Термоэлектрические преобразователи

Министерство образования Республики Беларусь

 

Учреждение образования

«Гродненский государственный  университет им. Янки Купалы»

 

 

Физико-технический факультет

 

 

 

Кафедра информационных систем и технологий

 

 

 

Специальность: Информационно-измерительная техника

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

Тема: Термоэлектрические преобразователи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Разработал:  Воронов Д. И.

Проверил:  Недолугов В. И.

 

 

 

 

2012

 

Термоэлектрические преобразователи.

 

1. Принцип измерения  температуры термоэлектрическим  методом. Конструкция термопары

 

Первичным преобразователем термоэлектрического термометра служит термопара, состоящая из двух разнородных проводников. Принцип действия термопары основан на термоэлектрическом эффекте, т.е. на возникновении в замкнутой цепи из двух разнородных проводников электрического тока, в том случае если места спаев имеют разную температуру [1].

 

                                        

 

 

 

 

 

Рис 1.  Термоэлектрическая цепь из двух разнородных

проводников

 

Спай с температурой t  называется горячим или рабочим, спай с температурой t₀- холодным или свободным, а проводники А и В - термоэлектродами.

Термоэлектрический эффект объясняется наличием в металлесвободных электронов, число которых в единице объема различно для разных металлов.

Электрическое поле, возникающее в месте соприкосновения проводников, препятствует диффузии электронов, и, когда скорость диффузии электронов станет, равна скорости их обратного перехода под влиянием установившегося электрического поля, наступает состояние подвижного равновесия. При таком состоянии между проводниками возникает некоторая разность потенциалов, а следовательно, и ТЭДС. Таким образом, термоЭДС (ТЭДС) является функцией двух переменных величин, т.е. Е_АВ (t,t₀).

Поддерживая температуру  спаев t₀ постоянной, получим

 

Е_АВ (t,t₀)=f (t).

 

Это означает, что измерение  температуры t сводится к определению ТЭДС термопары. ТЭДС не меняется от введения в цепь термопары третьего проводника, если температуры концов этого проводника одинаковы. Следовательно, в цепь термопары можно включать соединительные провода и измерительные приборы.

Требования к материалу  для изготовления термопары:

1. постоянство ТЭДС во времени;
2. устойчивость к воздействию высоких температур;
3. возможно большая величина ТЭДС и однозначная зависимость ее от температуры;
4. небольшой температурный коэффициент электрического сопротивления и большая электропроводность;
5. Воспроизводимость термоэлектрических свойств, обеспечивающих взаимозаменяемость термопар.

 

2. Типы стандартных  термопар и диапазоны изменяемых  температур для каждого их вида

 

В соответствии с ГОСТ 6616-94 [3] известны следующие виды термопар (см. таблицу).

 

          Таблица 1

 

Тип термопары	Буквенное обозначение НСХ	Пределы измеряемых температур
		Нижний	Верхний	Кратко-временно
Медь-константановая ТМКн	T	-200	350	400
Хромель-копелевая ТХК	L	-200	600	800
Хромель-константановая ТХКн	E	-200	700	900
Железо-константановая ТЖКн	J	-200	750	900
Хромель-алюмелевая ТХА	K	-200	1200	1300
Нихросил-нисиловая ТНН	N	-270	1200	1300
Платинородий-платиновые ТПП13, ТПП10	R,S	0	1300	1600

Платинородий-платинородиевая	B	600	1700	-
Вольфрамрений-вольфрамрени-евые	А-1,А-2, А-3	0	2200	2500

Окончание табл. 1

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Применение термоэлектродных  проводов и их свойства

 

Правильное измерение  температуры возможно лишь при постоянстве температуры холодных спаев. Соединительные провода предназначены для удаления холодных спаев термопары на возможно большее расстояние от объекта измерения, т.е. от зоны с меняющейся температурой [1].

Соединительные провода должны быть термоэлектрическими, подобно термоэлектродам термопары, их целесообразно называть термоэлектродными проводами. Термоэлектродные провода для термопар из неблагородных металлов выполняются из тех же металлов. Для термопар из благородных металлов термоэлектродные провода выполняются из сплава (99,4% Cu + 0,6%Ni).

 

4. Измерительные приборы  применяемые комплексно с термопарами  для измерения температуры

 

Для измерения ТЭДС в  комплектах термоэлектрических термометров  применяют милливольтметры и потенциометры.

Милливольтметры делятся  на переносные и стационарные, а  потенциометры — на лабораторные, переносные и автоматические. Милливольтметры – это магнитоэлектрические приборы: их работа основана на взаимодействии проводника, по которому течет ток магнитного поля постоянного магнита [1].

Принцип потенциометрического метода измерения  основан на уравновешивании (компенсации) измеряемой ТДЭС известной разностью потенциалов, образованной вспомогательным источником тока.

 

 

5. Принцип действия магнитоэлектрического милливольтметра

 Магнитная система милливольтметра (рис. 2) состоит из подковообразного магнита, полюсных наконечников и цилиндрического сердечника. В воздушном кольцевом зазоре между полюсными наконечниками и сердечником вращается рамка из медного (реже алюминиевого) провода. Чаще всего рамка крепится на кернах, которые опираются на подпятники из агата или рубина. Момент, противодействующий вращению рамки, создаётся спиральными пружинами, которые одновременно служат и для подвода тока от термоэлектрического преобразователя к рамке [1].

