В. А. Никитин с. В. Бойко

Поправка на температуру свободных концов термоэлектрического преобразователя

Если температура

^ свободных концов отлична от нуля, то показание

t

0
измерительного прибора при температуре t рабочих концов будет соответствовать генерируемой в этом случае термоЭДС, вычисляемой по формуле (14.53) /8/

^E AB
^ ^{tt  } ^

 ⁰ 

^e AB
t  
^e AB
^ ^{t  } ^,

 ⁰ 

(14.53)

Как отмечалось, градуировочная таблица или график зависимости термоЭДС от температуры соответствует условию (14.53), когда температура t₀ свободных концов ТЭП равна нулю. Если условие сохраняется в процессе измерения то график зависимости будет соответствовать графику представленному на рисунке 14.131.

^E AB
tt ₀  
e _AB t  
^e AB
t ₀ ,

Вычтем из последнего выражения выражение (14.53), тогда получим равенства

(14.54) или (14.55) /8/

E tt
  E
^_tt ^{ }_  ^e
^_t ^{ }_  e
t ^,


(14.54)

AB 0
AB _ 0 _
 AB _ 0 _
AB 0 _

^{E tt   E } ^{tt  } ^{ E } ^{t t }^,
AB 0 AB _ 0 _ AB _ 0 0 _


(14.55)

Здесь
E (t ^t )


представляет собой поправку, определяемую из

AB 0 0
градуированных данных используемого ТЭП по измеренному значению

t

0

0
температуры ^
его свободных концов. Найденное значение
^EAB


0
(t₀ t₀ )

прибавляют к измеренному прибором значению
^{E } ^tt
AB _
^{ } ^{, ели}
0 _
t ^  t
 0 , и

отнимают от него при
t ^  t
 0 . По значению полученного результата из

0

0
градуировочной таблицы или графика находят искомую температуру t (рисунок 14.131).
^EAB

AB 0
E t,t ^׳

׳
E_AB(t₀ ,t₀)

t
₀ ׳
0


E_AB(t,t₀)
t t

Рисунок 14.131 - Графическое введение поправки на температуру свободных концов термоэлектрического преобразователя

4. 
   Нормальный термоэлектрод
   

Для оценки свойств ТЭП, составленных из различных пар разнородных термоэлектродов, достаточно знать значения термоЭДС, развиваемые термоэлектродами в паре с одним из термоэлектродов, называемым нормальным.

В качестве нормального стандартами предусматривается термоэлектрод

0

0
из химически чистой платины. Действительно, пусть некоторые термоэлектроды из материалов А и В в паре с нормальным термоэлектродом П

создают термоЭДС соответственно
^E АП
tt  и
^ЕВП
tt
. При этом рабочий спай

каждой из пар имеет одну и ту же температуру t, а свободные концы - одинаковую температуру t₀. Запишем для каждой пары основное уравнение ТЭП

^E АП
tt ₀  
^е АП
t  e _АП
t₀ ,

^E ВП
tt ₀   e _ВП
t  e _ВП
t₀ .

Вычитая из первого уравнения второе, имеем

АП 0 ВП 0 АП ПВ АП 0 ПВ 0
E tt   E tt   e t   e t   e t   e t .

С учетом выражения (14.49) получим

^E АП
tt
  E _ВП
tt
  e _AB
t  
e _AB t .

0

0

0
Правая часть уравнения представляет собой формулу искомой термоЭДС для ТЭП, составленного из термоэлектродов А и В, поэтому запишем формулу (14.56) /8/



AB 0 АП 0 ВП 0
^{E tt   E tt   E tt }, (14.56)
Таким образом, если известна термоЭДС двух проводников A и В в паре с третьим - нормальным термоэлектродом П, то можно расчетным путем, используя уравнение (14.56), определить значение термоЭДС ТЭП, выполненного из двух термоэлектродов А и В.


t - температура рабочего конца термоэлектрического преобразователя; t₁
и t₀ - температуры мест соединения проводов; С — соединительный провод.

Рисунок 14.132 - Схема соединения термоэлектрического преобразователя термокомпенсационными проводами с измерительным прибором

В справочных таблицах приводятся значения термоЭДС различных материалов в паре с платиной при t=100 °С и t₀ =0 °С.

