Термоэлектрические термометры – Абв Рисунок 3.5. — Схемы включения термоэлектрических термометров, где а — параллельное; б — последовательное (термобатарея); в

6.5. Термоэлектрические термометры

Измерение температуры термоэлектрическими термометрами — термоэлектрическими преобразователями (ТЭП) основано на использовании открытого в 1821 г. Зеебеком термоэлектрического эффекта.

Термоэлектрический преобразователь. Он представляет собой цепь, состоящую из двух или нескольких соединенных между собой разнородных проводников.

На рис. 6.3 представлена термоэлектрическая цепь, состоящая из двух проводников (термоэлектродов) А и В. Места соединений термоэлектродов 1 и 2 называют спаями. Зеебеком было установлено, что если температуры спаев t и t0 не равны, то в замкнутой цепи будет протекать электрический ток. Направление этого тока, называемого термотоком, зависит от соотношения температур спаев, т. е. если

t>t0, то ток протекает в одном направлении, а при t<to — в другом.

Рис. 6.3. Схема термоэлектрического преобразователя

При размыкании такой цепи на ее концах может быть измерена так называемая термоэлектродвижущая сила (термоЭДС). Следует отметить, что рассматриваемый эффект обладает и обратимым свойством, заключающимся в том, что если в такую цепь извне подать электрический ток, то в зависимости от направления тока один из спаев будет нагреваться, а другой охлаждаться (эффект Пельтье). Возникновение термотока или термоЭДС в современной физике объясняется тем, что различные металлы обладают различной работой выхода электронов и поэтому при соприкосновении двух разнородных металлов возникает контактная разность потенциалов. Кроме того, при различии температур концов проводников в них возникает диффузия электронов, приводящая к возникновению разности потенциалов на концах. Таким образом, оба указанных фактора — контактная разность потенциалов и диффузия электронов — являются слагаемыми результирующей термоЭДС цепи, значение которой зависит в итоге от природы термоэлектродов и разности температур спаев ТЭП. Для математической формализации соотношения между контактными термоЭДС и результирующей термоЭДС цепи необходимо принять ряд условий. Один термоэлектрод, от которого в спае с меньшей температурой ток идет к другому термоэлектроду, принято считать положительным, а другой — отрицательным. Например, если

to<t (см. рис. 6.3) и ток в этом спае направлен от термоэлектрода А к термоэлектроду В, то термоэлектрод А — термоположительный, а В — термоотрицательный. Обозначим контактную термоЭДС в спае между термоэлектродами А и В при температуре t как еAB(t). Указанная запись означает, что если термоэлектрод А положительный и он в очередности написания идет первым, то термоЭДС
е
AB(t) имеет положительный знак. При принятом условии запись еBA(t) будет означать, что эта термоЭДС учтена с отрицательным знаком. В соответствии с законом Вольта, в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при равенстве температур спаев термоток этой цепи равен нулю.

Исходя из этого, можно заключить, что если спаи 1 и 2 имеют одну и ту же температуру, например t0, то контактные термоЭДС в каждом спае равны между собой и действуют навстречу и потому результирующая термоЭДС такого контура

ЕАВ(t0t0) равна нулю, т. е.

Рассматривая (6.13) с формальной точки зрения, можно принять следующее правило: результирующая термоЭДС контура равна арифметической сумме контактных термоЭДС, в символе которых очередность записи термоэлектродов соответствует направлению обхода контура (например, против движения часовой стрелки).

Для замкнутой цепи, показанной на рис. 6.3, результирующая термоЭДС составит

Уравнение (6.15) называют основным уравнением ТЭП. Из него следует, что возникающая в контуре термоЭДС ЕАВ(tt0) зависит от разности функций температур t и to. Если сделать t0 = const, то еAB(t) = c = const и

ЕАВ(tt0) t0 = const = eAB(t) — c=f(t). (6.16)

При известной зависимости (6.16) путем измерения термоЭДС в контуре ТЭП может быть найдена температура

t в объекте измерения, если температура t0=const. Спай, погружаемый в объект измерения температуры, называют рабочим спаем или рабочим концом, а спай вне объекта называют свободным спаем (концом).

Следует отметить, что в явном виде зависимость (6.16) для конкретно используемых термоэлектродных материалов пока не может быть получена аналитически с достаточной точностью. Поэтому при измерении температур эта зависимость для различных используемых ТЭП устанавливается экспериментально путем градуировки и последующего табулирования или построением графика зависимости термоЭДС от температуры. В процессе градуировки температура свободных концов ТЭП должна поддерживаться постоянной и значение ее стандартизовано в России на уровне

to= 0°С. Примерный вид градуировочной кривой ТЭП показан на рис. 6.5.

Необходимо подчеркнуть, что генерируемая в контуре ТЭП термоЭДС зависит только от химического состава термоэлектродов и температуры спаев и не зависит от геометрических размеров термоэлектродов и размера спаев.

Включение измерительного прибора в цепь термоэлектрического преобразователя. Для измерения термоЭДС ТЭП в его цепь включают измерительный прибор по одной из двух схем (рис. 6.4).

Обе схемы включения прибора можно представить как включение в цепь по крайней мере еще одного, третьего проводника С. При включении измерительного прибора в разрыв спая свободного конца (рис. 6.4, а) ТЭП имеет один рабочий спай 1 и два свободных спая 2 и 3.

Рис. 6.4. Схемы включения измерительного прибора в цепь термоэлектрического преобразователя

При включении по схеме рис. 6.4, б (в разрыв одного из термоэлектродов) ТЭП имеет четыре спая: рабочий 1, свободный 2

и два нейтральных 3 и 4 при постоянной температуре t1. Покажем, что, несмотря на внешнее различие схем, термоЭДС, развиваемые в обоих случаях, одинаковы, если температуры концов третьего проводника С будут равны. Для схемы рис. 6.4, а имеем

т. е. уравнение (6.19) полностью совпадает с основным уравнением ТЭП (6.15).

Для цепи (рис. 6.4, б) получим

т. е. уравнение (6.20) также совпадает с (6.15).

Таким образом, следствием совпадения уравнений (6.19) и (6.20) с (6.15) является то, что термоЭДС ТЭП не изменяется от введения в его цепь третьего проводника при равенстве .температур его концов. Этот вывод легко распространить на любое число проводников, подключаемых в контур ТЭП, при условии равенства температур концов этих проводников. Указанный вывод может быть отнесен также к подключаемому измерительному прибору.

Итак, подключение измерительного прибора в контур ТЭП по обеим схемам (рис. 6.4, а, б) одинаково правомочно; при этом термоЭДС, генерируемая в ТЭП, не искажается.

Отметим, что при неравенстве температур спаев 2 и 3 (рис. 6.4, а) или 3 и 4 (рис. 6.4, б) в контуре образуется паразитная термо ЭДС.

Поправка на температуру свободных концов термоэлектрического преобразователя. Если температура W свободных концов отлична от нуля, то показание измерительного прибора при температуре t рабочих концов будет соответствовать генерируемой в этом случае термоЭДС, равной

ЕАВ(tt0’) = eAB(t) — eAB(t

0’) (6.21)

Как отмечалось, градуировочная таблица или график (рис. 6.5) зависимости термоЭДС от температуры соответствует условию, когда температура U свободных концов ТЭП равна нулю. Если это условие сохраняется в процессе измерения, то

ЕАВ(tt0) = eAB(t) — eAB(t0).

Вычтем из последнего выражение (6.21), тогда

ЕАВ(tt0) = ЕАВ (tt’0) + [eAB (t’o)- eAB (to)]

или

ЕАВ(tt0) = ЕАВ (tt0) + EAB(toto). (6.22)

Рис. 6.5. Графическое введение поправки на температуру свободных концов термоэлектрического преобразователя

Здесь EAB(toto) представляет собой поправку, определяемую из градуированных данных используемого ТЭП по измеренному значению температуры toего свободных концов. Найденное значение EAB(toto) прибавляют к измеренному прибором значению ЕАВ(tt0), если to‘>to=0, и отнимают от него при to‘< to :=0. По значению по-

лученного результата из градуировочной таблицы или графика находят искомую температуру t (рис. 6.5).

Нормальный термоэлектрод. Для оценки свойств ТЭП, составленных из различных пар разнородных термоэлектродов, достаточно знать значения термоЭДС, развиваемые термоэлектродами в паре с одним из термоэлектродов, называемым нормальным.

В качестве нормального стандартами предусматривается термоэлектрод из химически чистой платины. Действительно, пусть некоторые термоэлектроды из материалов A и В в паре с нормальным термоэлектродом П создают термоЭДС соответственно Еап(tt0) и Евп(tt0). При этом рабочий спай каждой из пар имеет одну и ту же температуру t, а свободные концы — одинаковую температуру t0. Запишем для каждой пары основное уравнение ТЭП:

Правая часть уравнения представляет собой формулу искомой термоЭДС для ТЭП, составленного из термоэлектродов А и В, поэтому запишем

Tаким образом, если известна термоЭДС двух проводников А и В в паре с третьим — нормальным термоэлектродом П, то можно расчетным путем, используя уравнение (6.23), определить значение термоЭДС ТЭП, выполненного из двух термоэлектродов А и В.

В справочных таблицах приводятся значения термоЭДС различных материалов в паре с платиной при t = 100°С и to = 0°С.

Удлиняющие термоэлектродные провода и термостатирование свободных концов ТЭП. Для исключения влияния температуры измеряемого объекта на свободные концы ТЭП их следует удалить из зоны с переменной температурой. Для этого целесообразно удлинять не сами термоэлектроды преобразователя, а, ограничиваясь разумной длиной преобразователя с точки зрения его монтажа и стоимости термоэлектродов, продлевать их с помощью специальных удлиняющих термоэлектродных проводов. Если термоэлектродные провода правильно выбраны и подключены к ТЭП, то места их подключения к измерительному прибору рассматривают как свободные концы.

Условия, которым должны отвечать термоэлектродные провода, определим из рассмотрения схемы рис. 6.6.

Рис. 6.6. Схема соединения термоэлектрического преобразователя термокомпенсационными проводами с измерительным прибором:

t — температура рабочего конца термоэлектрического преобразователя; t1 и t0 — температуры мест соединения проводов; С — соединительный провод

Развиваемая в цепи термоЭДС

Если принять, что все спаи в цепи имеют одинаковую температуру, равную t1, то

Вычитая это выражение из предыдущего и учитывая для соответствующих членов каждого выражения уравнение (6.18), имеем

Пусть термоэлектродные провода F и D подобраны такими, что они в паре имеют термоэлектрическую характеристику, совпадающую с характеристикой используемого термоэлектрического преобразователя АВ в интервале температур от t0 = 0°С до t=100 — 120°С, т. е.

Из выражения (6.26) следует, что включение в цепь ТЭП термоэлектродных проводов, подобранных в соответствии с (6.25), не создает в цепи паразитных термоЭДС, и потому не искажается результат измерения.

В практике измерения температуры выбор термоэлектродных проводов для используемых ТЭП осуществляют по таблицам, приводимым в [16].

Свободные концы, удаленные от объекта измерения термоэлектродными проводами, подлежат термостатированию. Термостатирование свободных концов при t = O°C осуществляется в лабораторных условиях. Это достигается путем погружения свободных концов преобразователя в пробирку с маслом, находящуюся в сосуде Дьюара с тающим льдом.

