Назначение, устройство и принцип действия термоэлектрических преобразователей

Категория:
Приборы для измерения температуры


Назначение, устройство и принцип действия термоэлектрических преобразователей

Термоэлектрические преобразователи применяют для измерения температуры от -200 до +250 °С. Рабочим органом термопреобразователя является чувствительный элемент, состоящий из двух разнородных термоэлектродов, сваренных между собой на конце, который составляет горячий спай. Термоэлектроды изолированы по всей длине с помощью изоляторов и помещены в защитную арматуру, Свободные концы элемента подключены к контактам термопреобразователя, расположенным в головке, которая закрывается крышкой, имеющей прокладку. Положительный термоэлектрод подключают к контакту со знаком “ + “. Герметизация вводов термоэлектродов 9 осуществляется с помощью эпоксидного компаунда.

Рабочий конец термопреобразователя изолируют от защитной арматуры керамическим наконечником, который в некоторых конструкциях для уменьшения тепловой инерционности, может отсутствовать.

Термопреобразователи могут иметь штуцер для крепления по месту и штуцер для ввода соединительных проводов измерительных приборов.

Рис. 1. Термоэлектрический преобразователь

Принцип действия термопреобразователя основан на преобразовании тепловой энергии в термоЭДС элемента при наличии разности температур между его свободными концами и горячим спаем.

Возникновение термоЭДС в термопреобразователе объясняется тем, что при его нагревании возникает поток электронов от горячего спая к холодному. На холодном спае создается отрицательный потенциал, а на горячем — положительный. Разность этих потенциалов будет определять величину термоЭДС термопреобразователя.

Если температуру холодного спая поддерживать постоянной, то термоЭДС будет зависеть только от степени нагрева рабочего конца термопреобразователя, что позволяет отградуировать измерительный прибор в соответствующих единицах температуры. В случае отклонения температуры свободных концов от градуировочного значения, равного 0 °С, к показаниям вторичного прибора вводится соответствующая поправка.

Температуру свободных концов учитывают для того, чтобы знать величину поправки. Величина вводимой поправки будет небольшой, и определенной, если температура свободных концов будет невысокой и постоянной.

Поправку на температуру свободных концов в зависимости от условий вводят тремя способами: по градуировочной таблице; перестановкой стрелки выключенного прибора с нулевого положения до отметки, которая соответствует температуре свободных концов; автоматическими устройствами — при помощи компенсационных коробок или схем измерительных приборов.

Величина термоЭДС в термопреобразователе зависит не только от разности температур горячего и холодных спаев, но и от материала термоэлектродов. Поэтому стремятся применять в качестве термоэлектродов те металлы и сплавы, у которых возникают сравнительно большие ЭДС.

Для вывода свободных концов термопреобразователя в зону с постоянной температурой служат удлинительные термоэлектродные провода.

Таким образом, чтобы определить измеряемую температуру среды с помощью термоэлектрического преобразователя, необходимо выполнить следующие операции: измерить термоЭДС в цепи преобразователя; определить температуру свободных концов; в измеряемую величину термоЭДС ввести поправку на температуру свободных концов; по известной зависимости термоЭДС от температуры определить измеряемую температуру среды. В зависимости от материала термоэлектродов термопреобразователи различают: с металлическими термопарами из благородных и неблагородных металлов и сплавов; с термопарами из тугоплавких металлов и сплавов.

Термопары из благородных металлов, обладая устойчивостью к высоким температурам и агрессивным средам, а также постоянной термоЭДС, широко используют для замера высоких температур в промышленных и лабораторных условиях.

Термопары из неблагородных металлов и сплавов применяют для измерения температур до 1000 °С. Достоинством этих термопар является сравнительно небольшая стоимость и способность их развивать большие термоЭДС.

Градуировка термопары — определение термоЭДС термопары от температуры рабочего конца при постоянном значении температуры свободных концов (обычно равной 0 °С).

Термоэлектроды из благородных металлов изготовляют из проволоки диаметром 0,3-0,5 мм, а из неблагородных – диаметром 1,2 -3 2 мм. Диаметр термоэлектродов выбирают, исходя из назначения термопары, диапазона измерения температуры и необходимой прочности.

Защитная арматура. Для защиты термоэлектродов от механических повреждений и агрессивного действия среды, а также удобства установки на технологическом оборудовании применяют защитную арматуру. Материал и исполнение арматуры могут быть различными в зависимости от назначения и области применения. Наиболее широко в качестве материалов металлической защитной арматуры используют высоколегированные стали и коррозионно-стойкие, жаропрочные и жаростойкие сплавы на основе железа, никеля, хрома и добавок алюминия, кремния, марганца. В настоящее время наибольшее распространение в качестве защитной арматуры высокотемпературных термопреобразователей получил молибден.

Медьсодержащие материалы применяют при измерении температур до 300 °С. При измерении температур до 600 °С для арматуры используют цельнотянутые трубы, для температур до 800 °С — легированную сталь, для температур до 1000 °С — окалиностойкую сталь. Для защиты термоэлектродов платиновой группы и тугоплавких металлов и сплавов применяют чехлы из огнеупорных материалов или кварца.

Трубки из кварцевого стекла (Si02) имеют очень высокую термическую устойчивость. Длительная эксплуатация платинородиевых термопар в защитной арматуре из кварцевого стекла нежелательна вследствие значительных изменений термоЭДС, хрупкости и разрушения из-за загрязнения кремнием. Поэтому кварцевые защитные оболочки применяют в высокотемпературных термопреобразователях кратковременного действия.

Основным материалом защитных чехлов термопар для измерения температуры различных сред в черной металлургии является корунд (окись алюминия А12 03), из которого можно получить плотные, стойкие в расплавах и достаточно термопрочные изделия.

До 1300 °С работоспособны фарфоровые чехлы, содержащие до 40% А12 Оэ . Их применяют для длительного измерения температур до 1100— 1200 °С в доменных воздухонагревателях.

В качестве защитной арматуры термопреобразователей для измерения температуры жидкого чугуна, а также медных и алюминиевых расплавов наибольшее распространение получила графитооксидная композиция. Для изготовления наконечников используют следующий состав: графит природный 20 — 40%; шамот 20 — 30%, огнеупорная глина 40 — 50%; смола термореактивная 5 — 12%.

Электроизоляционные материалы. Важнейшей частью термоэлектрических преобразователей является огнеупорная электроизоляция, оказывающая существенное влияние на точность измерения температуры.

Электроизоляторы кроме своей основной функции (электрической изоляции термоэлектродов друг от друга и от защитного чехла) выполняют роль элемента конструкции и несут значительные механические нагрузки, защищают термоэлектроды от воздействия окружающей среды, препятствуют проникновению вредных химических веществ, оказывающих разрушающее влияние.

Термоэлектроды термопар изолируют друг от друга и защитной арматуры с помощью одно- и двухканацьных фарфоровых бус при измерении температуры до 1300 °С. При более высоких температурах электроизоляционные свойства фарфора ухудшаются и поэтому используют бусы или трубки из окисей алюминия, магния, иттрия и бериллия.


Реклама:



Читать далее:



Статьи по теме:


Главная → Справочник → Статьи → Блог → Форум