Методичні вказівки до виконання. 1. Термоелектричні датчики

1. Термоелектричні датчики. Термоелектричний датчик, або термопара, складається з двох різнорідних провідників (рис.1.1, а). Принцип дії термопари застосовано на термоелектричному ефекті, суть котрого полягає в тім, що в замкнутому ланцюзі, що складається з двох або декількох різнорідних провідників, виникає електричний струм, якщо хоча б два місця з’єднання (спаю) провідників мають різну температуру. Провідники АиВназиваються термоелектродами, а місця з’єднання провідників – спаями. Спай, що має температуру t, називається робочим (гарячим), а спай, що має постійну температуру t₀ – вільним (холодним).

Рисунок 1.1. Термопара (а), включення вимірювального приладу в спай термопари (б) и в розрив термоелектроду (в); градуюровочні криві стандартних термопар (г) і схема з’єднання термопари з вимірювальним приладом (д)

Якщо температуру холодного спаю t₀підтримувати постійною, то ЕРС в такому ланцюзі буде залежати тільки від температури гарячого спаю, т. щ. при t₀= const

E_AB(t; t₀) = f(t) (1.1)

Якщо для даної термопари експериментально найдена залежність (1.1), то вимірювання невідомої температури зводиться до визначення ЕРС термопари.

Для виміру ЕРС необхідно розірвати електричний ланцюг термопари, щоб підключити електричний прилад. Останній можна включити, розірвавши ланцюг у холодному спаї або один з електродів (рисунок1.1, б и в). При цьому ЕРС у ланцюзі не зміниться, якщо температура місць приєднання приладу однакова.

При нерівності температур місць приєднання приладу ЕРС термопари зменшиться на ЕРС паразитної термопари. Тому для приєднання електровимірювальних приладів бажано використати провідники, по властивостях близькі до електродів термопари.

Матеріали, призначені для виготовлення термопар, не повинні змінювати із часом своїх фізичних властивостей; повинні бути стійкі до впливу високих температур; мати досить більшу ЕРС, що змінювалася б однозначно залежно від температури, дуже невеликий температурний коефіцієнт електроопору та високу електропровідність.

На практиці найбільше широко застосовують залізо, хромель, платину, копель, алюмель, платинородій та ін. ДСТ 3044-61 рекомендує використати термоелектродні матеріали, що утворять наступні типи стандартних термопар:

1) термопара платинородій-платинова – (ТПП). Платино-родій – це сплав (10 % родію й 90 % платини). Ця термопара використається для виміру високих температур, перевірки робочих термопар й як еталонна. При тривалому застосуванні межі виміру температури становлять від – 20 до 1300 °С, при короткочасному – від – 20 до 1600 °С.

Недоліком ТПП є порівняно невелика що розвиває ЕРС (при t = 500 °С E_t = 4,218 мВ);

2) термопара (ТПР) платинородій (30 % родію)-платинородієва (6 % родію).

Застосовується для виміру високих температур (до 1800 °С), але розвиває малу ЕРС (при t = 500 °С E_t = 1,268 мВ). Для промислових вимірів найбільше часто використають термопари з неблагородних металів;

3) термопара хромель-алюмелєва (ТХА). Хромель - сплав 89 % нікелю, 9,8 % хрому, 1 % заліза й 0,2 % марганцю, алюмель - сплав 94 % нікелю, 2 % алюмінію, 2,5 % марганцю, 1 % кремнію й 0,5 % заліза.

Застосовується для виміру температури до 1300 °С, при тривалому використанні межа виміру не перевищує 1000 °С. ЕРС при температурі 500 °С дорівнює 20,65 мВ;

4) термопара хромель-копелєва (ТХК). Копель – сплав 45 % нікелю й 55 % міді. При тривалому застосуванні вимірює температуру до 600 °С, при короткочасному – до 800 °С. Характеризується найбільшої що розвиває ЕРС (при t = 500 °С E_t = 40,16 мВ).

Крім того, можуть бути використані й нестандартні термопари типу мідьконстантанові, залізокопелєві й ін.

Градуюровочні криві стандартних термопар при t₀ = 0 представлені на рисунку1.1, г.

Термопара являє собою два дроти з різнорідних металів, що нагрівають кінці яких скручуються, а потім зварюються або спаюватимуться.

Діаметр електродів із благородних металів дорівнює 0,5 мм, а з неблагородних 1,5...3 мм. Спай термопари залишається голим й ізолюється порцеляновим наконечником, поміщеним на дні захисної металевої трубки. Для електричної ізоляції термоелектродів застосовують фарфорові намиста.

При використанні термопар для виміру температури в лабораторних умовах температуру холодного спаю підтримують рівної нулю. Для цього спай поміщають у посудину з льодом, що тане. Холодний спай може мати й кімнатну температуру, для чого його занурюють у посудину з маслом, температура якого повинна бути постійною.

У виробничих умовах для правильних вимірів кінці холодного спаю треба віднести можливо далі від об’єкта виміру, щоб забезпечити його постійну температуру. Для зазначеної мети використають компенсаційні проводи. Якщо термопара виготовлена з неблагородних металів, то компенсаційні проводи виконуються з тих же матеріалів, з яких виготовлені електроди термопари. У цьому випадку термопари просто подовжують. Якщо термопара виконана із благородних металів, компенсаційні проводи виготовляють із металів, що мають ті ж або близькі властивості, що й з’єднують із їхньою допомогою електроди термопари, інакше в сполученні проводів з електродами термопар може з’явитися ЕРС, що буде причиною погрішності.

Схема сполучення термопари з вимірювальним приладом компенсаційними проводами показана на рисунок1.1, д. Температури в крапках 1й 2 повинні бути рівні. Це досягається тим, що крапки 1й 2розташовують близько друг до друга в голівці термопари. Холодний спай, що має температуру t₀,вилучений від голівки термопари на довжину компенсаційних проводів, що дає можливість його термостатирувати.

Для автоматичного введення виправлення на температуру холодного спаю застосовують мостові електричні схеми.

Для виміру ЕРС термопар використають мілівольтметри й потенціометри.

2. Електричні термометри опору. Дія електричних термометрів опору (терморезисторів) засновано на властивості матеріалів змінювати свій електричний опір при зміні температури, тобто R = f(t). Опір більшості металів при нагріванні збільшується (рисунок1.2), а напівпровідників, навпаки, зменшується. Вимірюючи опір нагрітого провідника або напівпровідника й знаючи вид функції R = f(t) для даного матеріалу, можна визначити його температуру, а отже, і температуру того середовища, у яку він поміщений.

Як чутливий елемент термометра опору застосовується металевий дріт, намотаний на ізоляційний каркас й укладений в захисний кожух.

Рисунок 1.2. Залежність Для виготовлення терморезисторів повинні бути

використані

опору металевих (1) матеріали, до яких висувають наступні вимоги:

і напівпровідникових – великий температурний коефіцієнт електричного опору,

(2) терморезисторів що забезпечує більшу чутливість приладу.

від температури Температурний коефіцієнт визначають по формулі

α = (R₁₀₀ – R₀) / (R₀·100) (1.2)

де R₀ – опір матеріалу при темпері 0 °С;

R₁₀₀ – опір матеріалу при температурі100 °С.

– великий питомий опір;

– лінійна або близька до неї залежність опору від температури;

– стійкість до впливу високих температур (метал не повинен окислятися або вступати у взаємодію з навколишнім середовищем);

– відтворюваність властивостей, що забезпечує можливість виготовляти термометри з однотипними характеристиками.

Відповідно до цих вимог найбільше застосування одержали платина й мідь.

Особливістю напівпровідникових матеріалів є те, що з ростом температури їхній опір різко падає. Великий температурний коефіцієнт (0,03...0,04) є істотною перевагою напівпровідників. Напівпровідники мають малу провідність; отже, з них можна виготовляти термометри малих розмірів.

У вузькому інтервалі температур залежність опору напівпровідника від температури виражається рівнянням

R = Ae^B/T

або

lnR = lпА + B/ T (1.3)

де А и В – постійні коефіцієнти, що залежать від фізичних властивостей матеріалу напівпровідника;

Т – абсолютна температура.

Для виготовлення напівпровідникових термоопорів застосовують оксиди титану, магнію, заліза, кобальту, нікелю, міді або кристали деяких металів з різними домішками.

Достоїнствами напівпровідникових терморезисторів є їхні малі розміри, а отже, мала теплова інерція й можливість вимірювати температуру у важкодоступних місцях. Крім того, високий опір (30000...40000 Ом) дозволяє зневажити опором провідників, що підводять, і перехідним контактним опором.

Недоліком напівпровідників є нестабільність їхніх характеристик у часі.