Для поддержания свободных концов при температуре, отличной от 0°С, используют специальные коробки, снабженные простым автоматическим биметаллическим терморегулятором. Обычно поддерживается температура (50+0,5)°С.

В ряде случаев при измерении термоЭДС милливольтметром применяют компенсирующий мост (рис. 6.7) для автоматического введения поправки на температуры свободных концов преобразователя. Компенсирующий мост представляет собой электрический неравновесный мост с постоянными манганиновыми резисторами R1, R2, R3 и медным резистором RM. Диагональ ab питания моста подключена к стабилизированному источнику питания ИПС через нагрузочное сопротивление Rн, предназначенное для изменения напряжения питания моста при переходе к преобразователям с различной градуировкой. Измерительная диагональ cd моста включена в разрыв между удлиняющим термоэлектродным проводом F и соединительным проводом С. При температуре свободных концов t0 = 0°С С мост находится в равновесии, т. е. напряжение в диагонали cd равно нулю. Если температура свободных концов, например, выросла и стала to, то сопротивление резистора RM, расположенного рядом с концами удлинительных проводов F и D, также вырастет, в результате чего в диагонали появится напряжение Ucd . Это возникшее напряжение компенсирует недостающую термоЭДС на значение поправки, т. е. Ucd =EAB(toto).

Рис. 6.7. Схема автоматической компенсации температуры свободных концов термоэлектрического преобразователя

Таким образом, на входе измерительного прибора EAB(tt0‘) + Ucd ис<1 = EAB(tt0). Погрешность выпускаемых в настоящее время компенсирующих мостов для ТЭП стандартных градуировок при изменении температуры to в пределах 0—50°С составляет ±3°С.

Способы соединения ТЭП. Соединяя различным образом между собой термоэлектрические преобразователи, можно для конкретных задач измерения значительно улучшить точность.

Рис. 6.8. Схемы соединений термоэлектрических преобразователей

Так, при необходимости измерения непосредственно разности температур используется дифференциальный способ соединения ТЭП, показанный на рис. 6.8, а. Здесь оба конца 1 и 2 ТЭП являются рабочими и каждый из них погружается соответственно в среду с температурой t1 и t2. Нейтральные концы 3 и 4 должны иметь одинаковые температуры to. По развиваемой в контуре термоЭДС E(t1t2) определяют разность температур t1t2, используя соответствующий участок градуировочной кривой или таблицы ТЭП. Этот участок градуировки определяют измерением одной из температур t2 или t1.

Если температура t измеряемого объекта незначительно отличается от температуры t0 свободных концов ТЭП, то используется термобатарея (рис. 6.8, б), представляющая собой систему из п последовательно включенных ТЭП. Спаи, имеющие температуру t, являются рабочими и располагаются в объекте измерения, а свободные концы, имеющие температуру t0, располагаются вне объекта. Суммарная термоЭДС в контуре термобатареи в п раз больше, чем в отдельном ТЭП, т. е. равна nEAB(tt0), благодаря чему увеличивается чувствительность измерения. Термобатареи, собранные в соответствии со схемой рис. 6.8, в. называют дифференциальными преобразователями, с помощью которых измеряют малую разность температур. Здесь спаи 1 и 2 являются рабочими и располагаются в средах соответственно с температурой t1 и t2, а спаи 3 и 4 — нейтральные с одинаковой температурой to. Результирующая термоЭДС здесь равна пЕАВ(t1t2).

Требования к материалам термоэлектродов и устройство ТЭП. Несмотря на то что любые два проводника создают в паре между собой термоЭДС, лишь ограниченное число термоэлектродов используется для создания ТЭП.

К материалам термоэлектродов предъявляется ряд требований: однозначная и по возможности близкая к линейной зависимость термоЭДС от температуры, жаростойкость и механическая прочность с целью измерения высоких температур; химическая инертность; термоэлектрическая однородность материала проводника по длине, что позволяет восстанавливать рабочий спай без переградуировки, а также менять глубину его погружения; технологичность изготовления с целью получения взаимозаменяемых по термоэлектрическим свойствам материалов; дешевизна и, наконец, наиболее существенное — стабильность и воспроизводимость термоэлектрических свойств, что позволяет создать стандартные градуировки. Ни один из существующих в настоящее время материалов не удовлетворяет полностью всем требованиям, в результате чего для различных пределов измерения используются термоэлектроды из различных материалов.

Таблица 6.4

Термоэлектрические преобразователи стандартных градуировок

Термоэлектрический преобразователь

Градуировка

ТермоЭДС при t=100°С, to=0°C, мВ

Химический состав термоэлектродов

Диапазон измеряемых

температур при длительном измерении, °С

Предельная температура при кратковременном применении°С

Допустимые отклонения (погрешность яевоспрояз-

водимости),

° С

положительный

отрицательный

Хромель — копель (ТХК)

ХК68

6,90±0,30

Хромель (89% Ni, 9,8% Cr, 1% Fe, 0,2% Mn)

Копель (55% Си, 45% Ni)

—50—600

800

± (2,2-5,8)

Хромель — алюмель (ТХА)

ХА68

4,10±0,15

To же

Алюмель (94% Ni,

2% Al, 2,5% Mn, 1%, Si, . 0,5% Fe)

—50—1000

1300

±(4,0-9,7)

Платинородий — платина (ТПП)

ПП68

0,64± 0,03

Платинородий

(90% Pt,

10% Rh)

Платина (100% Pt)

0—1300

1600

±(1,2-3,6)

Платинородий — платинородий (ТПР)

ПР 30/6б8

0,431 (при t = 300°С)

Платинооопий

(70% Pt, 30% Rh)

Платинородий

(94% Pt,

6% Rh)

300—1600

1800

±(3,2—5,2)

Вольфрамрений — вольфрамрений (ТВР)

TВР 5/2068

1,33

Сплав вольф

(95% W, 5% Re)

зама с рением

(80% W, 20% Re)

0—2200

2500

± (5,4—9,7)

В настоящее время в СССР в основном применяются пять стандартных градуировок ТЭП, характеристики которых приведены в табл. 6.4.

Для предохранения от механических повреждений и вредного влияния объекта измерения термоэлектроды преобразователя помещают в защитную арматуру.

На рис. 6.9, а показано устройство стандартного термоэлектрического термометра.

В жесткой защитной гильзе 1 расположены термоэлектроды 3 с надетыми на них изоляционными бусами 4. Спай 2 касается дна защитной гильзы или может быть изолирован от него с помощью керамического наконечника. К термоэлектродам в головке 8 винтами 6 на розетке 5 подсоединяются удлинительные провода 7. Защитная гильза с содержимым вводится в объект измерения и крепится на нем с помощью штуцера 9. Для обеспечения надежного контакта спай 2 изготавливают сваркой, реже пайкой или скруткой (для высокотемпературных ТЭП). Защитную гильзу 1 выполняют в виде цилиндрической или конической трубки из газонепроницаемых материалов диаметром примерно 15—25 мм и длиной в зависимости от потребности объекта измерения от 100 до 2500— 3500 мм. Материалом для защитной гильзы обычно служат различные стали. Для более высоких температур используются гильзы из тугоплавких соединений, а также кварц и фарфор. Диаметр термоэлектродов составляет 2—3 мм, кроме термоэлектродов платиновой группы, диаметр которых 0,5 мм, что связано с их высокой стоимостью. Стандартные ТЭП выпускают одинарными, двойными и поверхностными — для измерения температуры стенок объекта, когда доступ внутрь объекта затруднителен или невозможен.

Рис. 6.9. Конструкция термоэлектрических термометров

В настоящее время широкое применение находят термоэлектрические термометры кабельного типа (рис. 6.9, б, в).

В тонкостенной оболочке 1 размещены термоэлектроды 3, изолированные друг от друга, а также от стенки оболочки термостойким керамическим порошком 4. Рабочий спай 2 может иметь контакт с оболочкой (рис. 6.9, б) или изолируется от нее (рис. 6.9, в). Оболочку выполняют из высоколегированной нержавеющей стали с наружным диаметром 0,5—6 мм, длиной 10—30 м. Благодаря указанным размерам кабельные термоэлектрические термометры являются весьма гибкими при достаточной механической прочности. Выпускаемые хромель-алюмелевые и хромель-копелевые кабельные термометры можно использовать в интервале температур от —50 до 300°С при давлении 40 мПа. Внутрь оболочки кабеля помещены от одного до трех ТЭП.

Выбор соответствующей конструкции ТЭП осуществляют в зависимости от конкретных условий измерения из [16].

Динамическая характеристика термоэлектрических термометров в общем виде описывается передаточной функцией

W (р) =

Значения постоянной времени T и транспортного запаздывания τ зависят от конструктивных размеров и используемых материалов защитного чехла. Для выпускаемых в настоящее время термоэлектрических термометров эти величины находятся в пределах T=1,5 — 8 мин и τ = 9 -30 с, а τ/T = 0,11- 0,78 [43].

2. Устройство термоэлектрических термометров и применяемые материалы

Два любых разнородных проводника могут образовать термоэлектрический термометр. Как же выбрать, какие из проводников могут быть использованы для изготовления термоэлектрических термометров и из каких проводников целесообразнее всего изготавливать термоэлектрические термометры? К материалам, используемым для изготовления термоэлектрических термометров, предъявляется целый ряд требований: жаростойкость, жаропрочность, химическая стойкость, воспроизводимость, стабильность, однозначность и линейность градуировочной характеристики и ряд других. Среди них есть обязательные и желательные требования. К числу обязательных требований относятся стабильность градуировочной характеристики и (для стандартных термометров) воспроизводимость в необходимых количествах материалов, обладающих вполне определенными термоэлектрическими свойствами. Все остальные требования являются желательными. Например, могут быть очень жаропрочные материалы, воспроизводимые с однозначной и линейной градуировочной характеристикой и высоким коэффициентом преобразования. Но если градуировочная характеристика этих материалов нестабильна, то измерять таким термометром нельзя. С другой стороны, материалы, имеющие низкий коэффициент преобразования, нелинейную градуировочную характеристику, но имеющие стабильную характеристику, используются для термоэлектрических термометров.

В соответствии со стандартами имеем следующие стандартные термоэлектрические термометры, характеристики которых приведены в табл. 1 и 2.

Медь-копелевые и медь-медноникелевые типа Т (близкие к медь-константановым) термоэлектрические термометры применяются главным образом для измерения низких температур в промышленности и лабораторной практике. Применение этих термометров для температур менее —200 °С осложняется существенным уменьшением коэффициента преобразования с уменьшением температуры. При температурах свыше 400 °С начинается интенсивное окисление меди, что ограничивает применение термометров этих типов.

Железо-медноникелевые, близкие и железо-константановым термоэлектрическим термометры типа J применяются в широком диапазоне температур от —200 до 700 °С, а кратковременно — и до 900 °С. Они имеют достаточно большой коэффициент преобразования (около 55 мкВ/°С). Верхний предел измерения ограничен окислением железа и медноникелевого сплава.

