Теплові перетворювачі
План
Фізичні основи
Термоелектричні перетворювальні елементи
Терморезистивні перетворювальні елементи
Термоелектричні та терморезистивні перетворювачі температури
1. Фізичні основи
Тепловими називаються перетворювачі, принцип дії яких оснований на використанні теплових процесів (нагрівання, охолодження, теплообміну) і вхідною величиною яких є температура. Зазначимо, що теплові перетворювачі широко застосовуються як перетворювачі не тільки температури, а й таких величин, як тепловий потік, швидкість потоку газу чи рідини, витрати, хімічний склад і тиск газів, вологість тощо.
Температура як параметр теплового процесу не піддається безпосередньому вимірюванню. Одночасно вона є функцією стану речовини і безпосередньо зв'язана з внутрішньою енергією тіл, а через енергію зв'язана і з іншими властивостями. Отже, зі зміною температури змінюється багато інших фізичних властивостей тіл, які і використовуються при побудові перетворювачів температури.
Основним рівнянням теплових перетворювачів є рівняння теплового балансу, згідно з яким кількість теплоти Qзов, яка підводиться до перетворювача, дорівнює сумі кількості теплоти Qн, яка йде на нагрівання (зміну теплового стану), і кількості теплоти теплообміну Qт, що перетворювач віддає в середовище.
Загалом перепад температур між частинами системи середовище-перетворювач обумовлює тепловий рух, тобто теплообмін. Теплообмін може здійснюватися через теплопровідність, конвекцію та теплове випромінювання.
При теплообміні через теплопровідність теплова енергія переноситься внаслідок взаємодії частинок, які безпосередньо контактують одна з одною і мають різні температури. Такий теплообмін у чистому вигляді спостерігається лише в твердих тілах.
Теплообмін через конвекцію здійснюється внаслідок переміщення матеріальних частинок, які мають різні температури. Суто конвекційний теплообмін спостерігається лише в газоподібному середовищі
Теплове випромінювання – це потік електромагнітних хвиль, які випромінюються тілом за рахунок його теплової енергії і повністю чи частково поглинаються іншими тілами.. Суть теплообміну через випромінювання полягає у випромінюванні тілом електромагнітних хвиль певної довжини.
При безпосередньому тепловому контакті перетворювача з об’єктом дослідження переважає теплообмін внаслідок теплопровідності та конвекції. Це – контактний спосіб перетворення температури, а теплові перетворювачі, основані на використанні цього способу, називають контактними термоперетворювачами. Якщо перетворювач і об’єкт дослідження не мають безпосереднього теплового контакту, то теплообмін між об’єктом і перетворювачем може відбуватися внаслідок теплового випромінювання. Цей принцип теплообміну покладений в основу безконтактного способу перетворення температури, а відповідні перетворювачі називаються безконтактними.
2. Термоелектричні та терморезистивні перетворювальні елементи
Принцип дії термоелектричного перетворювача (термопари) базується на використанні термоелектричного ефекту, суть якого полягає у виникненні термо-ЕРС в колі, що складається з двох різнорідних провідників чи напівпровідників, які називають термоелектродами, якщо температури Т1 і Т2 відповідних частин перетворювача різні (рис.1).
Спай термопари, який поміщають в досліджуване середовище, називають робочим або гарячим, а кінці, температура яких підтримується переважно постійною, - вільними або холодними.
Оскільки в коло термопари під'єднується вимірювальний прилад чи інший перетворювач, то в місці під'еднання утворюються інші спаї і коло термопари в простішому випадку треба розглядати як коло, що складається з трьох провідників a, b і с (рис.1, б)
Рис. 1 – Найпростіші термоелектричні кола
