Термоелектричні датчики відносяться до датчиків генераторного типу. Їх робота заснована на одному з термоелектричних явле-ний - появі термоелектродвіжущей сили (термоЕРС).
Сутність цього явища полягає в наступному. Якщо соста-вить електричний ланцюг з двох різнорідних металевих про-водників (або напівпровідників), причому з одного кінця провід-ники спаяти, а місце з'єднання (спай) нагріти, то в такому колі виникає ЕРС. Ця ЕРС буде пропорційна температурі місця спаю (точніше - різниці температур місця спаю і вільних, неспе-янних решт). Коефіцієнт пропорційності залежить від ма-териала провідників і в певному інтервалі температури залишається постійним. Ланцюг, складена з двох різнорідних ма-ріалів, називається термопарою; провідники, складові тер-тер, називаються термоелектроди; місця з'єднання термо-електродов- спаями. Спай, що поміщається в середу, температуру ко-торою треба виміряти, називається гарячим або робочим. Спай, щодо якого вимірюється температура, називається холод-ним або вільним. Виникає при розходженні температур горя-чого і холодного спаїв ЕРС називається термоЕРС. За значенням цієї термоЕРС можна визначити температуру.
Для вимірювання термоЕРС, що виробляється термопарою, в ланцюг термопари включають вимірювальний прилад (наприклад, мілі-вольтметр). Мілівольтметр включають, розімкнувши вільний спай (рис. 10.1, б), або в розрив одного з термоелектродів (рис. 10.1, в). Як видно з схем включення вимірювального прилади-ра, в разі разомкнутого вільного спаю (рис. 10.1, б) у термопа-ри три спаяний: один гарячий1 і два холодних2 і 3, які повинні мати постійну температуру. При включенні мілівольтметра в розрив одного з термоелектродів (рис. 10.1, в) є чотири спаяний: один гарячий 7, один холодний2 (він повинен мати постійного-ву температуру), два нейтральних3 і4 (вони повинні перебувати при однаковій, але не обов'язково постійній температурі ). Для обох схем термоЕРС і показання приладу будуть однаковими, якщо відповідно однаковими будуть температури гарячих і хо-лодной спаев. У цьому неважко переконатися, якщо скласти рівняння за другим законом Кірхгофа для кожного з контурів.
Спосіб виготовлення спаяний (зварюванням, спайкою і т. П.) На термо-ЕРС не впливає, якщо тільки розміри спаяний такі, що температура його у всіх точках однакова.
ТермоЕРС, що виробляється термопарою, складеної з елек-Трод А верб, є різницею двох термоЕРС: eAB (θ1) - термоЕРС гарячого спаю при температурі 6,; eAB (θ2) - термоЕРС холод-ного спаяний при температурі θ 2. т. е.
Значення термоЕРС і її напрямок залежать від матеріалів електродів Аі В.
У табл. 10.1 наведені термоЕРС для різних матеріалів в парі cплатіной при температурі гарячого спаю 100 ° С (373 К) і температурі холодного спаю 0 ° С (273 К). Знак плюс перед термоЕРС озна-чає, що в холодному спае ток йде у напрямку до платинового електроду.
Табліца10.1. ТермоЕРС основних матеріалів для термопар в парі з платиною (температура робочого спаю при 100 "З, температура холодного спаю дорівнює нулю)
Якщо скласти термопару з матеріалів, які по відношенню до платини мають термоЕРС різних знаків, то термоЕРС такої термопари буде дорівнює сумі термоЕРС матеріалів по відношенню до платини. Наприклад, з табл. 10.1 беремо дані для термоЕРС Меди в парі з платиною +0,76 мВ і термоЕРС сплаву копель в парі з платиною - 4,0 мВ. Термопара мідь-копель на підставі рівнян-вати (10.1) матиме термоЕРС ЕАВ = 0,76 - (-4) = +4,76 мВ. Ма-теріали для термопар слід підбирати таким чином, щоб термоЕРС мали досить великі значення, що забезпечують ви-сокую чутливість вимірювання.
Вимірювання температури за допомогою термопар
При автоматичному вимірі температури за допомогою термопар використовуються два основні методи: безпосереднє вимірювання термоЕРС за допомогою мілівольтметра і компенсаційний метод, розглянутий в § 2.7.
Так як значення термоЕРС, що розвивається термопарою, Невель-ко, для безпосереднього вимірювання її необхідні високочувст-вітельно мілівольтметри магнітоелектричного типу. Прилади цього типу працюють на основі взаємодії магнітного поля по-постійного магніту і вимірюваного струму, що протікає по подвиж-ної рамці. Для створення достатнього крутного моменту при досить невеликому струмі рамка виконується з великого числа віт-ков тонкого мідного дроту. Протидіє момент созда-ється спіральними пружинами, за якими і підводиться струм в рам-ку. Шкала мілівольтметра градуюється безпосередньо в градусах і на ній вказується тип термопари, для якої призначений даний мілівольтметр.
Позначимо через RB опір мілівольтметра, RТ - опір термопари, RП- опір сполучних про-водів. Струм, що проходить по рамці мілівольтметра під дією термоЕДСЕТП,
З цієї формули видно, що показання приладу залежать не те-тілько від термоЕРС ЄТП. але і від сопротівленійRB, RТ, RП. Так як шкала приладу вже проградуірована для термопари
певного типу, то опору Rr іRB вже враховані при градуюванні. А опору зовнішнього ланцюга також вказуються на шкалі (зазвичай 0,6; 5; 15 або 25 Ом).
Оцінимо показання приладу, шкала якого проградуйована в мілівольтах. Напруга на його затискачах UB = IBRB.