Таблипа 1. Стандартные термоэлектрические термометры

Тип термопары термоэлектрического термометра

Обозначение новое (старое)

Рабочий диапазон длительного режима работы, — С

Максимальная температура кратко временного режима работы, °С

Медь-копелевая

—200 — +100

Медь-медноникелевая

Т

—200 — +400

Железо- медноникелевая

J

—200 — +700

900

Хромель-копелевая

(ХК)

—50 — +600

800

Никельхром-медноникелевая

Ε

—100 — +700

900

Никельхром-нйкельалюминиевая(хромель-алюмелева я)

К (ХА)

—200— +1000

1300

Платинородий (10 %)-платиновая

S (ПП)

0 — +1300

1600

Платинородий (30 %)-платинородиевая (6%)

В

(ПР)

300—1600

1800

Вольфрамрений (5 %}-вольфрам-рениевая (20 % )

(ВР)

0—2200

2500

Таблица 2. Основные значения термоэлектродвижущей силы стандартных термопарпри°С

Термо-ЭДС, мВ

Температура , °С

Медь-копелевая

Медь-меднони-келеиая, тип Т

Железо-медно-ннкелевак, тип J

Хромель- коп елевая (XK)

Ннкельхром-, медноникелевяя,

ι ТИП β

Нвкрльхроы-ни-ке л ь а л юм и ι шо и а я (хромель-алкше-левая) тип К (ХА)

Платинородин {10%)-платип£>-1 зая, тип S (ПШ

Плата/города^ (30 %)-платиио-родиевая (6 %). тип В (ПР)

Вольфрамренш! (о %)-вольфрам-решгевая (20 %) ι <ВР)

—200

—6,153

—5,603

—7,890

—8,824

—5,892

— 100

—3,715

—3,378

—4,632

—5,237

—3,553

0

0

0

0

0

0

0

100

4,721

4,277

5,268

6,88

6,317

4,095

0,645

1,330

200

9,286

10,777

14,59

13,419

8,137

1,440

2,869

300

14,860

16,325

22,88

21,033

12,207

2,323

0,431

4,519

400

20,869

21,846

31,49

28,943

16,395

3,260

0,786

6,209

500

27,388

40,28

36,999

20,640

4,234

1,241

7,909

600

33,096

49 , Π

45,085

24,902

5,237

1,791

9,598

700

39,130

57,85

53,110

29,128

6,274

2,430

11,273

800

45,498

66,47

61,022

33,277

7,345

3,154

12,929

900

51,875

68,783

37,325

8,448

3,957

14,556

1000

41 ,269

9,585

4,833

16,136

1100

45,108

10,754

5,777

17,666

1200

48,828

11,947

6,783

19,146

1300

52,398

13,155

7,845

20,576

14υΟ

14,368

8,952

21,963

1500

15,576

10,094

23,303

1600

16,771

1 1 ,257

24,590

700

12,246

25,820

1800

13,585

26,999

2000

29,177

2200

31 , 136

2500

33,636

Хромель-копелевые термоэлектрические термометры обладают наибольшим коэффициентом преобразования из всех стандартных термометров (около 70—90 мкВ/°С). Для термометров с термоэлектродами диаметром менее 1 мм верхний предел длительного применения менее 600 °С и составляет, например, для термоэлектродов диаметром 0,2—0,3 мм только 400°С. Верхний предел применения определяется стабильностью характеристик копелевого термоэлектрода.

Никельхром-медноникелевые (тип Е), близкие к хромель-константановым, и никелъхром-никельалюминивые (тип К) термометры, ранее называемые хромель-алюмелевыми, применяются для измерения температуры различных сред в широком интервале температур. Термоэлектрод из никель-алюминиевой проволоки менее устойчив к окислению, чем никельхромовый. Верхние пределы применения зависят от диаметра термоэлектродов. Длятермоэлектродов диаметром 3—5 мм верхний предел длительного применения никельхром — никелъалюминиевых термометров составляет 1000 °С, а для диаметра 0,2—0,3 мм — не более 600°С. Для никельхром-медноникелевой термопары он не превышает 700 °С.

Все вышеперечисленные термоэлектрические термометры из неблагородных материалов хорошо стоят в инертной и восстановительной атмосфере, в окислительной атмосфере их срок службы ограничен. Кроме того, термоэлектрические термометры хромель-копелевые и никельхром-никельалюминиевые (хромель-алюмелевые) отличаются достаточно высокой стабильностью градуировочной характеристики при высокой интенсивности ионизирующих излучений.

Πлатинородий-платиновые термоэлектрические термометры (тип S) могут длительно работать в интервале температур от 0 до 1300 °С, а кратковременно — до 1600 °С. Положительный термоэлектрод представляет собой сплав, состоящий на 10 % из родия и на 90 % из платины, отрицательный термоэлектрод состоит из чистой платины. Эти термометры сохраняют стабильность градуировочной характеристики в окислительной и нейтральной средах. В восстановительной атмосфере платинородий-платиновые термометры работать не могут, так как происходит существенное изменение термо-ЭДС термометра. Так же неблагоприятно воздействует на платинородий-платиновые термометры контакт с углеродом, парами металлов, соединениями углерода и кремния, а также рядом других материалов, загрязняющих термоэлектроды. Следует отметить, что градуировочная характеристика типа S не совпадает с градуировочной характеристикой ПП, применявшейся ранее.

Таблица 3. Коэффициенты для определения пределов допускаемых отклонений термо-ЭДС термопар

Тип термопары

Класс точности

Рабочий диапазон, °С

а,ºС

b 103

с, °С

Медь-копелевая

—200 ÷ 0

0—100

1,3

—1,1

0

0

0

Медь- медноникел ев ая

—200 ÷ — 100

— 100 ÷ 400

3

—20

0

—100

0

Железо-медноникелевая

—200-:- —100

— 100 ÷ 400

400 ÷900

3

—20

0

7,5

—100

0

400

Хромель-коп елева я

—50 ÷ 300

300 — 800

2,5

0

6,0

0

300

Никельхром-медноникелевая

—100÷400

400 — 900

4

0

7,5

0

400

Никельхром-никельадюминиевая

—200 ÷ —100

—100 ÷ 400

400 ÷ 300

4

—10

0

7,5

—100

0

400

Платинородий (10 %)-платиновая

1

0 — 300

300— 1600

1,5

0

2

0

300

2

О — 600

600— 1600

3

0

5

0

600

Платинородий (30 % ) -платиноро-дневая (6 %)

300 — 600

600—1800

3

0

5

0

600

Вольфрамрений (5 %)-вольфрам-ревневая (20 %)

«

0—1000

1000—1800

1800 — 2500

5

10

0

6,0

11,5

0

1000 1800

Платинородий-платинородиевые термоэлектрические термометры (тип В)применяются длительно в интервале температур от 300 до 1600 °С, кратковременно — до 1800 °С, Положительный электрод — сплав из 30 % родия и 70% платины, а отрицательный — из 6 % родия и 94 % платины. Эти термометры отличаются большей стабильностью градуировочной характеристики, чем платинородий-платиновые, но они также плохо работают в восстановительной среде. В связи с тем что термо-ЭДС, развиваемая платинородий-платинородиевыми термометрами в интервале температур 0—100 °С, незначительна, при технических измерениях их можно применять без термостатирования свободных концов. Например, если температура свободных концов 70 °С и поправка на нее не вводится, то при температуре рабочего спая 1600 °С это вызовет погрешность около 2,1°С. Градуировочная характеристика типа В также не совпадает с градуировочной характеристикой ПР.

Вольфрамрений — вольфрамреневые термоэлектрические термометры предназначены для длительного измерения температур от- 0 до 2200 °С и кратковременно до 2500 °С в вакууме, в нейтральной и восстановительной средах. Положительный термоэлектрод — сплав из 95 % вольфрама и 5 % рения, отрицательный—сплав из 80 % вольфрама и 20 % рения.

Рис. 7, Устройство термоэлектрического термометра

Пределы допускаемых отклонений измеренных значений термо-ЭДС термопар от основных значений, приводимых в табл. 2, должны определяться по уравнению

(10)

где а, b, с — коэффициенты, определяемые из табл. 3; — коэффициент преобразования термопары, определяемый по значениям, приведенным в табл. 2. Допускаемые отклонения, выраженные в градусах, определяются выражением в квадратных скобках уравнения (10). Например, предел допускаемых отклонений для термопары хромель-копель в интервале —50300 °С составляет

В интервале 300—800 °С предел допускаемых отклонений для той же термопары уже зависит от значения измеряемой температуры. Например, для=600°С предел допускаемых отклонений

>что соответствует

Кроме стандартных термоэлектрических термометров находят применение в особых условиях нестандартные термоэлектрические термометры, которые либо не отвечают требованиям воспроизводимости, либо не имеют достаточно стабильную градуировочную характеристику. К ним относятся высокотемпературные термометры:

дисилицид молибдена — дисилицид вольфрама (MoSi2—WSi2) для измерения температур агрессивных газовых сред и некоторых расплавов в интервале температур до . 1700 С; углерод—борид циркония (С—ZrB2) для измерения температур жидких металлов до 1800 °C;

углерод—карбид титана (С—TiC) для измерения неокислительных газовых сред до 2500 °С;

карбид ниобия — карбид циркония (NbC— ZrC) для измерения в восстановительной и инертной среде или в вакууме до 3000 °С.

Для измерения вязких температур (до —270 °С) в промышленных установках применяют золотожелезо-никельхромовую (AuFe·— NiCr) термопару, которая практически не изменяет своего коэффициента преобразования в интервале температур (—200 ÷270 ºС).

В лабораторных условиях для измерения температур до —270 °С могут применяться медь-медноникелевые термопары. Хотя эти термопары и отличаются стабильностью градуировочных характеристик, но их коэффициент преобразования существенно уменьшается с уменьшением температуры: при изменении температуры от 0 до —270 °С он уменьшается примерно в 40 раз. Поэтому возникают сложности измерения малых изменений термо-ЭДС. В настоящее время ведутся большие работы по созданию высокотемпературных термоэлектрических термометров из монокристаллов вольфрама, рения, молибдена и других материалов, имеющих стабильные градуировочные характеристики.

Для удобства применения термоэлектрический термометр специальным образом армируется. При этом преследуются следующие цели: электрическая изоляция термоэлектродов; защита термоэлектродов от вредного воздействия измеряемой и окружающей сред; защита термоэлектродов и зажимов выводов термоэлектродов от загрязнений и механических повреждений; придание термоэлектрическому термометру необходимой механической прочности; обеспечение удобства монтажа на технологическом оборудовании и удобства подключения соединительных проводов. На рис. 7 показано устройство термоэлектрического термометра. Термоэлектроды 1 расположены так, что их спай 2 касается защитного чехла 3. На термоэлектроды надеты изоляционные бусы 4. На конце защитного чехла крепится головка термометра В головке расположена колодка 6 с зажимами 7 для термоэлектродов и соединительных проводов .

Рабочий спай термоэлектрического термометра чаще всего изготавливается путем сварки, в отдельных случаях применяют пайку, а для вольфрам-рениевых термометров — скрутку. В отдельных конструкциях термоэлектроды приваривают к защитному чехлу.

