2.3. Термоэлектрические преобразователи температуры

Действие термоэлектрических преобразователей (ТЭП) основано на эффекте возникновения термо-ЭДС в цепи, составленной из разнородных проводников, если места их соединений имеют различную температуру tиtه (рис. 8).

Спай, имеющий температуру t,

называется рабочим спаем, а спай, имеющий

постоянную температуру tه - свободным.

Термоэлектрический эффект объясняется

наличием в металле свободных электронов,

число которых в единице объема различно

для разных металлов. Предположим, что в

спае с температурой tэлектроны из металла

А диффундируют в металл В в большем

количестве, чем в обратном направлении;

поэтому металл А заряжается

Рис. 8. Термоэлектрическая

цепь из двух разнородных проводников

положительно, а металл В – отрицательно.

Электрическое поле, возникающее в месте

соприкосновения проводников,

препятствует этой диффузии, и когда

скорость диффузии электронов станет равна скорости их обратного перехода под влиянием установившегося электрического поля, наступает состояние подвижного равновесия. При таком состоянии между проводниками А и В в точках 1 и 2 возникнут разности потенциалов еАВ (t) и еАВ (tه), величина которых зависит от материала проводников и от температуры спаев.

Результирующая термо-ЭДС в цепи ЕАВ (t,tه) будет равна алгебраической сумме термо-ЭДС обоих спаев, т.е. ЕАВ (t,tه) = еАВ (t) - еАВ (tه). Таким образом, термо-ЭДС ТЭП равна разности двух термо-ЭДС, действующих навстречу друг другу, и величина каждой из них зависит от температуры соответствующего спая. При равенстве температур обоих спаев результирующая термо-ЭДС будет равна нулю.

Поддерживая температуру одного из спаев постоянной, например, полагая tە =constполучим:

ЕАВ (t,tە) = ƒ1(t).

Если для данного ТЭП, экспериментально, т.е. путем градуировки, найдена зависимость 4 (рис.9), то измерение температуры сводится к определению термо-ЭДС преобра -зователя.

ТЭП состоит из изолированных друг от друга керамическими изоляторами термоэлектродов. Концы их сварены между собой и образуют горячий спай. Свободные концы термоэлектродов подсоединены к контактам специальной колодки. Термоэлектроды и контактные зажимы помещены в защитную арматуру.

Для изготовления термоэлектродов ТЭП используют некоторые чистые металлы и сплавы ( табл. 1).

Для подключения измерительного прибора к ТЭП необходимо разорвать электрическую цепь. Разрыв чаще всего производят в спае с температурой tە (рис. 9).

ТЭП градуируют при определенной постоянной температуре tە (обычноtە = 0 ºС). При измерениях температураtە' может отличаться от температуры градуировки. В этом случае необходимо вносить поправку.

Таблица 1. Характеристики термоэлектрических преобразователей

Тип ТЭП	Градуировка	Материал термоэлектродов	Диапазон измерения температуры при длительном применении, К
ТПП	ПП-1	Платинородий (10% родия) - платина	253 - 1573
ТХА	ХА	Хромель-алюмель	223 – 1273
ТХК	ХК	Хромель-копель	223 - 873
ВР	Нестандарт.	Вольфрам-рений (5% Re) Вольфрам-рениевый (20% Re)	273 - 2573

Рис. 9 . Включение измерительного

прибора в разрыв ТЭП

Если tە'>tە, то ЕАВ (t,tە') < ЕАВ(t,tە). Величину поправки можно записать в виде ЕАВ(tە',tە) и получить для данного ТЭП из градуировочной таблицы. Тогда ЕАВ (t,tە) =EAB(t,tە')+EAB(tە',tە).

Правильное измерение температуры возможно лишь при постоянстве температуры свободных концов ТЭП. Это достигается применением специальных схем подключения ТЭП к измерительному прибору.

Первая схема – подключение ТЭП с помощью термоэлектродных проводов. В этом случае свободный конец ТЭП может быть перенесен на всю длину проводов, т.е. практически свободный конец ТЭП можно вынести из зоны с переменной температурой в зону с постоянной температурой. Так, свободные концы ТЭП (рис. 10) из точек 1 и 2 при на

ращивании ТЭП термоэлектродными проводами Б и Г переместятся в точки 1'и 2'. В качестве термоэлектродных проводов применяют обычно те же материалы, из которых состоит сам ТЭП.

В

Рис. 10 . Схема включения

соединительных проводов

торая схема подключения ТЭП к измерительному прибору предусматривает использование специальной компенсационной коробки. По этой схеме ТЭП включается последовательно с неуравновешенным мостом, образованным резисторамиR1,R2,R3 из манганина иR4 из меди. Концы компенсационных проводов (холодный спай ТЭП) и резисторы (R1 -R4) находятся при одинаковой температуре. Мост питается от стабилизированного источника питания 4 через добавочный резисторRд, который служит для подгонки напряжения питания до расчетного значения. При отклонении

температуры холодильных спаев 20°С мост

находится в равновесии и в диагонали сdразность

потенциалов равна нулю. При отклонении

температуры холодных спаев от градуировочной

изменяется сопротивление R4 и в диагонали сdпоявляется разность потенциалов, противоположная по знаку изменению термо-ЭДС ТЭП, вызванной этим отклонением.

2.4. Вторичные приборы, работающие в комплекте с ТЭП

Для измерения термо-ЭДС в комплектах ТЭП применяют магнитоэлектрические милливольтметры и потенциометры.