3. Принцип дії терморезистивних перетворювачів базується на властивості провідників чи напівпровідників змінювати електричний опір при зміні температури. Для перетворень температури використовують матеріали, які мають високу стабільність ТКО, високу відтворюваність електричного опору для даної температури, значний питомий електричний опір і високий ТКО, стабільність хімічних і фізичних властивостей під час нагрівання, інертність до дії досліджуваного середовища.
З провідникових матеріалів широко застосовується платина. Цей благородний метал навіть при високих температурах в окисному середовищі не змінює своїх фізичних і хімічних властивостей. Платинові перетворювачі температури в діапазоні -200.,.+650 °С, використовуються в цьому діапазоні для відтворення міжнародної температурної шкали як еталонні.
До недоліків платинових перетворювачів температури належать досить висока забруднюваність платини при високих температурах парами металів (особливо заліза), порівняно невисока хімічна стійкість у відновному середовищі, внаслідок чого вона стає крихкою, втрачає стабільність характеристик.
Мідь, внаслідок низької вартості і досить високої стійкості до корозії широко застосовується в перетворювачах температури в діапазоні -50...+180°. Залежність електричного опору від температури - лінійна:
До недоліків мідних перетворювачів температури належать висока окислюваність під час нагрівання, внаслідок чого вони застосовуються у вказаному, порівняно вузькому, діапазоні температур у середовищах з низькою вологістю і при відсутності агресивних газів.
Крім платини та міді, для чутливих елементів термоперетворювачів температури використовують нікель, вольфрам та інші чисті метали.
Нікель є хімічно стійким матеріалом навіть при високих температурах, проте має складну залежність опору від температури і невисоку її відтворюваність. Використовують їх у діапазоні температур -50...+180 °С.
Тугоплавкі метали - вольфрам, молібден, тантал і ніобій застосовуються обмежено. Вплив рекристалізації та росту зерен в результаті дії температури робить чутливий елемент з цих матеріалів крихким і тому дуже чутливим до механічних вібрацій.
Напівпровідникові терморезистори відрізняються від металевих більшим значенням ТКО, а через те і меншими габаритами та інерційністю.
Недоліком напівпровідникових терморезисторів, що суттєво знижує їх експлуатаційні якості, є нелінійність залежності опору від температури, значний розкид як номінальних значень опорів різних зразків, так і їх ТКО.
4. Термоелектричні та терморезистивні перетворювачі температури
Термоелектричні перетворювачі. Для вимірювання температур в межах -200... +2800 °С використовуються стандартні технічні термоперетворювачі температури (перетворювачі термоелектричні, табл1).
Залежно від призначення термоелектричні перетворювачі поділяються на занурювані, які призначені для перетворення температури газоподібних і рідких середовищ, і поверхневі для вимірювання температури поверхні твердого тіла. Залежно від інерційності вони діляться на малоінерційні, показник (стала часу) теплової інерції яких не перевищує 5с для занурюваних і 10 с для поверхневих; середньої інерційності - відповідно не більше ніж 60 і 120 с і великої інерційності, які мають показник теплової інерції відповідно до 180 і до 300 с.
Існування багатьох різновидів конструкцій термоелектричних перетворювачів температури пояснюється тією обставиною, що вони розроблялись у різний час багатьма підприємствами і для найрізноманітніших галузей промисловості. Сьогодні створені та впроваджуються уніфіковані типи конструкцій термоперетворювачів температури, які відзначаються універсальністю та технологічністю.
Таблиця 1 - Основні показники деяких термоелектричних перетворювачів
Тип перетворювача
Діапазон вимірюваних температур, °С

Платинородій -платина ТПП10 та ТПП ІЗ
0.. .1300(1600)

Платинородій-платинородій ТПР
600.. .1700

Хромель-алюмель ТХ А
-200.. .+ 1200

Хромель-копель ТХК
-200. ..+800

Вольфрамреній-вольфрамреній
0...2500

На рис.1 наведено два різновиди конструктивного оформлення промислових термопар. Здебільшого з'єднують термоелектроди 1 і 2 в робочому кінці електродуговим зварюванням після попереднього скручування кінців термоелектродів разом. Застосовують також спайку термоелектродів срібним чи олов'яним припоєм залежно від верхньої межі вимірюваної температури. Тугоплавкі термоелектроди вольфрам-ренієвих та інших перетворювачів часто з'єднують лише скручуванням, оскільки за дуже високих температур плівка окису на електродах не створює великого електричного опору.

Рис 1 – Різновиди термоелектричних перетворювачів температури
Термоелектроди, електричко з'єднані в робочому кінці, ізольовані один від одного на всій довжині. Якщо верхня межа перетворення термоперетворювача не перевищує 100... 120 °С, то можна використовувати будь-який ізоляційний матеріал. Якщо верхня межа перетворення вища, використовують фарфорові одно- або двоканальні трубки та буси 5. Оскільки при температурах понад 1300 °С у фарфору значно погіршуються електроізоляційні властивості, то для перетворювачів вищих температур застосовують ізоляційні трубки з оксидів алюмінію, магнію, берилію, двоокисів торію, цирконію, нітриду бору. Робочий кінець чутливого елементу поміщають в електроізоляційний наконечник 4. вільні кінці термоелектронів підводять до клем 7 контактної колодки. Чутливий елемент, поміщений в захисну арматуру 6, засипаний керамічним порошком і загерметизований. Залежно від верхньої межі перетворення та агресивності середовища захисна арматура може виконуватись із нержавіючої сталі, оксиду алюмінію, карбіду кремнію. В термоперетворювачах із захисною арматурою, виконаною із ізоляційного матеріалу (рис.1,б), робочий кінець чутливого елемента дотикається безпосередньо до стінки захисної арматури (електроізоляційний наконечник відсутній).
Потрібно відзначити, що чутливі елементи термоелектричних перетворювачів температури почали виготовляти із спеціального термоелектричного кабелю КТМС, який являє собою два термоелектродні болти, що поміщені в захисну трубку та засипані порошком ізоляційного матеріалу. Такі чутливі елементи технологічніші і мають порівняно малу інерційність.
Особливими причинами похибок термоелектричних перетворювачів температури є неоднорідність матеріалів термоелектронів, зміни температури вільних кінців, шунтуючий вплив опору міжелектродної ізоляції, часові зміни властивостей термоелектронів тощо.
Стандартом нормується лише похибка градуювання. Водночас інші її складові можуть істотно впливати на результат вимірювання температури. Особливо істотними можуть виявитися похибки, викликані часовою зміною властивостей термоелектронів, зумовлені забрудненням термоелектронів у зоні градієнта температур домішками довкілля чи захисних оболонок, зміною процентного співвідношення між компонентами термоелектронів внаслідок випаровування деяких компонентів. Цих похибок можна уникнути, лише визначивши дійсну функцію перетворення та внісши поправки.
Похибку від зміни температури вільних кінців зменшують її термос стабілізацією або автоматичним введенням поправок, а похибку від шунтувальної дії опору між електродної ізоляції – підбиранням відповідних ізоляційних матеріалів.
Терморезистивні перетворювачі. Терморезистивні перетворювачі температури, що іменуються стандартом термоперетворювачами опору (ТО), бувають трьох основних різновидів: з платиновими (ТОП), мідними (ТОМ) та нікелевими (ТОН) чутливими елементами і призначені для перетворення температури в діапазоні –260...+1100 °С.
Платинові ТО призначені для перетворення температури в діапазоні –260...+1100°С, ТОМ –200...+200°С, ТОН –60...+180°С.
Конструкції чутливих елементів терморезистивних перетворювачів температури бувають дуже різними, залежно від допустимих границь перетворюваних температур, умов експлуатації тощо. Чутливий елемент сучасного платинового терморезистивного перетворювача температури (рис. 2,а) має вигляд спіралі 1, поміщеної в канавках дво- або чотириканального керамічного каркасу 2, ущільненої порошкоподібним оксидом алюмінію 3. оксид алюмінію є добрим електричним ізолятором, має велику теплостійкість і добру теплопровідність, а також інгібіторні властивості. Платинова спіраль до каркасу кріпиться за допомогою глазурі на основі оксиду алюмінію та кремнію.

