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 V2. 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 eh и ес, соответствующих разности потенциалов Зеебека горячего и холодных спаев, и последовательного резистора. Результирующее напряжение схемы Vр 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 Vр и эталонное напряжение Vr. Из рисунка видно, что все соединения внутри схемы выполняются одинаковыми медными проводами. На обоих выводах схемы необходимо поддерживать одинаковую температуру Тс, 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 Vp и напряжение с выхода эталонного детектора Vr. Эти два сигнала поступают от датчиков разного типа, имеющих различные передаточные характеристики. Термопары для большинства практических случаев можно считать линейными преобразователями с нормализованной чувствительностью αp (В/К), в то время как выражение чувствительности эталонного детектора определяется его типом. Например, чувствительность термистора аr 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 Tr по характеристической зависимости эталонного датчика и нахождении разности температур Δ по напряжению на термопаре Vp: (16.41) Откуда и находится абсолютная температура измеряемого объекта Tx. 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 αr достаточно сильно различаются, необходимо применять масштабирующее устройство. Коэффициент усиления ОУ а должен выбираться, исходя из соотношения: (16.42) Желательно, чтобы Ro = So (So — это сопротивление термистора при калибровочной температуре То в Кельвинах; например, при То= 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 Sc, 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.
Популярное: Почему стероиды повышают давление?: Основных причин три... Как построить свою речь (словесное оформление):
При подготовке публичного выступления перед оратором возникает вопрос, как лучше словесно оформить свою... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (652)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |