§ 12. ТЕПЛОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Теплоэлектрическим называется преобразователь, принцип действия которого основан на протекающих в нем тепловых процессах. Входной величиной такого преобразователя является температура, а выходной — какая-либо электрическая величина.
К теплоэлектрическим преобразователям относятся термоэлектрические преобразователи, или термопары, и терморезисторы, металлические и полупроводниковые.
Термоэлектрические преобразователи.
Принцип действия преобразователей основан на явлении термоэлектричества, открытого еще в 1823 г. Т. Зеебеком.
Суть термоэлектричества заключается в том, что в термопаре, представляющей собой два проводника (или полупроводника) А и В из разнородных материалов (рис. 35, а), которые соединены между собой концами, создается термоэ. д. с., если места их соединений, или спаи, имеют разные температуры t1 и t2. Значение этой термоэ. д. с. зависит от разности температур спаев, материалов проводников, образующих термопару, но не зависит от распределения температур между спаями, а также от способа их образования (сварка, пайка и т. д.). Не зависит она и от длины и характера третьего проводника при условии, что места соединения термопары с ним будут иметь одинаковую температуру. Таким третьим проводником может быть, например, измерительный прибор, с помощью которого измеряется термоэ. д. с. (рис. 35, б).
Рис. 35. Термопара.
По значению термоэ. д. с. можно судить о разности температур спаев, а если один из спаев, называемый свободным, поместить в среду с постоянной температурой, а другой спай, называемый рабочим, — в точку, где контролируется температура, то значение термоэ. д. с. определит температуру этой точки. В таком случае прибор (милливольтметр), измеряющий термоэ. д. с., градуируется в градусах Цельсия.
Теоретически термопару можно получить из любых двух металлов, сплавов или полупроводников. Наиболее широко распространены в измерительных термопарах сплавы: копель (56,5 %Сu + 43,5%Ni), хромель (90%Ni+10%Cr), алюмель (1%Si+2%А1+17%Fe+2%Mn+78%Ni).
Термопару хромель-копель (условное обозначение ТХК) можно использовать для измерения температур от —50 до + 600°С (кривая 1, рис. 36, а), а термопару хромель-алюмель (ТХА) — от —50 до + 1000°С (кривая 2). Образцовые термопары для измерения температуры от +300 до +1600°С выполняют из пары платинородий (30% Rh) — платинородий (60% Rh), а для измерения температур от —20 до +1300°С — из пары платинородий (10% Rh) — платина. Первая из названных термопар условно обозначается ТПР, вторая — ТПП. На 36, б приведена зависимость термоэ. д. с. от температуры рабочего спая для термопары ТПП.
Кроме измерения температур, термопары можно использовать для измерения тепловой радиации, в приборах для измерения скорости газовых потоков — термоанемометрах и приборах для измерения плотности и анализа состава газов — вакуумметрах.
Рис. 36. Зависимость термоэ. д. с. от температуры рабочего спая термопар
Терморезисторы.
В основу принципа действия терморезисторов положена зависимость электрического сопротивления проводников и полупроводников от температуры. Зависимость для проводников выражается формулой
Для изготовления терморезисторов используют материалы, обладающие высокостабильным ТКС, линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействию окружающей среды. Таким материалом прежде всего является платина, однако благодаря дешевизне более широко распространены медные терморезисторы, встречаются также никелевые и вольфрамовые. Температурный диапазон применения терморезисторов составляет: платиновых от —50 до +660, медных от —50 до +180, никелевых от — 100 до +300°С.
Полупроводниковые терморезисторы (см. § 5) отличаются от металлических меньшими размерами и большими значениями ТКС. У полупроводниковых терморезисторов ТКС отрицателен и уменьшается обратно пропорционально квадрату абсолютной температуры. Таким образом, чувствительность к изменению температуры у них резко уменьшается с повышением последней. Это, в частности, ограничивает применение полупроводниковых терморезисторов диапазоном температур от —100 до +125°С. Благодаря высокому удельному сопротивлению полупроводниковые терморезисторы имеют небольшие размеры, измеряемые единицами кубических миллиметров. Особый интерес представляют миниатюрные полупроводниковые терморезисторы, позволяющие измерять температуру очень маленьких объектов. Малая инерционность полупроводниковых терморезисторов позволяет измерять температуру контролируемого объекта в заданной точке его поверхности.