В более точных, а также в регистрирующих приборах рамка подвешивается на тонких металлических лентах (рис. 3), которые создают противодействующий момент и одновременно служат для подвода тока. С помощью грузиков подвижная система уравновешивается так, чтобы центр ее тяжести находился на оси рамки. Ток, протекая через рамку, вызывает появление двух одинаковых сил, направленных в разные стороны и стремящихся повернуть рамку [1]. Вращающий момент, создаваемый этими силами, равен:

 

М_φ = k₂Eφ,   или   М_φ = k₂Gφ,

 

где k₂ — постоянный множитель, зависящий от геометрических размеров упругой детали; Е — модуль продольной упругости  (при уравновешивании упругой спиральной пружиной); G — модуль сдвига (при уравновешивании закручиванием ленточного подвеса).

Изменения В и Е при изменении температуры окружающей среды не влияют на показания милливольтметра, так как обе величины изменяются почти одинаково. Тогда зависимость угла поворота рамки от величины тока может быть выражена приближенной формулой Ф~СI, из которой следует, что шкала милливольтметра равномерна и чувствительность прибора одна и та же в любом месте шкалы.

В приборах с рамкой на кернах необходимо учитывать момент трения в опорах, который вносит погрешность в результаты измерений и создает вариацию в показаниях прибора. Погрешности вызываются также неуравновешенностью подвижной системы, когда ее центр тяжести не совпадает с осью вращения. Неотбалансированный прибор имеет непрямолинейную зависимость угла отклонения от величины тока.

Отечественная приборостроительная промышленность выпускает показывающие милливольтметры с различными пределами измерений.

 

6. Свойства, исключающие, влияние  колебаний температуры свободного спая термопары на показании милливольтметра, электронного потенциометра

 

Измерительные схемы всех автоматических потенциометров предусматривают автоматическое введение поправки на температуру холодных спаев термопары. С этой целью они выполняются в виде неуравновешенного моста [1].

Рассмотрим электрическую  схему автоматической компенсации температуры холодных спаев температуры (рис. 4). Термопара включается последовательно с неуравновешенным мостом, три плеча которого (R₁, R₂ и R₃) выполнены из манганина, а четвертое (R₄) - медное. Схема питается из стабилизированного источника питания. Добавочное сопротивление R_d служит для подгонки подаваемого на мост напряжения до нужного значения.

При постоянном напряжении источника питания изменением сопротивления R_d можно настраивать мост для работы с термопарами различных градуировок. От термопары до компенсационного моста прокладываются термоэлектродные провода, от моста до измерительного прибора - медные.

При градуировочной температуре  холодных спаев термопары мост находится в равновесии, и разность потенциалов на вершинах моста cd равна нулю. С изменением температуры холодных спаев меняется сопротивление R₄, вследствии чего нарушается равновесие моста, и на его вершинах cd возникает разность потенциалов, которая должна быть равна по величине и противоположна по знаку изменению ТЭДС термопары, вызванному отклонением температуры ее холодных спаев от градуировочной [1].

 

 

7. Сущность нулевого (компенсационного) метода измерения ТЭДС

 

Схема потенциометра с постоянной силой тока в компенсационной цепи показана на рис. 5. В этой схеме три электрические цепи. В цепь источника тока (компенсационную) входит источник тока Е, регулировочное сопротивление R_b (реостата), постоянное сопротивление R_НЭ и измерительное сопротивление R_Р с перемещающимся вдоль него контактом Д. Измерительное сопротивление в потенциометрах выполняется в виде калиброванной проволоки (реохорда), секционного сопротивления или в виде сочетаний того и другого [1].

В цепь нормального элемента входит нормальный элемент НЭ, сопротивление R_НЭ и нулевой прибор НП. В цепь термопары входит термопара, нулевой прибор НП и часть измерительного сопротивления R_P.

Нормальный элемент, предназначенный  для контроля постоянства разности потенциалов между конечными точками реохорда, развивает вполне определенную постоянную во времени ЭДС. Обычно применяется ртутно-кадмиевый гальванический элемент Вестона, развивающий при температуре 20⁰С ЭДС, равную 1,01830 В, и сохраняющий это значение при малых и кратковременных нагрузках в течение длительного времени. Пользуясь нормальным элементом, можно довольно точно установить постоянство разности потенциалов на концах реохорда. Для этой цели переключатель П переводят на контакт К, включая НП в цепь НЭ и одновременно разрывая цепь термопары.

Нормальный элемент  присоединяется к концам сопротивления R_НЭ и притом так, что его ЭДС оказывается направленной навстречу ЭДС источника тока Е. Регулируя ток в компенсационной цепи реостатом R_b, добиваются такого положения, при котором разность потенциалов на концах сопротивления становится равной ЭДС НЭ. При этом ток в цепи нормального элемента равен нулю, и стрелка НП устанавливается на нуле шкалы. В этом случае ток в компенсационной цепи:

   .

Для измерения ТЭДС термопары переключатель П переводят на контакт И, подключая тем самым термопару последовательно с НП к измерительному сопротивлению в точке b и скользящему контакту Д ТЭДС термопары тогда будет действовать в сторону, противоположную ЭДС источника тока Е.

Перемещая контакт Д, находят такое его положение, при котором разность потенциалов между точками b и Д измерительного сопротивления равна ТЭДС термопары; при этом ток к цепи термопары равен нулю (стрелка НП устанавливается на нуль шкалы). Тогда

.

Так как Е_НЭ и R_НЭ постоянны, то определение ТЭДС термопары сводится к определению длины участка измерительного сопротивления R_bД. Измерение ТЭДС компенсационным методом осуществляется при отсутствии тока в цепи термопары, поэтому сопротивление цепи (термопары, соединительных проводов, НП), а следовательно, и его зависимость от температуры не влияет на точность измерения. Это свойство является одним из существенных преимуществ компенсационного метода измерения.