурним коефіцієнтом опору. Міст збалансований таким чином, що при температурі ₂=0^оС (температура градуювання термопари) напруга U_ВГ в діагоналі ВГ дорівнює нулю.

При зміні температури зовнішнього середовища, а відповідно, температури холодних спаїв і резистораR_, відбувається розбалансування моста. На діагоналі ВГ моста з’являється різниця потенціалів U_ВГ, яка і компенсує зміну термо-е.р.с. при зміні температури холодних спаїв. Вихідна напруга схеми

де - термо-е.р.с. гарячого і холодного спаїв термопари.

Компенсація досягається в тому разі, якщо = U_ВГ. Ця рівність в межах можливих змін температури зовнішнього середовища забезпечується підбором параметрів моста. Крім цього, необхідно, щоб холодний спай і резистор R_ знаходились в однакових температурних умовах.

Для ізоляції в термопарах використовують гуму (до 6080^оС), шовк і емаль (до 100120^оС), скло і азбест (до 500700^оС), фарфор, шамот, стеатит (до 10001800^оС). Ззовні термопару захищають кожухом, який виконується з міді або латуні (до 400^оС), сталі (до 800^оС), сталі з нікельованим покриттям (до 1000^оС).

В якості термопар з благородних металів найчастіше використовується термопара платинородій-платина (S = 12 мкВ/^оС), яка виконується еталонною і технічною (для вимірювання температур від 300 до 1600^оС). В якості термопар з неблагородних металів найбільше поширення отримали термопари: хромель-копель (S = 65 мкВ/^оС, гранична вимірювана температура _пр= 800^оС), хромель-алюмель (S = 41,5 мкВ/^оС, _пр=1300^оС). Це стандартні термопари, які серійно випускаються вітчизняними заводами.

На рис. 2.7.5. показаний зовнішній вигляд термопари, в якій термоелектроди поміщені в сталеву або керамічну захисну трубку1, яка підтримується штуцером 2. Робочий кінець термопари розташований в закритій частині кожуха. Вільні кінеці термоелектродів з’єднані з двома затискачами, які закріплені в голівці 3.

Характеристики управління термопар, які представляють залежність термо-е.р.с. від вимірюваної температури, в загальному випадку нелінійні. Похибки від нелінійності характеристик термопар досягають 5%. Крім того, джерелами похибок термопар є нестабільність температур холодних спаїв, зміна опору навантаження, якщо вона співрозмірна з опором термопари, відхилення параметрів подовжувальних проводів від розрахункових.

Термопари звичайного використання характеризуються великою інерційністю. Інерційність значно менша в термопарах спеціальних конструкцій, наприклад, у хромель-копелевих і хромель-алюмелевих, які поміщені в гільзу зі сталі, що не ржавіє, з малоінерційним наконечником. Інерційність також зменшується, якщо гарячий спай безпосередньо дотикається до робочого середовища, для чого в кожусі (гільзі) відрізають днище. В залежності від конструкції постійна часу термопар складає від декількох секунд до декількох хвилин.

Термопари знайшли широке використання в техніці. Їх переваги - можливість вимірювання температур у великих діапазонах (включаючи високі температури); простота пристрою і надійність в експлуатації. Недоліки термопар - невелика чутливість, яка в ряді випадків призводить до ускладнення вимірювальних схем, а також необхідність підтримки постійної температури холодних спаїв.