Файл: Петров И.К. Технологические измерения и приборы в пищевой промышленности учебник.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 10.04.2024

Просмотров: 235

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

Манометрические термометры выпускаются как самостоя­ тельные приборы и как датчики температуры, входящие в си­ стему ГСП. В последнем случае манометрическая часть снабжа­ ется преобразователями, определяющими принадлежность при­ боров к той или иной ветви ГСП.

§ 3. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ

ТЕРМОПАРЫ

В основу измерения температуры термоэлектрическими тер­ мометрами положен термоэлектрический эффект, который заклю­ чается в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух или не­

скольких разнородных

проводников, возникает

электрический

ток, если хотя бы два

места соединения (спая)

нагреты до раз­

личной температуры. Простейшая цепь, состоящая из дчух раз­

нородных проводников,

образующих так

называемую

т е р м о ­

п а р у , показана

на рис. 37. Цепь

термопары

состоит

 

из термо­

электродов А я В. Спай, имеющий температуру

t,

 

 

называется

г о р я ч и м ,

или р а б о ч и м : Спай,

име­

 

 

ющий постоянную температуру t0,

называется

х о -

 

 

л о д н ы м,

или

с в о б о д н ы м .

Термоэлектричес­

 

 

кий эффект может быть объяснен наличием в ме­

 

 

таллах свободных электронов, число которых в еди­

 

 

нице объема различно для разных металлов: напри­

 

 

мер, в А больше,

чем в В. В спае

с температурой

t

 

 

электроны из металла А диффундируют в металл

В

Рис. 37. Про­

в большем количестве, чем в обратном направле-

нин. Поэтому металл А

заряжается положительно,

стейшая тер-

а металл В — отрицательно. Возникающее при этом

моэлектриче-

в месте соприкосновения

электрическое

поле

пре-

"

'

пятствует диффузии, и когда под

влиянием элект­

 

 

рического поля, скорость диффузии электронов станет равна ско­ рости их обратного перехода, наступает состояние подвижного равновесия. При этом между проводниками А я В возникает разность потенциалов — термоэлектродвижущая сила (т.э.д.с). Термоэлектрический ток возникает и в однородном проводнике, если имеется градиент температуры по его длине. Таким обра­

зом, в простейшей термоэлектрической цепи, составленной из

двух разнородных проводников А и В,

возникают четыре

разных

т.э.д.с: две

в местах спаев; на конце

проводника Л и на

конце

проводника

В.

 

 

 

Суммарная

т.э.д.с. в простейшей

цепи (см. рис. 37)

(при об­

ходе цепи против часовой

стрелки)

 

 

 

 

EAB(ttQ)

= ^AB(t) +

eBA{t0),

(156)

где

EAB{tta)

— суммарная т. э. д. с , определяемая действием

диффузии

 

 

в спаях и градиентом температур по длине проводника,

 

 

В;

 

 

 

eAB W и еВА Co) — т. э. д. с , обусловленные контактной

разностью потенци­

алов и разностью температуры на

концах проводников

А к В, В.

 

Если температура спаев одинакова, то т.э.д.с. в цепи равна нулю, так как в обоих спаях возникают т. э. д. с , равные по вели­ чине и направленные навстречу. Следовательно, при равенстве t = t0 можно записать:

^ я ( д = е л в ( д + * в л ( д = °-

( 1 5 7 >

Из уравнения (157) следует, что

' W o ) = - W o ) -

( 1 5 8 )

Подставляя уравнение

(158) в уравнение (156)

получаем

ЕАв("о)

= еАв(І)-ЄАв({о)-

(159>

Таким образом, т.э.д.с. является функцией двух переменных величин t и U, т. е. температур спаев.

а

в

 

t,

tz

Рис. 38. Схемы включения в термо-

Рис.

39. Схема

дифференциаль-

электрическую цепь третьего про-

ной

термопары.

 

водника.

 

 

 

 

Поддерживая температуру одного спая постоянной, например, to = const, получаем функциональную зависимость

£ л в ( » о ) = / ( 0 .

(160)

Таким образом, если для данной термопары такая

зависи­

мость справедлива, то измерение температуры сводится к изме­ рению т. э. д. с. термопары.

Д л я включения в цепь термопары электроизмерительного при­ бора ее следует разорвать либо в спае с температурой' t0, либо в одном из термоэлектродов, как это показано на рис. 38. Сум­

марная т. э. д. с. для случая, приведенного на

рис. 38,

а,

ЕАВс("0*о)

= еАвМ

+ евс(*о) + ЕСА(*0)-

(161)

Если t = t0, можно записать:

 

 

 

ЕАВС

( g = * А В ( g + е в С (g+«<м

( g = о-

т

Из уравнения

(162)

следует,

что

 

 

* в с ( д + е С л ( д = - е л в ( д -

об3>

Подставляя

уравнение

(163) в уравнение (161) получаем

 

ЕАВС ("о

'о) = еАВ (0 - ЕАВ (*о)-

(164>

Уравнение

(164) точно

соответствует уравнению,

выражаю­

щему суммарную т. э. д. с. термопары, состоящей из двух провод­ ников (159).

