Термоэлектрические термометры. 
Технические измерения и приборы

Термоэлектрические преобразователи относят к типу тепловых преобразователей. Их работа основана на явлении термоэлектричества, которое называют термоэлектрическим эффектом или эффектом Зссбска (немецкий физик Th.J. Sccbcck открыл его в 1821 году в паре медь-висмут).

Термоэлектрический эффект — генерирование термоэлектродвижущей силы, возникающей из-за разности температур между двумя соединениями различных металлов или сплавов, образующих часть одной и той же цепи (ГОСТ 6616−94).

Эффект Пельтье (S. Peltier — французский физик, 1785 — 1845) обратен эффекту Зеебека. При пропускании тока через контакт (спай) двух разнородных проводников или полупроводников на нём происходит выделение тепла (дополнительно к джоулеву) при одном направлении или его поглощение при обратном направлении.

Термопара — два проводника из разнородных материалов, соединённых на одном конце и образующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерений температуры (ГОСТ Р 8.585−2001).

Термоэлектрический термометр состоит собственно из термопары и милливольтметра, проградуированного в градусах Кельвина или Цельсия (см. главу 10).

Соединим два разнородных проводника (рис. 3.12). Поскольку концентрация электронов в разнородных проводниках различна, электроны начнут переходить из металла с высокой концентрацией в металл с низкой концентрацией. При этом один металл зарядится положительно, а другой — отрицательно и возникнет разность потенциалов, препятствующая переходу электронов. Эта разность потенциалов называется термоэлектродвижущей силой (тсрмоэдс). Этот процесс будет происходить до тех пор, пока не наступит состояние динамического равновесия. Повышение температуры увеличивает энергию электронов и смещает равновесие в область с повышенной разностью потенциалов, а её понижение приводит к уменьшению разности потенциалов. Максимальная развиваемая стандартными термоэлектрическими преобразователями термоэдс составляет от единиц до нескольких десятков милливольт (A. Volta — итальянский физик и физиолог, 1745 — 1827).

Рис. 3.12. Соединение двух разнородных металлов.

Рассмотрим замкнутую цепь из двух разнородных проводников А и В (рис. 3.13). Данная цепь называется термоэлектродвижущим преобразователем (термопарой), проводники, составляющие термопару, — термопроводниками, а места их соединения — спаями (спаянные концы называют горячими или рабочими, а свободные — холодными).

Рис. 3.13. Термоэлектрическая цепь.

В местах спая 1 и 2 возникают две тсрмоэдс: e_AB(t) в точке 1 и e_BA(to) в точке 2. Действующая в контуре результирующая термоэдс равна алгебраической сумме эдс в обеих точках, т. е.

При одинаковой температуре спаев, когда t = t_(h е_АВ = 0. Однако чем больше разность температур t и to, тем выше значение развиваемой тсрмоэдс.

В зависимости от значения вырабатываемой термоэдс и общего электрического сопротивления в контуре проводников возникает электрический ток. Для измерения тока, а следовательно, и термоэдс в его цепь включают вторичный прибор ВП (рис. 3.14).

Рис. 3.14. Схемы включения вторичного прибора в измерительную цепь термопары: а- в место спая; б — в один из проводников В первом случае термопара имеет три конца: рабочий 1 и свободные 2 и 3. Если температура спая 1 равна t, а спаев 2 и 3 — to, то результирующая термоэдс e (t, t₀) = e_AB(t) — e_AB{t_n).

Во втором случае термопара имеет четыре конца: рабочий 1, свободный 2 и нейтральные 3 и 4. Если температура нейтральных спаев 3 и 4 одинакова, то результирующая термоэдс равна e (t, to) = e_AB (t) — e_AB{to).

Таким образом, результирующая термоэдс в обоих случаях будет одинакова, если температуры спаев нового проводника С с термоэлектродами А и В равны. Тем не менее, первый способ подключения вторичного прибора получил большее распространение.

Измерение температуры термоэлектрическим термометром допускается в случае, когда точно известна температура t_(l его свободного конца. Зависимость термоэдс e (t, to) термометра от температуры t рабочего конца при температуре его свободных концов t₀ = О °С определяется экспериментально и называется его градуировочной характеристикой.

На практике температура свободных концов термометра хотя и поддерживается постоянной, но не равна О °С, поэтому величина термоэдс меняется, что заставляет вносить поправку в показания.

Если температура свободных концов больше градуировочной и равна t+, то результирующая эдс будет меньше, следовательно, необходимо сделать поправку, прибавив к результату измерения термоэдс, равную e (t+, to). В противном случае из результата измерения надо вычесть эдс, равную e (L, t₀).

При измерении температуры термоэлектрическим термометром применяют различные схемы соединений. Большое распространение получили термобатарея и дифференциальный термометр (рис. 3.15).

Первую схему используют для увеличения чувствительности, при этом термоэдс увеличивается в п раз, где п — число термопар. Однако при этом соединении трудно поддерживать постоянной температуру всех свободных концов термопар, а следовательно, невозможно повысить общую точность измерений.

Рис. 3.15. Схемы соединений термоэлектрических термометров: а — термобатарея; б — дифференциальная термопара Схему соединения с дифференциальными термометрами используют при измерении разности температур t_t и t₂. При этом применяют две пары термоэлектродов, рабочие концы которых соединены встречно. Тогда результирующая термоэдс e (t_t, t₂) = = e (t/) — e (t₂). При разности температур не более 25 °C эта зависимость имеет линейный характер.

Непостоянство температуры холодного спая является причиной методических погрешностей термометров. Без термокомпенсации этих погрешностей приборы применять нельзя.

Термопары изготовляют из благородных и неблагородных металлов, сплавов и полупроводников. Термопары из благородных металлов применяют для измерения высоких температур и при особо точных измерениях. Для технических измерений используют термопары из неблагородных металлов, сплавов и полупроводников.

Диаметр термоэлектродов термопар находится в пределах от 0,07 до 0,5 мм для термоэлектродов из неблагородных металлов и от 0,1 до 3,2 мм для термоэлектродов из благородных металлов.

Длину монтажной, погружаемой и наружной частей термопары рекомендуется выбирать из ряда 10, 16, 20, … 2.000, 2.500, 3.150 мм.

Среди широко применяемых термопар следует назвать (табл. 3.10): хромель-копелевую (хромель — сплав 89,0% Ni, 9,8% Сг, 1% Fe, 0,2% Мп; копель — сплав 45% Ni, 45% Си), хромельалюмелевую (алюмель — сплав 94,4% Ni, 0,5% Fe, 2,0% Al, 2,5% Мп и 1,0% Si), железо-копелевую, медь-копелевую и др. Их статические характеристики показаны на рис. 3.16. Они близки к прямым, но таковыми не являются. Например, для термопары ТПП 13 ® в диапазоне от -50 до 1064,18 °С статическая характеристика описывается полиномом (ГОСТ Р 8.585—.

• 2001) е = Z А/t, где = 0, А, = 5,310 ³, А₂ = 1,4−10‘⁵, Н^ =
• 1=0

= -2,4−10″⁸, Л₄ = 3,6−10″, А₅ = -4,6−10″, А₆ = 5,0−10 ^|7, П₇ = = -3,7- Ю" ²⁰, А_я =1,6−10″, А₉ = -2,8−10″ .

Рис. 3.16. Статические характеристики термопар:

/ - хромель-копель; 2 — железо-копель; 3 — медь-копель; 4 — золото-палладий; 5 — хромель-копель; 6 — платинородий-платина В табл. 3.10 в скобках даны обозначения, принятые Международной электротехнической комиссией (МЭК).

Таблица 3.10.

Устройство промышленной термопары показано на рис. 3.17.

В жёсткой защитной гильзе 1 расположены термоэлектроды 3 с надетыми на них изоляционными бусами 4. Спай 2 касается дна защитной гильзы или может быть изолирован от него с помощью керамического наконечника. К термоэлектродам в головке 8 винтами 6 на розетке 5 подсоединяются удлинительные провода 7. Защитная гильза с содержимым вводится в объект измерения и крепится на нём с помощью штуцера 9. Для обеспечения надёжного контакта спай 2 изготавливают сваркой, реже спайкой или скруткой (для высокотемпературных термопар). Защитную гильзу 1 выполняют в виде цилиндрической или конической трубки из газонепроницаемых материалов диаметром примерно 15−25 мм с длиной в зависимости от потребности объекта измерения (от 100 до 2.500 — 3.500 мм). Материалом защитной гильзы обычно служат различные стали. Для более высоких температур используют гильзы из тугоплавких соединений, а также кварц и фарфор. Диаметр термоэлектродов составляет 2−3 мм, кроме тсрмоэлсктродов платиновой группы, диаметр которых 0,5 мм, что связано с их высокой стоимостью. Стандартные термопары выпускают одинарными, двойными и поверхностными — для измерения температуры стенок объекта, когда доступ внутрь объекта затруднён При выборе термопар промышленного типа необходимо правильно определить материал защитной трубы (арматуры) и изоляции.

