17.1.5. Тепловые преобразователи

Тепловым называется преобразователь, принцип действия ко­торого основан на тепловых процессах, а естественная входная величина которого — температура. По изменению температуры тела можно судить о тепле, полученном или отданном телом, о переходе из одного агрегатного состояния в другое и т.д.

Приборы для измерения температур по принципу действия можно разделить на группы.

Термометры расширения применяются для измерения темпе­ратур в диапазоне -190... +500 "С. Принцип их действия основан на свойстве тел изменять свой объем и линейные размеры при изменении температуры.

Манометрические термометры используются для измерения температур в диапазоне от -160... +600 "С. Они построены на кон­троле за изменением давления жидкости, газа или пара, находя­щихся в замкнутом пространстве, при изменении их температуры.

Термоэлектрические пирометры применяются в температурном диапазоне —50...+2000 °С. Их работа основана на использовании термоЭДС, возникающей между двумя спаями разнородных ме­таллов (или сплавов), когда температуры спаев различны.

Электрические термометры сопротивления обычно применя­ют в температурном диапазоне -200... + 650 "С. Их работа основа­на на свойстве проводников и полупроводников изменять свое сопротивление при нагреве.

Пирометры излучения (температурный диапазон -100...+6000°С) работают по принципу измерения излучаемой нагретыми телами энергии, изменяющейся в зависимости от температуры этих тел.

На практике в системах управления наибольшее распростране­ние получили термоэлектрические пирометры и электрические термометры сопротивления из-за своих малых габаритов, низкой стоимости, высокой точности и простоты включения в электри­ческие измерительные цепи.

Термоэлектрические преобразователи, или термоэлектрические пирометры, или термопары используют явление термоэлектриче­ства, состоящее в возникновении ЭДС и тока в цепи из двух раз­личных проводников или полупроводников и (рис. 3.24, а), если температура одного их соединения отличается от темпе­ратуры другого соединения.

Экспериментально доказано, что термоЭДС зависит только от материалов проводников и температуры мест их соединения и не зависит от температуры других участков цепи. ТермоЭДС не зави­сит также от способа, которым произведено соединение (спай­кой, сваркой, скруткой и т.д). Проводники в термопаре называ­ются термоэлектродами, а места их соединения — горячим и хо­лодным спаями. Величина ЭДС зависит сложным образом от тем­ператур спаев и от материалов термоэлектродов

При небольшом перепаде температур между спаями термоЭДС примерно пропорциональна разности температур:

На рис. 19, б приведена цепь термопары с подключенным к ней милливольтметром для измерения температуры . Если рабо­чий спай поместить в среду с температурой , температуру ос­тальных спаев поддерживать постоянной, то . При этом получается сравнительно простая зависимость термоЭДС термопары (естественной выходной величины) от температуры рабочего спая (естественной входной величины)

Рисунок 17.19 - Термоэлектрический пирометр

Ниже приведены термоЭДС, которые развиваются различны­ми термоэлектродами в паре с платиной при температуре рабо­чего спая и температуре нерабочих спаев

Для увеличения уровня полезного сигнала стремятся при изготов­лении термопары так выбрать материалы термоэлектродов, чтобы один из них развивал с платиной положительную термоЭДС, а дру­гой — отрицательную. Тогда в паре они дадут большую термоЭДС и большую разрешающую способность измерительного прибора.

На рис. 20 приведены термоЭДС различных сплавов в паре с платиной. Видно, что наибольшую термоЭДС развивают хромель-копелевые термопары (при ). Для повышения

выходной термоЭДС несколько термопар соединяют последова­тельно в батарею (см. рис. 20), так что результирующая ЭДС бу­дет равна сумме термоЭДС отдельных термопар. Выходной вели­чиной термоэлектрического пирометра является непрерывно ме­няющееся напряжение, поэтому эти датчики являются аналого­выми генераторными.

Холодный спай термопары должен иметь постоянную темпе­ратуру, лучше всего О °С, так как тарировочные данные термопар приводятся именно для этой температуры. Это требует выноса хо­лодного спая из рабочей зоны, что не всегда возможно: термо­электроды реальной термопары имеют ограниченную длину, гиб­кость и прочность (толщина проводов стандартных термопар со­ставляет 0,05...0,5 мм). Горячий спай термопары работает в усло­виях более жестких, чем линия связи горячего и холодного спаев и сам холодный спай (высокие температуры, коррозия и т.д).