Электрическая изоляция термоэлектродов осуществляется материалами, сохраняющими свои изоляционные свойства при соответствующих температурах и не загрязняющими термоэлектроды. Наибольшее распространение при температурах до 1300 °С получили фарфоровые одно- и двухканальные трубки и бусы, для более высоких температур применяются бусы из окиси алюминия и из других изоляционных материалов.

Рис. Внешний вид некоторых термоэлектрических термометров

Рас. 9. Устройство термометров кабельного типа:

а, б —с изолированным и неизолированным спаями

Для защиты термоэлектродов от воздействия измеряемой среды их помещают в защитный чехол из газонепроницаемых материалов, выдерживающих необходимые высокие температуры и давления среды. Защитные чехлы изготавливают чаще всего из различных марок стали для температур до 1000 °С. При более высоких температурах применяются специальные чехлы из тугоплавких соединений (ГОСТ 13403-77). Эти чехлы изготавливаются из диборида циркония с молибденом для измерения температуры стали, чугуна и восстановительной газовой среды до 2200 °С. Для измерения расплавленного стекла и окислительной газовой среды до 1700 °С применяются чехлы из дисилицида молибдена. Большинство конструкций защитной арматуры термоэлектрических термометров в настоящее время унифицированы. Они отличаются в основном конструкцией защитных чехлов, рассчитанных на различные давления, и конструкцией штуцеров. Головка к защитным чехлам для многих модификаций одна и та же. Внешний вид некоторых серийно изготавливаемых термоэлектрических термометров представлен на рис.

Большое распространение в последнее время получают термоэлектрические термометры кабельного типа. Они представляют собой два термоэлектрода, помещенные в тонкостенную оболочку (рис. 9). Пространство между термоэлектродами и оболочкой заполняется специальной изолирующей засыпкой (порошок MgO или А12О3). Оболочка изготавливается из нержавеющей или жаропрочной стали. Наружный диаметр оболочки — от 0,5 до 6 мм (ГОСТ 23847-79), длина —до 25 м. Выпускаются хромель-алюмелевые и хромель-копелевые термопреобразователи с изолированным (рис. 9, а) и неизолированным (рис. 9,б) спаями. Основные параметры и размеры кабельных термопреобразователей приведены в табл. 4. Они применяются в интервале температур от —50 до 900 °С (в оболочке из жаропрочной стали — до 1100°С) при давлении до 40 МПа. Существенным преимуществом термометров кабельного типа является их радиационная стойкость, позволяющая им работать в энергетических реакторах АЭС, а также повышенная стойкость к тепловым ударам, вибрации, и механическим нагрузкам.

термо-ЭДС, чтобы отвести свободные концы в такое место, где будет удобно их термостатировать или поставить устройство для автоматического введения поправки. Так как температуры головки термометра и мест прокладки проводов значительно ниже измеряемых, то это удлинение термометра должно осуществляться не обязательно теми же материалами, которые идут на изготовление термоэлектродов. Однако эти удлиняющие провода должны обладать определеннымисвойствами, чтобы исключить возникновение паразитной термо-ЭДС. Возникновение паразитных термо-ЭДС будет исключено, если удлиняющие провода будут иметь ту же градуировочную характеристику, что и сам термометр. Докажем, что если удлиняющие провода cud развивают ту же термо-ЭДС, что и термоэлектроды . термометра а и:

: (И)

то включение таких проводов в цепь термометра не исказит его термо-ЭДС. Запишем термо-ЭДС, возникающую в цепи термоэлектрического термометра, следующим образом:

(12)

Так как включение проводника е при равенстве температур мест его подсоединения не изменяет термо-ЭДС цепи, то можно записать

— (13)

Далее из (8| и (Щ следует, что

(14)

и

. (15)

Подставляя в (12) сначала (13), а затем (15), получим, учитывая .(3):

(16)

т.е. термо-ЭДС цепи термоэлектрического термометра не изменится, если термопара α—будет удлинена проводамисd, отвечающими условию (11). Однако при удлинении термопары следует для каждого типа термоэлектрических термометров подбирать провода, отвечающие условию (11). Кроме того, при подключении должна соблюдаться полярность. Места соединения удлиняющих проводов с термоэлектродами ас си bed должны иметь одинаковую температуру . Если это условие не соблюдается, то возникает паразитная термо-ЭДС, так как провода а и с и и d могут быть не термоэлектроидентичны.

Удлиняющие термоэлектродные провода выпускаются одно- и многожильными в изоляции и с внешним покрытием или оболочкой, удобными для монтажа и прокладки. Для изоляции применяют поливинилхлорид, полиэтилентерефталатную и фторопластовую пленку. Кроме изоляции провода часто покрывают поливинилхлоридной оболочкой или оплеткой из лавсановых нитей или стеклонитей. Если требуется защита от внешних электромагнитных полей и механических воздействий, применяют оплетку или экран из медных или стальных проволок (ГОСТ 24335-80).

Каждый материал провода имеет свой цвет изоляции или цветные нити в обмотке и оплетке проводов. В табл. 5 приведены типы термопар, рекомендуемые удлиняющие термоэлектродные провода, их обозначения и расцветка изоляции. Как видно из таблицы, в некоторых случаях для изготовления удлиняющих проводов применяются те же материалы, что и для изготовления термопар. Но применяются и другие материалы, отличные от термоэлектродов термопары. В табл. 6 приведены значения термо-ЭДС, которую развивают пары из удлиняющих термоэлектродных проводов при некоторых значениях температур их спаев. Эти провода отвечают условию (11) и в соответствующем интервале температур развивают практически такую же термо-ЭДС, что и термоэлектроды термопары.

Термоэлектрический термометр Википедия

Схема термопары типа К. При температуре спая проволок из хромеля и алюмеля, равной 300 °C, и температуре свободных концов 0 °C развивает термо-ЭДС 12,2 мВ. Фотография термопары

Термопа́ра (термоэлектрический преобразователь) — устройство, применяемое в промышленности, научных исследованиях, медицине, в системах автоматики. Применяется в основном для измерения температуры.

Международный стандарт на термопары МЭК 60584 (п.2.2) даёт следующее определение термопары: Термопара — пара проводников из различных материалов, соединённых на одном конце и формирующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.

Для измерения разности температур зон, ни в одной из которых не находится вторичный преобразователь (измеритель термо-ЭДС), удобно использовать дифференциальную термопару: две одинаковые термопары, соединённые электрически навстречу друг другу. Каждая из них измеряет перепад температур между своим рабочим спаем и условным спаем, образованным концами термопар, подключёнными к клеммам вторичного преобразователя. Обычно вторичный преобразователь измеряет разность их ЭДС, таким образом, с помощью двух термопар можно измерить разность температур между их рабочими спаями по результатам измерения напряжения. Метод не является точным, если во вторичном преобразователе не предусмотрена линеаризация статической характеристики термопар, так как все термопары в той или иной степени имеют нелинейную статическую характеристику преобразования[1].

Принцип действия

Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Между соединёнными проводниками имеется контактная разность потенциалов; если стыки связанных в кольцо проводников находятся при одинаковой температуре, сумма таких разностей потенциалов равна нулю. Когда же стыки разнородных проводников находятся при разных температурах, разность потенциалов между ними зависит от разности температур. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными от нуля коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой T1{\displaystyle T_{1}}, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре T2{\displaystyle T_{2}}, которое будет пропорционально разности температур: T1−T2.{\displaystyle T_{1}-T_{2}.}

Способы подключения

Наиболее распространены два способа подключения термопары к измерительным преобразователям: простой и дифференциальный. В первом случае измерительный преобразователь подключается напрямую к двум термоэлектродам. Во втором случае используются два проводника с разными коэффициентами термо-ЭДС, спаянные в двух концах, а измерительный преобразователь включается в разрыв одного из проводников.

Для дистанционного подключения термопар используются удлинительные или компенсационные провода. Удлинительные провода изготавливаются из того же материала, что и термоэлектроды, но могут иметь другой диаметр. Компенсационные провода используются в основном с термопарами из благородных металлов и имеют состав, отличный от состава термоэлектродов. Требования к проводам для подключения термопар установлены в стандарте МЭК 60584-3.
Следующие основные рекомендации позволяют повысить точность измерительной системы, включающей термопарный датчик[2]:

— Миниатюрную термопару из очень тонкой проволоки следует подключать только с использованием удлинительных проводов большего диаметра;
— Не допускать по возможности механических натяжений и вибраций термопарной проволоки;
— При использовании длинных удлинительных проводов, во избежание наводок, следует соединить экран провода с экраном вольтметра и тщательно перекручивать провода;
— По возможности избегать резких температурных градиентов по длине термопары;
— Материал защитного чехла не должен загрязнять электроды термопары во всем рабочем диапазоне температур и должен обеспечить надежную защиту термопарной проволоки при работе во вредных условиях;
— Использовать удлинительные провода в их рабочем диапазоне и при минимальных градиентах температур;
— Для дополнительного контроля и диагностики измерений температуры применяют специальные термопары с четырьмя термоэлектродами, которые позволяют проводить дополнительные измерения сопротивления цепи для контроля целостности и надежности термопар.

Применение термопар

Для измерения температуры различных типов объектов и сред, а также в качестве датчика температуры в автоматизированных системах управления. Термопары из вольфрам-рениевого сплава являются самыми высокотемпературными контактными датчиками температуры[3]. Такие термопары незаменимы в металлургии для контроля температуры расплавленных металлов.

Для контроля пламени и защиты от загазованности в газовых котлах и в других газовых приборах (например, бытовые газовые плиты). Ток термопары, нагреваемой пламенем горелки, удерживает в открытом состоянии газовый клапан. В случае пропадания пламени ток термопары снижается и клапан перекрывает подачу газа.

В 1920—1930-х годах термопары использовались для питания простейших радиоприемников и других слаботочных приборов. Вполне возможно использование термогенераторов для подзарядки АКБ современных слаботочных приборов (телефоны, камеры и т. п.) с использованием открытого огня.

Приёмник излучения

Крупный план термобатареи фотоприёмника. Каждый из проволочных уголков представляет собой термопару.

Исторически термопары представляют один из наиболее ранних термоэлектрических приёмников излучения[4]. Упоминания об этом их применении относятся к началу 1830-х годов[5]. В первых приёмниках использовались одиночные проволочные пары (медь — константан, висмут — сурьма), горячий спай находился в контакте с зачернённой золотой пластинкой. В более поздних конструкциях стали применяться полупроводники.

Термопары могут включаться последовательно, одна за другой, образуя термобатарею (англ.). Горячие спаи при этом располагают либо по периметру приёмной площадки, либо равномерно по её поверхности. В первом случае отдельные термопары лежат в одной плоскости, во втором параллельны друг другу[6].

Преимущества термопар

  • Высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01 °С).
  • Большой температурный диапазон измерения: от −250 °C до +2500 °C.
  • Простота.
  • Дешевизна.
  • Надёжность.

Недостатки

  • Для получения высокой точности измерения температуры (до ±0,01 °С) требуется индивидуальная градуировка термопары.
  • На показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового датчика и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.
  • Эффект Пельтье (в момент снятия показаний необходимо исключить протекание тока через термопару, так как ток, протекающий через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный).
  • Зависимость ТЭДС от температуры существенно нелинейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.
  • Возникновение термоэлектрической неоднородности в результате резких перепадов температур, механических напряжений, коррозии и химических процессов в проводниках приводит к изменению градуировочной характеристики и погрешностям до 5 К.
  • На большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.

