Реферат на тему термопары

Обновлено: 02.07.2024

РЕФЕРАТ Тема: Термопары. Милливольтметр, кострукция, прицип действия.Милливольтметр с температурной компенсацией. Потециометр лабораторной. Автоматический потециометр.

Выполнил: студент группы ПСк-11-02 Толешов Н. Проверил: Туякбаев А.А

Алматы, 2013 г Содержание

Принцип действия милливольтметра ……………………………………………

Термопа́ра

Термопа́ра (термоэлектрический преобразователь температуры) — термоэлемент, применяемый в измерительных и преобразовательных устройствах, а также в системах автоматизации.

Международный стандарт на термопары МЭК 60584 (п.2.2) дает следующее определение термопары: Термопара — пара проводников из различных материалов, соединенных 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 одинаковых термопары, соединенных навстречу друг другу. Каждая из них измеряет перепад температур между своим рабочим спаем и условным спаем, образованным концами термопар, подключёнными к клеммам вторичного преобразователя, но вторичный преобразователь измеряет разность их сигналов, таким образом, две термопары вместе измеряют перепад температур между своими рабочими спаями.

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 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 коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой Т₁, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т₂, которое будет пропорционально разности температур Т₁ и Т₂.

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 используютcя 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

— 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 избежании 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.

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Актуальность

Термоэлектрические преобразователи энергии находят все большее применение в современном приборостроении и технике: от бытовых приборов до космических устройств. Дальнейшее расширение их использования существенным образом сдерживается низким коэффициентом полезного действия таких преобразователей. Как показывают эксперименты, одним из перспективных направлений повышения эффективности термоэлектрических материалов является их микроструктурирование и наноструктурирование, при котором различным образом изменяются условия протекания электрофизических и теплофизических процессов.

Физические основы. Принцип действия

Принцип действия основан на 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 (рисунок 1). Когда же стыки 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 Т ₁ , мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т ₂ , которое будет пропорционально разности температур Т ₁ и Т ₂ .

Рисунок 1. 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 .

Термопара - термоэлектрический преобразователь

Термоэлектрические преобразователи - термопары , как и термопреобразователи сопротивления, являются наиболее распространенными средствами измерения температуры.

Термоэлектрический метод измерения температуры основан на зависимости термоэлектродвижущей силы (термо-ЭДС), развиваемой термопарой от температуры ее рабочего конца. Термо-ЭДС возникает в цепи, составленной из двух разнородных проводников (электродов), если значения температуры мест соединения не равны (при равенстве температур термо-ЭДС равна нулю). Возникающая в цепи термопары ЭДС является результатом действия эффектов Зеебека и Томпсона. Первый связан с появлением ЭДС в месте спая двух разнородных проводников, причем величина ЭДС зависит от температуры спая. Эффект Томпсона связан с возникновением ЭДС в однородном проводнике при наличии разности температур на его концах.

Развиваемая термо-ЭДС зависит от значения обеих температур, причем она увеличивается с ростом разности. В силу этого термо-ЭДС термопары условно обозначается символом E.

Наиболее распространены два способа подключения термопары к измерительным преобразователям: простой и дифференциальный (рисунок 2). 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.

Рисунок 2. П
одключение термопары к измерительному прибору:
а) простой, б) дифференциальный

Следующие основные рекомендации позволяют повысить точность измерительной системы, включающей термопарный датчик:

Миниатюрную термопару из очень тонкой проволоки следует подключать только с использованием удлинительных проводов большего диаметра;

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.

Высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01 °С).

Большой температурный диапазон измерения: от −250 °C до +2500 °C.

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 не линейна. 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.

Практическое применение термопар

Термопары широко применяют для измерения температуры различных объектов, а также в автоматизированных системах управления и контроля. Измерение температур с помощью термопар получило широкое распространение из-за надежной конструкции датчика, возможности работать в широком диапазоне температур и дешевизны. Широкому применению термопары обязаны в первую очередь своей простоте, удобству монтажа, возможности измерения локальной температуры. Они гораздо более линейны, чем многие другие датчики, а их нелинейность на сегодняшний день хорошо изучена и описана в специальной литературе. К числу достоинств термопар относятся также малая инерционность, возможность измерения малых разностей температур. Термопары незаменимы при измерении высоких температур (вплоть до 2200°С) в агрессивных средах. Термопары могут обеспечивать высокую точность измерения температуры на уровне ±0,01°С.

Использование дифференциальной термопары для измерения разности температурных зон. Особенности конструкции и принцип действия термопары. Способы подключения термопары к измерительным преобразователям. Определение преимуществ и недостатков термопар.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	10.02.2017
Размер файла	202,1 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Термопамра (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 навстречу друг другу. Каждая из них измеряет перепад температур между своим рабочим спаем и условным спаем, образованным концами термопар, подключёнными к клеммам вторичного преобразователя, но вторичный преобразователь измеряет разность их сигналов, таким образом, две термопары вместе измеряют перепад температур между своими рабочими спаями.

1.1 Устройство термопары

Внешне термопара устроена очень просто: две тоненькие проволочки просто сварены между собой в виде аккуратного маленького шарика, как показано на рисунке1. Некоторые современные цифровые мультиметры китайского производства комплектуются термопарой, которая позволяет измерять температуру не менее, чем до 1000°C, что дает возможность проверить температуру нагрева паяльника или утюга, которым собираются пригладить лазерную распечатку к стеклотекстолиту, а также во многих других случаях.

Рисунок 1 внешнее строение термопары

Конструкция такой термопары очень проста: оба проводка спрятаны в трубку из стекловолокна, и при этом даже не имеют заметной на глаз изоляции. С одной стороны проволочки аккуратно сварены, а с другой имеют вилку для подключения к прибору, как показано на рисунке 2. Даже при таком примитивном исполнении результаты измерения температуры особых сомнений не вызывают, если, конечно, не требуется точность измерения класса 0,5°C и выше [1] .

Рисунок 2 конструкция термопары

В отличии от только что упомянутых китайских термопар, термопары для применения в промышленных установках имеют конструкцию более сложную: собственно измерительный участок термопары помещается в металлический корпус. Внутри корпуса термопара находится в изоляторах, как правило, керамических, рассчитанных на высокую температуру.

1.2 Принцип действия термопары

Термопара является самым распространенным и самым старым термодатчиком. Ее действие основывается на эффекте Зеебека, который был открыт еще в 1822 году. Для того, чтобы ознакомиться с этим эффектом, мысленно соберем несложную схему, показанную на рисунке 3.

Рисунок 3 схема термопары

На рисунке показаны два разнородных металлических проводника М1 и М2, концы которых в точках А и В просто сварены между собой, хотя везде и всюду эти точки называются почему-то спаями. Кстати, многие домашние умельцы-кустари для самодельных термопар, предназначенных для работы при не очень высоких температурах, вместо сварки пользуются как раз пайкой.

Вернемся снова к рисунку 3. Если вся эта конструкция будет просто лежать на столе, то эффекта от нее не будет никакого. Если же один из спаев чем-нибудь нагреть, ну хотя бы спичкой, то в замкнутой цепи из проводников М1 и М2 потечет электрический ток. Пусть он будет весьма слабым, но все-таки он будет.

Чтобы в этом убедиться, достаточно в этой электрической цепи разорвать один провод, причем любой, и в получившийся разрыв включить милливольтметр, желательно со средней точкой, как показано на рисунках 4 и 5.

Рисунок 4 нагрев спая А

Рисунок 5 нагрев спая В

Если теперь один из спаев нагреть, например спай А, то стрелка прибора отклонится в левую сторону. При этом температура спая A будет равняться TA = TB + ДT. В этой формуле ДT = TA - TB есть разность температур между спаями A и B.

На рисунке 5 показано, что будет, если нагреть спай B. Стрелка прибора отклонится в другую сторону, причем в обоих случаях, чем больше будет разность температур между спаями, тем на больший угол отклонится стрелка прибора [2] .

