Принцип работы термоэлектрического термометра

Термоэлектрические термометры в авиации используются в основном для измерения температуры отдельных частей силовых установок и газовых потоков, выходящих из реактивного сопла двигателя.

Принцип действия термоэлектрического термометра основан на использовании термоэлектрического эффекта.

Явление термоэлектричества заключается в возникновении термоэлектродвижущей силы (термоЭДС) в спае двух проводников из двух разнородных токопроводящих материалов при наличии разности температур места соединения проводников и их свободных концов. Такая цепь, составленная из двух разнородных металлов, называется термопарой. Проводники, из которых состоит термопара, называются тероэлектродами. Одну точку соединения термоэлектродов называют рабочим концом (горячим спаем), а другую—свободным концом (холодным спаем). Физическая сущность явления объясняется следующим. Атомы металлов составляют пространственную решетку, внутри которой свободные электроны, участвующие в тепловом движении, образуют электронный газ. Плотность электронного газа для разных металлов неодинакова. Из-за этого на границе соприкосновения двух разнородных металлов возникает стремление к выравниванию плотности электронного газа. Часть электронов переходит из одного металла в другой. При этом один металл заряжается положительно, другой отрицательно. Возникает контактная разность потенциалов, которая уравновешивает разность давления электронного газа. Контактная разность потенциалов не зависит от формы и геометрических размеров термоэлектродов и определяется разностью температур горячего и холодного спаев и свойствами металлических проводников термопары.

Если спаять между собой концы двух разнородных проводников А и В (рис.6.16,а), то при одинаковой температуре обоих спаев тока в цепи не будет. В обоих спаях возникает одинаковая по величин, но обратная по знаку контактная разность потенциалов, причем суммарная термоЭДС в замкнутой цепи равна нулю. При нагреве одного из спаев до температуры t_гс электроны на горячем конце приобретут более высокие энергии и скорости, чем на холодном. Возникающие в результате этого потоки электронов и связанные с ними накопления зарядов приводят к тому, что контактная разность потенциалов в нагретом спае, увеличивается, а в холодном остается прежней. В результат возникает термоЭДС, зависящая от разности температур t_ГС – t_ХС В цепи потечет ток. Направление тока зависит только от материала термоэлектродов. Условились называть положительным тот электрод, по направлению к которому течет ток через горячий спай (положительный – А).

Рис. 6.16. Термопары: а – возникновение термоЭДС; б – соединение термоэлектродных проводов; в – градуировочные характеристики

Для большинства термопар контактные ЭДС возникают при любых температурах и являются их линейными функциями, так что можно принять

(6.30)

где к – коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств материалов термопары.

Для некоторых термопар контактные ЭДС являются нелинейными функциями температуры.

Для электродов применяются материалы, обеспечивающие наибольшее значение ТЭДС. Измеряя термоЭДС, развиваемую термопарой, можно определить температуру горячего спая. В этом и состоит принцип действия термоэлектрических термометров.

Электродвижущую силу, развиваемую термопарой,можно измерить с помощью гальванометра или компенсационным методом.

Метод измерения с помощью гальванометра основан на измерении силы тока, протекающего в замкнутой цепи, составленной из последовательно соединенных термопары и чувствительного гальванометра (рис.6.16,б). Измерение ЭДС сводится к измерению силы тока, пропорциональный величине измеряемой ЭДС.

Для измерения термоЭДС в термоэлектрических термометрах применяют магнитоэлектрической гальванометр, высокая чувствительность которого обеспечивает такие измерения. Прибор работает, как милливольтметр, а шкала его отградуирована в градусах Цельсия.

Показания измерителя будут соответствовать температуре измеряемой среды только в случаев обеспечения условия постоянства температуры свободных концов термопары или учета изменения этой температуры, для чего свободные концы термопары с помощью соединительных проводов С и D вынесены в зону небольших колебаний температуры (на приборную доску). Практически температура среды, окружающей свободные концы, термопары, изменяется в пределах от +50 до – 60 °С.

