Термоэлектрический преобразователь

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Принцип работы термопары. Эффект Зеебека

Термоэлектрический термометр. Конструкции термопар

Классификация типов конструктивного исполнения термопар

Типы термопар

Заключение

Список литературы

Введение

Термопара (термоэлектрический преобразователь) -- устройство, применяемое для измерения температуры в промышленности, научных исследованиях, медицине, в системах автоматики. Основное назначение термопар - измерение температуры. Температура -- физическая величина, количественно характеризующая меру средней кинетической энергии теплового движения молекул какого-либо тела или вещества. Из анализа определения температуры можно сделать вывод, что данная физическая величина не может быть измерена непосредственно. Судить об изменении температуры какого-либо объекта можно по изменению других физических свойств данного объекта (например, объема, давления, электрического сопротивления, термо-ЭДС, интенсивности излучения и др.). Для обеспечения единства измерений температуры в качестве международного стандарта в 1968 году была принята Международная Практическая Температурная Шкала МПТШ-68 (в настоящее время стандартом является уточненная в 1990 году версия шкалы - ITS-90 (МТШ -90), использующая в качестве опорных (реперных) точек температуры изменения агрегатного состояния определенных веществ, которые могут быть воспроизведены.

Принцип работы термопары. Эффект Зеебека

Принцип работы термопары основан на термоэлектрическом эффекте. Явление термоэлектричества было открыто немецким физиком Т. Зеебеком (T. Seebeck) в 1821 г. и также получило название эффект Зеебека.

Эффект Зеебека состоит в следующем: если соединить два проводника (термоэлектрода) из разнородных металлов или сплавов таким образом, чтобы они образовали замкнутую электрическую цепь (Рисунок 1), и затем поддерживать места контактов (спаи) при различной температуре, то в цепи будет протекать постоянный ток. Цепь, которая состоит только из двух различных проводников (термоэлектродов), называется термоэлементом или термопарой.

Электродвижущая сила, вызывающая ток в цепи, называется термо-ЭДС Зеебека и в первом приближении зависит только от материала термоэлектродов и разности температур спаев.

Термоэлектрод, по которому ток идет от горячего спая к холодному, договорились считать положительным, от холодного к горячему - отрицательным. При обозначении термопары, например ТХА (термопара хромель-алюмель), на первом месте в названии указывается материал положительного электрода, на втором - отрицательного.

Таким образом, зная температуру одного спая (обычно ее поддерживают постоянной, например, равной 0 °С) и измеряя ток или напряжение в цепи, можно однозначно определить неизвестную температуру другого спая.

Стоит заметить, что величина термо-ЭДС составляет милливольты при разности температур в 100 К (173,15 °С) и температуре холодного спая в 0 °С (например, пара медь-константан дает 4,25 мВ, платина-платинородий -- 0,643 мВ).

Термоэлектрический термометр. Конструкции термопар

термоэлектрический преобразователь проволока

Правильнее говорить, что температуру измеряют не с помощью термопары, а с помощью термоэлектрического термометра. Чувствительным элементов такого термометра является термопара; термометрической величиной - термо-ЭДС, возникающая в термопаре; термометрическим свойством - изменение термо-ЭДС с изменением температуры;.

Основными факторами, от которых зависит конструкция термопары, являются условия ее эксплуатации. При конструировании того или иного термоэлектрического преобразователя учитываются такие факторы, как агрегатное состояние вещества, температуру которого требуется измерять, «агрессивность» внешней среды, диапазон измеряемых температур, тепловая инерционность и другие.

Можно выделить следующие особенности конструкции термопар:

§ Концы двух термоэлектродов соединяются между собой в одной точке, образуя рабочий спай. Соединение происходит, как правило, с помощью электродуговой сварки, а термоэлектроды перед сваркой скручивают между собой. В специальных случаях вместо сварки может применяться пайка. Термоэлектроды из тугоплавких металлов, например, в вольфрам-рениевых или вольфрам-молибденовых термопарах, часто соединяют только скруткой без дальнейшей сварки.

§ Термоэлектроды должны быть соединены между собой только в рабочем спае. По всей остальной длине требуется их электрическая изоляция друг от друга.

· Способ изоляции термоэлектродов зависит от верхнего температурного предела применения термоэлектрического термометра. Если указанный предел не превышает 100-120 °С, то может применяться любая изоляция, в том числе воздушная. При температурах до 1300 °С изоляцию выполняют с помощью фарфоровых одно- и двухканальных трубок или бус. При более высоких температурах электроизоляционные свойства пирометрического фарфора сильно ухудшаются, а сам он размягчается. В связи с этим при более высоких температурах используют трубки из окиси алюминия (до 1950 °С) и из окиси магния, окиси бериллия, двуокиси тория и двуокиси циркония (выше 2000 °С).