Описанный опыт как раз иллюстрирует эффект Зеебека, смысл которого в том, что если спаи проводников A и B имеют разные температуры, то между ними возникает термоэдс, величина которой пропорциональна разности температур спаев. Не следует забывать, что именно разности температур, а не какой-то температуре вообще!

Если же оба спая имеют одинаковую температуру, то никакой термоэдс в цепи не будет.

1.3 Способы подключения термопары

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.

1) миниатюрную термопару из очень тонкой проволоки следует подключать только с использованием удлинительных проводов большего диаметра;

2) не допускать по возможности механических натяжений и вибраций термопарной проволоки;

3) при использовании длинных удлинительных проводов, во избежание наводок, следует соединить экран провода с экраном вольтметра и тщательно перекручивать провода;

4) по возможности избегать резких температурных градиентов по длине термопары;

5) 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;

6) использовать удлинительные провода в их рабочем диапазоне и при минимальных градиентах температур;

7) 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.

1.4 Применение и типы термопар

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

Для контроля пламени и защиты от загазованности в газовых котлах - ток термопары, нагреваемой пламенем горелки, удерживает в открытом состоянии газовый клапан. В случае затухания пламени, ток термопары снижается и клапан перекрывает подачу газа.

В 1920--30-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.

Для увеличения точности путем создания опорной температурной точки в 0 °С один из спаев термопары помещается в нуль-термостат.

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

1) платинородий-платиновые -- ТПП13 -- Тип R;

2) платинородий-платиновые -- ТПП10 -- Тип S;

3) платинородий-платинородиевые -- ТПР -- Тип B;

4) железо-константановые (железо-медьникелевые) ТЖК -- Тип J;

5) медь-константановые (медь-медьникелевые) ТМКн -- Тип Т;

6) нихросил-нисиловые (никельхромникель-никелькремниевые) ТНН-Тип N;

7) хромель-алюмелевые -- ТХА -- Тип K;

8) хромель-константановые ТХКн -- Тип E;

9) хромель-копелевые -- ТХК -- Тип L;

10) медь-копелевые -- ТМК -- Тип М;

11) сильх-силиновые -- ТСС -- Тип I;

12) вольфрам и рений -- вольфрамрениевые -- ТВР -- Тип А-1, А-2, А-3.

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 [ 3 ] .

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.

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.

1.5 Преимущества и недостатки термопар

термопара температурный измерительный преобразователь

К преимуществам относят:

1) высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01 °С);

2) большой температурный диапазон измерения: от ?250 °C до +2500 °C;

Недостатки у термопар следующие:

1) для получения высокой точности измерения температуры (до ±0,01 °С) требуется индивидуальная градуировка термопары;

2) 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;

3) эффект Пельтье (в момент снятия показаний необходимо исключить протекание тока через термопару, так как ток, протекающий через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный);

4) зависимость ТЭДС от температуры существенно нелинейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.

5) 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;

Подобные документы

Метрологические характеристики средств измерений. Термопары: понятие и принцип действия, конструкция, достоинства и недостатки, условия и возможности применения. Методы улучшения метрологических характеристик и исключения погрешностей термопары.

контрольная работа [222,8 K], добавлен 29.10.2014

Определение максимальной в заданном диапазоне температуры погрешность нелинейности характеристики, необходимость линеаризации. Определение разрядности аналого-цифрового преобразования термопары ТХА(К), принцип его работы, функциональная схема прибора.

курсовая работа [126,3 K], добавлен 30.11.2009

Сущность и типы тепловых преобразователей, принцип их действия и назначение, сферы практического использования, этапы изготовления. Характеристика стандартных общепринятых типов подключения термопары к измерительным и преобразовательным приборам.

презентация [331,6 K], добавлен 27.06.2014

Распределение примеси и носителей заряда в полупроводнике при изменении типа проводимости. Определение дебаевской длины в собственном полупроводнике. Знаки нормальных и касательных напряжений. Градировочная таблица термопары платинородий-платина.

