2.1.ТермочувствительныеэлементынаосновеэффектАтермоЭдс

Введение

ТермочувствительныеэлементынаосновеэффектатермоЭДС,конструктивнореализованныеввидетермопар,широкораспростране-нывтермосенсорахблагодаряряду достоинств[2.1].

1. Термопарыизмеряютразностьтемпературмеждудвумяточка-

ми–местамирасположениягорячегоихолодногоспаев.Этосамоге-

нерирующиеустройства,нетребующиеподводавнешнейэлектриче-скойэнергии.Унихотсутствуетначальныйвыходнойсигнал–еслинетразноститемператур,товыходнойсигналравеннулю.

2. Термопарыработаютвоченьширокомтемпературноминтерва-ле:от–220до2700С,которыйнамногоперекрываетинтервалработысуществующихкремниевыхсенсоров.

3. Термопарыпозволяютсвысокойточностьюизмерятьмалыеразноститемпературнесмотрянаневысокуючувствительность

^{0,05...1,0мB/К}^{.Малостьобъемовспаевпозволяетпроизводитьиз-мерения}вдинамическомрежиме.

4. Процессизготовлениябольшинстватермопархорошовписыва-

етсявстандартнуютехнологиюизготовленияинтегральныхсхемнакремнии.

5. Термопарыобладаютвысокойнадежностьюработыистабиль-ностьюхарактеристик.

Фундаментальнаяособенностьтермопарзаключаетсявтом,чтодляизмеренияабсолютнойвеличинытемпературынагорячемспаенеобходимознатьтемпературуопорного(холодного)спая.Любаяпо-грешностьвееопределениидаетприблизительнотакуюжепогреш-ностьвопределенииизмеряемойтемпературы.Ксчастью,вбольшин-стветермосенсоровнеобходимознатьтолькоразностьтемператур,чтоупрощаетзадачуизмерений.

Физическойосновойработытермопарныхчувствительныхэлемен-товявляетсяэффекттермоЭДС(илиэффектЗеебека–поименине-мецкогофизика,открывшегоегов1821году)Сутьэффектасостоитввозникновенииэлектрическоготокавзамкнутойцепи,состоящейиздвухразнородныхпроводников,еслиместаихсоединенийнаходятсяприразличныхтемпературах(рис.2.1).

1

А

_А 1

В

T

_I B

1

_{T С} D

2

2 ^{2 –V+ 2}

T_1T₂

а_{а бб}

Рис.2.1.Внеоднороднонагретойцепиизразличныхпроводников(1,2)воз-никаетток(а)итермоЭДС(б)

Еслицепьразомкнута,товместеразрываобразуетсяразностьпо-тенциалов(термоЭДС),котораятембольше,чембольшеразностьтем-пературмеждугорячимихолоднымспаями.ПричинойпоявлениятокаитермоЭДСявляетсятермоэлектрическоеполе,возникающеевнеод-нороднонагретомпроводнике.ТермоЭДСявляетсянелинейнойфунк-циейтемпературы,котораяобычнопредставляетсявполиномиальной

^{форме,например,ЭДСтермопарыплатинородий10%Pt30%Rh}^–

^{платинородий94%Pt+6%Rh}

вдиапазонетемператур0...1820C

описываетсяполиномомвосьмогопорядка[2.1]:

8

E_a_iTⁱ

i1

, (2.1.1)

гдеa_i

–табулированныекоэффициенты.

Вузкомтемпературноминтервалетермопаруможнохарактеризо-ватьединственнымпараметром–чувствительностью(дифференци-альныйкоэффициенттермоЭДС):

_^dEA/B_.

dT

ИндексамиAиBобозначеныматериалы,входящиевтермопару.

Из-занелинейностиобщейзависимости,чувствительностьзависит

оттемпературы,например,длятермопарыжелезо–константанпритем-

пературеt0C52,9мкВ/С,адляt700C

63,8мкВ/C.

ДляэффектатермоЭДСсправедливытризакона,имеющиеважноепрактическоезначение.

1. Законпоследовательностиметаллов.Еслиимеетсядветермо-

пары,однаизкоторыхобразованаматериалами

A/Bидругая–

B/C,

тотермопараизматериалов

A/Cопределяетсясоотношением

^EA/C^EA/B^EB/C^.

ЭтотзаконпозволяетопределитьЭДСтермопардляразличныхкомбинацийматериалов.ОбычнотермоЭДСматериаловизмеряютот-носительносвинцаилиплатины.

2. Законпоследовательноститемператур.Еслитемпературахо-

лодногоспаяT₁

принимаетновоезначение

T₁^{,тотермоЭДСизменя-}

етсяотзначенияE^T2T1дозначенияE^T2T1:

A/B

T₂T₁^

T₂T₁

A/B

T₁^T₁

^EA/B^EA/B^EA/B^.

3. Законпромежуточныхметаллов.Есливцепьтермопары

A/B

включаетсяпроводникиздругогоматериала,тоЭДСтермопарынеизменится,еслитемпературанаконцахпроводникаодинакова.

Этотзаконосновываетсянатом,чтоконтактнаяразностьпотен-циалов,образующаясявместахсоединенияпромежуточногоматериа-лаиосновногоматериалатермопары,визотермическомсостоянииодинаковаповеличине,нопротивоположнапознаку.

Наоснованииэтогозаконавцепьтермопарыможновводитьлюбоеколичествопромежуточныхпроводников,еслиихконцынаходятсяприодинаковыхтемпературах.