Что является чувствительным элементом термоэлектрического термометра

3) Термопары (термоэлектрические термометры)

Работа их основана на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в следующем: физическая сущность явления заключается в том, что в каждом металле имеются свободно-перемещающиеся электроны, плотность их зависит от температуры. Если два металла или сплава соединить, то такой переход электронов приводит к появлению термо­электродвижущей силы — термо-э.д.с.

Таблицы представлены в различных ГОСТах для стандартных термопар:

В качестве вторичных приборов для термопар применяются:

1) милливольтметры; 2) потенциометры.

Принцип работы: с изменением температуры рабочего (горячего) спая меняется термо-э.д.с.

Преимущества: широкий диапазон измерения температур( в т.ч. высоких) (до+2500°С).

Недостатки: Необходимость вводить поправку на температуру свободных спаев; часто НСХ нелинейная.

Термоэлектрический термометр (ТТ) – это измерительный преобразователь, чувствительный элемент которого (термопара) расположен в специальной защитной арматуре, обеспечивающий защиту термоэлектродов от механических повреждений и воздействия измеряемой среды. На (рис.) показана конструкция технического ТТ. Арматура включает защитный чехол 1, гладкий или с неподвижным штуцером 2, и головку 3, внутри которой расположено контактное устройство 4 с зажимами для соединения термоэлектродов 5 с проводами, идущими от измерительного прибора к термометру. Термоэлектроды по всей длине изолированы друг от друга и от защитной арматуры керамическими трубками (бусами) 6.

Защитные чехлы выполняются из газонепроницаемых материалов, выдерживающих высокие температуры и агрессивное воздействие среды. При температурах до 1000 0 С применяют металлические чехлы из углеродистой или нержавеющей стали, при более высоких температурах – керамические: фарфоровые, карбофраксовые, алундовые, из диборида циркония и т. п.

В качестве термоэлектродов используется проволока диаметром 0.5 мм (благородные металлы) и до 3 мм (неблагородные металлы). Спай на рабочем конце 7 термопары образуется сваркой, пайкой или скручиванием. Последний способ используется для вольфрам-рениевых и вольфрам-молибденовых термопар.

Термоэлектрические термометры выпускаются двух типов: погружаемые, поверхностные. Промышленность изготавливает устройства различных модификаций, отличающихся по назначению и условиям эксплуатации, по материалу защитного чехла, по способу установки термометра в точке измерения, по герметичности и защищенности от действия измеряемой среды, по устойчивости к механическим воздействиям, по степени тепловой инерционности и т. п.

4) Термометры сопротивления

Измерение температуры термометром сопротивления основано на изменении электрического сопротивления проводника при нагревании или охлаждении. Термометр сопротивления- состоит из тонкой металлической про­волоки (или ленты), намотанной на специальном каркасе. Эта проволока является чувствительным элементом термометра и в целях предохранения от внешних воздействий заключается в защитную арматуру. При измерении температуры термометр сопротивления погружают в ту среду, температуру которой необходимо определить. Зная зависимость сопротивления от температуры, можно по его изменению судить о температуре измеряемой среды.

Так как обмотка термометра сопротивления занимает много места, то с его помощью нельзя измерить температуру в отдельной точке, что в известной мере ограничивает возможность их применения. Однако, в тех случаях, когда требуется измерить среднюю температуру какого-либо пространства или участка поверхности, термометр сопротивления представляет исключительное удобство.

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).

Условное обозначение градуировки

Диапазон измерения температур, °С

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.

4.2.2. Термоэлектрические термометры

Действие термоэлектрических термометров основано на свойстве металлов и сплавов создавать термоэлектродвижущую силу (термоэдс), зависящую от температуры места соединения (спая) концов двух разнородных проводников (термоэлектродов), образующих чувствительный элемент термометра – термопару. Имея закон изменения термоэдс термометра от температуры и определяя значение термоэдс электроизмерительным прибором, можно найти искомое значение температуры в месте измерения [5, 6].

Термопары широко используются для измерения температур в пределах от –150 до 2000 0 С.

Термопара состоит из двух спаянных и изолированных по длине термоэлектродов, защитного чехла и головки с зажимами для подключения соединительной линии. В качестве вторичных приборов, работающих с термоэлектрическими термометрами, применяются магнитоэлектрические милливольтметры и потенциометры.

К преимуществам термопар можно отнести

— большой диапазон измерения;

— высокую чувствительность и высокую степень точности;

— возможность измерения локальных температур вследствие малых габаритов спая термопар (микротермопары);

— легкость осуществления дистанционной передачи показаний;

— отсутствие постороннего источника тока.