Для случая, приведенного на рис. 38, б имеем

 

ЕАВС

("і 'о) =

ЄАВ W + ЕВС ( >l) +

'СВ ( 'i) + ЕВА ( '„) •

 

0 65>

Так как можно записать:

 

 

 

 

 

ЄВС

=

~ ЕСВ { h) И ЄВА {<о) = - ЄАВ ( 'о).

 

 

то в конечном

счете после несложных

преобразований

получаем

 

 

 

ЕАВС

(«х g = ЄАВ if) ~

ЕАВ ( '„)•

'

 

(166)

Таким образом, несмотря на внешнее отличие схем, приведен­

ных

на рис. 38, а

и б, от схемы с

двумя

термоэлектродами

(см. рис. 37), т. э. д. с , развиваемые термопарами, будут

одина­

ковы, если температуры концов третьего проводника

С будут

также одинаковы. Следовательно, т. э. д. с. термопары

не

изме­

няется с введением в ее цепь третьего проводника, если

концы

этого проводника

имеют одинаковую

температуру. Этот

вывод

имеет

важное

значение, так как позволяет включать в цепь тер­

мопар соединительные провода, измерительные приборы и под­ гоночные сопротивления. На практике чаще используется схема, представленная на рис. 38, а.

При необходимости измерить разность температур применя­ ется дифференциальная термопара (рис. 39). Суммарная т. э. д. с. такой термопары

ЕАВ

( U *г) = ЄАВ { {i) + евс ( 'о) + есв ( 'о) + ЕВА ( к) +

 

+ «лс('о) + «<м('о)-

<167>

Если / 0

= t'0 = t"Q — fQi

справедливы следующие

равенства:

 

евс{

*'о) +есв{ 'о) = °-

(168)

 

 

Подставляя уравнения

(168) в уравнение (167), получаем

 

ЕМ*1^

=ЄАв{*^~ЄАв{^-

(169)

Если необходимо получить большую т. э. д. с ,

применяются

термобатареи, представляющие собой несколько последователь­

но соединенных термопар (рис. 40). Суммарная

т. э. д. с. термо­

батареи

 

Е = ЕАВ ( М + ЕВА ( 'о) +ЕАВ ( *2) + ЄВА ( Q

+• • •

•••+eAB{tn)

+ eBC{tno)

+ e C A { t 0 ) .

(170)

Принимая

tx=t2=tf=

 

... = tn = t,

а

также

t0=t'0=t"0—... =t%

и учитывая справедливость

выражения

 

 

 

 

 

еСА(*о)

+ еВс(*0)

=

-еАв({0)'

 

(171)

уравнение

суммарной

т. э. д. с. можно

записать

в следующем

виде:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Е=[еАВ

(0

-

еАВ

( у ]

п =

пЕАВ

(ttQ),

(172)

где ЕдВ

(tt0)

— т. э. д. с.

одной

термопары,

состоящей из

термоэлектродов

Аи В;

п— число термопар.

С

Ч

' ' А

 

А ' "

 

 

t,

t,

U

*п f

Рис. 40. Схема термобатареи.

 

В принципе два любых проводника могут образовать термо­ пару. Однако не всякая термопара отвечает требованиям прак­ тического применения. Основные требования к термопарам, ис­ пользуемым в науке и технике для измерения температуры, сле­ дующие: устойчивость к воздействию температуры, постоянство т. э. д. с. во времени, возможно большая т. э. д. с , однозначность зависимости т. э. д. с. от температуры, небольшой температурный коэффициент сопротивления, большая электропроводность, срав­ нительная простота и легкость воспроизводимости термоэлектри­ ческих свойств, обеспечивающих взаимозаменяемость термопар, и т. д. Однако всем этим требованиям не отвечает ни один из известных термоэлектродных материалов. Поэтому на практике пользуются различными материалами в разных пределах изме­ ряемых температур.

Д л я большинства термоэлектродных материалов функцио­ нальная зависимость т. э. д. с. от температуры достаточно слож­ на и, как правило, находится по таблицам.

В СССР стандартизовано пять основных типов технических термопар:

1. П л а т и н о р о д и й (10% родия)-п л а т и н о в ы е — обо­ значение ТПП (первым указывается положительный термоэлек­ трод, вторым—отрицательный). Подразделяются на эталонные, образцовые и рабочие. Надежно работают в нейтральной и окис­ лительной среде, но разрушаются в восстановительной. На пла­ тину вредно действуют пары металлов и углерод. По комплекс-

Смотрите также файлы