Платинові термометри опору (ТСП) призначені для виміру температур від – 200 до + 650 °С. Їх виконують із платинового дроту 3діаметром 0,07 мм і довжиною 2 м, біфілярно намотаного на слюдяну пластинку 2із зубчастими краями (рисунок1.3, а). Ця пластинка з намотаною на неї дротом по обидва боки прикрита двома слюдяними прямокутними накладками 4для ізоляції дроту й додання механічної міцності. Всі три слюдяні деталі скріплені в пакет срібною стрічкою 5. До кінців платинового дроту припаяні срібні виводи 1 діаметром 1 мм, ізольовані порцеляновим намистом.

Елемент опору розташовується у внутрішній алюмінієвій захисній трубці. Зібраний елемент термометра міститься в зовнішню захисну трубку.

Рисунок 1.3. Пристрій платинових (а) напівпровідникових (б) терморезисторів

Для зменшення інерційності термометра вільний перетин й алюмінієвої трубки заповнюється алюмінієвим вкладишем або пелюстками з дюралюмінієвої стрічки. Пелюстки створюють тепловий контакт між слюдою, на яку намотана платиновий дріт, і зовнішньою захисною трубкою, через яку відбувається тепло обмін з навколишнім середовищем. Для підвищення теплового контакту й зниження теплової інерції застосовують також обтиск чутливого елемента плоским металевим чохлом.

Мідний термометр опору (ТСМ) призначений для виміру температур від – 50 до +180°С. Виконується з мідного емальованого дроту діаметром 0,1 мм, намотаного на пластмасовий циліндричний стрижень і покритий зверху лаком. До кінців дроту припаяні виводи також з мідного дроту діаметром 1...1,5 мм. Зібраний термометр опору поміщають у захисну сталеву трубку.

Всі технічні терморезистори випускаються взаємозамінними. Це досягається застосуванням металу однакової чистоти, тобто металу, що володіє однаковими властивостями.

Платинові терморезистори, що серійно випускають, мають умовні позначення градуювання: 20, 21 и 22. Розрізняються вони опорами термометра при 0°С. Так, термометр градуювання 20 має початковий опір R₀ = 10Ом, градуювання 21 – R₀ = 46 Ом, градуювання 22 – R₀ = 100 Ом. Мідні терморезистори градуювання 23 мають опор R₀ = 53 Ом и градуювання 24 – R₀ = 100 Ом.

Номер градуювання вказується на терморезисторі.

Конструкції напівпровідникових терморезисторів можуть бути різними. Стрижневий напівпровідниковий терморезистор (рисунок1.3, б) являє собою циліндр 1з контактними ковпачками, до яких припаяні виводи 5. Тіло терморезистора покрите емалевою фарбою й обмотано металевою фольгою 4. Зовні терморезистор захищений металевим корпусом 2, у верхній частині якого є скляний ізолятор 3.

Недоліком напівпровідникових терморезисторів, що обмежує впровадження їх у промисловість, є слабка відтворюваність властивостей (що виключає їхня взаємозамінність), порівняно невисока максимальна робоча температура й великий розкид температурного коефіцієнта.

Терморезистори включаються в мостові вимірювальні схеми й логометри.

Хід роботи

Завдання

1. Ознайомиться з будовою та принципом дії термопар і терморезисторів.

2. Ознайомиться з основними параметрами цих термодатчиків і градуюванням.

3. Зробити порівняльний аналіз термодатчиків.

4. Накреслити мал. 1.1 термопари і мал. 1.2 залежність опору терморезисторів й 1.3, б терморезистор.

5. Привести стислий опис термодатчиків.

6. Записати висновок про пророблену практичну роботу.

Контрольні питання:

1.Розповісти будову і принцип дії термопари.

2.Які метали застосовують для виготовлення термопар?

3.Що використовують для вимірювання ЕРС термопар?

4.Розповісти принцип дію електричного термометра опору.

5.Що використовують у якості чутливого елементу термометра опору?

6.Які метали використовують для виготовлення термометрів опору?

Література :

1. А.М. Гуржій, Н.І. Поворознюк „Електричні і радіотехнічні вимірювання”

Київ, Навчальна книга, 2002. - 287 с. (с.271-279)

2. Под ред. В.Н. Маліновського „Электрические измерения” Москва Энергоиздат, 1983. - 392 с.(с.350-372)