Основные свойства термоэлектрических термометров

Принцип действия термопар основан на термоэлектрических явлениях, открытых в 1821 г. Зеебеком.

Известно, что в замкнутом контуре, состоящем из двух разнородных проводников, непрерывно течет электрический ток, если места спаев проводников имеют различные температуры. Механизм возникновения термоэдс основывается на том, что концентрация в межмолекулярном пространстве проводника свободных электронов, находящихся в единице объема, зависит от материала проводника и его температуры.

Пусть два разнородных проводника А и B соединены и температура концов одинакова. В проводнике B плотность свободных электронов больше, чем в А, поэтому из В электроны диффундируют в А в большем количестве, чем обратно. Таким образом, проводник B будет заряжаться положительно, а А – отрицательно. Электрическое поле, возникшее в месте соприкосновения проводников, будет препятствовать этой диффузии. Когда скорость диффузионного перехода электронов станет равна скорости их обратного перехода под действием электрического поля, наступит состояние подвижного равновесия. При этом между проводниками А и B возникнет некоторая разность потенциалов термоэдс. С увеличением температуры термоэдс увеличивается.

Кроме того, термоэдс возникает и между концами однородного проводника, имеющими разные температуры, причем более нагретый конец заряжается положительно.

В замкнутом контуре (рис. 10), состоящем из разнородных термоэлектродов А и B, одновременно действуют оба указанных фактора, вызывающие появление в спаях 1 и 2 (в зависимости от температур t и t₀ и материала термоэлектродов) двух суммарных термоэдс e_AB(t) и e_BA(t₀). Действующая в контуре результирующая термоэдс Е_AB(t, t₀) равна алгебраической сумме термоэдс обоих спаев, т.е.

Е_AB(t, t₀) = e_AB(t) + e_BA(t₀), (4.10)

но, если учесть, что e_BA(t₀)= –e_AB(t₀), получим

Е_AB(t, t₀) = e_AB(t) – e_AB(t₀). (4.11)

Рис. 10. Схема устройства термопары: А, B – разнородные проводники; 1, 2 – спаи термопары

Следовательно, вырабатываемая термометром термоэдс равна разности двух действующих навстречу суммарных термоэдс, появляющихся на концах термоэлектродов в спаях 1 и 2. При равенстве t=t₀ результирующая термоэдс равна 0.

Спай 1, погружаемый в измеряемую среду, называется рабочим или горячим концом термоэлектрического термометра, а спай 2 – свободным или холодным концом.

Для измерения термоэдс к термоэлектрическому термометру посредством соединительных проводов подключается вторичный прибор, образующий с ним замкнутую цепь. Применяются два способа включения в контур: в свободный конец или в один из его термоэлектродов. Наиболее распространен первый способ.

Рассмотрим, будет ли влиять на результирующую термоэдс включение третьего (соединительного) проводника C с вторичным прибором ВП [5].

При первом способе включения (рис. 11, а) термометр будет иметь два свободных конца со спаями 2 и 3, находящимися при одинаковой температуре t₀. Результирующая термоэдс равна

Е_AB(t, t₀) = e_AB(t) + e_BC(t₀)+e_СА(t₀). (4.12)

Если принять, что температуры всех трех спаев одинаковы и равны t₀, то в замкнутой цепи результирующая термоэдс будет равна нулю * ) , т.е.

Е_AB(t₀) = e_AB(t₀) + e_BC(t₀) + e_СА(t₀)=0 (4.13)

e_BC(t₀) + e_СА(t₀) = – e_AB(t₀) . (4.14)

Подставив (3.14) в (3.12), получим

Е_AB(t, t₀ )= e_AB(t) – e_AB(t₀),

или соотношение (3.11).

Рис. 11. Способы подключения вторичного прибора к термоэлектрическому термометру: а) – подключение в свободный конец, б) – подключение в термоэлектрод

При втором способе подключения прибора ВП появляются два новых спая 3 и 4. Пусть температура этих спаев t₁, тогда результирующая термоэдс

Е_AB(t, t₀) = e_AB(t) + e_BC(t₁)+e_СB(t₁)+ e_BА(t₀), (4.15)

где e_BC(t₁)= –e_CВ(t₁) и e_BА(t₀)= –e_АB(t₀). Подставив эти соотношения, получим опять уравнение (4.11). При этом температура нейтральных спаев 3 и 4 никакой роли не играет.

Таким образом, включение в контур термоэлектрического термометра третьего разнородного проводника не влияет на развиваемую им термоэдс, если места присоединения проводника имеют одинаковую температуру. Если же температуры спаев 2 и 3 на рис. 11, а или спаев 3 и 4 на рис. 11, б не будут равны, то при этом в цепи появится «паразитная» термоэдс, которая отразится на результатах измерения.

