Теплоелектричні перетворювачі

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. E_т 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 R_t=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 R₀ при 0° С від номі­нального значення і відношенню опору R₁₀₀ при 100° С до R₀. Допустимі відхилення Д#„ в процентах від номінальних значень R₀ не 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.

Поиск по сайту: