Лекція 6. Вимірювання температури. Термоелектричні термометри. Теоретичні основи термопар. Вимоги до матеріалів термоелектродів. Стандартні термопари. Способи вимірювання термо ЕРС. Підключення електровимірювального приладу в коло термоелектричного перетворювача. Поправка на температуру вільних кінців термопари Подовжувальні (компенсаційні) проводи Способи з’єднання термоелектричних перетворювачів.

Термоелектричні термометри

Термоелектричні термометри є найбільш поширеними приладами для вимірювання температури; вони забезпечують широкий інтервал дистанційного вимірювання температури – від практично абсолютного нуля до температури плавлення тугоплавких металів. Термоелектричний термометр складається з термоелектричного перетворювача (термопари) (рис. 6.1), з’єднувальних провідників ЗП і електровимірювального приладу ЕВП.

6.1. Теоретичні основи термопар

Термоелектричний перетворювач (термопара) – це електричне коло, яке складається з двох або декількох з’єднаних між собою різно-рідних провідників (термоелектродів), наприклад А і В. Місця з’єднання термоелектродів 1 і 2 називаються спаями.

Вимірювання температури термоелектричними перетворювачами ґрунтується на ефекті Зеебека, відкритому в 1821 році. Зеебеком було виявлено, що, якщо температури спаїв і не однакові, то в замкненому колі виникає електричний струм. Напрямлення цього струму, який називають термострумом, залежить від співвідношення температур спаїв, тобто якщо > , то напрям струму буде одним, а при < – іншим. При розмиканні електричного кола на його кінцях може бути виміряна термоелектрорушійна сила (термоЕРС).

Виникнення термоструму або термоЕРС в сучасній фізиці пояснюється тим, що різні метали мають різну роботу виходу електронів і тому при з’єднанні двох різнорідних металів виникає контактна різниця потенціалів. Крім того, при різній температурі кінців термоелектродів в них виникає дифузія електронів, внаслідок чого утворюється різниця потенціалів на кінцях.

Таким чином, обидва фактора – контактна різниця потенціалів і дифузія електронів – є складовими результувальної термоЕРС, значення якої залежить від природи термоелектродів і різниці температур спаїв термопари.

Результувальна термоЕРС термопари визначається з рівняння

еAB (t) еAB (tо),

(6.1)

де еAB (t) і еAB (tо) – відповідно різниця потенціалів в спаї при температурах і .

Записане рівняння називають основним рівнянням термоелектричного перетворювача, з якого виходить, що термоЕРС , яка виникає в контурі, залежить від різниці температур і . Якщо температуру підтримувати постійною, тобто , то еAB (tо) Тоді

еAB (t) – c = f(t).

(6.2)

При відомій залежності (6.1) шляхом вимірювання термоЕРС в контурі термопари може бути визначена температура в місці вимірювання, якщо температура . Спай, який розміщують в об’єкті вимірювання температури, називають робочим спаєм або робочим кінцем, а спай, розміщений поза об’єктом вимірювання температури – вільним спаєм (кінцем).

Для стандартних термопар залежність (6.2) визначається експериментальним шляхом, тобто градуюванням при температурі вільного спаю = 0 ^оС.

6.2. Підключення електровимірювального приладу в коло термоелектричного перетворювача

Для підключення електровимірювального приладу коло термопари розривають у вільному спаї або в одному з термоелектродів (рис. 6.3.).

Обидві схеми підключення приладу можна представити як приєднання до електричного кола ще одного, третього провідника .

Покажемо, що незважаючи на зовнішню різницю схем а) і б), термоЕРС, що виникають в цих схемах, будуть однакові, якщо температури кінців третього провідника однакові.

Для схеми а) маємо

еAB (t) + еBC (t) + еCA (t).

Якщо температури всіх спаїв однакові, то

еAB (tо) + еBC (tо) + еCA (tо) = 0

Звідси виходить, що

еAB (tо) = - [еBC (tо) + еCA (tо)]

Тоді після підстановки отримаємо

еAB (t) – еAB (tо) = EAB (t, tо),

тобто отримане рівняння повністю співпадає з основним рівнянням термоелектричного перетворювача.

Для схеми б) запишемо

еAB (t) + еBC (t1) + еCB (t1) + еBA (tо)

Враховуючи, що

еBC (t1) = -еCB (t1) і еBA (tо) = -еAB (tо),

маємо

еAB (t) – еAB (tо) = EAB (t, tо),

тобто це рівняння теж співпадає з основним рівнянням термоелектричного перетворювача.

Отриманий висновок має важливе практичне значення. З нього витікає, що підключення електровимірювального приладу буде правильним, якщо температури місць приєднання з’єднувальних провідників однакові. Крім того, спосіб виготовлення спаїв термопари (зварювання, паяння, механічний контакт) та їх розміри не впливають на значення термоЕРС, якщо температура в усіх точках однакова.

Якщо температури місць приєднання третього провідника неоднакові, то в контурі виникає паразитна термоЕРС.