Термоэлектрические преобразователи. Материалы, характеристики. Измерительный потенциометр. Схема и расчёт.

t0

t

B

A

Принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте, открытом в 1821 г. Зеебеком. Термоэлектрический преобразователь представляет собой цепь, состоящую из двух или нескольких соединенных между собой разнородных проводников (термоэлектродов) А и В. Места соединений термоэлектродов называют спаями. Если температуры спаев t и t ₀неравны, то в замкнутой цепи будет протекать электрический ток. При размыкании такой цепи на ее концах может быть измерена термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС).

Возникновение термо-ЭДС объясняется тем, что разные металлы имеют различную концентрацию свободных электронов вследствие различной работы выхода электронов. Поэтому при соприкосновении двух разнородных металлов часть электронов перемещается из одного металла в другой. При этом образуется электрическое поле, препятствующее перемещению и характеризующееся контактной разностью потенциалов.

Термоэлектрод, от которого в спае с меньшей температурой ток идет к другому термоэлектроду, принято считать положительным А, а другой – отрицательным В.

Термо-ЭДС определяется по формуле:

Где и - контактные разности потенциалов при температурах t и t ₀.

Спай, погружаемый в объект измерения температуры, называют рабочим или горячий спаем, а спай вне объекта называют свободным или холодным спаем.

В явном виде статическая характеристика ТЭП для конкретно используемых термоэлектродных материалов пока не может быть получена аналитически с достаточной точностью. Поэтому эта зависимость для различных используемых ТЭП устанавливается экспериментально. Причем генерируемаятермоЭДС зависит только от химического состава термоэлектродов и температуры спаев и не зависит от геометрических размеров термоэлектродов и размера спаев.

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

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 и дешевизна

· стабильность и воспроизводимость термоэлектрических свойств, что позволяет создать стандартные градуировки.

В настоящее время в основном применяются пять стандартных градуировок ТЭП: ХК, ХА, ТПП, ТПР, ВР.

Для предохранения от механических повреждений и вредного влияния объекта измерения термоэлектроды преобразователя помещают в защитную арматуру.Конструкция аналогична конструкции защитной арматуры термометров сопротивлений.

 

 

Характеристики термопар

Тип термо-пары	Материал термоэлектродов	ТермоЭДС, мВ при 100 °С	Диапазон рабочих температур, °С	Погрешность невоспр. 0С
положительного	отрицательного
ТХК(L)	Хромель (89% Ni + 9,8% Сr+1%Fe+ 0.2Mn)	Копель (55% Сu + 45% Ni)	6,9±0,3	– 200 +600	±(2,2–5,8)
ТХА(К)	Хромель	Алюмель (94% Ni + 5,5% Al, Si, Mn,Co)	4,1±0,15	– 200 +1200	±(4,0–9,7)
ТПП(S)	Платинородий (90% Pt + 10% Rh)	Платина (Pt)	0,64±0,03	+1300	±(1,2–3,6)
ТПР(В)	Платинородий (70% Pt + 30% Rh)	Платинородий (94% Pt + 6%Rh)	0,43 При t=300	300 +1600	±(3,2–5,2)
ТВР	Вольфрам-рений (95% W + 5% Re)	Вольфрам-рений (80% W + 20% Re)	1,33	+2200	±(5,4–9,7)
ТМК(Т)	Медь (Сu)	Константан (55% Сu+45% Ni,Mn, Fe)	40-60 (0-400)	-200 +350

 

НИ

Rб

Rк

Еп

Енэ

Rр

шк

ТЭП

а

б

с

I

III

II

+

+

+

I р

к

и

Измерение термоЭДС Потенциометры. Принцип действия потенциометра основан на уравновешивании (компенсации) неизвестной ЭДС известным падением напряжения, создаваемым током от дополнительного источника. Преимуществом компенсационного метода измерения термоЭДС является отсутствие тока в цепи в момент измерения. Это исключает необходимость учета значений сопротивления внешней цепи и изменения сопротивления этой цепи от температуры.

Наибольшее распространение получили потенциометры с постоянной силой рабочего тока.

Для контроля постоянства рабочего тока I _p предусмотрен дополнительный контур III– контур нормального элемента. Нормальный элемент представляет собой образцовую меру ЭДС, равную Е_нэ= 1,0186 В и сохраняющую это значение при кратковременных и малых нагрузках в течение длительного времени.

При установке ключав положение К (контроль) проводят корректировку рабочего тока. Для этого помощью реостата R_б изменяют ток в в контуре 1 до тех пор, пока стрелка нуль-индикатора не установится на 0. При этом:

Е _нэ= R _к· I _р

Далее переключают ключ в положение И (измерение) и перемещают движок реохорда до установления стрелки нуль-индикатора на нуле. При этом:

При равномерной намотке реохорда сопротивления его участков пропорциональны соответствующим длинам, и тогда:

Таким образом, измерение термоЭДС сводится к измерению длины l_аб участка реохорда, которая проградуирована в единицах напряжения. Потенциометры, работающие по указанной схеме, имеют класс точности от 0,02 до 0,005. Используются в научных и лабораторных исследованиях.