Типы термопар

Технические требования к термопарам определяются ГОСТ 6616-94. Стандартные таблицы для термоэлектрических термометров — номинальные статические характеристики преобразования (НСХ), классы допуска и диапазоны измерений приведены в стандарте МЭК 60584-1,2 и в ГОСТ Р 8.585-2001.


Точный состав сплава термоэлектродов для термопар из неблагородных металлов в МЭК 60584-1 не приводится. НСХ для хромель-копелевых термопар ТХК и вольфрам-рениевых термопар определены только в ГОСТ Р 8.585-2001. В стандарте МЭК данные термопары отсутствуют. По этой причине характеристики импортных датчиков из этих металлов могут существенно отличаться от отечественных, например импортный Тип L и отечественный ТХК не взаимозаменяемы. При этом, как правило, импортное оборудование не рассчитано на отечественный стандарт.

В настоящее время стандарт МЭК 60584 пересматривается. Планируется введение в стандарт вольфрам-рениевых термопар типа А-1, НСХ для которых будет соответствовать российскому стандарту, и типа С по стандарту АСТМ[7].

В 2008 г. МЭК ввел два новых типа термопар: золото-платиновые и платино-палладиевые. Новый стандарт МЭК 62460 устанавливает стандартные таблицы для этих термопар из чистых металлов. Аналогичный Российский стандарт пока отсутствует.

Сравнение термопар

Таблица ниже описывает свойства нескольких различных типов термопар[8]. В пределах колонок точности, T представляет температуру горячего спая, в градусах Цельсия. Например, термопара с точностью ±0,0025×T имела бы точность ±2,5 °C при 1000 °C.

Тип

термопары

IEC (МЭК)

Материал

положительного

электрода

Материал

отрицательного

электрода

Темп.

коэффициент,

μV/°C

Темп.

диапазон, °C

(длительно)

Темп.

диапазон,°C

(кратковременно)

Класс точности 1 (°C) Класс точности 2 (°C) IEC (МЭК)

Цветовая маркировка

K Хромель

Cr—Ni

Алюмель

Ni—Al

40…41 0 до +1100 −180 до +1300 ±1,5 от −40 °C до 375 °C
±0,004×T от 375 °C до 1000 °C
±2,5 от −40 °C до 333 °C
±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C
Зелёный-белый
J Железо

Fe

Константан

Cu—Ni

55.2 0 до +700 −180 до +800 ±1,5 от −40 °C до 375 °C
±0,004×T от 375 °C до 750 °C
±2,5 от −40 °C до 333 °C
±0,T от 333 °C до 750 °C
Чёрный-белый
N Нихросил

Ni—Cr—Si

Нисил

Ni—Si—Mg

0 до +1100 −270 до +1300 ±1,5 от −40 °C до 375 °C
±0,004×T от 375 °C до 1000 °C
±2,5 от −40 °C до 333 °C
±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C
Сиреневый-белый
R Платинородий

Pt—Rh (13 % Rh)

Платина

Pt

0 до +1600 −50 до +1700 ±1,0 от 0 °C до 1100 °C
±[1 + 0,003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °C
±1,5 от 0 °C до 600 °C
±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C
Оранжевый-белый
S Платинородий

Pt—Rh (10 % Rh)

Платина

Pt

0 до 1600 −50 до +1750 ±1,0 от 0 °C до 1100 °C
±[1 + 0,003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °C
±1,5 от 0 °C до 600 °C
±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C
Оранжевый-белый
B Платинородий

Pt—Rh (30 % Rh)

Платинородий

Pt—Rh (6 % Rh)

+200 до +1700 0 до +1820 ±0,0025×T от 600 °C до 1700 °C Отсутствует
T Медь

Cu

Константан

Cu—Ni

−185 до +300 −250 до +400 ±0,5 от −40 °C до 125 °C
±0,004×T от 125 °C до 350 °C
±1,0 от −40 °C до 133 °C
±0,0075×T от 133 °C до 350 °C
Коричневый-белый
E Хромель

Cr—Ni

Константан

Cu—Ni

68 0 до +800 −40 до +900 ±1,5 от −40 °C до 375 °C
±0,004×T от 375 °C до 800 °C
±2,5 от −40 °C до 333 °C
±0,0075×T от 333 °C до 900 °C
Фиолетовый-белый

См. также

Примечания

Литература

  • Грунин В. К. § 2.3.4. Термоэлектрические приёмники излучения // Источники и приёмники излучения: учебное пособие. — СПб.: Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2015. — 167 с. — ISBN 978-5-7629-1616-5.

Ссылки

2. Устройство термоэлектрических термометров и применяемые материалы

Два любых разнородных проводника могут образовать термоэлектрический термометр. Как же выбрать, какие из проводников могут быть использованы для изготовления термоэлектрических термометров и из каких проводников целесообразнее всего изготавливать термоэлектрические термометры? К материалам, используемым для изготовления термоэлектрических термометров, предъявляется целый ряд требований: жаростойкость, жаропрочность, химическая стойкость, воспроизводимость, стабильность, однозначность и линейность градуировочной характеристики и ряд других. Среди них есть обязательные и желательные требования. К числу обязательных требований относятся стабильность градуировочной характеристики и (для стандартных термометров) воспроизводимость в необходимых количествах материалов, обладающих вполне определенными термоэлектрическими свойствами. Все остальные требования являются желательными. Например, могут быть очень жаропрочные материалы, воспроизводимые с однозначной и линейной градуировочной характеристикой и высоким коэффициентом преобразования. Но если градуировочная характеристика этих материалов нестабильна, то измерять таким термометром нельзя. С другой стороны, материалы, имеющие низкий коэффициент преобразования, нелинейную градуировочную характеристику, но имеющие стабильную характеристику, используются для термоэлектрических термометров.

В соответствии со стандартами имеем следующие стандартные термоэлектрические термометры, характеристики которых приведены в табл. 1 и 2.

Медь-копелевые и медь-медноникелевые типа Т (близкие к медь-константановым) термоэлектрические термометры применяются главным образом для измерения низких температур в промышленности и лабораторной практике. Применение этих термометров для температур менее —200 °С осложняется существенным уменьшением коэффициента преобразования с уменьшением температуры. При температурах свыше 400 °С начинается интенсивное окисление меди, что ограничивает применение термометров этих типов.

Железо-медноникелевые, близкие и железо-константановым термоэлектрическим термометры типа J применяются в широком диапазоне температур от —200 до 700 °С, а кратковременно — и до 900 °С. Они имеют достаточно большой коэффициент преобразования (около 55 мкВ/°С). Верхний предел измерения ограничен окислением железа и медноникелевого сплава.

Таблипа 1. Стандартные термоэлектрические термометры

Тип термопары термоэлектрического термометра

Обозначение новое (старое)

Рабочий диапазон длительного режима работы, — С

Максимальная температура кратко временного режима работы, °С

Медь-копелевая

—200 — +100

Медь-медноникелевая

Т

—200 — +400

Железо- медноникелевая

J

—200 — +700

900

Хромель-копелевая

(ХК)

—50 — +600

800

Никельхром-медноникелевая

Ε

—100 — +700

900

Никельхром-нйкельалюминиевая(хромель-алюмелева я)

К (ХА)

—200— +1000

1300

Платинородий (10 %)-платиновая

S (ПП)

0 — +1300

1600

Платинородий (30 %)-платинородиевая (6%)

В

(ПР)

300—1600

1800

Вольфрамрений (5 %}-вольфрам-рениевая (20 % )

(ВР)

0—2200

2500

Таблица 2. Основные значения термоэлектродвижущей силы стандартных термопарпри°С

Термо-ЭДС, мВ

Температура , °С

Медь-копелевая

Медь-меднони-келеиая, тип Т

Железо-медно-ннкелевак, тип J

Хромель- коп елевая (XK)

Ннкельхром-, медноникелевяя,

ι ТИП β

Нвкрльхроы-ни-ке л ь а л юм и ι шо и а я (хромель-алкше-левая) тип К (ХА)

Платинородин {10%)-платип£>-1 зая, тип S (ПШ

Плата/города^ (30 %)-платиио-родиевая (6 %). тип В (ПР)

Вольфрамренш! (о %)-вольфрам-решгевая (20 %) ι <ВР)

—200

—6,153

—5,603

—7,890

—8,824

—5,892

— 100

—3,715

—3,378

—4,632

—5,237

—3,553

0

0

0

0

0

0

0

100

4,721

4,277

5,268

6,88

6,317

4,095

0,645

1,330

200

9,286

10,777

14,59

13,419

8,137

1,440

2,869

300

14,860

16,325

22,88

21,033

12,207

2,323

0,431

4,519

400

20,869

21,846

31,49

28,943

16,395

3,260

0,786

6,209

500

27,388

40,28

36,999

20,640

4,234

1,241

7,909

600

33,096

49 , Π

45,085

24,902

5,237

1,791

9,598

700

39,130

57,85

53,110

29,128

6,274

2,430

11,273

800

45,498

66,47

61,022

33,277

7,345

3,154

12,929

900

51,875

68,783

37,325

8,448

3,957

14,556

1000

41 ,269

9,585

4,833

16,136

1100

45,108

10,754

5,777

17,666

1200

48,828

11,947

6,783

19,146

1300

52,398

13,155

7,845

20,576

14υΟ

14,368

8,952

21,963

1500

15,576

10,094

23,303

1600

16,771

1 1 ,257

24,590

700

12,246

25,820

1800

13,585

26,999

2000

29,177

2200

31 , 136

2500

33,636

Хромель-копелевые термоэлектрические термометры обладают наибольшим коэффициентом преобразования из всех стандартных термометров (около 70—90 мкВ/°С). Для термометров с термоэлектродами диаметром менее 1 мм верхний предел длительного применения менее 600 °С и составляет, например, для термоэлектродов диаметром 0,2—0,3 мм только 400°С. Верхний предел применения определяется стабильностью характеристик копелевого термоэлектрода.

Никельхром-медноникелевые (тип Е), близкие к хромель-константановым, и никелъхром-никельалюминивые (тип К) термометры, ранее называемые хромель-алюмелевыми, применяются для измерения температуры различных сред в широком интервале температур. Термоэлектрод из никель-алюминиевой проволоки менее устойчив к окислению, чем никельхромовый. Верхние пределы применения зависят от диаметра термоэлектродов. Длятермоэлектродов диаметром 3—5 мм верхний предел длительного применения никельхром — никелъалюминиевых термометров составляет 1000 °С, а для диаметра 0,2—0,3 мм — не более 600°С. Для никельхром-медноникелевой термопары он не превышает 700 °С.

Все вышеперечисленные термоэлектрические термометры из неблагородных материалов хорошо стоят в инертной и восстановительной атмосфере, в окислительной атмосфере их срок службы ограничен. Кроме того, термоэлектрические термометры хромель-копелевые и никельхром-никельалюминиевые (хромель-алюмелевые) отличаются достаточно высокой стабильностью градуировочной характеристики при высокой интенсивности ионизирующих излучений.