Защитная арматура термопары должна ограждать сё от воздействия горячих химически агрессивных газов и жидкостей, которые быстро разрушают термопару, поэтому арматура должна быть газоводонепроницаемой, хорошо проводить теплоту, быть механически стойкой и жаропрочной. При температурах до 600 °C обычно применяют стальные трубы без шва, при температуре до 1.100 °С — защитные грубы из легированных сталей, для термопар из благородных металлов — в основном кварцевые, фарфоровые трубы. В качестве изоляции тсрмоэлсктродов друг от друга до 300 °C используют асбест, до 1.300 — 1.400 °С — квар;

Рис. 3.17. Устройство термопары промышленного типа: а — внешний вид; 6 — устройство термопары; / - гильза; 2 — спай; 3 — термоэлсктроды; 4 — изоляционные бусы; 5 — розетка; 6 — винты; 7 — удлинительные провода; 8 — головка; 9 — штуцер; в — кабельная термопара: / - тонкостенная оболочка;

2 — спай; J — термоэлсктроды; 4 — керамический порошок цсвыс трубки или бусы и до 2.000 — 2.300 °С — кварцевые трубки или бусы. В лабораторных условиях при измерении низких температур используют теплостойкую резину — до 150 °C, шёлк — до 100−120 °С, эмаль — до 150 — 200 °C.

Термоэлектроды термопары, помещаемые в защитную трубу, обычно выполняют жесткими, а соединение их с другими элементами измерительной цепи осуществляется гибкими проводами. Соединительные провода, идущие от зажимов в головке термопары до места нахождения нерабочего спая, называются удлинительными электродами. В необходимом диапазоне температур они должны иметь такую же термоэдс, как и электроды основной термопары, и места присоединения удлинительных термоэлектродов к основным термоэлектродам в головке термопары должны быть одинаковой температуры. При невыполнении этих условий возникает погрешность измерения. Удлинительные термоэлектроды для термопар из неблагородных металлов выполняют из тех же материалов, что и основные термоэлектроды.

Например, для термопары платинородий-платина применяют удлинительные термоэлектроды из меди и сплава ТП, образующие термопару, идентичную термопаре платинородийплатина в пределах до 150 °C.

Сигналы от термопар и терморезисторов малы, они обладают слабой помехозащищённостью, поэтому могут передаваться на небольшие, до 50 м, расстояния. Это приемлемо только в локальных системах.

В настоящее время выпускают и широко используют кабельные (от голл. kabel — канат, трос) хромель-алюмелевые (для измерения температуры от -50 до 1.300 °С) и хромелькопелевые (для измерения температуры от -50 до 800 °С) термопары для измерения температуры газообразных, жидких и твёрдых сред, не агрессивных к материалу оболочек термопреобразователей (рис. 3.17 в, 3.18 и 3.19).

Рис. 3.18. Внешний вид кабельных термопар.

Рис. 3.19. Устройство кабельной термопары:

1 — рабочий спай; 2 — термоэлектроды; 3 — оболочка; 4 — втулка; 5 — мелкодисперсная минеральная изоляция; 6 — герметик Кабельная термопара представляет собой гибкую металлическую трубку с размещённым внутри неё одной или несколькими парами термоэлектродов, расположенными параллельно друг другу. Пространство вокруг термоэлектродов заполнено уплотнённой мелкодисперсной минеральной изоляцией. Термоэлектроды кабельной термопары со стороны рабочего торца сварены между собой, образуя рабочий спай внутри стальной оболочки. Рабочий торец заглушён приваренной стальной пробкой. Свободные концы тсрмоэлсктродов подключаются к клеммам головки термопреобразователя или компенсационным проводам.

Использование кабельных термопар позволяет обеспечить защиту термоэлектродов от воздействия рабочей среды, повысить в 2 — 3 раза термоэлектрическую стабильность и рабочий ресурс по сравнению с аналогичными термопарами. Большое значение имеет и то, что в процессе монтажа их можно изгибать, укладывать в труднодоступные места, прижимать к поверхности.

Различают кабельные термопары (ГОСТ 23 847−79) следующих типов:

КТХАС — кабельный термопреобразователь хромельалюмелевый в стальной оболочке;

• — КТХАСп — хромель-алюмелевый в оболочке из жаропрочного сплава;
• — КТХКС — хромель-копелевый в стальной оболочке.

По числу зон измерения они могут быть однои многозонные с общим тсрмоэлсктродом в единой оболочке и расположением рабочих спаев в заданных точках по длине.

По сечению их различают:

• — круглые постоянного сечения;
• — круглые с утончённым рабочим участком;
• — круглые с плоским рабочим участком.

Кабельные термопары выпускают диаметром D = 1,0; 1,5; 3,0; 4,0; 4,6; 5,0 и 6,0 мм и длиной L до 100 м.

Благодаря указанным размерам кабельные термопары являются весьма гибкими при достаточной механической прочности.