Материалами для изготовления термопар служат благородные и неблагородные металлы и их сплавы. Термопары из благородных металлов применяются для измерения высоких температур и при особо точных измерениях. Для технических измерений используются термопары из неблагородных металлов. Такие термопары имеют более значительные по величине ТЭДС, чем термопары из благородных металлов, и их изготовление дешевле. Каждая термопара, состоящая из двух термоэлектродов, характеризуется зависимостью изменения термоЭДС от температуры, называемой градуировкой. На термопарах и шкале показывающего прибора, изготовленных для одной градуировки, ставится знак «Гр» с обозначением градуировки. Например, «Гр ХА» - градуировка термоэлектродов хромель-алюмель. Наиболее широкое применение в авиационных термометрах получили термопары: хромель-копелевая (хромель - сплав из 89 % Ni, 9.8 % Cr, 1 % Fe, 0.2 % Мn; копель - сплав из 45 % Ni, 55 % Сu); хромель-алюмелевая (алюмель - сплав из 94 % Ni, 0.5 % Fe, 2% AI, 2.5 % Mn и 1% Si), железокопелевая, медькопелевая, медьконстантановая и др. Принято в обозначениях градуировок термоэлектрических преобразователей первым указывать положительный термоэлектрод, вторым - отрицательный.

Зависимость термоЭДC пpeoбpaзoвaтeля от разности температур его горячего и холодного спаев устанавливают экспериментальным путем и представляют в виде таблиц или графиков, которые называются градуировочными.

В справочных таблицах обычно приводят значения термоЭДС для термоэлектродов из различных материалов и сплавов, соединенных с нормальным платиновым термоэлектродом, причем температура холодного спая принимается равной 0 °С. На рисунке 6.16 в показаны градуировочные характеристики некоторых термопар. Как видно из формулы (6.30), непостоянство температуры холодного спая является причиной одной из методических погрешностей термоэлектрических термометров. Для ее уменьшения применяют либо различные способы компенсации, либо такие термопары, которые не требуют компенсации этой погрешности. Значительное распространение в авиационных термометрах получила термопара из никель-кобальтового сплава (НК) и специального алюмеля. ТермоЭДС, развиваемая термопарой НК-СА, появляется только тогда, когда разность температур составляет 240 °С, при этом колебания температуры холодного спая в пределах от -60 до +50 ° С практически не влияют на показания прибора. Характеристика такой термопары приведена на рисунке 6.16, в.

Для получения большей величины термоэлектродвижущей силы необходимо увеличивать разность температур горячего и холодного спаев, т. е. отводить холодный спай дальше от горячего. В то же время увеличение длины и соответственно сопротивления соединительных проводов уменьшает величину тока гальванометра, измеряющего термоЭДС. Изменение сопротивления соединительных проводов вследствие колебаний температуры наружного воздуха приводит к возникновению погрешности комплекта. Поэтому выбор материала и длины проводов, соединяющих термопару с указателем, в термоэлектрических термометрах имеет очень важное значение.

Материал этих соединительных проводов может быть таким же, как и материал электродов термопары. В таком случае холодным спаем служит место подключения соединительных проводов к указателю. Однако в случае применения термопар из благородных металлов (например, из платины и ее сплавов) термоэлектродные соединительные провода выполняются из дешевых металлов, термоэлектрически идентичных термоэлектродам. Под термином «термоэлектрическая идентичность» понимается отсутствие термоЭДС в паре, составленной из соединительного провода и присоединенного термоэлектрода. Холодные спаи термоэлектродов могут выводиться и в соединительную коробку, устанавливаемую в месте, исключающем повышение ее температуры.

Во всех случаях для каждой термопары из определенных термоэлектродов необходимо применять свои термоэлектродные провода, величина электрического сопротивления которых должна быть строго определенной и не должна, зависеть от окружающей температуры. Значение сопротивления соединительных проводов, входящих в комплект термоэлектрического термометра взаимозаменяемой частью, указывается при градуировке прибора. Длину соединительных проводов изменять нельзя.

Для обеспечения взаимозаменяемости и удобства монтажа на летательном аппарате термоэлектроды А и В и соединительные провода C и D (рис.6.16,б), входящие в комплект термометра, изготовляются отдельно. При этом термоэлектроды выполняются короткими, а длина соединительных проводов зависит от расстояния до гальванометра.

Если холодный спай вынесен к гальванометру, то при неодинаковой температуре в точках a и b присоединения к прибору могут возникнуть паразитные термоЭДС, которые являются причиной возникновения еще одной методической погрешности термоэлектрических термометров. Чтобы уменьшить эту погрешность, точки должны быть расположены как можно ближе одна к другой.

Термоэлектрические термометры предназначены для измерения высоких температур. Термопары этих приборов защищены оболочками, обладающими жаростойкостью, газонепроницаемостью, способностью выдерживать резкие изменения температуры, хорошей теплопроводностью и механической прочностью.