Теплометрические приборы, разработанные в ИТТФ АН УССР [8]

дел. . mVBt. мкВ -mVBt.

§ 3. Вакуумметры термопарные

Приборы используются для измерения давления в интервале 5 X X 10~1- 10~мм рт. ст. Датчик представляет собой герметизированную колбу цилиндрической формы с откачным патрубком, в которую вмонтирован электрический нагреватель и термопара хромель-копель (рис. XV. 9). Средняя часть нагревателя и спай термопары приведены в тепловой контакт хромелевой перемычкой. При пропускании через иагреватель электрического тока спай термопары разогревается. По мере понижения давления иа спае возрастает температура (вследствие уменьшения теплообмена нити нагревателя и электродов термопары с окружающей средой) и, соответственно, повышается генерируемая термопарой ЭДС. Связь между ЭДС термопары и давлением приводится в виде градуиро-

Постоянная времени прибора, с

Диапазон рабочих температур, К

<1

<5

<4

<5

<3

<3

<10

<20

<20

<20

<10

<100

<120 120

120 5

70-1000

70-4Ю

70-400 70-400 70-400 70-400 70-600 70-400 70-400 70-400 70-400 270-ЗТр

270-370 120-370

200-400 320

Погрешность, %

Размеры прибора, мм

±5

±2,5

±2,5

±2,5

±2,5

±2,5

±5

±3

±3

±5

±3

±5

±5 ±5

±5 ±3

1X10X10-

027, fto = 1.8

08, hp = 1,8 1,5X10X10 1,3x12x12 015, ho = 1,4 027, ho = 2 060, ho = 2 2,5x50x50 090, ho = 3 1,5x17x60 20x 20x 2, 030, / = 300 125x110x50

027, ho =1,85, 030, I = 300, 127x107x55 027, ho = 1,85 030, / = 300, 120X120X 60 120x140x300 1,5x5x5, 200

Примечание

Серийный

Медицинский

Гибкий

Размеры датчика, жезла, показывающего прибора То же

Футляр Размеры чувствительного элемента, рукоятки

вечных кривых, из которых по измеренным ЭДС термопары определяется давление (рис. XV. 20, XV. 21). Широко применяются термопарные датчики давления двух типов: ЛТ-2 в стеклянном корпусе и ЛТ-4М в металлическом. Рабочий ток нагревателя для Каждого из датчиков определяется экспериментально по максимальной ЭДС (10 мВ) при давлении в колбе менее 10 *мм рт. ст.

В работе [7] установлено, что с достаточной степенью точности градуировочную кривую можно описать аналитически:

(XV.49)

где Р -давление, fiajj, - максимальная ЭДС термопары (10 мВ),

£ -ЭДС термопары При измерении Р, 4 - коэффициент, зависящий от конструктивных параметров датчика и температуры окружающей

А. среды. При известном Е значение А

определяется по одному из значений на -i-l-L градуировочнсй кривой.

Для расширения диапазона измерений в сторону малых давлений предлагается использовать повышенный температурный режим (при увеличенном рабочем токе через нагреватель), в сторону повышенных давлений (более 1 мм рт. ст.) - заполнение объема датчика дисперсными и теплоизолирующими материалами на основе двуокиси кремния (аэрогели, кремнегели) [5]. Измерение повышенных давлений (вплоть до атмосферного) достигается при теплоизоляции термопар и нагревателя серией экранов из алюминиевой фольги [12J. Экраны расположены иа небольших расстояниях друг от друга (0,005 см).

Рис. XV. 19. Конструкции датчиков термопарных вакуумметров: о - ЛТ-2; б - ЛТ-4М; / колба; 2 - цоколь.

£2

Р мм рт-ст.

£2

8 6 4

9 JOEmB

Рис. XV.20. Градуировочная кривая для термопарного датчика ЛТ-2.

Р мм рт ст.

7 8

10£мВ

Рис. XV.21. Градуировочная кривая для термопарного датчика ЛТ-4М.

§ 4. Термоэпектрический трансформатор

В различных электронных и измерительных приборах широко используются устройства для усиления постоянного электрического напряжения. Для этих целей обычно применяется преобразование постоянного тока в переменный (генераторы, вибропреобразователи), трансформация переменного

Рис. XV.22. Схема трансформатора постоянного тока с термопарными элементами первичной (/) и вторичной (2) цепей.

тока с целью повышения напряжения и обратный переход к постоянному току выпрямителями или синхронными устройствами.

