Тепловые преобразователи (стр. 3 из 6)
Тепловой баланс охлаждаемого в результате эффекта Пельтье спая определяется уравнением
где П12I — теплота, поглощаемая в спае за счет эффекта Пельтье; I — ток через спай; П12 — коэффициент Пельтье, зависящий от материалов спая; I2R— выделяющаяся в термоэлементе теплота Джоуля, часть которой поступает на холодный спай; G'e(Qнагр — Q0ХЛ) — тепловой поток, обусловленный разностью температур нагреваемого и охлаждаемого спаев;' G'Q— тепловая проводимость термоэлемента;Gе (Qокр — Qохл) — тепловой поток, возникающий в результате теплообмена между, окружающей средой и охлаждаемым спаем.
Как видно из приведенного уравнения, температура холодного спая будет уменьшаться при увеличении тока за счет эффекта Пельтье, в то же время с увеличением тока увеличивается теплота Джоуля, и эффект нагревания при больших токах снижает эффект охлаждения. Поэтому минимальная температура холодного спая достигается при некотором оптимальном токе.
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.
Таблица 4
| Материал | Термо-, ЭДС, мВ | Материал | Термо-ЭДС, мВ |
| Кремний | +44,8 | Свинец | +0,44 |
| Сурьма | +4,7 | Олово | +0,42 |
| Хромель | +2,4 | Алюминий | +0,40 |
| Нихром | +2,2 | Графит | +0,32 |
| Железо | +1,8 | Уголь | +0,30 |
| Сплав (90% Pt + 10% Ir) | +1,3 | Ртуть | 0,00 |
| Молибен | +1,2 | Палладий | -0,57 |
| Вольфрам | +0,8 | Никель | -1,5 |
| Манганин | +0,76 | Алюмель | -1,7 |
| Медь | +0,76 | Сплав (60%Au + 30%Pd + | -2,31 |
| Золото | +0,75 | 10%Pt) | |
| Серебро | +0,72 | Константан | -3,4 |
| Иридий | +0,65 | Копель | -4,5 |
| Родий | +0,64 | Пирит | -12,1 |
| Сплав (90% Pt + 10%Rh) | +0,64 | Молибденит | от-69 до-104 |
Материалы, применяемые для термопар. В табл. 4 приведены термо-ЭДС, которые развиваются различными термоэлектродами в паре с платиной при температуре рабочего спая Q1 = 100 °С и температуре свободных концов Q0 = 0 °С. Зависимость термо-ЭДС от температуры в широком диапазоне температур обычно нелинейна, поэтому данные таблицы нельзя распространить на более высокие температуры.
При конструировании термопар, естественно, стремятся сочетать термоэлектроды, один из которых развивает с платиной положительную, а другой — отрицательную термо-ЭДС. При этом необходимо учитывать также пригодность того или иного термоэлектрода для применения в заданных условиях измерения (влияние на термоэлектрод среды, температуры и т. д.).
Материалы, применяемые в промышленных термопарах, обусловлены ГОСТ 6616—74. Однако используется и ряд специальных термопар, например при измерениях тепловой радиации, для измерений температуры нагревателей в термоанемометрах и вакуумметра, в термоэлементах термоэлектрических амперметров, вольтметров и ваттметров.
Термопары этого типа работают при сравнительно небольшихтемпературах, но для повышения чувствительности преобразователей мощности в температуру должны обладать минимальной теплоемкостью и минимальным коэффициентом теплоотдачи. Поэтому такие термопары выполняются из тонкой проволоки диаметром d 5 10 мкм.
Для повышения выходной ЭДС используется несколько термопар, образующих термобатарею. На рис. 6 показан чувствительный элемент радиационного пирометра. Рабочие спаи термопар расположены на черненом лепестке, поглощающем излучение; свободные концы — на массивном медном кольце, служащем токоотводом и прикрытом экраном. Благодаря массивности и хорошей теплоотдаче кольца температуру свободных концов можно считать постоянной и равной комнатной.
3. УДЛИНИТЕЛЬНЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРОДЫ, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ, ПОГРЕШНОСТИ ТЕРМОПАР
Удлинительные термоэлектроды. Свободные концы термопары должны находиться при постоянной температуре (рис. 7). Однако не всегда возможно сделать термоэлектроды термопары настолько длинными и гибкими, чтобы ее свободные концы размещались в достаточном удалении от рабочего спая. Кроме того, при использовании благородных металлов делать длинные термоэлектроды экономически невыгодно, поэтому приходится применять провода из другого материала. Соединительные провода А1и В1(рис. 7), идущие от зажимов в головке термопары до сосуда объемом V, тем пературу в котором желательно поддерживать постоянной, называют удлинительными термоэлектродами. Далее для соединения с измерительным прибором можно использовать обычные провода.