контрольная работа [499,5 K], добавлен 29.06.2012

Изучение метрологии как наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и точности. Характеристика и сущность преобразователей термоэлектрических. Общие технические требования термопары. Методика поверки. Расчет методом прямых измерений.

курсовая работа [143,9 K], добавлен 29.06.2015

Понятие термоэлектрического эффекта; технические термопары, их типы. Характеристика и конструкция ТЭП, исполнение, назначение, условия эксплуатации, недостатки. Измерение температуры, пределы допускаемых отклонений термоЭДС от номинального значения.

контрольная работа [138,8 K], добавлен 30.01.2013

Феноменология пламен. Оптические методы исследования пламен: основанные на собственном излучении, на просвечивании пламен, на упругом рассеивании света. Метод термопары. Лазерные методы - магнитный резонанс, масс-спектрометрия молекулярного пучка.

Каждому методу определения температуры, в основе которого лежит зависимость между каким-либо внешним параметром системы и температурой, соответствует определенная последовательность значений параметра для каждого размера температуры, называемая температурной шкалой. Наиболее совершенной шкалой является термодинамическая температурная шкала (шкала Кельвина).

Содержание

Введение………………………………………………………………………..…3
1. Общие сведения о термопарах……………. ……4
1.1. Термоэлектрические преобразователи. Принцип действия, применяемые материалы. …………………………………………….…………4
1.2. Погрешности и поправки измерений термопарой………….…….…9
1.3. Промышленные термопары…………………………….…………. 10
2. Методы контактных электроизмерений различных диапазонов температур……………………………………………………………….……….13
2.1. Методы контактных электроизмерений средних и высоких темпе
ратур с помощью термопар…………….….……………………….…….13
2.2. Зависимость срока службы термопар от пористости защитной обо-
лочки…………………………………………..…………………..……….13
Заключение……………………………………………………………….……. 15
Список использованных источников…………………………………….……..16

Прикрепленные файлы: 1 файл

методология.doc

Министерство образования и науки РФ

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионально образования

РЕФЕРАТ

Выполнил: студент гр. ЗС- 419

Проверил: ст. преподаватель

1. Общие сведения о термопарах……………. . .……4

1.1. Термоэлектрические преобразователи. Принцип действия, применяемые материалы. ……………………………………………. …………4

1.2. Погрешности и поправки измерений термопарой………….…….…9

1.3. Промышленные термопары…………………………….…………. 10

2. Методы контактных электроизмерений различных диапазонов температур…………………………………………………… ………….……….13

2.1. Методы контактных электроизмерений средних и высоких темпе

ратур с помощью термопар…………….….………… …………….…….13

2.2. Зависимость срока службы термопар от пористости защитной обо-

Список использованных источников…………………………………….…….. 16

Современная термодинамика определяет температуру как величину, выражающую состояние внутреннего движения равновесной макроскопической системы и определяемую внутренней энергией и внешними параметрами системы. Непосредственно температуру измерить невозможно, можно лишь судить о ней по изменению внешних параметров, вызванному нарушением состояния равновесия благодаря теплообмену с другими телами.

Исходным эталоном температуры является комплекс изготовленных в разных странах мира газовых термометров, по показаниям которых определяются численные значения реперных точек по отношению к точке кипения химически чистой воды при давлении 101325 Па, температура которой принята равной 100,00°С (373,15 К точно).

Весь температурный диапазон перекрывается семью шкалами, для воспроизведения которых в зависимости от области шкалы используются различные методы: от 1,5 до 4 К — измерение давления паров гелия-4, от 4,2 до 13,8 К — германиевые терморезисторы, от 13,8 до 273,16 К и от 273,16 до
903,89 К— платиновые терморезисторы от 903,89 до 1337,58 К — термопары платинородий — платина, от 1337,58 до 2800 К — температурные лампы и от
2800 до 100 000 К — спектральные методы.

Огромный диапазон существующих температур (теоретически максимально возможное значение температуры составляет 1012 К) обусловил большое разнообразие методов их измерения.

