Практично використовують два принципи перетворення теплових величин або параметрів теплових процесів на електричні —термоелектричний і терморезистивний. Teплоелектричні перетворювачі використовують для вимірювань температури і таких неелектричних величин, як переміщення, швидкість і витрати рідких і газоподібних речовин, їх якісний та кількісний склад, тиск, вологість тощо. При цьому використовується залежність проходження теплових процесів від теплопровідності і швидкості руху досліджуваного середовища (рідин, газів).
Термоелектричні перетворювачі. Принцип роботи термоелектричного перетворювача (термопари) полягає в перетворенні температури на термо-е. р. с. на основі термоелектричного ефекту Зеебека. Конструктивно термопара являє собою два відповідно з'єднані між собою різнорідні провідники (напівпровідники) (рис. 191). Точку їх з'єднання називають гарячим (робочим) спаєм термопари. Якщо гарячий спай термопари помістити в середовище з температурою t, a холодні (вільні) кінці — в середовище з температурою t0, то значення термо-е. р. с. Eт буде пропорційним різниці цих температур. Звичайно, якщо температуру вільних кінців термопари підтримувати сталою, то термо-е. р. с. буде функцією температури робочого спаю.
Залежно від температурного діапазону перетворень і умов експлуатації термоелектроди А і В можна виготовляти з різних матеріалів. До матеріалів термопар ставляться такі вимоги, як однозначна залежність термо-е. р. с. від температури, незмінність термоелектричних властивостей хімічна і механічна стійкість при високих температурах, висока електропровідність. Для виготовлення термопар термоелектроди з'єднують у гарячому спаї паянням, зварюванням чи скручуванням. У промислових термоелектричних вимірювальних перетворювачах температури (термоелектричних термометрах) термопару вміщують у захисний каркас.
Промисловість випускає багато різних типів термоелектричних термометрів, які залежно від типу (табл. 15) мають різні температурні діапазони і властивості.
Рівняння перетворення термопари із задовільною для практики точністю можна подати у вигляді
де ет — термо-е. p. c., t — різниця температур гарячого спаю і холодних кінців; А, В, С — сталі, значення яких залежать від матеріалів термоелектродів.
Оскільки залежність £т від температури є нелінійною, то для промислових термопар задають табличні дані термо-е. р. с. для різних температур з інтервалом 1°С при температурі холодних кінців t0 = 00С.
Щоб уникнути паразитних термо-е. р. с., термоелектричний термометр під'єднують до вимірювального приладу з допомогою подовжуючих термоелектродів С і D. Для термопар з неблагородних металів подовжуючі термоелектроди виготовляють з тих самих матеріалів, що й термоелектроди термопари, для термопар з благородних металів—з інших матеріалів, які є ідентичні в термоелектричному відношенні з матеріалами основної термопари. Температура місць під'єднання подовжуючих термоелектродів з основними електродами має бути однакова.
Для термопари платинородій — платина використовують подовжуючі термоелектроди з міді і сплаву ТП, для термопари хромель—алюмель — з міді і константану, а для термопари хромель—копель—з таких самих металів, як і основні.
Термоелектрична здатність напівпровідникових матеріалів значно вища, ніж у металів та їх сплавів. Тому їх застосування для створення термопар є дуже перспективним, проте воно обмежується значною нестабільністю їх термо-е. р. с. в часі. Для поліпшення стабільності характеристик напівпровідникових термопар їх термоелектроди виготовляють з легованих напівпровідникових матеріалів.
У термоелектричних перетворювачах використовують також явища утворення термовихрових струмів у напівпровідниковому середовищі та генерування термо-е. р. с. при наявності в ньому градієнта температури. Особливість таких перетворювачів полягає в тому, що вони виготовляються з монокристалічного напівпровідника і в них відсутній спай двох різнорідних матеріалів, як у звичайній термопарі, завдяки чому забезпечується винятково висока стабільність термо-е. р. с. в часі.
Терморезистивні перетворювачі. Принцип роботи терморезистивного перетворювача грунтується на залежності опору провідника чи напівпровідника від температури. Температура терморезистивного перетворювача визначається режимом його теплообміну з навколишнім середовищем, який залежить від конвекції, теплопровідності досліджуваного середовища й самого термоперетворювача і від випромінювання.
Залежність температури терморезистора і тим самим його опору від цих факторів використовується для вимірювань величин, що характеризують середовище (температура, концентрація, теплопровідність, швидкість потоку). Конструкція терморезистивного перетворювача певної фізичної величини має бути такою, щоб вплив інших величин на значення опору перетворювача був мінімальним.
Для вимірювань швидкості, концентрації або складу досліджуваного рідинного чи газового потоку застосовують перегрівні терморезистори. Робочий струм таких терморезисторів порівняно великий, завдяки чому температура терморезистора завжди вища від температури досліджуваного середовища. У цьому випадку інформацію про вимірювану величину несе температура перегріву терморезистора (різниця температур між терморезистором і досліджуваним середовищем). Терморезистори, що призначені для вимірювань температури, мають працювати в такому режимі, щоб температура перегріву була малою. Для цього обмежують робочий струм до певних значень.
