2 Датчики температуры с естественными выходными

сигналами.

Лабораторная работа № 2

2.1 Термоэлектрические преобразователи

Принцип действия термоэлектрических преобразователей основан на зависимости термоэлектродвижущей силы (термо-ЭДС), возникающей в спае (месте контакта) двух разнородных проводников, от температуры этого спая. Контакт двух проводников называют также термопарой.

Измерительная система, составленная на базе термоэлектрического преобразователя, изображена на рис.2.1а и содержит сам датчик 1, соединительные провода 2 и измерительный (вторичный) прибор 3. Точка α, в которой образующие термопару термоэлектроды А и В соединены между собой, называется измерительным или рабочим спаем. Концы термоэлектродов b и c, к которым подключаются соединительные провода, называются соединительным или холодным спаем.

Рисунок 2.1 – Термоэлектрический преобразователь

А) измерительная схема с термоэлектрическим преобразователем; б) конструкция преобразователя.

Из приведенной схемы видно, что подключение измерительного прибора вводит в схему, как минимум, еще один проводник, а количество контактов между разнородными проводниками при этом становится равным трем и более: а, b, c, d, е и т.д. В каждом из этих контактов возникает своя термо-ЭДС, зависящая от его температуры, а результирующая ЭДС, действующая в контуре, равна алгебраической сумме всех этих термо-ЭДС. Аналитическим путем можно доказать, что включение одного, двух или нескольких проводников в цепь термоэлектрического преобразователя (т.е. появление дополнительных точек соединения) не влияет на величину результирующей термо-ЭДС. Эта величина определяется лишь материалами проводников А и В, а также температурами t и t₀ рабочего и холодного спаев:

(2.1)

где E_AB(t,t₀) - результирующая термо-ЭДС термоэлектрического преобразователя при температуре рабочего спая t и холодного спая t₀, мВ;

e_AB(t) и e_AB(t₀) -термо-ЭДС спая проводников А и В соответственно при t и t₀, мВ.

Поскольку вырабатываемый датчиком сигнал зависит не только от измеряемой температуры t, но и от температуры t₀, то влияние последней необходимо учитывать в процессе измерения. Все характеристики преобразования (градуировочные характеристики) термоэлектрических преобразователей даются для условия, когда холодный спай датчика находится при температуре 0°С. Если в процессе измерения это условие не выполняется и t₀0, то вводится соответствующая поправка на температуру холодного спая. Поправка может вводиться автоматическими способами или расчетным путем.

При расчетном методе введения поправки используется следующая формула:

(2.2)

где Е_AB(t,t₀) - вырабатываемая датчикам в реальных условиях (при t₀0) термо-ЭДС, мВ;

E_AB(t,0) - величина поправки, равная термо-ЭДС того же датчика, если бы температура его рабочего спая была t₀, а холодного 0°С, мВ; эта поправка берется из градуировочной характеристики по известной величине t₀;

E_AB(t,0)- расчетное значение термо-ЭДС датчика, соответствующее условию t₀ = 0⁰, мВ.

По найденному значению E_АВ(t,0) при помощи градуировочной характеристики E_АВ(t,0)=f(t) определяют искомое значение температуры t.

Процесс введения поправки на температуру холодного спая более легко осуществить в том случае, если эту температуру удобно измерить и если она не изменяется в ходе технологического процесса.

В непосредственной близости от объекта контроля эти условия не всегда могут быть обеспечены. Поэтому на практике широко используется метод искусственного вынесения холодного спая термоэлектрического преобразователя на значительные расстояния от места его установки. Это достигается применением вместо обычных соединительных проводов специальных удлиняющих термоэлектродных проводов. В простейшем случае эти провода могут быть изготовлены из тех же материалов А и В, что и электроды датчика и подсоединены каждый к электроду из одноимённого материала. В этом случае электроды датчика совместно с проводами образуют единый термоэлектрический преобразователь, холодным спаем которого будут являться уже концы проводов. Тот же эффект будет достигнут, если удлиняющие термоэлектродные провода выполнить из материалов, отличных от материалов электродов датчика, но имеющих в паре друг с другом градуировочную характеристику, близкую к характеристике датчика.

Удлиняющие термоэлектродные провода обычно прокладываются до измерительного прибора или до устройства, обеспечивающего автоматическую компенсацию влияния температуры холодного спая.

В таблице 2.1 приведены наименования и основные параметры некоторых термоэлектрических преобразователей, используемых для измерения температуры в соответствии с ГОСТ Р 8.585-2001. В наименовании датчика первым стоит название материала положительного электрода. Здесь же указаны рекомендуемые удлиняющие термоэлектродные провода.

Таблица 2.1 – Стандартные термоэлектрические преобразователи

Наименование и обозначение промышленных термопреобразова телей	Обозначение типа термопары, (международное)	Диапазон измеряемых температур, ˚С	Термо-ЭДС при максимальной температуре рабочего диапазона и t0=0˚С, мВ	Рекомендуемые термоэлектродные провода, обозначение
1	2	3	4	5
1. Вольфрам-рений/ вольфрамренивые*, ТВР	ВР (А)-1 ВР (А)-2 ВР (А)-3	0…+2500 0…1800 0…1800	33,640 27,232 26,773	Медь/ сплав МН-2,4, М-МН
2. Платинородий/ платинородиевые*, ТПР	ПР (В)	+300… +1800	13,591	Без термоэлектродных проводов
3. Платинородий/ платиновые, ТПП	ПП (S) (R)	0…+1600 0…1600	16,777 18,849	Медь/ сплав ТП, П

Продолжение таблицы 2.1

1	2	3	4	5
4. Никель-хром/ никель-алюминиевые (хромель/ алюмелевые), ТХА	ХА (К)	-200… +1300	52,410	Медь/ константан, М; Медь-титан/ никель-медь, МТ-НМ
5. Никель-хром/ медь-никелелевые (хромель/ константановые), ТХКн	ХКн (Е)	-200… +900	68,787	Хромель/ копель, ХК
6. Хромель/ копелевые, ТХК	ХК (L)	-200… +800	66,466	Хромель/ копель, ХК
7. Медь/ медь-никелевые (медь-константановые) ТМКн	МКн (Т)	-200… +400	20,872	Медь/ константан, М
8. Никель-хром-кремний/ никель-кремниевые (нихросил/ нисиловые), ТНН	НН (Т)	-200… +1300	47,513
9. Железо/ медь-никелевые (железо/ константановые), ТЖК	ЖК (J)	-200… +900	51,877	Медь/ копель, МК
10. Медь-копелевые, ТМК	МК (М)	-200… +100	4,722	Медь/ копель, МК