Материал к защите ЛР№4. 1. 3 Термоэлектрические преобразователи (тэп)
 Скачать 212.14 Kb.
|
|
1.3 Термоэлектрические преобразователи (ТЭП) Измерение температуры термоэлектрическими термометрами – термоэлектрическими преобразователями (ТЭП) - основано на использовании открытого в 1821 году Зеебеком термоэлектрического эффекта.  Термоэлектрический преобразователь – цепь, состоящая из двух или нескольких соединенных между собой разнородных проводников (рисунок 1.2). Эффект Зеебека: если взять два разнородных проводника, соединенных вместе, и нагреть спаи так, что t ≠ to , то в замкнутой цепи будет протекать электрический ток. Рисунок 1.2- Термоэлектрический преобразователь Если t > to то направление тока - такое как на рисунке 1.2 (в спае 1 от В к А). А, В – термоэлектроды; 1, 2 – спаи. При размыкании такой цепи на ее концах появится термоЭДС. Эффект Зеебека обладает обратным свойством (эффект Пельтье): если в такую цепь извне подать электрический ток, то в зависимости от направления тока один из спаев будет нагреваться, а другой охлаждаться. Термоэлектрод, от которого в спае с меньшей температурой идет ток к другому термоэлектроду считают положительным «+», а другой электрод - отрицательным. Например, to < t , тогда ток в спае 2 протекает от А к В, значит А – термоположительный, В – термоотрицательный термоэлектроды. Спай, погружаемый в объект измерения температуры t, называют рабочим спаем (спай 1), а спай - вне объекта называют свободным спаем (концом) (спай 2). Введем обозначения: еАВ(t) – термоЭДС в спае 1 между термоэлектродами А и В при t =t ; еАВ(tо) - термоЭДС в спае 2 между термоэлектродами А и В при  ЕАВ(t, tо) – термоЭДС контура, состоящего из термоэлектродов А и В при температуре рабочего спая t и температуре свободного спая  .Примем, что еАВ(t) = - еВА(t); еАВ(tо) = - еВА(tо). Тогда для замкнутой цепи (рисунок 1.2) ЕАВ(t, tо) = еАВ(t) + еВА(tо) или ЕАВ(t, tо) = еАВ(t) - еАВ(tо) . (1.5) Уравнение (1.5) называется - основное уравнение ТЭП. Если спаи 1 и 2 имеют одинаковые температуры (t = tо), то контактные термоЭДС в каждом спае равны друг другу и направлены навстречу, значит термоЭДС такого контура ЕАВ(tо, tо) равна 0. ЕАВ(tо, tо) = еАВ(tо) - еАВ(tо) = 0. Если tо = const, то еАВ(tо) = С = const, тогда:  . (1.6) Если известна зависимость f(t), то путем измерения термоЭДС в контуре можно найти t в объекте измерения. Зависимость f(t) в явном виде пока не может быть получена с достаточной точностью, она устанавливается экспериментальным путем и называется градуировкой ТЭП: построение графика зависимости термоЭДС от температуры. В процессе градуировки температура свободных концов tо = const, обычно tо = 0 оС. Генерируемая в контуре ТЭП термоЭДС зависит только от химического состава термоэлектродов и температуры спаев и не зависит от геометрических размеров термоэлектродов и размера спаев. 1.3.1 Требования к материалам термоэлектродов ТЭП. Два любые проводника в паре создают термоЭДС, но лишь ограниченное число термоэлектродов используется для создания ТЭП. К термоэлектродным материалам, предназначенным для изготовления ТЭП, предъявляются ряд требований: а) однозначная и близкая к линейной зависимость термоЭДС от температуры; б) жаростойкость и механическая прочность с целью измерения высоких температур; в) химическая инертность; г) термоэлектрическая однородность материала проводника по длине, что позволяет восстанавливать рабочий спай без переградуировки и менять глубину его погружения; д) технологичность изготовления с целью получения взаимозаменяемых по термоэлектрическим свойствам материалов; е) высокая чувствительность; ж) стабильность и воспроизводимость термоэлектрических свойств, что обуславливает точность измерения температуры и позволяет создать стандартные градуировки; з) дешевизна. Ни один из существующих материалов полностью не удовлетворяет всем требованиям, поэтому для различных пределов температур используются термоэлектроды из различных материалов. В настоящее время используются пять стандартных градуировок ТЭП, принятых в Республике Казахстан и представленных в таблице 1.4. Таблица 1.4 – Стандартные градуировки ТЭП