Πлатинородий-платиновые термоэлектрические термометры (тип S) могут длительно работать в интервале температур от 0 до 1300 °С, а кратковременно — до 1600 °С. Положительный термоэлектрод представляет собой сплав, состоящий на 10 % из родия и на 90 % из платины, отрицательный термоэлектрод состоит из чистой платины. Эти термометры сохраняют стабильность градуировочной характеристики в окислительной и нейтральной средах. В восстановительной атмосфере платинородий-платиновые термометры работать не могут, так как происходит существенное изменение термо-ЭДС термометра. Так же неблагоприятно воздействует на платинородий-платиновые термометры контакт с углеродом, парами металлов, соединениями углерода и кремния, а также рядом других материалов, загрязняющих термоэлектроды. Следует отметить, что градуировочная характеристика типа S не совпадает с градуировочной характеристикой ПП, применявшейся ранее.

Таблица 3. Коэффициенты для определения пределов допускаемых отклонений термо-ЭДС термопар

Тип термопары

Класс точности

Рабочий диапазон, °С

а,ºС

b 103

с, °С

Медь-копелевая

—200 ÷ 0

0—100

1,3

—1,1

0

0

0

Медь- медноникел ев ая

—200 ÷ — 100

— 100 ÷ 400

3

—20

0

—100

0

Железо-медноникелевая

—200-:- —100

— 100 ÷ 400

400 ÷900

3

—20

0

7,5

—100

0

400

Хромель-коп елева я

—50 ÷ 300

300 — 800

2,5

0

6,0

0

300

Никельхром-медноникелевая

—100÷400

400 — 900

4

0

7,5

0

400

Никельхром-никельадюминиевая

—200 ÷ —100

—100 ÷ 400

400 ÷ 300

4

—10

0

7,5

—100

0

400

Платинородий (10 %)-платиновая

1

0 — 300

300— 1600

1,5

0

2

0

300

2

О — 600

600— 1600

3

0

5

0

600

Платинородий (30 % ) -платиноро-дневая (6 %)

300 — 600

600—1800

3

0

5

0

600

Вольфрамрений (5 %)-вольфрам-ревневая (20 %)

«

0—1000

1000—1800

1800 — 2500

5

10

0

6,0

11,5

0

1000 1800

Платинородий-платинородиевые термоэлектрические термометры (тип В)применяются длительно в интервале температур от 300 до 1600 °С, кратковременно — до 1800 °С, Положительный электрод — сплав из 30 % родия и 70% платины, а отрицательный — из 6 % родия и 94 % платины. Эти термометры отличаются большей стабильностью градуировочной характеристики, чем платинородий-платиновые, но они также плохо работают в восстановительной среде. В связи с тем что термо-ЭДС, развиваемая платинородий-платинородиевыми термометрами в интервале температур 0—100 °С, незначительна, при технических измерениях их можно применять без термостатирования свободных концов. Например, если температура свободных концов 70 °С и поправка на нее не вводится, то при температуре рабочего спая 1600 °С это вызовет погрешность около 2,1°С. Градуировочная характеристика типа В также не совпадает с градуировочной характеристикой ПР.

Вольфрамрений — вольфрамреневые термоэлектрические термометры предназначены для длительного измерения температур от- 0 до 2200 °С и кратковременно до 2500 °С в вакууме, в нейтральной и восстановительной средах. Положительный термоэлектрод — сплав из 95 % вольфрама и 5 % рения, отрицательный—сплав из 80 % вольфрама и 20 % рения.

Рис. 7, Устройство термоэлектрического термометра

Пределы допускаемых отклонений измеренных значений термо-ЭДС термопар от основных значений, приводимых в табл. 2, должны определяться по уравнению

(10)

где а, b, с — коэффициенты, определяемые из табл. 3; — коэффициент преобразования термопары, определяемый по значениям, приведенным в табл. 2. Допускаемые отклонения, выраженные в градусах, определяются выражением в квадратных скобках уравнения (10). Например, предел допускаемых отклонений для термопары хромель-копель в интервале —50300 °С составляет

В интервале 300—800 °С предел допускаемых отклонений для той же термопары уже зависит от значения измеряемой температуры. Например, для=600°С предел допускаемых отклонений

>что соответствует

Кроме стандартных термоэлектрических термометров находят применение в особых условиях нестандартные термоэлектрические термометры, которые либо не отвечают требованиям воспроизводимости, либо не имеют достаточно стабильную градуировочную характеристику. К ним относятся высокотемпературные термометры:

дисилицид молибдена — дисилицид вольфрама (MoSi2—WSi2) для измерения температур агрессивных газовых сред и некоторых расплавов в интервале температур до . 1700 С; углерод—борид циркония (С—ZrB2) для измерения температур жидких металлов до 1800 °C;

углерод—карбид титана (С—TiC) для измерения неокислительных газовых сред до 2500 °С;

карбид ниобия — карбид циркония (NbC— ZrC) для измерения в восстановительной и инертной среде или в вакууме до 3000 °С.

Для измерения вязких температур (до —270 °С) в промышленных установках применяют золотожелезо-никельхромовую (AuFe·— NiCr) термопару, которая практически не изменяет своего коэффициента преобразования в интервале температур (—200 ÷270 ºС).

В лабораторных условиях для измерения температур до —270 °С могут применяться медь-медноникелевые термопары. Хотя эти термопары и отличаются стабильностью градуировочных характеристик, но их коэффициент преобразования существенно уменьшается с уменьшением температуры: при изменении температуры от 0 до —270 °С он уменьшается примерно в 40 раз. Поэтому возникают сложности измерения малых изменений термо-ЭДС. В настоящее время ведутся большие работы по созданию высокотемпературных термоэлектрических термометров из монокристаллов вольфрама, рения, молибдена и других материалов, имеющих стабильные градуировочные характеристики.

Для удобства применения термоэлектрический термометр специальным образом армируется. При этом преследуются следующие цели: электрическая изоляция термоэлектродов; защита термоэлектродов от вредного воздействия измеряемой и окружающей сред; защита термоэлектродов и зажимов выводов термоэлектродов от загрязнений и механических повреждений; придание термоэлектрическому термометру необходимой механической прочности; обеспечение удобства монтажа на технологическом оборудовании и удобства подключения соединительных проводов. На рис. 7 показано устройство термоэлектрического термометра. Термоэлектроды 1 расположены так, что их спай 2 касается защитного чехла 3. На термоэлектроды надеты изоляционные бусы 4. На конце защитного чехла крепится головка термометра В головке расположена колодка 6 с зажимами 7 для термоэлектродов и соединительных проводов .

Рабочий спай термоэлектрического термометра чаще всего изготавливается путем сварки, в отдельных случаях применяют пайку, а для вольфрам-рениевых термометров — скрутку. В отдельных конструкциях термоэлектроды приваривают к защитному чехлу.

Электрическая изоляция термоэлектродов осуществляется материалами, сохраняющими свои изоляционные свойства при соответствующих температурах и не загрязняющими термоэлектроды. Наибольшее распространение при температурах до 1300 °С получили фарфоровые одно- и двухканальные трубки и бусы, для более высоких температур применяются бусы из окиси алюминия и из других изоляционных материалов.

Рис. Внешний вид некоторых термоэлектрических термометров

Рас. 9. Устройство термометров кабельного типа:

а, б —с изолированным и неизолированным спаями

Для защиты термоэлектродов от воздействия измеряемой среды их помещают в защитный чехол из газонепроницаемых материалов, выдерживающих необходимые высокие температуры и давления среды. Защитные чехлы изготавливают чаще всего из различных марок стали для температур до 1000 °С. При более высоких температурах применяются специальные чехлы из тугоплавких соединений (ГОСТ 13403-77). Эти чехлы изготавливаются из диборида циркония с молибденом для измерения температуры стали, чугуна и восстановительной газовой среды до 2200 °С. Для измерения расплавленного стекла и окислительной газовой среды до 1700 °С применяются чехлы из дисилицида молибдена. Большинство конструкций защитной арматуры термоэлектрических термометров в настоящее время унифицированы. Они отличаются в основном конструкцией защитных чехлов, рассчитанных на различные давления, и конструкцией штуцеров. Головка к защитным чехлам для многих модификаций одна и та же. Внешний вид некоторых серийно изготавливаемых термоэлектрических термометров представлен на рис.

Большое распространение в последнее время получают термоэлектрические термометры кабельного типа. Они представляют собой два термоэлектрода, помещенные в тонкостенную оболочку (рис. 9). Пространство между термоэлектродами и оболочкой заполняется специальной изолирующей засыпкой (порошок MgO или А12О3). Оболочка изготавливается из нержавеющей или жаропрочной стали. Наружный диаметр оболочки — от 0,5 до 6 мм (ГОСТ 23847-79), длина —до 25 м. Выпускаются хромель-алюмелевые и хромель-копелевые термопреобразователи с изолированным (рис. 9, а) и неизолированным (рис. 9,б) спаями. Основные параметры и размеры кабельных термопреобразователей приведены в табл. 4. Они применяются в интервале температур от —50 до 900 °С (в оболочке из жаропрочной стали — до 1100°С) при давлении до 40 МПа. Существенным преимуществом термометров кабельного типа является их радиационная стойкость, позволяющая им работать в энергетических реакторах АЭС, а также повышенная стойкость к тепловым ударам, вибрации, и механическим нагрузкам.

термо-ЭДС, чтобы отвести свободные концы в такое место, где будет удобно их термостатировать или поставить устройство для автоматического введения поправки. Так как температуры головки термометра и мест прокладки проводов значительно ниже измеряемых, то это удлинение термометра должно осуществляться не обязательно теми же материалами, которые идут на изготовление термоэлектродов. Однако эти удлиняющие провода должны обладать определеннымисвойствами, чтобы исключить возникновение паразитной термо-ЭДС. Возникновение паразитных термо-ЭДС будет исключено, если удлиняющие провода будут иметь ту же градуировочную характеристику, что и сам термометр. Докажем, что если удлиняющие провода cud развивают ту же термо-ЭДС, что и термоэлектроды . термометра а и:

: (И)

то включение таких проводов в цепь термометра не исказит его термо-ЭДС. Запишем термо-ЭДС, возникающую в цепи термоэлектрического термометра, следующим образом:

(12)

Так как включение проводника е при равенстве температур мест его подсоединения не изменяет термо-ЭДС цепи, то можно записать

— (13)

Далее из (8| и (Щ следует, что

(14)

и

. (15)

Подставляя в (12) сначала (13), а затем (15), получим, учитывая .(3):

(16)

т.е. термо-ЭДС цепи термоэлектрического термометра не изменится, если термопара α—будет удлинена проводамисd, отвечающими условию (11). Однако при удлинении термопары следует для каждого типа термоэлектрических термометров подбирать провода, отвечающие условию (11). Кроме того, при подключении должна соблюдаться полярность. Места соединения удлиняющих проводов с термоэлектродами ас си bed должны иметь одинаковую температуру . Если это условие не соблюдается, то возникает паразитная термо-ЭДС, так как провода а и с и и d могут быть не термоэлектроидентичны.

