2.9. Материалы для термопар

Я

Рис. 2.13. Термоэлектрический эффект

вление термоэлектричества было открыто в 1821 г. немецким физиком Т.И. Зеебеком (1770 – 1831 гг.) и заключается в следующем: если составить электрическую цепь из двух разнородных проводников и обеспечить их контактам неодинаковые температуры, то на свободных концах обнаруживается электродвижущая сила Е (термоЭДС) (рис. 2.13). Пока температуры спая и концов проволок, присоединённых к измерительному прибору, различны, по цепи будет протекать электрический ток.

Возникновение термоЭДС обусловлено тем, что средняя энергия электронов, образующих ток, в обоих проводниках зависит от температуры, но она различна в разных материалах. Электроны в нагретом спае приобретают более высокие скорости и устремляются к холодным концам, на которых накапливается заряд, причём в разных проводниках, образующих термопару, он различен. Этот процесс будет продолжаться, пока возникающая термоЭДС (Е) не уравновесит дрейф электронов.

Е = е(t₂ – t₁), мкВ, (2.11)

где e — коэффициент Зеебека, мкВ/град;

t₁ и t₂ — температуры холодного и горячего спаев термопары, град.

В небольшом диапазоне температур термоЭДС линейно зависит от разности температур (рис. 2-14), при значительных перепадах температур линейность нарушается.

Материалы, из которых составлена термопара, должны развивать возможно более высокую термоЭДС и обладать стабильностью термоэлектрических свойств. Для высоких температур нужны жаростойкие и жаропрочные термопары.

Д

Рис.2.14. ТермоЭДС термопар:

температура холодного спая — 0 ^ОС,

Δt — температура горячего спая

ля изготовления термопар используют специальные сплавы: хромель (основа — никель, до 10 % хрома; рабочая температура — до +1000 ^ОС) , копель (основа — медь, до 43 % никеля, около 0,5 % марганца; рабочая температура — до +600 ^ОС), алюмель (основа — никель, в сумме до 6 % алюминия, марганца, кремния; рабочая температура — до +1000 ^ОС ). Для высокочувствительных термопар применяют сплавы благородных металлов — платинели, в состав которых входят : платина (31 %), золото (14 %), свинец (55 %). Рабочая температура таких термопар достигает +1300 ^ОС.

Коэффициент Зеебека для большинства металлов невелик и обычно не превышает нескольких десятков микровольт на градус. У полупроводников этот коэффициент значительно выше и может достигать сотен микровольт на один градус перепада температур (см. раздел 5.8).

Термопары широко используют для измерения температуры. Холодный спай поддерживают при неизменной температуре (для точных измерений — при температуре тающего льда) и по величине ЭДС термопары определяют температуру горячего спая. Для защиты термопары от разрушающих воздействий окружающей среды её помещают в трубчатый защитный корпус из металла, а при измерении высоких температур — из керамики.

Термопары позволяют измерять как высокие, так и весьма низкие температуры дистанционно, с малой инерционностью и высокой точностью. Они хорошо согласуются с электронными схемами автоматического управления температурой в промышленных и сельскохозяйственных электротермических установках.