Принцип действия магнитоэлектрического милливольтметра основан на взаимодействии проводника, по которому течет ток, и магнитного поля постоянного магнита. В результате взаимодействия этих полей возникает вращающий электромагнитный момент, действующий на проводник. На рис. 11 приведена принципиальная измерительная схема милливольтметра, которая образована подвижной рамкой и постоянным магнитом. По виткам рамки протекает электрический ток, создавая вокруг нее магнитное поле. Между полюсными наконечниками постоянного магнита помещен цилиндрический стальной сердечник, создающий радиальный магнитный поток. Рамка крепится на кернах и вращается в кольцевом воздушном зазоре между полюсными наконечниками и сердечником. К рамке жестко крепится стрелка, конец которой перемещается вдоль шкалы прибора, проградуированной в единицах измеряемой величины. У опор рамки размещены две специальные пружины, которые создают противодействующий момент, уравновешивающий систему в момент измерения. После окончания измерения противодействующий момент возвращает рамку в нулевое положение. Кроме того, спиральные пружины выполняют роль токопроводящих проводов для подвода термо-ЭДС от ТЭП к рамке милливольтметра.

Поскольку сила тока в рамке зависит от сопротивления подсоединительных проводов, то для правильного измерения необходимо подгонять сопротивление внешней цепи Rвн до значения, при котором градуировался прибор. Это значение указывают на шкале прибора. Для подгонкиRвн до заданной величины служит подгоночная катушкаRдоб ( см. рис. 11).

Милливольтметры некоторых типов (Ш4501, МВУ6-К) снабжаются двухпозиционным регулирующим устройством.

Рис. 11 . Электрическая схема милливольтметра

с подключением ТЭП

2.5. Динамическая характеристика элемента

В общем случае переход элемента (при поступлении на его вход сигнала) из одного установившегося состояния в другое происходит не мгновенно, а в течение некоторого времени. Характер изменения входного сигнала в это время определяется динамическими характеристиками (свойствами) элемента. Вид динамических характеристик элемента зависит и от формы изменения входного сигнала. В связи с этим для обеспечения сопоставимости динамических свойств элементов (объектов) за входные принимают типовые сигналы (чаще всего это ступенчатое (скачкообразное) входное воздействие).

Все устройства, в том числе и измеряющие температуру, обладают некоторой инерцией, зависящей от конструкции чувствительного элемента и массы. Инерция зависит также от массы, теплоемкости и теплопроводности защитных слоев. Инерционность характеризуется постоянной времени Т. Чем она больше, тем медленнее протекает переходный процесс в элементе, и наоборот. Термоэлектрические преобразователи и термопреобразователи сопротивления характеризуются показателем тепловой инерции, в зависимости от которых различают ТЭП и ТС большой инерционности ( Т < 60 с ), средней инерционности ( Т < 40 с ) и малой инерционности ( Т < 10 с).

Постоянная времени определяется как отрезок времени по оси абсцисс, соответствующий моменту, когда измеряемый параметр примет величину 0,63 от своего установившегося знвчения (рис. 12).

Запаздыванием τ 3 называется отставание во времени начала изменения измеряемого параметра от момента приложения возмущения.

Рис. 12. Динамическая характеристика элемента

3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

3.1. Порядок выполнения работы

Описание лабораторной установки. В лабораторную установку входят: нагреватель, бак с водой, ртутный термометр, электрические термопреобразователи сопротивления ТМЛ-6097, термоэлектрический преобразователь ТХК-0515, милливольтметрШ 4500, логометр Ш 69000, автоматический мост КСМ 2, выключатель питания стенда и нагревателя ( SA1 ).

До начала эксперимента записать показания ртутного термометра, помещенного в бак с холодной водой.

Предварительно нагреть на нагревателе бак с водой. Установить на него крышку с датчиками температуры. Довести температуру в баке до 60 – 70 градусов Цельсия.Снять показания ртутного термометра, логометра , милливольтметра и автоматического моста одновременно. Затем осторожно переместить крышку с датчиками на бак с холодной водой и произвести замеры температуры на всех приборах с интервалом пять секунд. Замеры проводить до тех пор , пока показания ртутного термометра не будут оставаться неизменными в продолжении трех измерений.

3.2. Обработка результатов эксперимента

Результаты измерений занести в таблицу, по ним построить динамические характериститики элементов данной системы контороля температуры ( ртутный термометр, милливольтметр, логометр, мост ).Считая показания ртутного термометра действительными, определить абсолютную, относительную, приведенную погрешности измерений для логометра и моста в комплекте с термометрами сопротивления, и милливольтметра в комплекте с термопарой для последней точки измерений в установившемся режиме.

3.3. Требования к отчету

Отчет должен содержать:

- цель работы;

- краткое описание теоретического материала;

- протокол работы и таблицы результатов;

- обработку результатов измерений, расчеты , графики;

- выводы по результатам исследований.

4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Температура, влияние температуры на физические свойства тел.Температурные шкалы, единицы измерения температуры. Методы измерения температуры.

2. Термометры расширения.

3. Манометрические термометры.

4. Термопреобразователи сопротивления ( ТС ).

5. Уравновешенный мост.

6. Неуравновешенный мост.

7. Логометр.

8. Термоэлектрические преобразователи температуры ( ТЭП ).

9. Магнитоэлектрический милливольтметр.

10. Динамическая характеристика элемента.