Удлиняющие термоэлектродные провода выпускаются одно- и многожильными в изоляции и с внешним покрытием или оболочкой, удобными для монтажа и прокладки. Для изоляции применяют поливинилхлорид, полиэтилентерефталатную и фторопластовую пленку. Кроме изоляции провода часто покрывают поливинилхлоридной оболочкой или оплеткой из лавсановых нитей или стеклонитей. Если требуется защита от внешних электромагнитных полей и механических воздействий, применяют оплетку или экран из медных или стальных проволок (ГОСТ 24335-80).

Каждый материал провода имеет свой цвет изоляции или цветные нити в обмотке и оплетке проводов. В табл. 5 приведены типы термопар, рекомендуемые удлиняющие термоэлектродные провода, их обозначения и расцветка изоляции. Как видно из таблицы, в некоторых случаях для изготовления удлиняющих проводов применяются те же материалы, что и для изготовления термопар. Но применяются и другие материалы, отличные от термоэлектродов термопары. В табл. 6 приведены значения термо-ЭДС, которую развивают пары из удлиняющих термоэлектродных проводов при некоторых значениях температур их спаев. Эти провода отвечают условию (11) и в соответствующем интервале температур развивают практически такую же термо-ЭДС, что и термоэлектроды термопары.

Конструкция термоэлектрических термометров

а)

На летательных аппаратах применяется несколько разновидностей термоэлектрических термометров, отличающихся типом термопар. Термометр, предназначенный для измерения температуры головок цилиндров поршневых авиадвигателей воздушного охлаждения, рассчитан на диапазон измерения от –50 до + 350° С и состоит из термопары и указателя, соединенных между собой по схеме, представленной на рис. 4.4.3.

Р

а)

ис. 4.4.3. Электрические схемы термоэлектри
ческих термометров:

а – с одной термопарой; б – с четырьмя последовательно соединенными термопарами:

Rв – сопротивление волоска; Rр – сопротивление рамки; Б – биметаллический корректор; Rд – добавочное сопротивление; RТС – термосопротивление; RП – со­противление проводов; RВН – внутреннее сопротивление

Конструкция термопары для поршневых двигателей показана на рис. 4.4.4. Термоэлектроды, изготовленные из хромеля и копеля, впаяны в медную шайбу 1, которая служит для крепления термопары под свечой зажигания поршневого авиадвигателя и играет роль теплоприемника. Концы термоэлектродов соединяются наконечниками 2 и 3 с многожильными соединительными проводами из того же материала, что и термоэлектроды. Соединительные провода заканчиваются штепсельным разъемом, внутри которого расположено подгоночное сопротивление (несколько витков манганиновой проволоки), с помощью которого достигается постоянство суммарного сопротивления термопары и соединительных проводов (провода выпускаются различной длины).

Рис 4.4.4. Конструкция термопары для поршневых двигателей:

1– шайба; 2, 3 – наконечники; 4, 5 – скоба; 6 – винт

Конструкция указателя показана на рис. 4.4.5. В корпусе указателя смонтирован магнитоэлектрический гальванометр униполярного типа с углом шкалы 240°, а также сопротивления 19 и 20 (Rд и Rтс), входящие в схему, которая изображена на рис. 4.4.3, а. Термосопротивление 20 (Rтс) служит для компенсации погрешностей, вызванных изменением сопротивления рамки гальванометра при изменении температуры окружающей среды. Добавочная термо-э. д. с, возникающая при изменении температуры свободных концов термопары, компенсируется с помощью биметаллического корректора 10, который устанавливает стрелку указателя на температуру окружающего воздуха. Вид шкалы термометра головок цилиндров показан на рис. 4.4.6, а.

Термоэлектрические термометры, применяемые на реактивных двигателях, используются для измерения температуры выходящих газов до 900о С и выше и состоят из нескольких термопар (двух или четырех) и указателя, соединенных между собой по схеме рис. 4.4.3, б.

Конструкция термопары для реактивных двигателей приведена на рис. 4.4.4.

В зависимости от типа термометра применяются термоэлектроды хромель – алюмель, НК-СА или НЖ-СК. Термоэлектроды изолированы друг от друга керамической трубкой и предохранены от механических повреждений защитным корпусом 1 из жаропрочной стали. Верхняя часть корпуса заканчивается головкой 2, которая вместе с гайкой 3 служит для крепления датчика. На головке укреплен угольник 4 с гибким шлангом, внутри которого пропущены промежуточные соединительные провода 5, заканчивающиеся клеммными зажимами 6 и 7. Для лучшей передачи тепла от газов к термоэлектродам в нижней части защитного корпуса

Рис. 4.5. Конструкция указателя термоэлектрического термометра:

1 – магнит; 2 – магнитопровод; 3 – сердечник; 4 – пластина; 5 – рамка; 6ось; 7 – пружины; 8 – консоль; 9стрелка; 10 биметаллический корректор; 11 – стойка; 12 – циферблат; 13, 18 – экраны; 14 основание; 15 корпус; 16, 17 – винты; 19 – термосопротивление; 20 – добавочное сопротивление; 21кольцо

имеется вырез, пройдя который газовый поток почти полностью тормозится, а затем уже выходит наружу через дополнительное отверстие. Коэффициент торможения равен r = 0,96 при числе М ≤ 1.

Поскольку температура в различных точках реактивного сопла неодинаковая, термоэлектрические датчики располагаются в двух или четырех точках сопла и соединяются электрически последовательно друг с другом (см. рис. 4.3,6). При таком соединении суммарная э. д. с. пропорциональна средней температуре газов в четырех точках.

Конструкция указателя аналогична представленной на рис. 4.4.5, вид шкалы указателя приведен на рис. 4.4.6

В случае применения термопары типа НК-СА или НЖ-СК изменение температуры свободных концов не вызывает погрешностей и поэтому биметаллический корректор в указателе не требуется (см. схему на рис. 4.4.3., б).

в)

Рис. 4.4.6. Виды шкал термоэлектрических термометров:

а – шкала термометра головок цилиндров; б – шкала термометра выходящих газов; вшкала сдвоенного термометра выходящих газов

Существуют сдвоенные указатели (для контроля двух двигателей), в общем корпусе которых смонтированы два гальванометра. Вид шкалы сдвоенного указателя показан на рис. 4.4.6., в.

Рис. 4.4.7. Конструкция термопары для реактивных двигателей:

1 – корпус; 2головка; 3гайка; 4угольник; 5 – промежуточные соединительные провода; 6, 7 – зажимы

Для электрических дистанционных термометров определяются статические и динамические характеристики: в начале определяются соответствующие характеристики составных частей прибора – датчика, электрической цепи и указателя, а затем их совместным решением определяют характеристики прибора в целом.

1.1.4. Термоэлектрические термометры.

Комплект термоэлектрического термометра состоит из термоэлектрического преобразователя, измерительного прибора и соединительных проводов.

Преобразователь термоэлектрический (рис.1.5) служит первичным преобразователем (чувствительным элементом) термоэлектрического термометра. Он состоит из двух разнородных проводников — электродов А и В, соединенных между собой. Место соединения электродов, нагреваемое до температуры t (температурой измеряемой среды), называется рабочим (горячим спаем), а до постоянной температуры t0 — свободным (холодным). Действие преобразователя основано на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что в замкнутой цепи из двух или нескольких разнородных проводников возникает термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС), если спаи проводников имеют разную температуру. Следовательно, термо-ЭДС, развиваемая преобразователем, зависит как от температуры t рабочего спая, так и от температуры t0 холодного спая. Если температура холодного спая поддерживается постоянной, то термо-ЭДС зависит лишь от степени нагрева горячего спая t. Измеряя эту термо-ЭДС, можно определить искомую температуру.

Рис.1.5. Термоэлектрическая цепь.

Термопреобразователи изготавливают из чистых металлов и сплавов, обладающих постоянством и хорошей воспроизводимостью термоэлектрических свойств. Для изготовления положительного электрода чаще всего используют платинородий, хромель, а отрицательного — алюмель, копель и др.

В технических термометрах создаваемая термо-ЭДС не превышает 8 мВ на каждые 100 °С; при измерении высоких температур она не превышает 70 мкВ.

Согласно ГОСТ 6616-94 допускается применение стандартных термоэлектрических преобразователей пяти типов (табл.1.1).

Таблица 1.1.

Вид

термоэлектрического преобразователя

Материал электродов

Условное обозначение градуировки

Диапазон измерения температур, °С

ТВР

Вольфрамрений-вольфрамрений

BP 5/20

0-220

ТПР

Платинородий-платинородий

ПР 30/6

300-1600

ТПП

Платинородий-платина

ПП

0-1300

ТХА

Хромель-алюмель

ХА

-200-1000

ТХК

Хромель-копель

ХК

-200-600

Изолированные термоэлектроды помещают в защитный чехол из газонепроницаемых материалов (сталь, фарфор и др.), выдерживающих высокие температуры.

На рис.1.6а показан общий вид термоэлектрического термометра. Термоэлектроды помещены в стальной чехол 8 с насаженным на него фланцем 9 со стопорным винтом. Рабочий конец чувствительного элемента 12 (рис.1.6б) расположен в фарфоровом стаканчике 11 или приваривается ко дну чехла. Оба электрода изолированы фарфоровыми бусами 10. Головка термоэлектрического термометра состоит из корпуса 7, крышки 3, штуцера 5 для вывода проводов. Крышка прикрепляется к головке цепочкой 1. Внутри головки расположена фарфоровая колодка 6 с двумя подвижными зажимами 4, имеющими две пары винтов 2 для закрепления термопроводов и соединительных проводов.

Температура головки термометра под действием окружающей среды может изменяться, вследствие чего нарушается постоянство температуры холодных спаев, вызывающее погрешность измерения. Устранения влияния температуры окружающей среды на величину термо-ЭДС достигают путем использования термоэлектродных проводов, которые развивают при темпера турах не более 100-150 °С термо-ЭДС, равную термо-ЭДС преобразователя. При наращивании преобразователя термоэлектродными проводами холодные спаи удаляются от среды с меняющейся температурой в зону с постоянной температурой, где может находиться нулевой (ледяной) или иной термостат (ТС).

а — общий вид; б — рабочий конец чувствительного элемента.

Рис. 3-6. Термоэлектрический термометр.

В качестве вторичных приборов для измерения термо-ЭДС в комплектах термоэлектрических термометров применяют милливольтметры и потенциометры.

Милливольтметр является прибором магнитоэлектрической системы. Принцип его работы основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита с магнитным полем, образованным проводником, по которому протекает измеряемый электрический ток. Милливольтметр состоит из постоянного магнита 4 (рис.1.7) с полюсными наконечниками, круглого неподвижного сердечника 3, расположенного между полюсами магнита с зазором, в котором может поворачиваться подвижная рамка /. Рамка изготовляется из медной или алюминиевой проволоки и укрепляется по центру охватываемого сердечника на кернах или подвешивается на металлических подвесках. Стрелка 2, конец которой перемещается вдоль шкалы 6, жестко соединена с подвижной рамкой. Грузики 5 служат для балансирования подвижной системы. Электрическая цепь, в которой производится измерение термо-ЭДС, подключается к рамке через спиральные пружины (на схеме не показаны), соединенные одним концом с рамкой, а другим с неподвижными деталями прибора. Ток, протекая через рамку, вызывает вращающий момент. При этом угол поворота рамки зависит от величины тока. Милливольтметр может быть отградуирован в градусах температуры или в милливольтах. На шкале технического прибора указывается градуировка термоэлектрического преобразователя, для работы с которым он предназначен.