Термоэдс любого термоэлектрического термометра может быть определена, если известна термоэдс, развиваемая каждым из его термоэлектродов в паре с одним и тем же третьим разнородным термоэлектродом.

Пусть даны термоэдс двух термометров АС и ВС, температуры рабочих и свободных концов t и t₀. Требуется найти при тех же температурах термоэдс термометра АВ.

Е_AС(t, t₀) = e_AС(t) – e_АС(t₀);

Е_ВС(t, t₀) = e_ВС(t) – e_ВС(t₀).

Е_AС(t, t₀) – Е_ВС(t, t₀)= e_AС(t) – e_АС(t₀) – e_ВС(t) + e_ВС(t₀). (4.16)

e_AС(t) – e_ВС(t)= e_AВ(t);

e_BС(t₀) – e_АС(t₀)= –e_AВ(t₀),

тогда (3.16) примет вид

Е_AС(t, t₀) – Е_ВС(t, t₀)= e_AВ(t) – e_AВ(t₀), (4.17)

Е_AB(t, t₀)

Е_AB(t, t₀)= Е_AС(t, t₀) – Е_ВС(t, t₀). (4.18)

Измерение температуры при помощи термоэлектрического термометра возможно лишь при постоянной и точно известной температуре свободного конца t₀. В этом случае

Е_AB(t, t₀)=f(t). (4.19)

Функция f(t) имеет сложный вид и определяется экспериментальным путем. Принято, что t₀=0 и f(t₀)=0.

Экспериментальная зависимость термоэдс Е_AB(t, t₀) от температуры рабочего конца t при постоянной температуре свободных концов t₀ (как отмечалось, обычно 0 0 С), называется градуировочной характеристикой.

Величина называетсячувствительностью термопары.

Значение термоэдс зависит от материала термоэлектродов, температур рабочего и свободного концов.

К материалам, предназначенным для изготовления термопар, предъявляется ряд требований [6]:

• они не должны в пределах измеряемых температур с течением времени изменять свои физические свойства;
• величина термоэдс выбираемых материалов должна быть достаточной для точных измерений;
• выбираемые материалы должны быть устойчивы против действия высоких температур, окисления и других вредных факторов;
• температурный коэффициент электросопротивления должен быть, по возможности, минимальным, а электропроводность – высокой;
• однозначная и, по возможности, линейная зависимость термоэдс от температуры;
• однородность и постоянство состава для обеспечения взаимозаменяемости термометров.
• относительно невысокая стоимость.

• термопары из благородных металлов;
• термопары из неблагородных металлов и сплавов.

Наименование	Состав	Верхний температурный предел при длительном применении, 0 С	Верхний температурный предел при кратковременном применении, 0 С	Термоэдс (мВ) при t=100 0 С
Медь-копелевая	100%Cu – 56%Cu+44%Ni	350	500	4,75
Медь-конс-тантановая	100%Cu – 60%Cu+40%Ni	350	500	4,28
Железо-копелевая	100%Fe – 56%Cu+44%Ni	600	800	5,75
Железо- константановая	100%Fe – 60%Cu+40%Ni	600	800	5,40
Хромель- копелевая	90%Ni+10%Cr – 56%Cu+44%Ni	600	800	6,95
Хромель- алюмелевая	90%Ni+10%Cr – 94%Ni+2%Al+ +2,5%Mn+1%Si+ +0,5%примеси	900	1250	4,10
Платинородий-платиновая	100%Pt+10%Rh – 100%Pt	1300	1600	0,64
Вольфрамрений-вольфрамрениевая	95%W+5%Re – 80%W+20%Re	1800	2600	1,4

Для измерения температур до 900 0 С термопары из благородных металлов применять нецелесообразно, т.к. в этой области температур надлежащую надежность измерений обеспечивают термопары из неблагородных металлов. Их достоинство состоит в том, что они развивают большие термоэдс. Однако эти термопары также подвержены влиянию восстановительной среды. Допускаемые отклонения термоэдс от градуировочных значений составляют при t < 300 0 С около 0,16 мВ, при t> 300 0 C ΔE= =  (0,16 + 210 -4 (t – 300)) для хромель-алюмелевых термопар и 0,2 мВ при t < 300 0 С, при t > 300 0 C ΔE =  (0,2 + 610 -4 (t – 300)) для хромель-копелевых термопар. Конструктивные формы термопар весьма разнообразны. В простейшем виде термопара представляет собой два разнообразных термоэлектрода, изолированных друг от друга и имеющих один общий спай (образующийся скруткой и сваркой концов в пламени электрической дуги или гремучего газа). Очень часто два термоэлектрода помещаются в один общий чехол-капилляр. В качестве изоляции термоэлектродов служат лаки и эмали до 100 – 150 0 С, стеклянные бусы до 500 0 С, кварцевые трубки до 1000 0 С, фарфоровые бусы до 1500 0 С. Широкое распространение получила алундовая изоляция термоэлектродов. Вторичными приборами, работающими в комплекте с термоэлектрическим термометрами, являются магнитоэлектрические милливольтметры и потенциометры. Принцип их действия и устройство см. в [5].

