Бирюков С.В., Чередов А.И. Методы и средства измерений - файл n1.doc

приобрести
Бирюков С.В., Чередов А.И. Методы и средства измерений
скачать (328.3 kb.)
Доступные файлы (1):

3997kb.

13.12.2001 21:29

n1.doc

1 2 3 4 5 6 7 8

Принцип действия основан на эффекте Зеебека. При соединении двух разнородных проводников или полупроводников концами (рис. 6.1 а) и различной температуре концов (Т₀ Т₁) в цепи возникает термоэлектродвижущая сила Е_Т (термоЭДС).

а) б) в)

Рис. 6.1 Рис. 6.2

ТермоЭДС является функцией разности температур спаев

Е_Т= Е_АВ(Т₁) - Е_ВА (Т₂), (6.1)

и состоит из трех составляющих [13]:

1) объемной, возникающей из-за разности потенциалов на концах электродов. На горячем конце энергия носителей зарядов больше и они диффундируют к холодному. На одном конце заряды одного знака, на другом другого;

2) контактной, обусловленной зависимостью контактной разности потенциалов от температуры. При разных температурах спаев контактная разность потенциалов одного спая не компенсирует контактную разность другого;

3) фононной, которая обусловлена увлечением электронов (дырок) фононами (квантами тепловой энергии). Если в термоэлектродах есть градиент температур, то будет направленное движение фононов от горячего слоя к холодному. Фононы сталкиваются с основными носителями заряда и увлекают их за собой. При низких температурах фононная составляющая может быть в десятки и сотни раз больше первых двух.

В простейшем случае, когда цепь состоит из двух проводников или полупроводников, она называется термоэлектрическим преобразователем или термопарой. Проводники или полупроводники, составляющие термопару, называются термоэлектродами, а места их соединения - спаями. Спай термопары, воспринимающий измеряемую температуру Т₁, называется рабочим (горячим) спаем. Второго спая обычно нет, а есть два так называемых "свободных" конца (рис. 6.1 б), с которых снимается термоЭДС Е_Т. Температура свободных концов Т₀.

Свойства термопары [9]:

1. При включении в цепь термопары третьего проводника С (рис. 6.1 в), концы которого находятся при одинаковых температурах Т₂, ЭДС в цепи не изменяется.

Отсюда следует, что термоэлектрический контур можно разомкнуть в любом месте и включить в него дополнительные проводники и если дополнительные соединения будут при одинаковой температуре, то дополнительных термоЭДС не возникнет

Е_Т = Е_АВ (Т₁) + Е_ВС (Т₂) + Е_СВ (Т₂) + Е_ВА (Т₀) = Е_АВ (Т₁) - Е_ВА (Т₀). (6.2)

Таким образом, прибор для измерения термоЭДС может быть включен как в разрыв, так и между концами термопары.

2. ЭДС термопары является функцией температур ее спаев и не зависит от температуры других точек термопары.

3. При температуре спаев Т₁ и Т₀ термоЭДС равна алгебраической сумме двух ЭДС, одна из которых возникает при температуре спаев Т₁ и Т^'₀, другая - при температурах Т^'₀ и Т₀ (рис. 6.2)

Е (Т₁,Т₀) = Е (Т₁, Т^'₀) + Е (Т^'₀,Т₀). (6.3)

6.2. Области применения и материалы термоэлектрических ИП

Термоэлектрический ИП обычно называется термопарой, и он используется для измерения (преобразования) температуры.

Зависимость термоЭДС термопары от разности температур Т₁ - Т₀ в общем случае описывается выражением

Е_T = ₁(Т₁ - Т₀) + ₂(Т₁ - Т₀)² + … + _n(Т₁ - Т₀)ⁿ, (6.4)

где ₁, ₂, …, _n - постоянные, зависящие от материалов термоэлектродов.