1 Общие сведения о термопарах

1.1 Термоэлектрические преобразователи. Принцип действия, применяемые материалы

Тепловым называется преобразователь, принцип действия которого основан на тепловых процессах и естественной входной величиной которого является температура. К таким преобразователям относятся термопары и терморезисторы, металлические и полупроводниковые. Основным уравнением теплового преобразования является уравнение теплового баланса, физический смысл которого заключается в том, что все тепло, поступающее к преобразователю, идет на повышение его теплосодержания QТС и, следовательно, если теплосодержание преобразователя остается неизменным (не меняется температура и агрегатное состояние), то количество поступающего в единицу времени тепла равно количеству отдаваемого тепла. Тепло, поступающее к преобразователю, является суммой количества тепла Qэл, создаваемого в результате выделения в нем электрической мощности, и количества тепла Qто, поступающего в преобразователь или отдаваемого им в результате теплообмена с окружающей средой.

Явление термоэлектричества было открыто в 1823 г. Зеебеком и заключается в следующем. Если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) А и В, соединив их между собой концами (рис. 1.), причем температуру 1 одного места соединения сделать отличной от температуры о другого, то в цепи появится э.д.с., называемая термоэлектродвижущей силой (термо-э.д.с.) и представляющая собой разность функций температур, мест соединения проводников.

Подобная цепь называется термоэлектрическим преобразователем или иначе термопарой; проводники, составляющие термопару, - термоэлектродами, а места их соединения - спаями.

Рисунок 1. Конструкция термопары

При небольшом перепаде температур между спаями термо-э.д.с. можно считать пропорциональной разности температур.

Опыт показывает, что у любой пары однородных проводников подчиняющихся закону Ома, величина термо-э.д.с. зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температур между спаями.

Действие термопары основано на эффекте Зеебека. Эффект Зеебека основывается на следующих явлениях. Если вдоль проводника существует градиент температур, электроны на горячем конце добывают высшие энергии и скорости, чем на холодном. В итоге возникает поток электронов от горячего конца к холодному, и на холодном конце накапливается негативный заряд, а на горячем остается некомпенсированный позитивный заряд. Поскольку средняя энергия электронов зависит от природы проводника и по-разному растет с температурой, при той же разнице температур термо-ЄДС на концах разных проводников будут отличаться:

e1 = k1(T1 - T2); e2 = k2(T1 - T2)

где Т1 и Т2 - температуры горячего и холодного концов соответственно; k1 и k2 -коєффициєнты, что зависят от физических свойств соответственно 1-го и 2-го проводников. Результирующая разница потенциалов называется объемной термо-ЕРС:

e_об = e1 - e2 = (k1 - k2)(T1 - T2).

В местах спайки разнородных проводников появляется контактная разница потенциалов, которая зависит от площади и материалов прилегающих поверхностей и пропорциональная их температуре:

где k_пов - коэффициент поверхностей касательных металлов. В итоге появляется вторая составляющая исходного напряжения - контактная термо-ЕРС:

ek = ek1 - ek2 = k_пов(T1 - T2)

Напряжение на выходе термопары определяется как сумма объемной и контактной термо-ЭДС:

Uвих = e_об + ek = (k1 - k2 + k_пов)(T1 - T2) = к(T1 - T2)

где к - коэффициент передачи.

- малая чувствительность (порядку 0,1 мВ/°К);

- высокое исходное сопротивление;

- необходимость поддержки постоянной температуры одного из концов.

Явление термоэлектричества принадлежит к числу обратимых явлений, обратный эффект был открыт в 1834 г. Жаном Пельтье и назван его именем.
Если через цепь, состоящую из двух различных проводников или полупроводников, пропустить электрический ток, то тепло выделяется в одном спае и поглощается в другом. Теплота Пельтье связана с силой тока линейной зависимостью в отличие от теплоты Джоуля, и в зависимости от направления тока происходит нагревание или охлаждение спая.

Поглощаемая или выделяемая тепловая мощность пропорциональна силе тока, зависит от природы материалов, образующих спай, характеризуется коэффициентом Пельтье.

К.п.д. термоэлектрического генератора зависит от разности температур и свойств материалов и для существующих материалов очень мал (при = 300° не превышает = 13%, а при = 100° значение = 5%), поэтому термоэлектрические генераторы используются как генераторы энергии лишь в специальных условиях. К.п.д. термоэлектрического подогревателя и холодильника также очень малы, и для охлаждения к.п.д. при температурном перепаде 5° составляет 9%, а при перепаде 40° - только 0,6%; однако, несмотря на столь низкие к.п.д., термоэлементы используются в холодильных устройствах. В измерительной технике термопары получили широкое распространение для измерения температур; кроме того, полупроводниковые термоэлементы используются как обратные тепловые преобразователи, преобразующие электрический ток в тепловой поток и температуру.

Термопара с подключенным к ней милливольтметром, применяемая для измерения температуры.

Если один спай термопары, называемый рабочим, поместить в среду с температурой 1, подлежащей измерению, а температуру 2, других, нерабочих, спаев поддерживать постоянной, то f(0) = const и EAB(1) = f(1) – C= f1(1). независимо от того, каким образом произведено соединение термоэлектродов (спайкой, сваркой и т. д.). Таким образом, естественной входной величиной термопары является температура ее рабочего спая, а выходной величиной - термо-э. д. с., которую термопара развивает при строго постоянной температуре 2 нерабочего спая.

Материалы, применяемые для термопар. В табл. 1 приведены термо-э.д.с., которые развиваются различными термоэлектродами в паре с платиной при температуре рабочего спая 1 = 100°С и температуре нерабочих спаев 2 = 0° С. Зависимость термо-э.д.с. от температуры в широком диапазоне температур обычно нелинейна, поэтому данные таблицы нельзя распространить на более высокие температуры.

Лекции

Лабораторные

Справочники

Эссе

Вопросы

Стандарты

Программы

Дипломные

Курсовые

Помогалки

Графические

Доступные файлы (1):

1. Общие сведения о термоэлектрических преобразователях

1.1. Термоэлектрические преобразователи. Принцип действия, приме-

1.2. Погрешности и поправки измерений термопарой

1.3. Промышленные термопары

2. Методы контактных электроизмерений различных диапазонов температур

2.1. Методы контактных электроизмерений средних и высоких темпе

ратур с помощью термопар

2.2. Зависимость срока службы термопар от пористости защитной обо-

Современная термодинамика определяет температуру как величину, выражающую состояние внутреннего движения равновесной макроскопической системы и определяемую внутренней энергией и внешними параметрами системы.
Непосредственно температуру измерить невозможно, можно лишь судить о ней по изменению внешних параметров, вызванному нарушением состояния равновесия благодаря теплообмену с другими телами.

Термоэлектрический метод измерения температуры основан на использовании зависимости термоэлектродвижущей силы от температуры

Нас будут интересовать контактные методы и средства электроизмерения температур.

1. Общие сведения о термоэлектрических преобразователях

1.1. Термоэлектрические преобразователи. Принцип действия, применяемые материалы.

разнородные проводники

А

В

Рис.1. Конструкция термопары

e1 = k1(T1 - T2); e2 = k2(T1 - T2)

где Т1 и Т2 - температуры горячего и холодного концов соответственно; k1 и k2 -коєффициєнты, что зависят от физических свойств соответственно 1-го и 2-го проводников. Результирующая разница потенциалов называется объемной термо-ЕРС:

e_об = e1 - e2 = (k1 - k2)(T1 - T2).

ek1 = k_повT1; ek2 = k_повT2

ek = ek1 - ek2 = k_пов(T1 - T2)

Напряжение на выходе термопары определяется как сумма объемной и контактной термо-ЭДС:

Uвих = e_об + ek = (k1 - k2 + k_пов)(T1 - T2) = к(T1 - T2)

где к - коэффициент передачи.

- малая чувствительность (порядку 0,1 мВ/°К);

- высокое исходное сопротивление;

- необходимость поддержки постоянной температуры одного из концов.