Термоэлектрические термометры и термометры сопротивления

На сегодняшний день редкая котельная или ЦТП обходятся без системы автоматики. С ее помощью можно настроить систему отопления так, чтобы все процессы в ней происходили без участия человека. Основным процессы регулирования в системе отопления проходят по температуре, либо по температуре наружного воздуха, либо по температуре теплоносителя. Ранее рассмотренные термометры расширения, а именно жидкостные, манометрические термометры, к использованию в системах автоматизации непригодны. Биметаллические термометры могут управлять контактами реле посредством изгибания пластины, но все же строить автоматику только на них достаточно проблематично. Поэтому стоит обратить внимание на основную группу приборов для измерения температуры, применяющихся в сфере отопления, — электрические термометры. Они делятся на два вида:

1. термоэлектрические термометры (принцип их работы основан на возникновении термоэлектродвижущей силы);
2. термометры сопротивления (в основе принципа их работы лежит изменение электрического сопротивления проводников, изготовленных из металла, при изменении их температуры).

Термоэлектрические термометры имеют очень большой диапазон измерений от -50 до +1300°С. Причем верхняя планка измерения температуры может быть в некоторых случаях поднята еще выше (до +2500°С) . Именно данная характеристика и является главным достоинством термоэлектрических термометров.

Работа данного вида термометров основана на том факте, что в замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных электродов (проводников), возникает термоЭДС, если их холодный и горячий спаи имеют различную температуру. Спаи имеют свои специальные названия – холодный спай носит название свободного, горячий спай – рабочего. Именно изменение температуры рабочего конца спая вызывает соответствующее изменение термоэлектродвижущей силы, которое воспринимается вторичным электроприбором – потенциометром либо пирометрическим милливольтметром. Значение термоЭДС зависит от материала электродов и от температуры холодного и горячего спаев.

Для изготовления стандартных термоэлектрических термометров (их еще называют термопары) применяют платины и такие сплавы, как хромель, алюмель, копель, платинородий. Обозначаются данные термометры по первым буквам электродов, например ТХК – Термометр Хромель-Копелевый.

Преимуществами термопар являются их простота, высокая точность и большой диапазон измерений, дешевизна и надежность. А главными недостатками является влияние температуры свободных концов термопары на ее показания, а также нелинейная характеристика зависимости термоЭДС от температуры.

Для минимизации влияния погрешностей в показаниях прибора к свободным концам присоединяют так называемые компенсационные провода, которые отводятся в зону с постоянной и известной температурой. Изготавливаются компенсационные провода обязательно из тех же материалов, что и термометры. При использовании компенсационных проводов обязательно нужно проверять правильность их присоединения, а также их соответствие термометру.

Термометры сопротивления имеют диапазоны измерений, зависящие от материала изготовления чувствительного элемента прибора. Если он изготовлен из платины, то с помощью данного термометра сопротивления (ТСП – Термометр Сопротивления Платиновый) можно измерять температуры от -200 до 1100°С. Если же чувствительный прибор изготовлен из меди (ТСМ – Термометр Сопротивления Медный), то диапазон его измерений составляет от -50 до 180°С.

Кстати, посмотрите предыдущую статью. Там много полезной информации для вас — Термометры — конструкции, принцип работы

Питание схемы постоянным током осуществляется двумя методами: либо от аккумулятора небольшой емкости, либо от электрической сети через выпрямитель. В качестве показывающих вторичных электрических приборов используются логометры или уравновешенные автоматические мосты (мост Уинстона). Причем немаловажно, что к одному вторичному прибору можно подключать сразу несколько термометров сопротивления. Достоинством термометров данного вида является отсутствие необходимости в поправке на температуры свободных концов. Благодаря этому обстоятельству температуру измеряемой среды можно отсчитывать сразу по вторичному прибору.

Защитные чехлы термометров сопротивления по своей конструкции очень похожи на чехлы термоэлектрических термометров. Соединительные медные провода должны иметь такое же сопротивление, как и сопротивление, указанное на шкале прибора. При несоответствии же сопротивления соединительных проводов возникает необходимость в подключении подгоночного сопротивления из манганиновой проволоки.