Каждая термопара характеризуется собственным рядом температурно-независимых коэффициентов _i. Для большинства материалов требуется примерно восемь коэффициентов, чтобы получить погрешность описания зависимости Е_T = F(Т₁ - Т₀), равную  1%. Коэффициент ₁ получил название коэффициента Зеебека [14].

В узком диапазоне зависимость Е_T от температуры можно описать приближенным выражением только с одним коэффециентом ₁.

Материалы, применяемые для термопар, должны иметь: однозначную зависимость термоЭДС от температуры; высокую стабильность термоэлектрических свойств, механическую прочность, химическую устойчивость.

Для изготовления термопар используют главным образом металлы и их сплавы. Термопары из полупроводников характеризуются высокой чувствительностью, но обладают большим внутренним сопротивлением и малой механической прочностью и находят ограниченное применение.

Для изготовления термопар можно использовать несколько комбинаций материалов. Термоэлектроды выбирают следующим образом. Сначала выбирают базовый материал, например, платину, и затем стремятся сочетать термоэектроды таким образом, чтобы один из них развивал с платиной положительную, а другой отрицательную термоЭДС. При этом следует учитывать и другие факторы, например, влияние среды [10].

В качестве материалов для термопар используются металлы (платина, медь, родий, рений, иридий и др.) и сплавы (хромель, алюмель, копель, медноникеливые сплавы, платинородий, вольфрамрений и др.).

В области низких температур, примерно от -270 ⁰С до +(100200) ⁰С, используются термопары [13]:

1) медь - константан - характеризуется большим разбросом характеристик (требуется индивидуальная градуировка) и понижением чувствительности при низких температурах. Температурный диапазон от -270 до +200 ⁰С. Чувствительность сильно уменьшается при низких температурах (с 40 мкВ/⁰С при температуре 0 ⁰С до 1,1 мкВ/⁰С при -269 ⁰С).

2) медь - (золото + 2,1 % кобальта) - характеризуется сравнительно большой чувствительностью при низких температурах (S = 3,5 мкВ/⁰С при Т = -269 ⁰С).

3) медь - (медь + 0,005% олова) - характеризуется сравнительно большой чувствительностью при низких температурах (S =5,7 мкВ/⁰С при Т = -269 ⁰С).

Также применяются термопары, которые обычно используются при более высоких температурах: хромель-копель, хромель-алюмель и др.

В области средних температур от 0 до +1800 ⁰С применяются термопары как из неблагородных материалов (хромель-копелевые и хромель-алюмелевые), так и из благородных материалов (платино-платинородиевые и платинородий-платинородиевые).

Термопары хромель-алюмель применяются в диапазоне от -200 до 1100 ⁰С и имеют погрешность  2 - 3 %, термопара платинородий-платина имеет диапазон от 0 до 1600 ⁰С и погрешность  0,1 - 0,5 % [3].

В области высоких температур от +1600 до +3500 ⁰С применяются термопары:

1) иридий-родийиридиевые;

2) вольфрам-рениевые;

3) термопары на основе карбидов переходных металлов: титана (TiC), циркония (ZrC), ниобия (NbC), талия (ТаС), гафния (HfC) и др.

В диапазоне до +2100 ⁰С применяется иридий-родийиридиевая термопара; до + 2500 ⁰С - термопары на основе вольфрам-рениевых сплавов. Термопары из карбидов переходных металлов могут использоваться для измерения температур до 3500 ⁰С, например, термопары ZrC - NbC, NbC - HfC.

Наиболее широко используются промышленные термопары, выпускаемые в соответствии с ГОСТ 6616-94. Основные характеристики этих термопар приведены в ГОСТ Р.50431-92.

6.3. Характеристики термоэлектрических преобразователей

Основными характеристиками термоэлектрических ИП являются:

1) градуировочная характеристика; 2) чувствительность; 3) погрешность; 4) показатель тепловой инерции (постоянная времени).

1 2 3 4 5 6 7 8