Законы термоэлектричества

Для практического использования термопар необходимо знать три основных за­кона, устанавливающих правила их подключения. Следует подчеркнуть, что ин­терфейсные электронные схемы всегда должны подсоединяться к двум идентич­ным проводникам. Эти проводники, как правило, формируют одно из плечей тер­мопарного контура, используемого для подключения измерительного устройства. На рис. 16.15А это разомкнутое плечо обозначено как А.

Рис. 16.15. Иллюстрации правил соединения термопар

Закон 1.Явление термоэлектричества характерно только для неоднородных электрических цепей.

Из этого закона следует, что для получения разности потенциалов Зеебека необходимо использовать неоднородный материал. В случае однородного про­водника при любом распределении температуры вдоль его длины результирую­щее напряжение будет всегда нулевым. Соединение двух разных проводников обеспечивает возникновение термо э.д.с.

Закон 2. Алгебраическая сумма всех термо э.д.с. цепи, состоящей из любого количества термопар (соединений разных материалов), будет всегда равна нулю, если все соединения находятся при одинаковой температуре.

Это значит, что в любое плечо термоэлектрического контура можно внести дополнительный материал С, не боясь изменить результирующее напряжение К, при условии, что оба новых соединения будут иметь одинаковую температуру (Т₃ на рис. 16.15А). Здесь нет никаких ограничений на количество внесенных про­водников, необходимо только поддерживать одинаковую температуру в местах их подключения. Из этого закона также следует, что термоэлектрические соедине­ния могут выполняться любым способом, даже с использованием промежуточ­ных материалов (например, припоев): сваркой, пайкой, скруткой, сплавлением и т.д.. При этом метод соединения не будет влиять на точность термопар. Из закона 2 вытекает правило введения дополнительных материалов (рис. 16.15Б): Если изве­стны термо э.д.с (V₁, и V₂)двух проводников (В и С) при их подсоединении к эта­лонному проводнику А, результирующее напряжение при непосредственном кон­такте проводников В и С будет равно алгебраической сумме термо э.д.с V₁, и V_2.

Закон 3. Если два соединения разных материалов, находящихся при темпера­турах Т₁ и Т₂, вырабатывают термо э.д.с V₂, а при температурах Т₂и Т₃результиру­ющая термо э.д.с. равна V₁, то при температурах Т₁, и Т₂выходное напряжение V₃определяется суммой двух термо э.д.с V₁ и V₂ (рис. 16.15В).

Этот закон иногда называется законом промежуточных температур. Он позво­ляет калибровать термопары в одном температурном диапазоне, а использовать в другом. Из этого закона также следует, что в термоэлектрическую цепь могут быть внесены дополнительные провода без изменения ее точностных характеристик.

На основе этих трех законов может быть построено множество практических схем, применяемых для измерения, например, средней температуры объекта, раз­ности температур между двумя объектами, а также для включения в измеритель­ную цепь детекторов температуры других типов для определения температуры эталонных спаев.

Следует отметить, что термоэлектрические напряжения всегда очень малы, поэтому такие детекторы, особенно при использовании длинных соединительных проводов, подвержены влиянию различных помех. В разделе даны реко­мендации по повышению помехоустойчивости термопарных цепей. Для усиления выходного сигнала иногда используют последовательное соединение нескольких термопар, но при этом необходимо обеспечивать, чтобы все эталонные и все чув­ствительные соединения находились при соответствующих температурах. Такие структуры получили название: термоэлементы. Исторически повелось, что эталон­ные соединения называются холодными спаями, а чувствительные — горячими.

На рис. 16.16А показана эквивалентная схема термопары и термоэлемента, состоящая из источников напряжений e_h и е_с, соответствующих разности потен­циалов Зеебека горячего и холодных спаев, и последовательного резистора. Ре­зультирующее напряжение схемы V_р является функцией измеряемой разности тем­ператур. Предполагается, что выводы схемы изготавливаются из того же самого материала, например, железа.

Рис. 16.16. Применение термопар: А — эквивалентная схема термопары, Б — тер­мопарный термометр, в котором для измерения температуры эталон­ного соединения используется полупроводниковый детектор LM35DZ

Схемы подключения термопар

В прошлом холодные спаи термопар опускались в сосуды с тающим льдом для под­держания их температуры, равной 0°С (отсюда появилось название «холодные» спаи). Но это очень неудобно, а для многих практических схем и вовсе невозмож­но. Простое решение этой проблемы вытекает из второго и третьего законов термоэлетричества. Холодный спай может находится при любой температуре, даже при температуре окружающей сре­ды, единственное условие: зна­чение этой температуры долж­но быть известно. Поэтому ча­сто для измерения температу­ры холодного спая использует­ся дополнительный детектор (например, терморезистивный или полупроводниковый) без компенсационных цепей.

Рис. 16.17.Суммирование сигналов термитстора

Рис.16.17. Суммирование сигналов термистора и термопары

На рис. 16.16Б показана схема подключения термопары к электронному интерфейсу. Как видно из схемы, холодный спай термопары и дополнительный детектор находятся практически при одинаковой температу­ре, для этого они часто располагаются на одной медной подложке. Для устра­нения сухих контактов и обеспечения лучшей теплопроводности использует­ся специальная смазка или эпоксидная смола. В рассматриваемом примере в качестве детектора для измерения эталонной температуры применяется полу­проводниковый датчик LM35DZ (National Semiconductor, Inc). Схема имеет два выходных сигнала: напряжение Зеебека V_р и эталонное напряжение V_r. Из рисунка видно, что все соединения внутри схемы выполняются одинаковыми медными проводами. На обоих выводах схемы необходимо поддерживать оди­наковую температуру Т_с, необязательно равную температуре холодного спая. Это обстоятельство очень важно при проведении дистанционных измерений, когда температура интерфейсной схемы может значительно отличаться от тем­пературы холодного спая термопары.

Для определения температуры со схемы снимаются два сигнала: напряжение на термопаре V_p и напряжение с выхода эталонного детектора V_r. Эти два сигнала поступают от датчиков разного типа, имеющих различные передаточные характе­ристики. Термопары для большинства практических случаев можно считать линей­ными преобразователями с нормализованной чувствительностью α_p (В/К), в то вре­мя как выражение чувствительности эталонного детектора определяется его типом. Например, чувствительность термистора а_r при рабочей температуре Т задается уравнением (16.21) и имеет размерность Ом/К. Существует несколько способов об­работки выходных сигналов. Самый точный метод заключается в раздельном изме­рении сигналов, последующем определении эталонной температуры T_r по характе­ристической зависимости эталонного датчика и нахождении разности температур Δ по напряжению на термопаре V_p:

(16.41)

Откуда и находится абсолютная температура измеряемого объекта T_x. Значение чувствительности термопары может быть найдено из соответствующей таблицы Приложения.

При работе в сравнительно узком температурном диапазоне сигналы термо­пары и эталонного детектора температуры могут быть подключены ко входам од­ного ОУ (рис. 16.17). Поскольку чувствительности этих устройств αи α_r доста­точно сильно различаются, необходимо применять масштабирующее устройство. Коэффициент усиления ОУ а должен выбираться, исходя из соотношения:

(16.42)

Желательно, чтобы R_o = S_o (S_o — это сопротивление термистора при калибровоч­ной температуре Т_о в Кельвинах; например, при Т_о= 298.15 К (25°С) или в середи­не рабочего диапазона). После дифференцирования выражения для напряжения К и подстановки уравнения (16.21) получим следующее соотношение для нахож­дения коэффициента усиления:

(16.43)

где V₀ — постоянное напряжение, а β - характеристическая температура термисто­ра. Измеряемая температура может быть найдена по одному из уравнений, при­веденных в таблице 16.3, соответствующих типу используемого термистора. Тем­пература вычисляется по сопротивлению термистора S_c, определяемого по вы­ходному напряжению Vc:

(16.44)

Термопарные сборки

Термопарная сборка обычно состоит из следующих компонентов: чувствительно­го элемента (спая), защитной трубки (керамической или металлической оболоч­ки), теплосборника (необходимого элемента прецизионных датчиков, изготав­ливаемого в виде просверленного стержня, хорошо отполированного с целью сни­жения коррозии) и выводов (контактов, имеющих разную форму соединения: скрученного типа, разомкнутого типа, в виде разъемов и т.д.). На рис. 16.18 пока­заны несколько примеров термопарных сборок. Проводники остаются либо ого­ленными, либо покрываются изоляционным материалом. Для работы в условиях высоких температур используются керамические изоляторы, обладающие доста­точной гибкостью. Проводники термопар без электрической изоляции могут быть источниками измерительных погрешностей. Назначение изоляторов также зак­лючается в защите от воздействия влаги, абразивных веществ, сильных перепа­дов температур, химических реагентов, механических напряжений и ядерного излучения. Для проведения прецизионных измерений необходимо учитывать свойства и ограничения используемых изоляционных материалов. Некоторые изоляторы обладают естественной влагонепроницаемостью. Тефлон, поливинил хлорид и некоторые типы полиимидов являются представителями этой группы.

-Рис. 16.18.Некоторые типы термопарных сборок.

При использовании изоляционных материалов волоконного типа для защиты от влаги применяют про­питки специальными составами на основе резины и силикона. Однако следует заметить, что даже при од­нократном воздействии очень вы­соких температур на такие матери­алы происходит испарение этой пропитки, и материал теряет свои защитные свойства.

К сожалению, изоляционные материалы не всегда могут предот­вратить попадание влаги внутрь сборки. Например, если термопара проходит через зоны высокой и низкой температуры, может произойти конденсация водяных па­ров, что может привести к возникновению погрешностей измерения. В этих слу­чаях требуется герметизация термопарной сборки.

Самыми распространенными изоляторами для термопар, работающих при высоких температурах, являются стекловолокно, волокнистое кварцевое стекло и асбест (который надо использовать с соответствующими мерами предосторож­ности, чтобы не нанести вред человеческому здоровью). В дополнение к этому термопары должны быть защищены от влияния агрессивных атмосфер. Защит­ные трубки выполняют две функции: предохраняют термопары от механического разрушения и экранируют проводники от окружающей среды. Защитные трубки выполняются из углеродистой стали (для работы в окислительной среде в темпе­ратурном диапазоне до 540°С), нержавеющей стали (для температур до 870°С), нержавеющей стали на основе трехвалентного железа (AISI400) и никелевых спла­вов типа Nichrome (Driver-Harris Company), Inconel (International Nickel Company) и т.д. (для работы в окислительных средах при температурах до 1150 °С).

Практически все термопары на основе металлических проводников либо под­вергаются высокотемпературной обработке, либо проходят специальную темпе­ратурную подготовку, целью которой является стабилизация характеристик тер­мопар. Обычно такой подготовки бывает достаточно, но иногда перед проведе­нием прецизионных измерений рекомендуется провести отжиг термопары. Хотя термопары новых типов на основе Pt и Pt/Rh отжигаются при изготовлении, во многих лабораториях перед проведением калибровки проводят дополнительный отжиг всех термопар R,S и В типов, который обычно заключается в электричес­ком нагреве термопары в воздухе. При этом термопары обычно закрепляются меж­ду двумя зажимными устройствами, расположенными довольно близко друг к другу, таким образом, чтобы при нагреве их натяжение было минимальным. Тем­пература нагрева проводников определяется при помощи оптического пиромет­ра. Большинство механических напряжений в проводниках значительно снижа­ется в течение первых нескольких минут прогрева при температуре 1400... 1500°С.

Тонкопленочные термопары формируются на основе соединения двух пле­нок разных металлов. Такие термопары бывают двух типов: в пленок на съемном носителе и в виде матрицы с датчиком, встроенным в тонкий многослойный ма­териал. Толщина металлической фольги, применяемой для изготовления термо­пар, составляет порядка 5 мкм, поэтому она обладает очень маленькой массой и теплоемкостью. Тонкая плоская термопара формирует плотный тепловой контакт с поверхностью измеряемого объекта. Термопары из фольги обладают хорошим быстродействием (типовое значение постоянной времени равно 10 мс) и могут использоваться с любым стандартным электронным интерфейсом. При измере­нии температуры датчиком, обладающим небольшой массой, всегда надо учиты­вать тепловые потери через соединительные провода. Поскольку пленочные тер­мопары имеют большую величину отношения длины к толщине (порядка 1000), тепловые потери на проводах обычно очень малы.

Для присоединения пленочных термопар к объекту разработано несколько способов. Это и применение различных цементирующих материалов, и плазмен­ное нанесение керамических покрытий. Для упрощения эксплуатации плоские термопары часто формируют на промежуточном носителе из полиимидной плен­ки, обладающем прочностью, гибкостью и постоянными геометрическими раз­мерами, а также устойчивостью к нагреванию и инертностью. В процессе крепле­ния термопары к объекту этот промежуточный слой просто удаляется при помо­щи небольшого нагрева. Освобожденная плоская термопара наносится на тон­кую пленку; формируя при этом изолированное соединение. При выборе цемен­тов для крепления термопар необходимо внимательно изучать их состав, чтобы там не было никаких коррозионных компонентов. Например, не рекомендуется использовать цементы на основе ортофосфорной кислоты в термопарах, в кото­рых одним из проводников является медь.