Серьезными недостатками полупроводниковых терморезисторов, существенно снижающими их эксплуатационные качества, являются нелинейная зависимость сопротивления от температуры и значительный разброс параметров у однотипных элементов. Даже ГОСТ дает допуск на значение номинального сопротивления ±20%.
Конструктивно терморезисторы могут быть изготовлены самой разнообразной формы. Металлические терморезисторы выполняют в виде обмотки большей частью из платинового или медного провода, намотанной на каркас и помещенной в герметичный, обычно металлический, корпус цилиндрической формы. Тонкостенный корпус сделан из прочного материала, обладающего большой теплопроводностью, например из меди, латуни. В СССР выпускают проволочные терморезисторы двух типов — платиновые (ТСП) и медные (ТСМ).
Полупроводниковые терморезисторы изготовляют в виде стержней, бусинок, шайб и даже пленок. Так, терморезисторы типов ММТ-1 и КМТ-1 представляют собой полупроводниковый стержень, покрытый эмалевой краской с контактными колпачками и выводами. Терморезисторы типов ММТ-4 и КМТ-4 заключены в металлические капсулы и герметизированы, благодаря чему их можно применять в условиях повышенной влажности и даже в жидких средах. Терморезистор типа МКМТ-16 имеет форму шарика диаметром 0,8 мм.
В основном как металлические так и полупроводниковые терморезисторы применяют в измерительных преобразователях терморезистивных (электрических) термометров сопротивлений. Терморезисторы воспринимают температуру среды, в которой они находятся, и преобразуют ее в активное сопротивление.
Рис. 37. Принципиальная схема измерения температуры терморезистором
Рис. 38. Схема измерения углового перемещения терморезистором
Измерительные схемы с терморезисторами выполняют чаще всего в виде моста (рис. 37), три плеча которого состоят из постоянных резисторов R1, R2, R3 из манганиновой проволоки, поскольку сопротивление манганина очень мало зависит от температуры.
Сопротивление четвертого плеча состоит из суммы сопротивлений:
где Вт, Вл, By — сопротивления соответственно терморезистора, проводов линии, уравнительное.
Известно, что мост является уравновешенным, если выполняется условие R1R3=R2R4.
Измерительный прибор, включенный в диагональ уравновешенного моста, покажет напряжение, равное нулю. Изменение сопротивления Вт в зависимости от температуры нарушает равновесие моста, что позволяет отградуировать шкалу измерительного прибора в градусах Цельсия.
Для согласования сопротивления проводов линии с тем сопротивлением, которое было принято при градуировании прибора, применяют резистор Ry и калибровочный резистор, который включается вместо резистора Rт.
Следует отметить, что термометры сопротивления относятся к одним из наиболее точных преобразователей температуры. Платиновые терморезисторы позволяют измерять температуру с погрешностью порядка 0,001°С.
Свойство терморезистора нагреваться проходящим по нему измерительным током позволяет использовать его в приборах для измерения скорости движения газовых потоков или жидкостей — анемометрах. При заданном постоянном значении тока температура терморезистора зависит от его теплоотдачи в окружающую среду. Очевидно, чем больше скорость движения среды, тем больше эффект сноса тепла как охлаждающего фактора. Таким образом, температура элемента терморезистора зависит от скорости движения среды.
Терморезисторы можно применять также для электрического измерения угловых или линейных перемещений деталей или узлов (рис. 38). Перемещение объекта с тепловым элементом 1, нагреваемым неизменяющимся током I, на некоторый угол φ относительно контролируемого положения изменяет расстояние между элементом и терморезистором 2. Это вызывает изменение температуры терморезистора, его сопротивления Rт, а значит, и угла отклонения α прибора, измеряющего это сопротивление.