5. 
   Удлиняющие термоэлектродные провода и термостатирование свободных концов ТЭП
   

Для исключения влияния температуры измеряемого объекта на свободные концы ТЭП их следует удалить из зоны с переменной температурой. Для этого целесообразно удлинять не сами термоэлектроды преобразователя, а, ограничиваясь разумной длиной преобразователя с точки зрения его монтажа и стоимости термоэлектродов, продлевать их с помощью специальных удлиняющих термоэлектродных проводов. Если термоэлектродные провода

правильно выбраны и подключены к ТЭП, то места их подключения к измерительному прибору рассматривают как свободные концы.
Условия, которым должны отвечать термоэлектродные провода, определим из рассмотрения схемы рисунке 14.132.
Развиваемая в цепи термоЭДС
Е  е_АВ t  e_BD t₁  e_DC t₀  e_CF t₀  e_FA t₁ 

Если принять, что все спаи в цепи имеют одинаковую температуру, равную t₁,то

e_AB t₁  e_BD t₁  e_DC t₁  e_CF t₁  e_FA t₁   0

Вычитая это выражение из предыдущего и учитывая для соответствующих членов каждого выражения уравнение (14.56) получаем выражение (14.57) /8/

Ee_ABte_ABt₁e_FDt₁e_FDt₀E_ABtt₁E_FDt₁t₀,


(14.56)

Пусть термоэлектродные провода F и D подобраны такими, что они в паре имеют термоэлектрическую характеристику, совпадающую с характеристикой используемого термоэлектрического преобразователя АВ в интервале температур от t₀ = 0 °С до t ~ 100 – 120 °С, т.е. справедливо равенство (14.57) /8/

E_FD t₁t₀   E_AB t₁t₀ ,


(14.57)

Подставляя (14.57) в (14.56), получим (14.58) /8/

AB 1 AB 1 0 AB 0
^{E  E tt   E t t   E tt }, (14.58)
Из выражения (14.58) следует, что включение в цепь ТЭП термоэлектродных проводов, подобранных в соответствии с (14.57), не создает в цепи паразитных термоЭДС, и потому не искажается результат измерения. В практике измерения температуры выбор термоэлектродных проводов для используемых ТЭП осуществляют по таблицам из источников металлургии. Свободные концы, удаленные от объекта измерения термоэлектродными проводами, подлежат термостатированию. Термостатирование свободных концов при t=0 °С осуществляется в лабораторных условиях. Это достигается путем погружения свободных концов преобразователя в пробирку с маслом, находящуюся в сосуде Дьюара с тающим льдом. Для поддержания свободных концов при температуре, отличной от 0 °С, используют специальные коробки,

снабженные простым автоматическим биметаллическим терморегулятором. Обычно поддерживается температура (50 ± 0,5) °С.
В ряде случаев при измерении термоЭДС милливольтметром применяют компенсирующий мост (рисунок 14.133) для автоматического введения поправки на температуры свободных концов преобразователя. Компенсирующий мост представляет собой электрический неравновесный мост с постоянными манганиновыми резисторами R₁, R₂, R₃ и медным резистором R_M. Диагональ аb питания моста подключена к стабилизированному источнику питания ИПС через нагрузочное сопротивление R_H, предназначенное для изменения напряжения питания моста при переходе к преобразователям с различной градуировкой.

Рисунок 14.133 - Схема автоматической компенсации температуры свободных концов термоэлектрического преобразователя

Измерительная диагональ cd моста включена в разрыв между удлиняющим термоэлектродным проводом F и соединительным проводом С. При температуре свободных концов t₀=0 °С мост находится в равновесии, т. е. напряжение в диагонали cd равно нулю. Если температура свободных концов,

0
например, выросла и стала t ^ , то сопротивление резистора R_M, расположенного

t
рядом с концами удлинительных проводов F и D, также вырастет, в результате чего в диагонали появится напряжение U_cd. Это возникшее напряжение компенсирует недостающую термоЭДС на значение поправки, т. е.

^U cd
^{ E } ^t
AB _
^{ }^.
0 0 _

Таким образом, на входе измерительного прибора

^{E } ^tt
AB _
^{ } ^{ U}
0 _ cd
 E_AB
tt .
Погрешность выпускаемых в настоящее время

0
компенсирующих мостов для ТЭП стандартных градуировок при изменении температуры t₀ в пределах 0 – 50 °С составляет ± 3 °С.

6.