Материал: U10sUZIsoo

Подставляя в (5.1) вместо eac(t2) выражение, полученное с помощью (5.3), и

заменяя eba(t1) на −eab(t1) и ecb(t3) на −ebc(t3), имеем

Eabc (t1, t2, t3 ) = eab (t2 ) − eab (t1) + ebc (t2 ) − ebc (t3 ).

Используя (5.1), окончательно получим:

Eabc (t1, t2, t3 ) = Eab (t2, t1 ) + Ebc (t2 , t3 ).

Таким образом, термоЭДС трехэлектродной цепи является суммой тер-

моЭДС двух термопар: 1) термопары, составленной из проводников a и b с

температурами t2 и t1 на ее рабочем и свободном концах, и 2) термопары, со-

ставленной из проводников b и c с температурами t2 и t1 на концах проводника c. Однако, если t3 = t2, то Ebc(t2, t3) = 0. Отсюда вытекает важное для практики температурных измерений следствие: если в цепь термопары включается один или несколько инородных проводников с одинаковыми температурами на концах, то каковы бы ни были термоэлектрические свойства инородного про-

водника, его наличие не вызовет искажения термоЭДС термопары.

Включение электроизмерительного прибора в цепь термопары может осуществляться двояко: либо в разрыв свободных концов (рис. 5.3), либо в разрыв одного из термоэлектродов (рис. 5.4). В обоих случаях места подклю-

чения соединительных проводов в цепь термопары должны иметь одинако-

вые температуры (t3 на рис. 5.4), тогда на основании выведенного ранее пра-

вила наличие в цепи термопары инородных проводников (измерительного

прибора) не приведет к искажению ее термоЭДС.

41

Физика металлов не позволяет рассчитывать с нужной точностью термоЭДС термопар. Поэтому необходимые для практического использования зависимости E(t1, t2) различных термопар находятся экспериментально. Для сравнения между собой эти зависимости относят к одной и той же стандартной температуре свободных концов термопары t0 = 0 °C.

Если термопара применяется с температурой t0 ¹ 0 °C, то в измеренное значение ее термоЭДС вводят поправку для приведения к этой стандартной температуре. Для приведения измеренного значения E(t, t1) термоЭДС тер-

мопары с температурой свободных концов t1 к значению ее термоЭДС при стандартной температуре t0 следует к измеренному значению E(t, t1) приба-

вить поправку E(t1, t0), которая представляет собой термоЭДС термопары та-

кого же типа, но с температурами рабочего конца t1 и свободных концов t0.

5.3. Типы и конструкции термоэлектрических преобразователей

Для широкого применения установлены шесть типов термоэлектрических преобразователей (ТЭП), некоторые характеристики которых приведены в табл. 5.1, а их краткие номинальные статические характеристики, т. е. номинальные значения их термоЭДС при температуре рабочего конца t и температуре свободных концов 0 °C, – в табл. 5.2. В скобках указаны международные обозначения типов ТЭП.

Под длительным применением принято считать работу ТЭП в течение от нескольких сотен до тысяч часов. За этот срок изменение статической характеристики термопары по отношению к первоначальной не должно превышать 1 %. Кратковременным применением считается работа ТЭП в течение от нескольких до 100 ч. За это время статическая характеристика термопары также не должна измениться больше, чем на 1 %.

42

Таблица 5.2

Конструктивное оформление термоэлектрических преобразователей разнообразно и достаточно просто. Схема трубчатого ТЭП приведена на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Конструктивная схема термоэлектрического термометра

Чувствительный элемент – два надежно соединенных термоэлектрода 1 (как правило, сваренных на рабочем конце), электрически изолированных друг от друга электроизоляционными трубками 2, помещаются в защитный чехол 3, головка которого снабжена соединительными винтами 4 (закрытыми кожухом 5) для подключения проводов 6 к измерительному прибору. Защитная арматура предназначена для защиты чувствительного элемента ТЭП от механических повреждений и воздействия среды, температура которой измеряется. Для обеспечения надежной работы термопреобразователей их конструктивные элементы должны удовлетворять ряду общих требований к качеству спая рабочего конца; надежности электрической изоляции термоэлектродов; выбору защитной арматуры.

Все ТЭП выполняются так, чтобы их конструкция была компактной, имела минимальную массу и обеспечивала возможность свободно извлекать электрически изолированные термоэлектроды для их поверки, а в случае

43

необходимости − замены. Для измерений температур в промышленности используются около 100 различных типов термоэлектрических преобразователей, конструктивное оформление которых зависит от условий их эксплуатации. В частности, важное значение имеет способ контакта термопреобразователя со средой, температура которой измеряется. Для более узких измерительных задач иногда используются кабельные и пленочные ТЭП.

Кабельные ТЭП. При изготовлении ТЭП этой конструкции одну, две или несколько сваренных термопар помещают в стальную трубку с заваренным донышком и изолируют термоэлектроды друг от друга с помощью порошков оксидов алюминия или магния. Рабочие концы ТЭП привариваются к донышку трубки, и в таком собранном виде ТЭП подвергается вытягиванию с применением, по мере надобности, нагрева до 600 °С. Разработанная тех-

нология позволяет получать ТЭП в армировке с наружным диаметром до 1 мм и длиной до 100 м. Удобство кабельных ТЭП заключается в том, что изза большой длины и гибкости их можно прокладывать в сложных трассах. Совершенствование кабельных ТЭП привело к созданию многоэлектродных

6

5

Рис. 5.6. Конструктивная схема кабельного термометра

кабельных ТЭП с рабочими концами, расположенными на различных расстояниях (рис. 5.6). Число рабочих концов в таком кабеле три или пять с наружным диаметром защитного кожуха 3 и 6 мм.

Пленочные ТЭП. Такие ТЭП используются для измерения температур

поверхностей тел. Термоэлектроды ТЭП образуются пленками металлов толщиной от долей до нескольких микрометров. Для неэлектропроводных объектов пленочные термоэлектроды наносятся непосредственно на контро-

лируемую поверхность; для электропроводных − на изолятор-подложку кон-

фигурации, соответствующей форме контролируемой поверхности, на кото-

рой подложка и закрепляется с хорошим тепловым контактом. В последнем случае различают искусственные ТЭП (с двумя термоэлектродами, нанесен-

ными на подложку) и полуискусственные, в которых на подложку наносится

44

мопар. Поэтому применение таких ТЭП не может претендовать на высокую точность измерения температур.

5.4. Воздействие электромагнитных полей

Применение ТЭП в условиях воздействия электромагнитных полей (например в индукционных тигельных печах) сопряжено с индуцированием в измерительной цепи переменной составляющей ЭДС, достигающей в ряде случаев десятков вольт.

Разнообразие условий измерения температур и различная армировка ТЭП не позволяют рекомендовать универсальные способы устранения этого вида помехи. Нередко для снижения ее до приемлемого уровня приходится пробовать различные схемные решения и выбирать из них наиболее эффективные.

Наиболее простым является заземление термоэлектродов ТЭП. Однако такой способ далеко не всегда позволяет устранить наводки переменного тока. Более радикальное средство − включение в цепь ТЭП емкости и индуктивности по схеме на рис. 5.8.

Следует иметь в виду, что наличие в измерительной схеме цепочки LC влияет на динамические характеристики всего тракта и ограничивает его применение для измерения динамики изменения температуры. Полезно для устранения наводки использование трехэлектродного ТЭП с включением в цепь

45