Милливольтметры выпускаются равных модификаций: переносные показывающие; стационарные показывающие; стационарные показывающие и сигнализирующие, показывающие и позиционно регулирующие узкопрофильные со световым указателем; самопишущие для измерения и записи температуры в одной или нескольких точках на одной диаграммной ленте.

Рис.1.7. Схема магнитоэлектрического милливольтметра.

Точность показаний термоэлектрического термометра зависит от способов его установки. При монтаже термометра в трубопроводах рабочий конец его располагают в центре потока (на оси трубопровода). В трубопроводах малого диаметра термометр устанавливают наклонно, концом навстречу потоку. Если температура измеряемой среды превышает 800°С, то термометр располагают вертикально, что заметно уменьшает деформацию его защитного чехла под действием высоких температур. Места крепления термометров к ограждающим стопкам должны быть надежно уплотнены, так как присосы холодноговоздуха или прорывы нагретых газов наружу могут привести к неправильным показаниям и повреждению защитного чехла и головки термометра.

Рис.1.8. Монтаж термоэлектрического термометра в кирпичной кладке.

Установка термоэлектрического термометра в кирпичной кладке показана на рис.1.8. Труба 6, заделываемая в кладку, имеет три ребра 7, которые предохраняют ее от провертывания и осевого смещения. Термометр / со стопорным винтом 3 укреплен на фланцах 4, между которыми находится асбестовая прокладка 5. Свободные щели уплотнены набивкой 2. Глубина погружения термометра регулируется винтом 3. При монтаже термометра на металлической стенке труба с фланцем приваривается к этой стенке.

6.4.2. Авиационные термоэлектрические термометры

По своему назначению авиационные термоэлектрические термометры можно разделить на три группы.

К первой группе относятся термометры типа ТВГ, ИТГ и ТСТ, служащие для измерения температуры выходящих газов турбореактивных, турбовинтовых авиационных двигателей и турбостартеров.

Ко второй группе относятся термометры типа ТЦТ, измеряющие температуру головок цилиндров поршневых двигателей и других твердых тел.

В третью группу объединяются измерительные системы типа ИТ, ИА, предназначенные для измерения температуры газов, выходящих из реактивного сопла двигателе и турбин низкого и высокого давления.

В качестве термопреобразователей в термоэлектрических термометрах используются различные термопары.

В термометрах ТВГ, ИТГ, ТСТ используются термопары типа Т-1, Т-9, Т-11, Т-80, Т-82К, Т-99 различных градуировок.

В измерительных системах применяются термопары типа Т-99, Т-38, Т-93.

Термопары помещают в жаропрочный корпус и равномерно размещают по периметру одного сечения выходного сопла двигателя.

В термометрах ТЦТ горячий спай термоэлектрического преобразователя Т-3 градуировки ХК прикрепляется к медному кольцу, которое устанавливается под зажигательную свечу поршневого авиадвигателя.

Способы соединения термопар различны. В термометрах типа ТВГ, ТСТ термопары соединяются электрически в одну термобатарею последовательно. В измерительных системах термопреобразователи имеют две комбинации параллельно или параллельно — последовательно соединенных термоэлектродов, при этом одна группа термопреобразователей используется непосредственно для измерения температуры, а другая — в качестве датчика регулятора температуры. Указанные способы соединения позволяют получить суммарную термоЭДС, пропорциональную среднему значению температуры выходящих газов. Соединение термопреобразователей осуществляется в соединительных коробках, расположенных в таком месте самолета, где температура окружающей среды меняется незначительно и не превышает 100° С.

Рис. 6.17. Принципиальная электрическая схема ИТГ-1.

Электрические схемы термометров ТЦТ, ТВГ, ИТГ, ТСТ одинаковы, отличия заключаются только в способах соединения термопар. Основными элементами электрической схемы являются термопреобразователь, соединительные провода и измерительный прибор (рис.6.17.). Термопреобразователь ТП1 представляет собой блок параллельно соединенных термопар. ТермоЭДС преобразователя измеряется магнитоэлектрическим милливольтметром. На схеме показаны: R2  добавочное сопротивление измерителя, обеспечивающее постоянство внутреннего сопротивления милливольтметра; R3  сопротивление рамки; R4  термокомпенсационное сопротивление, предназначенное для уменьшения погрешности прибора из-за изменения сопротивления рамки указателя; Rпp и Rб  соответственно электрические сопротивления противодействующих пружин и биметаллического корректора.

Зависимость угла a поворота стрелки показывающего прибора от разности температур горячего и холодного спаев рассчитывается по формуле

(6.31)

где к — постоянная гальванометра;

В — магнитная индукция;

с — жесткость противодействующей пружины;

Rt, RСП — соответственно сопротивления термопары и соединительных проводов;

R1 — подгоночное сопротивление соединительных проводов;

Комплект термометра ИТГ-1 состоит из измерителя ИТГ и термопар Т-99. Вместе с измерителем ИТГ могут работать термопары Т-38-3. Особенностью термометра является применение сдвоенных термопар, соединенных параллельно и образующих две самостоятельные цепи по 12 термопар Т-99 или по 7 термопар Т-38 в каждой цепи. Одна цепь подключается к указателю термометра, другая — к регулятору температуры

Сдвоенная термопара Т-99 имеет неразъемную конструкцию (рис. 6.18.) и состоит из корпуса 1, термоэлектродов 4, выполненных из сплавов хромеля (положительные) и алюмеля (отрицательные), и штуцера 9. В корпусе термопары, изготовленном из жаропрочного сплава, размещены два независимо работающих термоэлектродных спая 8, находящихся непосредственно в газовом потоке. Камера торможения 6 имеет два входных отверстия 5 диаметром 3 мм и одно выходное отверстие 7 диаметром 4 мм, что позволяет получить осредненную температуру по высоте термопары Штуцер 9 запрессован и припаян к корпусу 1 термопары.

Рис. 6.18. Термопара Т – 99: 1 – корпус; 2,3 – контактные винты; 4 – термоэлектроды; 5 – входные отверстия; 6 – камера торможения; 7 — выходное отверстие; 8 – термоэлектродный спай; 9 – штуцер.

Термоэлектроды 4 приварены к контактным винтам 2 и 3.

Термопары соединены в термобатарею из 12 параллельно включенных термопар и подключаются к указателю соединительными проводами из термоэлектродного материала (хромеля и алюмеля). Для подгонки сопротивления внешней цепи термометра (включая термопары) до величины (7.5+0.1) Ом при температуре +20 °С в штепсельный разъем, подходящий к указателю, впаяно дополнительное сопротивление. Головка термопары выдерживает рабочую температуру до +200°С, предельную — до +250°С.

Указатель ИТГ-1 представляет собой магнитоэлектрический милливольтметр.

Существует сдвоенная измерительная аппаратура 2ИА-7 предназначена для измерения температуры газа авиационных двигателей в условиях полета и на земле.

Функциональная схема одного канала системы 2ИА-7 приведена на рис.6.19.

Рис.6.19.Измерительная аппаратура 2ИА – 7.

Рабочий диапазон измерения температуры – от 300 до1000°С.

Погрешность показаний аппаратуры при температуре внешней среды (+25±10)°С составляет ±6°С в рабочем диапазоне температур и ±7°С в остальных диапазонах (0 — 300°С, 100 – 1200°С). Электропитание: ~115В ± 5% с частотой 400Гц +7%; = 27В ± 10%.

В комплект аппаратуры входят два указателя температуры УТ – 7А, сдвоенный усилитель 2УЭ-6В и две переходные колодки ПК – 9Б.

Термопреобразователем служит коллектор термопар, состоящий из 12 параллельно соединенных хромель-алюмелевых термопар типа Т-99-3, Т-93-2, Е-38-3, Т-82Г.

Радиальное расположение термопар по периметру авиадвигателя обеспечивает измерение среднемассового значения температуры выходящих газов.

Принцип действия аппаратуры основан на компенсационном методе измерения термоЭДС.

Встречно с термоЭДС термопар Т-99 включено компенсирующее напряжение, снимаемое с мостовой схемы, собранной на резисторах R9, R10, R11 и размещенной в указателе У-7А.

Мостовая схема запитывается постоянным током через стабилизатор напряжения. Величина компенсирующего напряжения моста зависит от положения напряжения токосъемника потенциометра обратной связи R9. Разность ТЭДС и компенсирующего напряжения преобразуется с помощью входного модулятора, собранного на интегральных прерывателях ПП1 и ПП2 и входном трансформаторе ТР2, в переменное напряжение частотой 400Гц. Опорное (коммутационное) напряжение подается на модулятор через трансформатор ТР1. Таким образом, со вторичной обмотки трансформатора ТР2 будет сниматься сигнал рассогласования в виде напряжения переменного тока, которое усиливается в усилителе напряжения и усилителе мощности и подается на реверсивный двигатель отработки, перемещающий токосъемник потенциометра обратной связи до тех пор, пока компенсирующее напряжение не сравняется с измеряемой термоЭДС и их разность не станет равной нулю. Таким образом, каждому положению токосъемника потенциометра обратной связи соответствует определенное значение термоЭДС, т. е. определенная измеряемая температура.

Двигатель через редукторы перемещает стрелки указателей грубого и точного отсчета. В указателе имеется узел сигнализации, обеспечивающий подачу сигнала при определенных показаниях прибора (рабочей или критической температуре).

В аппаратуре предусмотрена автоматическая компенсация термоЭДС холодного спая термопары напряжением мостовой схемы переходной колодки, меняющимся в зависимости от температуры холодного спая термопары. Компенсирующее напряжение мостовой схемы, одним плечом которой является термочувствительное сопротивление R8, включено встречно с термоЭДС холодного спая термопары. Мостовая схема запитывается от стабилизатора напряжения СН.

В состоянии равновесия термоЭДС холодного спая уравновешена напряжением диагонали мостовой схемы, и в измерительную цепь подается сигнал от термопары, соответствующей температуре горячего спая.

При изменении температуры окружающей среды меняется ТЭДС холодного спая термопары, но одновременно меняется и напряжение диагонали мостовой схемы за счет изменения никелевого резистора R8, имеющего температуру холодного спая термопары. Это изменение напряжения диагонали мостовой схемы полностью компенсирует изменение термоЭДС холодного спая термопары.

В аппаратуре 2ИА-7 предусмотрен встроенный контроль работоспособности

Помимо измерительной аппаратуры 2ИА-7А на самолетах устанавливаются измерительные системы 2ИА-6, ИА-11А, ИА-12А и измерители температуры ИТ-2Т. В этих термометрах термоЭДС одного или группы термопреобразователей сравниваются с напряжением постоянного тока на выходе источника регулируемого напряжения. Схема сравнения служит для получения компенсирующего напряжения, которое благодаря наличию следящей системы стремится быть равным или противоположным по знаку термоЭДС термопары.

Конструктивной особенностью измерительной аппаратуры ИА-11А, ИА-12А является применение в ней ленточных показывающих приборов типа ИТГП.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.