Термопара с подключенным к ней милливольтметром, применяемая для измерения температуры.

При пользовании данными таблицы следует иметь в виду, что развиваемые термоэлектродами термо-э.д.с. в значительной степени зависят от малейших примесей, механической обработки (наклеп) и термической обработки (закалка, отжиг).

При конструировании термопар, естественно, стремятся сочетать термоэлектроды, один из которых развивает с платиной положительную, а другой — отрицательную термо-э.д.с. При этом необходимо учитывать также пригодность того или иного термоэлектрода для применения в заданных условиях измерения (влияние на термоэлектрод среды, температуры и т. д.).

Для повышения выходной э.д.с. используется несколько термопар, образующих термобатарею. Рабочие спаи термопар расположены на черненом лепестке, поглощающем излучение, холодные концы — на массивном медном кольце, служащем теплоотводом и прикрытым экраном. Благодаря массивности и хорошей теплоотдаче кольца температуру свободных концов можно считать постоянной и равной комнатной.

^ 1.2. Погрешности и поправки измерений термопарой.

Измерительный прибор или электронную измерительную систему подключают либо к концам термоэлектродов (рис. 2,а), либо в разрыв одного из них (рис. 2,б).

Погрешность, обусловленная изменением температуры нерабочих спаев термопары. Градуировка термопар осуществляется при температуре нерабочих спаев, равной нулю. Если при практическом использовании термоэлектрического пирометра температура нерабочих спаев будет отличаться от 0° С на величину 0, то необходимо ввести соответствующую поправку в показания термометра.

Однако следует иметь в виду, что из-за нелинейной зависимости между э.д.с. термопары и температурой рабочего спая величина поправки к показаниям указателя, градуированного непосредственно в градусах, не будет равна разности температур 0 свободных концов.

Величина поправки связана с разностью температур свободных концов через коэффициент k называемый поправочным коэффициентом на температуру нерабочих концов. Величина k различна для каждого участка кривой, поэтому градировочную кривую разделяют на участки по 100° С и для каждого участка определяют значение k.

Недостатком подобных устройств является необходимость в источнике тока для питания моста и появление дополнительной погрешности, обусловленной изменением напряжения этого источника.

Погрешность, обусловленная изменением температуры линии, термопары и указателя. В термоэлектрических термометрах для измерения термо-э.д.с. применяют как обычные милливольтметры, так и низкоомные компенсаторы с ручным или автоматическим уравновешиванием на предел измерения до 100 мВ.

В тех случаях, когда термо-э.д.с. измеряется компенсатором, сопротивление цепи термо-э.д.с., как известно, роли не играет. В тех же случаях, когда термо-э.д.с. измеряется милливольтметром, может возникнуть погрешность, обусловленная изменением сопротивлений всех элементов, составляющих цепь термо-э.д.с.; поэтому необходимо стремиться к постоянному значению сопротивления проводов и самой термопары.
^ 1.3. Промышленные термопары

Основные параметры термопар промышленного типа:

Для измерения температур ниже — 50° С могут найти применение специальные термопары, например медь — константан (до ~- 270° С), медь — копель (до — 200° С) и т. д. Для измерения температур выше 1300—1800° С изготавливаются термопары на основе тугоплавких металлов: иридий—ренийиридий (до 2100° С), вольфрам—рений (до 2500° С), на основе карбидов переходных металлов — титана, циркония, ниобия, талия, гафния
(теоретически до 3000—3500° С), на основе углеродистых и графитовых волокон.

Градуировочные характеристики термопар основных типов приведены в табл. 3. В этой таблице указана температура рабочего спая в градусах
Цельсия и приведены величины термо-э.д.с. соответствующих термопар в милливольтах при температуре свободных концов 0° С.

Допускаются отклонения реальных термо-э.д.с. от значений, приведенных в табл. 3, на величины, указанные в табл. 4.