Термоэлектрическим трансформатором постоянного тока осуществляется усиление постоянных напряжений л токов без преобразований в переменный ток. Трансформатор (рис. XV. 22) содержит первичную и вторичную цепи, в которых применяются находящиеся в тепловом контакте и электрически изолированные термоэлементы. В первичной цепи подводимая электрическая энергия преобразуется в тепловую, во вторичной тепловая энергия обратно преобразуется в электрическую. Холодные спаи термоэлементов в первичной

и вторичной цепях имеют одинаковую температуру, горячие (для уменьшения потерь) теплоизолируются.

Для трансформатора, изготовленного из термопарных элементов, связь между напряжениями в первичной и вторичной цепях определяется из условия баланса теплот [1]

I + -1= Q + Q? + Q (XV.50)

где Q - теплоты Джоуля, выделяющиеся в объеме термоэлементов, Qn - теплоты Пельтье на примыкающих друг к другу спаях термоэлементов первичной и вторичной цепей, - теплоты, переносимые от горячих спаев к холодным теплопроводностью термоэлементов. Из (XV.50) следует, что коэффициент трансформации

(XV.51)

(t/j -напряжение во вторичной цепи, Uf - в первичной) зависит от Ui, однако для случаев, когда разности температур в термоэлементах невелики и Од< QfзФФиент трансформации постоянный и определяется из формулы

(XV.52)

k = ZT-

0 2 /

Sl/l +

где Z - добротность термоэлектрического материала, /j, ifj и sj, % - длины и поперечные сечения ветвей термоэлементов в первичной и вторичной цепях, о - электропроводность термоэлектрического материала, Nk Nj - количество термоэлементов в первичной и вторичной цепях, R - сопротивление нагрузки трансформатора. Формула (XV. 52) получена в предположении, что материалы термоэлементов в первичной и вторичной цепях одинаковы, а параметры п- и р-ветвей близки между собой. Оптимизация по геометрическим размерам из (XV. 52) позволяет определить коэффициент трансформации в режиме максимального КПД:

Для случая, когда R оо.

k = ZT

(XV.53)

(XV.54)

Из (XV. 53) и (XV. 54) следует, что для изготовления трансформаторов с высокими значениями k необходимо во вторичной цепи использовать термоэлектрический модуль, содержащий большое количество последовательно включенных термоэлементов, например при ЛУ = 2 и Z = 2,5 Ю-К ! для А = 100 в режиме максимального КПД N1 540.

В работе [10] описан такой трансформатор с двумя элементами в первичной цепи и 48 во вторичной.

Высокие значения k могут быть получены при использовании во вторичной цепи элементов, развивающих большие ЭДС. Авторами работы [И] для этой цели использован генератор Нернста из Bi-Ag при температуре 77 К; в работе [ij предлагается использовать вихревые термоэлементы.

§ 5. Сигнализаторы

внезапных изменений температуры

Термобатарея сигнализатора внезапных изменений температуры состоит из сваренных последовательно хромель-копелевых или хромель-алюмелевых термопар. Малоинерционные спаи расклепаны, инерционные прикреплены к материалу большой теплоемкости. При изменении температуры окружающей среды температура малоинерционных спаев изменяется, температура инерционных спаев изменяется существенно медленнее. Возникающая при этом разность температур на спаях приводит к образованию термоЭДС,

Рис. XV.23. Конструкция (а) и внешний ввд (б) преобразователя пожарной сигнализации ППС-013:

/ -корпус; 2-защитный чехол; 3 - малоннерционный спай; 4инерционный спай; 5 - электрические выводы термобатареи.

по которой судят О наличии внезапного изменения температуры. Если температура среды существенно не изменяется, термеЭДС На концах батареи близка к нулю.

Этот принцип работы использован в датчиках ДСП-1 А, ДСП-038, ППС-021, ППС-013, разработанных НПО Термоприбор . В датчиках ДСП-1 А и ДСП-038 при внезапных изменениях температуры от 20 до 45° С развиваемые термобатареями ЭДС составляют около 8 мВ, от 20 до 88° С - около 16 мВ. Время срабатывания при скорости роста температуры 0,5 К/с - от 110 до 135 с, при 0,7 К/с - от 65 до 100 с, при 0,8 К/с - 70 с, при 0,9 К/с - 55 с [2]. Датчиком ППС-013 развиваются ЭДС 40-60 мВ за 1 с при изменении тем-