Чтобы при включении удлиниnельных термоэлектродов из материалов, отличных от материалов основных термоэлектродов, не изменилась термо-ЭДС термопары, необходимо выполнить два условия. Первое — места присоединения удлинительных термоэлектродов к основным термоэлектродам в головке термопары должны иметь одинаковую температуру. И второе — удлинительные термоэлектроды должны быть термоэлектрически идентичны основной термопаре, т. е. иметь ту же термо-ЭДС в диапазоне возможных температур места соединения термоэлектродов в головке термопары (примерно в диапазоне от 0 до 200 °С).
Для термопары платинородий — платина применяются удлинительные термоэлектроды из меди и сплава ТП, образующие термопару, термоидентичную термопаре платинородий — платина в пределах до 150 °С. Для термопары хромель — алюмель удлинительные термоэлектроды изготовляются из меди и константана. Для термопары хромель — копель удлинительными являются основные термоэлектроды, но выполненные в виде гибких проводов.
При неправильном подключении удлинительных термоэлектродов возникает весьма существенная погрешность.
Погрешность, обусловленная изменением температуры свободных концов термопары. Градуировка термопар осуществляется при температуре свободных концов, равной нулю. Если при практическом использовании термоэлектрического термометра температура свободных концов будет отличаться от 0 °С на величину + Q0, то измеренная ЭДС будет меньше и необходимо ввести соответствующую поправку в показания термометра.
Однако следует иметь в виду, что из-за нелинейной зависимости между ЭДС термопары и температурой рабочего спая поправка DQ к показаниям указателя Q', градуированного непосредственно в градусах, не будет равна температуре Q0 свободных концов, что очевидно из рис. 9.
Для определения температуры необходимо воспользоваться градуировочной таблицей для данной термопары, определить ЭДС .Е как Е = Еизм+ DЕ (Q0) и затем по скорректированному таким образом значению Е найти Q. Приближенно значение погрешности может быть определено как
DQ = kQ0,
где k— поправочный коэффициент на температуру свободных концов. Значение kразлично для каждого участка кривой, поэтому градуировочную кривую разделяют на участки по 100 °С и для каждого участка определяют значение k.
В качестве примера устройства автоматического введения поправки на. температуру свободных концов на рис. 10 схематично показано устройство типа КТ-0,8. В цепь термопары и милливольтметра включен мост, одним из плеч которого является терморезистор RT, помещенный возле свободных концов термопары (остальные плечи моста выполнены из манганиновых резисторов). При температуре в0 мост находится в равновесии и напряжение на его выходной диагонали равно нулю.
При повышении температуры свободных концов сопротивление R, изменяется, мост выходит из равновесия и возникающее напряжение на выходной диагонали моста компенсирует уменьшение термо-ЭДС термопары. Уравновешивание моста при температуре терморезистора, равной нулю, производится изменением сопротивления одного из манганиновых резисторов. Изменение выходного напряжения Uвыхмоста при температуре терморезистора Q до значения, равного уменьшению термо-ЭДС DЕ, так, чтобы ивых(0) — — АЕ (0) = 0, производится изменением напряжения питания моста, т. е. сопротивления R. Вследствие нелинейности характеристики термопар полной коррекции погрешности при помощи описываемого устройства получить не удается, однако погрешность значительно уменьшается.
Погрешность, обусловленная изменением сопротивления измерительной цепи. В термоэлектрических термометрах для измерения термо-ЭДС применяют как обычные милливольтметры, так и потенциометры с ручным или автоматическим уравновешиванием на предел измерения до 100 мВ.
В тех случаях, когда термо-ЭДС измеряется милливольтметром, может возникнуть погрешность из-за изменения сопротивлений всех элементов, составляющих цепь термо-ЭДС. Измерительная цепь термопары включает в себя рабочие термоэлектроды, удлинительные термоэлектроды и соединительные провода или линию. Сопротивление рабочих термоэлектродов из неблагородных металлов не превышает 1 Ом, сопротивление рабочих термоэлектродов из благородных металлов больше. Кроме того, термоэлектроды, за редким исключением, выполняются из материалов, имеющих относительно высокий ТКС, и при изменении температуры на несколько сотен градусов внутреннее сопротивление термопары существенно возрастает.