Рис 2. – Конструкції чутливих елементів терморезистивних перетворювачів температури
Описана конструкція чутливого елемента характеризується доброю герметичністю і малою забруднюваністю, забезпечує незначні механічні напруження в матеріалі чутливого елемента, високу захищеність платинової спіралі, яка дає змогу використовувати термоперетворювач без захисної арматури.
Чутливий елемент мідного термоперетворювача опору - безкаркасна обмотка 1 з мідного ізольованого дроту (рис.2, б), зверху покрита фторопластовою плівкою 4. Для забезпечення необхідної механічної міцності обмотка поміщається в тонкостінну металеву гільзу 2, засипається керамічним порошком 3 і герметизується.
На рнс. 3 показано два конструктивні різновиди занурюваних терморезистивних давачів. Для захисту від впливу зовнішніх механічних чинників чутливий елемент 1 поміщають в захисну арматуру 2 (звичайно з нержавіючої сталі). Для кріплення давача на об'єкті дослідження передбачений рухомий чи нерухомий штуцер 3. Виводи чутливого елемента виносять на контактну колодку головки давача 4 (рис.3, а), а в перетворювачах без головки (рис.4, б) вони закінчуються наконечниками.
Крім занурюваних, випускаються також терморезистивні перетворювачі температури спеціального призначення, наприклад, для вимірювання температури поверхні об'єктів, що обертаються тощо.

Рис. 3 – Різновиди промислових терморезистивних здавачів температури
Терморезистивний давач температури поверхні обертових об'єктів (рис.4)
складається з перетворювача температури 1, захисного корпуса 2 і механізму встановлення зазора та кріплення на штанзі перетворювача 3. Приймачем теплової енергії від досліджуваного об'єкта є тонкостінна чашка 4, запресована в ізоляційну плату 5. До її внутрішньої поверхні приклеєно терморезистивний чутливий елемент 6, виготовлений з мідного дроту діаметром 0.05 мм. Плата з чутливим елементом жорстко кріпиться до відбивача 7, який відіграє роль теплового екрана. Тепло від досліджуваної поверхні до чашки передається безконтактним способом методом конвективної тепловіддачі та теплопровідності повітря, а також поглинанням інфрачервоного випромінювання досліджуваної поверхні. На досліджувану поверхню перетворювач встановлюється за допомогою коліс 8, які забезпечують постійний зазор між поверхнею та перетворювальним елементом

Рис. 4 – Терморезистивний давач температури обертових поверхонь
Похибка перетворювача при зміні температури поверхні валів діаметром не менше ніж 500 мм, які обертаються з ліній Ною швидкістю до 200 м/хв., якщо зазор між теплоприймачем і досліджуваною поверхнею 0,1...0,2 мм, не перевищує±2°С в діапазоні температур 30...150°С.
Сьогодні широко використовуються напівпровідникові терморезистивні перетворювачі температури. Термочутливий напівпровідниковий елемент 1 таких перетворювачів поміщається в захисний корпус 2 і ущільнюється спеціальною засипкою 3 (рис.5, а) або кріпиться до основи термоперетворювача склоприпоєм 2 (рис..5, б). Перевагами напівпровідникових термоперетворювачів є малі габарити, мала інерційність. Проте вони поступаються провідниковим в точності.
Рис. 5 – Напівпровідникові терморезистивні перетворювачі температури
Література
Поліщук Є.С. Методи та засоби вимірювань неелектричних величин: Підручник. – Львів: Видавництво Державного університету „Львівська політехніка”,2000. – 360с.