Конструкция термопары промышленного типа. Это термопара с термоэлектродами из неблагородных металлов, расположенными в составной защитной трубе с подвижным фланцем для ее крепления. Рабочий спай термопары изолирован наконечником. Термоэлектроды изолированы брусами. Защитная труба состоит из рабочего и нерабочего участков. Передвижной фланец крепится к трубе винтом. Головка термопары имеет литой корпус с крышкой, закрепленной винтами; В головке укреплены фарфоровые колодки (винтами) плавающими (незакрепленными) зажимами, которые позволяют термоэлектродам удлиняться под воздействием температуры без возникновения механических напряжений, ведущих к быстрому разрушению термоэлектродов. Термоэлектроды крепятся к этим зажимам винтами, а соединительные провода — винтами. Эти провода проходят через штуцер с асбестовым уплотнением.

Для термопар из благородных металлов часто применяют неметаллические трубы (кварцевые, фарфоровые и т. д.), однако такие трубы механически непрочны и дороги. Фарфоровые трубы надлежащего состава можно использовать при температурах до 1300— 1400°С.

В качестве изоляции термоэлектродов друг от друга применяют асбест до 300° С, кварцевые трубки или бусы до 1000° С, фарфоровые трубы 1300 С. Для лабораторных термопар, используемых при измерении низких температур, применяют также теплостойкую резину до 150° С, шелк до 100—120°
С, эмаль до 150—200 °С.
^ 2. Методы контактных электроизмерений различных диапазонов температур.

2.1. Методы контактных электроизмерений средних и высоких температур с помощью термопар

Средними в термометрии считаются температуры от 500 (начало свечения) до 1600 °С (белое каление), а высокими— от 1600 до 2500°С, до которых удается распространить термоэлектрический метод с использованием высокотемпературных, жаростойких материалов.

Принцип термоэлектрического метода и основные свойства термоэлектродов были рассмотрены выше в п. 1. Основным вопросом при использовании этого метода для измерения средних и высоких температур является защита термоэлектродов от разрушающего химического и термического воздействия среды. Для этого термопары снабжаются защитной арматурой в виде чехлов, трубок или колпачков из огнеупорных материалов. Главное требование к защитной оболочке — высокая плотность строения и температурная стойкость.

При измерении температур ниже 1300 °С используются фарфоровые чехлы, при более высоких температурах — колпачки из тугоплавких материалов (такие, как корунд, окиси алюминия, бериллия или тория), заполненные инертным газом.

^ 2.2. Зависимость срока службы термопар от пористости защитной оболочки.

При измерении температуры поверхности тел особенную трудность составляет контакт рабочего спая термопары с поверхностью нагретого тела.

Для улучшения контакта используются термопары, рабочий спай которых выполнен в виде ленты или пластины. Такая конфигурация рабочего спая при деформации позволяет воспроизводить поверхность объекта измерения.

Для измерения температур до 2000—2500 °С используются вольфрамовые или иридиевые термопары. Особенностью их применения является измерение в вакууме, в инертной или восстановительной средах, так как на вэздухе они окисляются. Чувствительность вольфрамомолибденовой термопары составляет 7 мкВ/К, а вольфрамо-рениевой 13 мкВ/К.

В условиях высоких температур применяются термопары из огнеупорных материалов (пары карбид титана — графит,карбид циркония — борид циркония и ди-силицид молибдена — дисилицид вольфрама). В таких термопарах внутри цилиндрического электрода (диаметр около 15 мм) имеется второй электрод—стержень, соединенный с первым электродом на одном конце трубки.
Чувствительность термопар из огнеупорных материалов достигает 70 мкВ/К, однако их применение ограничено инертными и восстановительными средами.

Для измерения температуры расплавленного металла термопарами из благородных металлов используется метод, заключающийся в погружении термопары в металл на время, безопасное для ее работоспособности. При этом термопара на короткое время (0,4—0,6 с) погружается в контролируемую среду, и измеряется скорость нарастания температуры рабочего спая. Зная зависимость между скоростью нагрева термопары (ее тепловую инерционность) и температурной среды, можно рассчитать значение измеряемой температуры. Этот метод применяется для измерения расплавленного металла (2000-2500 С) и газового потока (1800 С).

Читайте также: