Термоэлектрические преобразователи

1.

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТЕМПЕРАТУРЫ.
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕРМОПАР
1. Определение понятия «термоэлектрический
преобразователь» (ТЭП)
2. Принцип действия термопары
3. Номинальная статическая характеристика ТЭП
4. Подключение термопары к измерительному
прибору
5. Поправка на температуру свободных концов
термопары

2.

Термоэлектрический преобразователь (ТЭП) представляет
собой
первичный
измерительный
преобразователь
темпера-туры, в котором выходная величина формируется
под воздействием термоэлектрического эффекта.
Конструктивно ТЭП оформлен как специальная, механически прочная конструкция, удобная для монтажа.
Чувствительным элементом ТЭП является термопара,
которая представляет собой термоэлектрическую цепь,
состоящую из двух спаянных между собой разнородных
проводников (рис. 1).
Принцип действия термопары основан на термоэлектрическом эффекте, который заключается в том, что в
замкнутой цепи, состоящей из двух или нескольких
разнородных проводников, возникает электрический ток,
если хотя бы два места соединения (спая) проводников
имеют разную температуру.

3.

t0
(+)
(–)
А
В
t
Рисунок 1
Конец термопары с температурой t
называется горячим или рабочим, а конец с
температурой t0 – холодным или свободным (t
> t0). Проводники А и В называются термоэлектродами.
Термоэлектрический эффект объясняется
наличием в металлах свободных электронов,
число которых в единице объема для различных металлов различно.
Предположим, что на свободном конце
термопары электроны из металла А диффундируют в металл
В в большем количестве, чем в обратном направлении,
поэтому металл А заряжается положительно (+), а металл В
– отрицательно (–). Электрическое поле, возникающее в
месте соединения проводников, препятствует этой
диффузии.

4.

Когда скорость диффузии электронов станет равной
скорости их обратного перехода, под влиянием установившегося электрического поля наступит состояние подвижного
равновесия. При таком состоянии между проводниками А и В
возникает некоторая разность потенциалов, которую
называют термоэлектродвижущей силой (ТЭДС).
Результирующая ТЭДС цепи, состоящей из разнородных
по составу проводников А и В, но одинаковых по длине
равна:
Е АВ ( t , t0 ) е АВ ( t ) eBA (,t 0 )
(1)
где еАВ(t), еВА(t0) – ТЭДС, обусловленные контактной
разностью потенциалов и разностью
температур концов термопары А и В.
Если t = t0, то получим
Е АВ ( t0 ) е АВ ( t0 ) eBA ( t0 ) 0,
е АВ ( t0 ) еВА ( t0 ).

5.

Перепишем уравнение (1) с учетом полученного
равенства
Е АВ ( t , t0 ) е АВ ( t ) e AВ ( t 0 ).
(2)
Уравнение (2) называют уравнением термопары.
Из уравнения (2) следует, что ТЭДС представляет собой
сложную функцию двух переменных величин t и t0.
Поддерживая температуру холодных концов термопары
постоянной, получим соотношение
(3)
Е ( t , t ) f ( t ).
АВ
0
Зависимость (3) называют номинальной статической
характеристикой преобразования (НСХ) термопары.
Если для конкретной термопары экспериментально,
т.е. путем градуировки будет найдена зависимость (3), то
измерение температуры будет сводиться к определению
ТЭДС. К эксперименту приходится прибегать потому, что
электронная теория дает лишь физическое (качественное)
объяснение термоэлектрического эффекта, в то время как
количественному учету свободные электроны не поддаются.

6.

Для измерения возникающей ТЭДС в цепь термопары
необходимо включить измерительный прибор.
Разорвем холодный спай термопары, включим в него
третий проводник С и проверим, каким образом этот проводник повлияет на результирующую ТЭДС (рис. 2).
t0
t0
A
В
t
Рисунок 2 - Схема включения третьего проводника
в термоэлектрическую цепь
ТЭДС этой цепи (рис. 2) определяется соотношением
Е АВС ( t , t0 , t0 ) e AB ( t ) eBC ( t0 ) eCA ( t0 ).
(4)

7.

При условии, что t = t0 ,получим
Е АВС ( t0 ) e AB ( t0 ) eBC ( t0 ) eCA ( t0 ) 0.
(5)
Преобразуем уравнение (5)
еBC ( t0 ) eCA (t0 ) e AB (t0 ).
Запишем уравнение (4) с учетом полученного равенства
(6)
Е АВС ( t , t0 , t0 ) e AB ( t ) e AB ( t.0 )
Следовательно,
Е АВС ( t , t 0 , t 0 ) E AB ( t , t.0 )
(7)
Из уравнения (7) следует, что ТЭДС термопары не
изменится от введения в ее цепь третьего проводника,
если холодные концы термопары будут иметь одинаковую
температуру. Это означает, что в цепь можно подключать
соединительные провода и измерительный прибор.

8.

.
Таким образом установлено, что ТЭДС термопары является
функцией измеряемой температуры при условии, что t0 =
const. Термопары градуируют при t0 = 0˚С. При измерениях
соблюсти данное условие невозможно. В этом случае вводят
поправку на температуру холодных концов термопары (t0).
'
'
Если t 0 > 0 ˚C, то Е АВ ( t , t0 ) E AB ( t ,0 C. )
Разность этих ТЭДС и будет представлять поправку на t0.
В общем виде значение действительной ТЭДС можно
записать следующим образом:
Е АВ (t ,0 C ) E AB (t , t0' ) E AB (t0' ,0 ,C )
(8)
где
Е ( t , t 0' )– измеренная ТЭДС,
Е ( t0' ,0 C )– поправка на температуру свободных
концов термопары(знак «+», если
'
'
знак
«–»,
если
< 0 ˚C).
t
>
0
˚C,
t
0
0
Величину поправки (при известной температуре холодных
концов) можно рассчитать по номинальной статической
характеристике термопары.

9.

СТАНДАРТНЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Для изготовления термопар используют пары разнородных
проводников, пригодных для практического применения,
поэтому современная техника предъявляет к материалам
термоэлектродов следующие требования:
– устойчивость к воздействиям высоких температур;
– постоянство ТЭДС во времени;
– должна быть возможна большая величина ТЭДС;
– линейная и однозначная зависимость ТЭДС от температуры;
– небольшой температурный коэффициент и электрическое
сопротивление, большая теплопроводность;
– воспроизводимость термоэлектрических свойств,
обеспечивающих взаимозаменяемость термопар.
Всем указанным требованиям не удовлетворяет ни
один из известных термоэлектродных материалов, поэтому на
практике пользуются различными материалами в различных
пределах измеряемых температур.

10.

В России согласно ГОСТ Р 8.585-2001 – «Термопары.
Номинальные статические характеристики преобразования»
с 2001 года разрешено изготовление и применение термопар
десяти градуировок, примеры технических характеристик
которых приведены в таблице 1.