Использование длинных прочных термоэлектродов из благо­родных металлов, которые часто применяются для изготавлива­ния термопар, экономически невыгодно. Поэтому термоэлектро­ды горячего спая термопары и (рис. 21) удлиняются соедини­тельными термоэлектродами , из дешевых металлов, которые и соединяются холодным спаем, помещенным в сосуд со льдом.

Чтобы термоЭДС термопары не изменилась, к материалу удли­нительных термоэлектродов предъявляются два требования. Во первых, удлинительные тер- моэлектроды должны быть термоэлектрически идентичны основным электродам термопары, т.е. должны да­ вать ту же термоЭДС в задан­ном диапазоне температур спаев. Во вторых, места при­соединения удлинительных термоэлектродов к основным должны иметь одинаковую температуру . Например, для термопары платиноро-дий-платина применяют уд­линительные термоэлектроды из меди и сплава ТП, да­ющие ту же термоЭДС в ин­тервале температур до 150 "С. Для термопар хромель- алюмель и хромель-копель применяют удлинительные электроды из меди и кон- стантана низкой стоимости. В паспорте на термопару при­водятся градуировочные данные для температуры холод­ ного спая 0 °С. Зависимость Рис. 3.25. ТермоЭДС различных метал-термоЭДС от температуры в лов в паре с платиной при температуру широком диапазоне темпера- Р^е холодного спая О °С тур нелинейна.

Рисунок 17.20 - ТермоЭДС различных метал­лов в паре с платиной при температу­ре холодного спая О °С

Если термопа­ра используется при другой температуре нерабочих спаев, необхо­димо вводить поправку, вычисляемую по формуле

где — поправка при вычислении температуры горячего спая; — коэффициент, зависящий от температуры горячего спая

(зависимость приводится в паспорте термопары); —

отклонение температуры холодного спая от

Мощность сигнала от термопары очень мала, поэтому для из­мерения термоЭДС применяют милливольтметры с большим вход­ным сопротивлением или специальные приборы — низкоомные компенсаторы, настроенные на точное измерение напряжения от термопар в диапазоне до 100 мВ и использующие принцип урав­новешивания, когда напряжение от термопары полностью ком­пенсируется напряжением прибора, а ток в измерительной цепи и потери в ней равны нулю.

Рисунок 17.21 - Схема включения термопары

Термоэлектрический метод измерения температур обладает от­носительно высокой точностью. Погрешность термоЭДС за счет неоднородности материала термоэлектродов составляет 10... 100 мкВ (несколько процентов).

Основные стандартизованные типы термопар приведены в табл. 3.

Таблица 3

Платинородий-платиновые термопары имеют наивысший тем­пературный предел (до 1800 °С) и небольшую величину развива­емой термоЭДС, поэтому применяются преимущественно для из­мерения температур более 1000 °С. Для измерения температур в диапазоне 600... 1000 °С наиболее широко применяются хромель-алюмелевые термопары. Для измерения температур до 600 "С широко применяются термопары с хромель-копелевыми электро­дами, развивающие самую высокую термоЭДС. Однако эти термо­пары имеют существенно нелинейную характеристику по срав­нению с хромель-алюмелевой термопарой. При использовании тер­мопары из сплава НК-СА не требуется учета температуры холод­ного спая, так как термоЭДС этих сплавов при температурах меньше 200 °С практически постоянна и равна нулю.

Термопары незаменимы в случаях, когда требуется измерить температуру в локальной зоне (горячий спай термопары имеет диаметр доли миллиметра). Кроме того, для измерения темпе­ратур в диапазоне 700...2000 °С им практически нет альтерна­тивы.

Основным вопросом при конструировании термопар промыш­ленного типа является выбор материала защитного корпуса в котором монтируется чувствительный элемент — горячий спай термопары, и материала изоляции термоэлектродов. Защитный корпус должен оградить термопару от действия горячих химичес­ки активных газов и жидкостей. Поэтому он должен быть герме­тичен, хорошо проводить тепло, быть механически прочным и устойчивым к воздействию температуры и активной среды. Кроме того, он не должен выделять при нагреве газов, разрушающих термопару.

Чаще всего корпус изготавливают из обычной (для температур до 600 °С) или легированной (для температур до 1100 °С) стали Для температур до 1400 °С корпус изготавливают из кварца и фар­фора, однако эти материалы дороги и механически непрочны

Ниже перечислены материалы, которые применяют в качестве изоляции термоэлектродов.