Измерение температуры термопарами
В основу измерения температуры термопарами (термоэлектрическими термометрами) положен термоэлектрический эффект. Явление термоэлектричества было открыто немецким физиком Т Зеебеком в 1821 г. и состоит в следующем. В замкнутой цепи термоэлектрического преобразователя (термопары), состоящего из двух или нескольких разнородных проводников, возникает электрический ток, если хотя бы два места соединения (спая) проводников имеют разные температуры. Спай, измеряющий температуру t, называется рабочим, а спай, имеющий постоянную температуру t0, — свободным. Проводники А и В называют термоэлектродами. Термопары являются широко распространенными датчиками температуры, используемыми в диапазоне от -200 до 2500°С. Принцип действия термопар основан на зависимости термоэлектродвижущей силы (ТЭДС), возникающей в спае (месте контакта) двух разнородных проводников, от температуры этого спая. Измерительная система, составленная на базе термопары, изображена на рисунке 7а и содержит собственно датчик 1, соединительные провода 2 и измерительный (вторичный) прибор 3. Точка a, в которой образующие термопару термоэлектроды А и В соединены между собой, называют измерительным или рабочим спаем. Концы термоэлектродов b и c, к которым подключают соединительные провода, условно именуют соединительным или холодным спаем.
Рисунок 7 – Измерительная схема и конструкция термопары: а) измерительная схема с термопарой; б) конструкция датчика
Из приведенной схемы видно, что подключение измерительного прибора вводит в схему, как минимум, еще один проводник, а количество контактов между разнородными проводниками при этом становится равным трем и более: а, b, c, d, е и т.д. В каждом из этих контактов возникает своя ТЭДС, зависящая от его температуры, а результирующая ЭДС, действующая в контуре, будет равна алгебраической сумме всех этих ТЭДС. Аналитическим путем можно доказать, что включение одного, двух или нескольких проводников в цепь термопары (т.е. появление дополнительных точек соединения) не влияет на величину результирующей ТЭДС, измеряемой вторичным прибором. Эта величина определяется лишь материалами проводников А и В, а также температурами t и t0 рабочего и холодного спаев:
где EAB(t,t0) – результирующая ТЭДС термопары при температуре рабочего спая t и холодного спая t0, мВ; eAB(t) и eAB(t0) – ТЭДС спая проводников А и В соответственно при t и t0, мВ. Поскольку вырабатываемый датчиком сигнал зависит не только от измеряемой температуры t, но и от температуры t0, то влияние последней необходимо учитывать в процессе измерения. Все номинальные статические характеристики (НСХ) термопар приведены для условия, когда холодный спай датчика находится при температуре 0 °С. Если в процессе измерения это условие не выполняется (t0 ¹ 0), то вводится соответствующая поправка на температуру холодного спая. Поправка может вводиться автоматическими способами или расчетным путем. При расчетном методе введения поправки используют следующую формулу:
где ЕAB(t,t0) - ТЭДС, вырабатываемая датчикам в реальных условиях (при t0 ¹ 0), мВ; EAB(t,0) - величина поправки, равная ТЭДС того же датчика при температуре холодного спая 0°С и температуре его рабочего спая t0, мВ; эту поправку берут из НСХ по известной величине t0; EAB(t,0)- расчетное (скорректированное) значение ТЭДС датчика, соответствующее условию t0 = 0°С, мВ.
По найденному значению EАВ(t,0) при помощи НСХ EАВ(t,0)=f (t) определяют искомое значение температуры t. Процесс введения поправки на температуру холодного спая легче осуществить в том случае, если эту температуру удобно измерить и если она не изменяется в ходе технологического процесса. В непосредственной близости от объекта контроля эти условия не всегда могут быть обеспечены. Поэтому на практике широко используют метод искусственного вынесения холодного спая термопары на значительные расстояния от места установки датчика. Это достигается применением вместо обычных соединительных проводов специальных удлиняющих термоэлектродных проводов. В простейшем случае эти провода могут быть изготовлены из тех же материалов, что и электроды датчика, и подсоединены каждый к электроду из одноимённого материала. В этом случае электроды датчика совместно с проводами образуют единую термопару, холодным спаем которой будут являться уже концы удлиняющих проводов. Тот же эффект будет достигнут, если удлиняющие термоэлектродные провода выполнить из материалов, отличных от материалов электродов датчика, но имеющих в паре друг с другом НСХ, близкую к характеристике датчика. Удлиняющие термоэлектродные провода обычно прокладывают до измерительного прибора или до устройства, обеспечивающего автоматическую компенсацию влияния температуры холодного спая.
2. Закон промежуточных проводников. Пусть два однородных проводника из металлов А и В образуют термоэлектрическую цепь с контактами, n а) спаивать (а не сваривать) концы электродов, n б) использовать удлинительные провода для подключения термопар к измерительным приборам.
4. Закон аддитивности термоЭДС. Если известны термоЭДС металлов А и В в паре с опорным металлом R, то термоЭДС пары А с В будет равна их сумме. Это означает, что можно создавать нестандартные комбинации термоэлектродов и по-прежнему пользоваться для них градуировочными таблицами.
Таблица 1 – Характеристики термопар
|
1. Закон внутренних температур. Наличие температурного градиента в однородном проводнике не приводит к возникновению электрического тока. Таким образом, термоЭДС определяется только разностью температур в местах контакта различных проводников.
имеющими температуры T1 и T2. В разрыв проводника А включается проводник из металла X, и образуются два новых контакта — J1 и J2. Если температура проводника X одинакова по всей длине, то результирующая термоЭДС цепи не изменится. Этот важный закон позволяет:
3. Закон промежуточной температуры. Если в цепи, образованной двумя термоэлектродами из разнородных металлов, индуцируется термоЭДС Е1 при температурах контактов T1 и Т2 и термоЭДС Е2 при температурах контактов Т2 и Т3, то при температурах T1 и Т3 ЭДС будет равна Е1+Е2. Это означает, что градуировочные таблицы можно использовать и при температуре опорного контакта, не равной 0 °С.