· В зависимости от среды, в которой осуществляется измерение температуры, термопара может иметь наружную защитную трубку-чехол с закрытым концом. Данная трубка может быть металлической, керамической или металлокерамической. Она должна обеспечивать механическую стойкость термоэлектрического термометра, отсутствие механического напряжения термоэлектродов, гидроизоляцию, а в некоторых случаях герметичность термометра. Материал защитной трубки-чехла должен выдерживать длительное пребывание при температуре верхнего предела применения данной конструкции термопары, а также быть химически стойким к среде, в которой осуществляются измерения, обладать хорошей теплопроводностью. Защитная трубка-чехол должна быть газонепроницаемой и нечувствительной к действию резких изменений температуры.

Если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) А и В, соединив их между собой концами (рис. 1.), причем температуру 1 одного места соединения сделать отличной от температуры о другого, то в цепи появится э.д.с., называемая термоэлектродвижущей силой (термо-э.д.с.) и представляющая собой разность функций температур, мест соединения проводников.

Подобная цепь называется термоэлектрическим преобразователем или иначе термопарой; проводники, составляющие термопару, - термоэлектродами, а места их соединения - спаями.

Рис.1. Конструкция термопары

При небольшом перепаде температур между спаями термо-э.д.с. можно считать пропорциональной разности температур.

На рис. 2 приведена конструкция термопары, выполненная из неблагородных металлов.

Классификация типов конструктивного исполнения термопар

По назначению и условиям эксплуатации:

· погружаемые;

· поверхностные.

· По наличию и материалу защитного чехла:

· изготовляемые без чехла;

· со стальным чехлом (до t ? 600 °С);

· с чехлом из специального жаростойкого сплава (до t ? 1000-1100°С);

· с фарфоровым чехлом (до t ? 1300 °С);

· с чехлом из тугоплавких сплавов (t ? 2000 °С и более).

По конструкции крепления термопары на месте установки:

· с неподвижным штуцером;

· с подвижным штуцером;

· с подвижным фланцем.

· По защищенности от внешней среды со стороны выводов:

· с обыкновенной головкой;

· с водозащищенной головкой;

· со специальной заделкой выводных концов (без головки).

· По защищенности от измеряемой среды:

· защищенные от воздействия неагрессивных и агрессивных сред;

· незащищенные (применяются, когда измеряемая среда не оказывает вредного влияния на термоэлектроды).

По герметичности, рассчитанные на высокое давление измеряемой среды:

· негерметичные;

· герметичные, предназначенные для работы при различных условных давлениях и температурах.

· По устойчивости к механическим воздействиям:

· вибротрясоустойчивые;

· ударопрочные;

· обыкновенные.

· По числу зон, в которых должна контролироваться температура:

· однозонные;

· многозонные.

По степени тепловой инерции:

· с большой инерционностью - до 3,5 минут;

· со средней инерционностью - до 1 минуты;

· малоинерционные - до 40 секунд;

· с ненормированной инерционностью.

Длина рабочей части термопары может быть различной: от 120 до 1580 мм для однозонных термоэлектрических преобразователей, до 20000 мм - для многозонных.

Типы термопар

Технические требования к термопарам определяются ГОСТ 6616-94. Стандартные таблицы для термоэлектрических термометров (НСХ), классы допуска и диапазоны измерений приведены в стандарте МЭК 60584-1,2 и в ГОСТ Р 8.585-2001.

* платинородий-платиновые -- ТПП13 -- Тип R

* платинородий-платиновые -- ТПП10 -- Тип S

* платинородий-платинородиевые -- ТПР -- Тип B

* железо-константановые (железо-медьникелевые) ТЖК -- Тип J

* медь-константановые (медь-медьникелевые) ТМКн -- Тип Т

* нихросил-нисиловые (никельхромникель-никелькремниевые) ТНН -- Тип N.

* хромель-алюмелевые -- ТХА -- Тип K

* хромель-константановые ТХКн -- Тип E

* хромель-копелевые -- ТХК -- Тип L

* медь-копелевые -- ТМК -- Тип М

* сильх-силиновые -- ТСС -- Тип I

* вольфрам и рений -- вольфрамрениевые -- ТВР -- Тип А-1, А-2, А-3

Точный состав сплава термоэлектродов для термопар из неблагородных металлов в МЭК 60584-1 не приводится. НСХ для хромель-копелевых термопар ТХК и вольфрам-рениевых термопар определены только в ГОСТ Р 8.585-2001. В стандарте МЭК данные термопары отсутствуют. По этой причине характеристики импортных датчиков из этих металлов могут существенно отличаться от отечественных, например импортный Тип L и отечественный ТХК не взаимозаменяемы. При этом, как правило, импортное оборудование не рассчитано на отечественный стандарт.

В настоящее время стандарт МЭК 60584 пересматривается. Планируется введение в стандарт вольфрам-рениевых термопар типа А-1, НСХ для которых будет соответствовать российскому стандарту, и типа С по стандарту АСТМ.

В 2008 г. МЭК ввел два новых типа термопар: золото-платиновые и платино-палладиевые. Новый стандарт МЭК 62460 устанавливает стандартные таблицы для этих термопар из чистых металлов. Аналогичный Российский стандарт пока отсутствует.

Производство термоэлектродной проволоки

Термоэлектродная проволока служит для изготовления электродов термопар. Данная проволока изготовляется в соответствии с требованиями государственных стандартов или технических условий в зависимости от типа термопары. Стандарты и технические условия регламентируют химический состав, физические свойства сплавов, из которых изготовляется проволока, а также ее механические свойства, размеры и предельные отклонения по ним.

Например, проволока для термопар хромель-алюмель должна соответствовать требованиям ГОСТ 1790-77. В соответствии с указанным стандартом для изготовления термоэлектродов используется проволока следующих диаметров 0,2; 0,3; 0,5; 0,7; 1,2; 1,5; 3,2; 5 мм. Также данный стандарт регламентирует диаметры проволоки для термоэлектродов термопар хромель-копель, хромель-константан. ГОСТ 1791-67 определяет диаметры проволоки, из которой изготавливаются удлиняющие провода к термопарам хромель-копель, хромель-алюмель и платинородий-платина. Согласно указанному стандарту проволока может иметь диаметр 0,20; 0,30; 0,40; … 1,00; … 2,50 мм. ТУ 11-75 регламентирует размеры проволоки для изготовления электродов термопар вольфрам-рений. Выпускается проволока диаметром 0,10; 0,20; 0,35 и 0,50 мм.

Термоэлектродную проволоку заданного диаметра получают при выполнении технологической операции протяжки. В зависимости от требуемого диаметра проволоки в качестве заготовки используется либо пруток, либо проволока большего диаметра, чем тот, который требуется изготовить. Протяжка может осуществляться в несколько этапов. В зависимости от материала, из которого изготовлена проволока, процесс протяжки может осуществляться совместно с подогревом, а также при наличии смазки. После протяжки проволока может подвергаться дополнительной термической или химической обработке для удаления смазки и улучшения свойств. Например, термопарную проволоку для электродов и удлиняющих проводов термопар ХА, ХК отжигают.

Главные преимущества термопар:

- широкий диапазон рабочих температур, это самый высокотемпературный из контактных датчиков.

- спай термопары может быть непосредственно заземлен или приведен в прямой контакт с измеряемым объектом.

- простота изготовления, надежность и прочность конструкции.

Недостатки термопар:

- необходимость контроля температуры холодных спаев. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового сенсора и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.

- возникновение термоэлектрической неоднородности в проводниках и, как следствие, изменение градуировочной характеристики из-за изменения состава сплава в результате коррозии и других химических процессов.

- материал электродов не является химически инертным и, при недостаточной герметичности корпуса термопары, может подвергаться влиянию агрессивных сред, атмосферы и т.д.

- на большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.

- зависимость ТЭДС от температуры существенно не линейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.

- когда жесткие требования выдвигаются к времени термической инерции термопары, и необходимо заземлять рабочий спай, следует обеспечить электрическую изоляцию преобразователя сигнала для устранения опасности возникновения утечек через землю.

Заключение

В данном реферате рассмотрены различные аспекты, связанные с термопарами - назначение, принцип работы, типы, производство.

Термоэлектрические термометры, в основе которых лежат термопары, в настоящее время являются одними из самых распространенных средств измерения температуры.

Наличие локальных и международных стандартов, регламентирующих требования к термопарам, существенно упрощает их выбор и эксплуатацию.

Описание принципа работы термопары и процесса ее производства позволяет получить базовый набор знаний, полезный при непосредственной работе с термоэлектрическими термометрами.

Список литературы

1. С.Ф.Чистяков ,Д.В.Радун «Технические измерения и приборы», М.: «Высшая школа» 1972

2. О.М.Блинов, А.М.Беленький, В.Ф.Бердышев «Теплотехнические измерения и приборы», М.: «Металлургия» 1993

3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Термопара - Термопара

4. Гарсия В. - Измерение температуры: теория и практика

5. https://slovari.yandex.ru/~книги/БСЭ/Термометрия/ - Термометрия

6. Преображенский В.П. - Теплотехнические измерения и приборы…

7. Зимин Г.Ф. - Поверка и калибровка термоэлектрических преобразователей…

8. https://ru.wikipedia.org/wiki/Геттер_(газопоглотитель) - Геттер (газопоглотитель)

9. http://metallurgicheskiy.academic.ru/2094/Газоплотность - Газоплотность

Размещено на Allbest.ru