По характеру термоэлектродных материалов ТЭП подразделяются на две группы: ТЭП с металлическими термоэлектродами из благородных и неблагородных металлов; ТЭП с термоэлектродами из тугоплавких соединений или их комбинаций с графитом и другими материалами. ТЭП первой группы являются наиболее распространенными, они вошли в практику технологического контроля и научно-исследовательских работ. Высокотемпературные ТЭП второй группы не распространены из-за трудности стабильности их термоЭДС во времени и недостаточная взаимозаменяемость. 1.3.2 Поправка на температуру свободных концов ТЭП. При градуировке ТЭП температура свободных концов обычно поддерживается постоянной и равной tо = 0 оС. При измерении температуры в практических условиях температура свободных концов, в большинстве случаев, поддерживается постоянной, но не равной 0 оС. С изменением температуры свободных концов изменяется термоЭДС термоэлектрического термометра, что и вызывает необходимость введения поправки. Если температура свободных концов отлична от нуля и равна  , то показание измерительного прибора при температуре рабочих концов, равной t, будет соответствовать генерируемой в этом случае термоЭДС (согласно 1.5):ЕАВ  = еАВ(t) - еАВ( ). (1.7) Градуировочная таблица соответствует условию to = 0: ЕАВ(t, tо) = еАВ(t) - еАВ(tо) . (1.8) Вычтем из (1.8) уравнение (1.7), тогда: ЕАВ(t, tо) - ЕАВ = еАВ(t) - еАВ(tо) - еАВ(t) + еАВ( ) == - еАВ(tо) + еАВ( ).ЕАВ(t, tо) = ЕАВ - еАВ(tо) + еАВ( ) = = ЕАВ + (-еАВ(tо) + еАВ( )) = ЕАВ + (еАВ( )-еАВ(tо)) == ЕАВ + ЕАВ( ) ЕАВ(t, tо) = ЕАВ + ЕАВ( ) , (1.9)где ЕАВ( ) – поправка на температуру свободных концов ТЭП.Если > tо=0, то поправку прибавляют к измеренному прибором значению, если < tо=0 то поправку отнимают от значения, показанного прибором. Таким образом, по значению ЕАВ(t, tо) из градуировочной таблицы определяют искомую рабочую температуру t. Чтобы в процессе измерений поправка была неизменной, места соединений свободных концов с медными проводами должны быть помещены в специальное устройство, обеспечивающее постоянство температуры, то есть свободные концы подлежат термостатированию: а) tо = 0о –> свободные концы погружаются в пробирку с маслом, находящуюся в сосуде Дьюара с тающим льдом; б) tо ≠ 0о -> свободные концы помещают в специальные пробирки, снабженные простым автоматическим биметаллическим терморегулятором. Обычно поддерживается tо = 50оС. 1.3.3 Устройство компенсации температуры (КТ). Устройство КТ предназначено для автоматической компенсации изменения термоЭДС термоэлектрического термометра, вызванного отклонением температуры его свободных концов от градуировочной tо = 0оС. Устройство КТ представляет собой мостовую схему (рисунок 1.3).  Рисунок 1.3 - Устройство КТ Обозначения на рисунке 1.3: R1, R2, R3 – манганиновые резисторы; Rм– медный резистор; ИП – измерительный прибор. При to = 0 оС мост находится в равновесии, т.е. напряжение в диагонали Ucd = 0 Условие равновесия моста: R1∙ R3 = R2∙ Rм, отсюда Rм = (R1∙ R3)/ R2. Когда to > 0 = , увеличивается Rм, и тогда появляется Ucd, которое компенсирует недостающую термоЭДС на значение поправки (рисунок 1.3), т.е. Ucd = ЕАВ( , tо). Тогда на входе измерительного прибора (ИП):ЕАВ(t, tо) = ЕАВ(t, ) + Ucd.Погрешность устройства КТ равна ±3 оС в пределах изменения to от 0 до 50 оС. 1.3.4 Удлиняющие термоэлектродные провода. Для исключения влияния температуры измеряемого объекта на свободные концы ТЭП и подключаемый к ним вторичный измерительный прибор их следует удалить из зоны с переменной температурой. Целесообразно удлинять не сами термоэлектроды ТЭП, а продлевать их с помощью специальных удлиняющих проводов (рисунок 1.4), которые обычно называют термоэлектродными или компенсационными.  Рисунок 1.4 – Схема ТЭП с удлиняющими проводами F и D Развиваемая в этой цепи термоЭДС: Е = еАВ(t) + еВD(t1) + еDC(to) + еCF(to) + еFA(t1). (1.10) Если принять, что все спаи имеют температуру t1, то (1.10) примет вид: 0= еАВ(t1) + еВD(t1) + еDC(t1) + еCF(t1) + еFA(t1). (1.11) Вычтем (1.11) из (1.10): Е – 0 = [еАВ(t) - еАВ(t1)] + [еDF(to) - еDF(t1)] = ЕАВ(t, t1) + [еFD(t1) - еFD(to)] = = ЕАВ(t, t1) + ЕFD(t1, to). Если термоэлектрические характеристики термометра АВ и пары, составленной из термоэлектродных проводов FD, одинаковы в интервале температур от to =0 оС до t1 =100 оС, то: ЕАВ(t1, to) = ЕFD(t1, to). (1.12) Тогда Е = ЕАВ(t, t1) + ЕАВ(t1, to) = ЕАВ(t, tо). Таким образом, включение в цепь ТЭП термоэлектродных проводов, подобранных в соответствии с (1.12), не создает в цепи паразитных термоЭДС и поэтому не искажает результат измерения. При этом температуры мест соединений термоэлектродов А и В с удлиняющими проводами F и D должны быть одинаковыми, а абсолютное значение этой температуры в интервале от 0 до 100 оС роли не играет. Основные характеристики удлиняющих термоэлектродных проводов, применяемых с серийно выпускаемыми ТЭП, даны в таблице 1.5. Таблица 1.5 – Основные технические характеристики стандартных удлиняющих термоэлектродных проводов
В некоторых случаях для ТХА, кроме указанных в таблице 1.2, применяют термоэлектродные провода с жилами из хромеля и алюмеля. Для ТВР и ТПР применяют удлиняющие термоэлектродные провода с жилами из меди и медно-никелевого сплава (98,2% Cu + 1,8% Ni). | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
600
0,20