Найбільш виражену залежність опору від температури мають напівпровідникові терморезистори (температурний коефіцієнт опору термістора може досягати до —4%/К),
де А і В —сталі коефіцієнти, що залежать від фізичних властивостей напівпровідника, форми і розмірів перетворювача.
Напівпровідникові терморезистори мають прості конструкції, дешеві і можуть бути мініатюрними (наприклад, у формі кульки діаметром 1 мм). Недоліками їх є розкид номінальних значень опорів (опорів при температурі 20 С) до ±30%; розкид значень температурного коефіцієнта опору до ±5% і більше, нелінійна залежність опору від температури. Для зменшення нелінійності і забезпечення взаємозамінності терморезистори вмикають у вимірювальне коло у вигляді комбінації з термонезалежними резисторами (наприклад, шунтують терморезистор термо-незалежним опором).
Матеріалами провідникових терморезисторів є чисті метали, головним чином мідь і платина (сплави мають менший температурний коефіцієнт опору).
Електролітичну мідь можна нагрівати до температури 180° С (без окислення). Функція перетворення мідних терморезисторів у діапазоні температур від —50 до + 180°С практично лінійна і має вигляд
де а —температурний коефіцієнт електричного опору t — температура; R0 — опір при 0°С.
Платинові терморезистори можна нагрівати до температури 1200°С. Функція перетворення —нелінійна і в інтервалі температур від 0 до + 660°С має вигляд
де R0 — опір при 0°С; А, В і С —сталі коефіцієнти Для температур понад + 660°С і нижче—180°С залежність Rt=f(t) задається у вигляді таблиць.
Провідниковий терморезистивний перетворювач для вимірювання температури зображено на рис. 192. В каналах дво- або чотириканального керамічного каркаса / розміщені платинові спіралі 2, до яких припаяні виводи 3. Простір між спіраллю і каркасом заповнений порошком оксиду алюмінію. Каркас з обмоткою вміщують у захисний чохол. Для зменшення інерційності перетворювача вживають відповідних заходів для поліпшення теплового контакту термоперетворювача з середовищем. Тому застосовують спеціальні мідні накладки, які щільно прилягають як до терморезистора, так і до чохла (через тонкі слюдяні прокладки).
Найпоширенішими промисловими провідниковими термоперетворювачами є платинові ТСП та мідні ТСМ термометри опору (табл. 16).
Клас точності термометрів опору оцінюють по відхиленню опору R0при 0° С від номінального значення і відношенню опору R100 при 100° С до R0. Допустимі відхилення Д#„ в процентах від номінальних значень R0не перевищують для термометрів класу І, II і III відповідно ±0,05%, ±0,1% та ±0,2%. Відношення rioo/rq платинових термометрів опо-
Рис. 192. Будова термометра опору
в реакцію і мають різні теплопровідності, можна визначити, вимірюючи теплопровідність суміші. Теплопровідність суміші, що складається з двох газів, визначають за формулою
Де γ1 і γ2 — теплопровідності складових газів; а —процентний вміст газу з теплопровідністю γ1. Отже, вимірявши γ12 і знаючи γ1 та γ2, можна визначити а.
Щоб зменшити похибку, спричинену теплопровідність: терморезистора, останній виконують з тонкого платинового дроту діаметром 0,02—0,05мм. Відношення його довжини де діаметра має бути більшим за 500, об'єм камери — невеликим, а швидкість проходження досліджуваної суміші - незначною і стабільною в часі. Робоча температура термоперетворювача звичайно дорівнює 100—120° С. Для зменшення впливу температури газу на результат вимірювань використовують ідентичний з основним додатковий перетворювач, який розміщують у камері, заповненій сумішшю з відомим і незмінним складом газів. Щоб температури робочої і компенсаційної камер були однакові, їх виконують у вигляді єдиного блока.
Терморезистори можна застосовувати і для вимірювані малих тисків (вакууму). Теплопровідність газу можна визначити як
де k — коефіцієнт пропорційності; п — кількість молекул; /—середня довжина шляху вільного пробігу молекул.
При малих тисках у невеликих об'ємах середня довжина / шляху вільного пробігу молекул дорівнює відстані d між стінками об'єму, в якому вимірюється тиск. Тоді
З формули видно, що теплопровідність газу при невеликих тисках прямо пропорційна кількості молекул, а отже, і тиску.
Терморезистори застосовують і в пристроях для вимірювань швидкості газового потоку —термоанемометрах. Усталена температура перегріву терморезистора, який знаходиться в газовому потоці, залежить від швидкості потоку, яка впливає на конвекційний теплообмін між терморезисторами і середовищем.