З (10.4) видно, що вимірюється милливольтметром напруга буде завжди менше, ніж ЕРС термопари, на UB (RBH / RB). Ця вели-чину буде тим менше, чим більше опір міллівольтмет-ра RB в порівнянні із зовнішнім опором RBH. Зазвичай мил-лівольтметри мають крім опору рамки ще додатковий опір з манганина, що в сумі дає не менше 100 Ом.
Зазвичай градуювання термопар здійснюється при температурі холодного спаю θ2 = 0. На практиці при вимірюванні температури θ2. холодний спай має θ2 = 0. Отже, по виміряної термоЕРС можна точно визначити θ 2. Необхідно вводити так називаючи-емую поправку на температуру холодних спаїв. Існує неско-тілько способів підтримки постійної температури холодних спаїв. Наприклад, можна помістити холодні спаї в ванну з таю-щим льодом, але це можливо лише в лабораторних умовах або при налагодженні. Можна холодні спаї закопувати в землю на глибині-ну кількох метрів, де температура досить стабільна, або поміщати холодні спаї в спеціальну коробку з теплової з-ляцією.
Якщо температура холодних спаїв відома, то до показаннями через вимірювального приладу додають поправку, відповідну термоЕРС при θ2. Цю поправку слід брати з градуировочной кри-вої.
Поправку на температуру хо-лодной спаев можна ввести і ме-ханических шляхом: при відключений-ної термопарі змістити стрілку на шкалі приладу на відмітку, соот-ветствующим температурі холод-них спаев (зазвичай температурі навколишнього середовища). Застосовують також схеми автоматичної кор-рекции температурних похибок-стей, в яких використовуються властивості терморезисторов изме-нять опір в залежності від температури.
Розглянемо принципову схему включення термопари і мілівольтметра (рис. 10.3). Через мерітельний прилад може знахо-диться на досить значній відстані від термопари. Довжина з'єднувальних проводів може становити кілька метрів. У міс-тах приєднання цих проводів також виникають термоЕРС. Для точної компенсації цих термоЕРС необхідний певний під-бор матеріалів проводів і термопар. Для приєднання термопар служать спеціальні так звані компенсаційні дроти. Кожній парі матеріалів компенсаційних проводів привласнюють буквене позначення, а кожному матеріалу додають визначений-ву забарвлення, для чого використовують оплетку з кольорової пряжі або кольорові розпізнавальні нитки, прокладені в проводі.
Д
Розглянемо вимірювання температури компенсаційним методом за допомогою термопари і автоматичного потенціометра. На рис. 10.4 показані термопара ТП, що виробляє термоЕРС Од і бруківка схема, що виробляє компенсує напруга UK, що знімається між точками А і Б. Різниця цих напруг подає-ся на вхід підсилювача (У), який живить керуючу обмотку виконавчого електродвигуна (ЕД). Обмотка збудження ЕД постійно підключена до джерела змінної напруги, а швидкість обертання ЕД залежить (приблизно пропорційно) від напруги на його керуючій обмотці. Електродвигун (ЕД) че-рез редуктор (Р) переміщує движок каліброваного реохорда (потенциометрического датчика) Rп до тих пір, поки напруга UK не зрівняли з Еп. Одночасно переміщаються покажчик на шкалі приладу і перо самописця. При UK = Е а напруга на вході підсилю-теля дорівнює нулю (UK- Од = 0) і електродвигун (ЕД) зупиниться. Кожному значенню вихідного сигналу датчика Од = f (T ° С) відпо-ствует певне положення покажчика на шкалі. Шкала проградуірована в ° С і на ній зазначений тип термопари, для якої виконан-нена градуювання.
Мостова схема в даному випадку служить не для вимірювання, а для вироблення компенсуючого напруги UK і автоматичної корекції через зміну температури холодного спаю. Плечі мо-ста складаються з дротяних резисторів R1 - R3, виконаних з матеріалу з малим температурним коефіцієнтом опору (наприклад, з манганина), і терморезистора RK, виготовленого з матеріалу з великим температурним коефіцієнтом опору (наприклад, з міді або нікелю ). Резистор розташовується вблі-зи холодних спаїв термопари. Міст живиться від джерела посто-янного струму Е - зазвичай це батарейка (наприклад, сухий елемент типу ЕСЛ-30). При кожній зміні температури холодних спаїв термопари змінюється Од і одночасно змінюється опір RK, що призводить до зміни напруги, що компенсує UK на ту ж величину, на яку змінилася Од. Отже, коливання навколишньої температури не змінюють показань на шкалі прилади-ра. Регулювальне опір Rp служить для установки струму живлення моста при розряді батареї (зменшенні Е).
Зазвичай на панелі автоматичного потенціометра є кнопка з самоповерненням, позначена словами «Установка робітничо-го струму». При натисканні цієї кнопки, чи не показаної на рис. 10.4, ра-бочая ланцюг приладу розмикається, а підсилювач включається на раз-ність ЕРС батарейки та спеціального стабільного нормального еле-мента. Якщо батарейка розрядилася, то під дією різниці цих ЕРС, посиленою підсилювачем, електродвигун ЕД переміщує дві-жок регулювального резистора Rp, автоматично встановлюючи необхідне значення струму живлення моста.
Відповідальною деталлю в вимірювальної схемою є рео-хорд. Він виконаний з манганінового дроту, намотаною на мідній ізольованою основі. Движок реохорда виконаний у вигляді контактного ролика.
Автоматичні потенціометри можуть мати перемикачі для почергового підключення до 24 термопар.