Термоэлектрические преобразователи (термопары)

Первый термоэлемент был создан в 1887 году французским ученым Ле Шателье (Ie Chatelier). В термоэлементе две точки контакта А и В соединены двумя параллельными проводами, выполненными из разных металлов (например, алюминий и медь). Таким образом создается замкнутая цепь.

Принцип работы термоэлемента. Если температуры точек А и В различаются, то по замкнутой цепи циркулирует ток.

На правом рисунке показана реальная цепь для измерения этого тока. Точка А соответствует "горячему" спаю, а В и С — холодному. Точки В и С должны иметь одинаковую температуру.

До тех пор пока температуры в точках А и В одинаковы, ток в цепи не протекает. Если температуры в точках А и В отличаются, то по цепи начинает протекать электрический ток. Это явление называется термоэлектрическим эффектом или эффектом Сибека (Seebeck), по имени открывшего его в 1821 году исследователя. Эта так называемая термоэлектродвижущая сила увеличивается как функция разности температур. Возникающее напряжение лежит в пределах нескольких милливольт, что требует применения дополнительной очень чувствительной - и поэтому сравнительно дорогостоящей — электронной измерительной аппаратуры. Из-за низкого уровня сигнала следует тщательно выбирать процедуру передачи и соединительные провода. Необходимо иметь в виду, что термоэлемент измеряет разность температур, а не ее абсолютное значение, поэтому температура одного из контактов должна быть известна с высокой точностью. Для различных температурных диапазонов используются разные сочетания металлов. Термоэлементы весьма надежны и недороги, имеют малую теплоемкость и способны работать в широком диапазоне температур.

Международная электротехническая комиссия (МЭК, International Electrotechnical Commission - IEC) определила некоторые стандартные типы термоэлементов (стандарт IEC 584-1). Элементы имеют индексы R, S, В, K.J, Е, Т в соответствии с диапазоном измеряемых температур.

В промышленности термопары используют для измерения высоких температур, до 600 -1000 - 1500˚С. Промышленная термопара состоит из двух тугоплавких металлов или сплавов (рис. 2.12.): Горячий спай (обозначен буквой «Г») помещается в место измерения температуры, а холодный спай («Х») находится в зоне , где находится измерительный прибор.

В качестве металлов I и II могут использоваться, например, медь и константан.

В данном преобразователе информационным сигналом является термоЭДС, которая дает информацию о разности температур на горячем и холодном спаях. Поэтому чтобы вычислить температуру на горячем спае необходимо знать температуру на холодном спае. ЭДС термопары измеряем с помощью вольтметра V.

ТермоЭДС условно пропорциональна разнице температур холодного и горячего спаев.

Законы термопары.

Закон внутренних температур. Наличие температурного градиента в однородном проводнике не приводит к возникновению электрического тока (никакой дополнительной ЭДС не возникает).

Закон промежуточных проводников. Пусть два однородных проводника из металлов А и В образуют термоэлектрическую цепь с контактами, имеющие температуры T1 (горячий спай) и T2 (холодный спай) . В разрыв проводника А включается проводник из металла Х и образуется два новых контакта j1 и j2. (см. рис. 2.13.). «Если температура проводника Х одинакова по всей длине, то результирующая ЭДС термопары не изменится (от дополнительных спаев не возникает ЭДС)».

Выводы:

а) таким образом, это позволяет спаивать, а не сваривать концы проводников;

б) также позволяет использовать удлинительные провода для подключения термопар к измерительным приборам. Поэтому можно использовать медные провода на больших расстояниях, что экономически выгодно!