Большое значение при измерении температуры с помощью термопар имеет их инерционность. Постоянная времени термопар составляет от единиц секунд до нескольких минут, что ограничивает возможность их применения для измерения быстроменяющихся температур. Для уменьшения инерционности необходимо обеспечить хороший тепловой контакт между рабочим спаем термопары и средой с измеряемой температурой.

Термоэлектрическим термометрам свойственны следующие погрешности: температурные методические (вариации температуры холодного спая); температурные инструментальные (изменение параметров приборов от окружающей температуры); из-за паразитных тсрмоэдс; из-за неполного контакта приёмника со средой; из-за влияния посторонних магнитных полей.

Рассмотрим подробнее погрешности, возникающие при измерении температуры термопарами.

1. Погрешность, обусловленная изменением температуры нерабочих спаев термопары. Градуировка термопар осуществляется при температуре нерабочих спаев, равной нулю. Если при практическом использовании термопары температура нерабочих спаев будет отличаться от О °С, это вызовет появление погрешности измерения. Для её устранения нерабочие спаи термостатируют в ванне с тающим льдом, т. е. при t = О °С. Такой способ далеко не всегда применим. Поэтому следует термостатировать нерабочие спаи, чтобы температура их либо сохранялась постоянной во времени, либо менялась возможно медленнее при изменении окружающей температуры. Термостагирование осуществляют либо погружением рабочих спаев на достаточную глубину в землю, что обеспечивает постоянство температуры в течение года, либо помещением их в массивную коробку с тепловой изоляцией, снабжённую ртутным термометром и двумя штуцерами для ввода удлинительных и медных проводов. Обладая большой тепловой инерцией, коробка достаточно медленно реагирует на изменение внешней температуры.

Наиболее радикальным средством стабилизации температуры нерабочего спая является автоматическое термостагирование с электрическим подогревом. Если температура нерабочего спая известна, то вводят соответствующую поправку.

2. Погрешность, обусловленная изменением температуры линии, термопары и вторичного прибора. В термоэлектрических термометрах для измерения термоэдс применяют обычные милливольтметры и низкоомные компенсаторы с ручным или автоматическим уравновешиванием с пределом измерения до 100 мВ. В тех случаях, когда термоэдс измеряют компенсатором, сопротивление цепи термоэдс, как известно, роли нс играет. В тех же случаях, когда термоэдс измеряют милливольтметром, может возникнуть погрешность, вызванная колебаниями температуры всех элементов цепи термоэдс.

Милливольтметр показывает напряжение U_Me, равное.

где е — термоэдс, развиваемая термопарой; R_Me, R, и R, — сопротивления милливольтметра, соединительной линии и термопары.

Из этого выражения следует, что необходимо стремиться к постоянному и как можно меньшему значению сопротивления соединительной линии и термопары.

В отечественных термоэлектрических термометрах при их градуировке учитывается сопротивление внешней относительно милливольтметра линии, равное 5 Ом. Регулировка сопротивления этой внешней цепи осуществляется при помощи добавочной катушки сопротивления из манганина, называемой уравнительной катушкой, непосредственно при монтаже прибора.

3. Погрешность, обусловленная тепловыми потерями преобразователей термоэлектрических термометров и паразитными термоэдс. Для уменьшения этих погрешностей термометра от тепловых потерь при измерении жидких и газообразных сред следует поместить термопару глубоко в измеряемую среду; установить против направления движения среды; трубопровод в районе измерения температуры теплоизолировать; рабочий конец термопары установить в месте наибольшей скорости среды;

защитную трубу изготовлять из материала с малым значением коэффициента теплопроводности; головку термопары защитить от воздействия холодной окружающей среды, для чего предусмотреть надлежащее уплотнение теплоизоляционным материалом.

Компенсация методических температурных погрешностей осуществляется: биметаллическим компенсатором, воздействующим на упругость противодействующей пружины вторичного прибора; подбором характеристик термопар, применением электрических схем компенсации и др.

Термоэдс, возникающая в термопаре, сравнительно небольшая, поэтому для ее измерения используют высокоточные магнитоэлектрические (см. п. 10.1), электронные (аналоговые и цифровые) милливольтметры (см. п. 10.5), ручные и автоматические потенциометры (см. п. 10.3). Милливольтметры, предназначенные для работы с термопарами (пирометрические), градуируют для конкретного типа термопар и при определённом номинальном значении R, = 5 Ом, указываемом на шкале прибора. Пирометрические милливольтметры серийно выпускаются с классами точности от 0,5 до 2,0.

Входное сопротивление электронных милливольтметров очень велико, и поэтому влияние сопротивления R, на показания пренебрежимо мало.

Примеры установки терморезисторов и термопар приведены в п. 5.2 и показаны на рис. 5.10.