2.1. Измерение температуры термопарами.

Термопары – это термоэлектрические контактные датчики, которые состоят из двух разных по физическим свойствам проводников и соединений этих проводников (пар). Термопары не требуют внешнего источника питания и сами вырабатывают напряжение в зависимости от изменения температуры. Это надежные и недорогие датчики температуры, широко используемые в различных измерительных системах. Термопары являются единственными температурными датчиками, позволяющими измерять сверхвысокие температуры (до +2300 °С).

Принцип действия термопары основан на явлениях, заключающихся в том, что нагревание или охлаждение спаев двух различных проводников сопровождается возникновением электродвижущей силы. Главнейшие из них – закон Зеебека и закон Пельтье. Сформулируем их.

Закон Зеебека: В замкнутой цепи, содержащей два спая двух разнородных проводников, возникает электрический ток, пропорциональный разности температур этих спаев.

Закон Пельтье: Если по цепи, содержащей два спая двух разнородных проводников, пропустить электрический ток, то температура одного их проводников повысится, а второго – понизится.

Причиной этих явлений являются неодинаковые значения работ выхода электронов и различные значения концентрации свободных электронов в соприкасающихся металлах.

На рис. 1.1 приведены энергетические диаграммы контакта двух металлов с различной работой выхода, не находящихся в контакте (а), и приведенные в контакт (б).

Рис. 1.1. Энергетическая диаграмма контакта двух металлов.

Металлы обмениваются электронами, и, так как энергии Ферми , и работа выхода χ_A < χ_B, то преимущественными переходами будут переходы электронов из металла B в металл А, в результате чего в слое суммарной толщиной d появится избыточный заряд, в металле А – отрицательный потенциал, а в металле В – положительный. Между металлами возникнет контактная разность потенциалов V_K, равная разности работ выхода.

Рис. 1.2. Возникновение термоэлектродвижущей силы.

На рис. 1.2 показана контактная цепь из двух разнородных проводников. При одинаковой температуре контактов А и В разности потенциалов V_K на каждом контакте, одинаковые по величине и направленные навстречу друг другу, уравновешиваются, и суммарная ЭДС в цепи равна 0 (рис. 1.2 а, в).

Нагреем контакт А, а В оставим холодным. На контакте А энергетическая диаграмма изменится (рис. 1.2 б, г, д): контактная разность потенциалов станет отличной от той, которая существует на холодном контакте B, в цепи возникнет ЭДС.

ЭДС полной цепи будет равна разности ЭДС, генерируемых холодным и горячим спаями, которая в свою очередь пропорциональна разности температур между спаями.

Опыт показывает, что связанная с термотоком ЭДС  пропорциональна разности температур «горячего» (А) и «холодного» (В) спаев (рис. 1.3):

, (1.3)

где: – коэффициент термо-ЭДС или относительная удельная термо-ЭДС, которые определяются свойствами металлов, из которых изготовлена термопара. Например, для пары железо – константан  = 5,3  10^-5 В/К.

k – постоянная Больцмана,

е – заряд электрона,

n₁, n₂ – концентрации свободных электронов в соприкасающихся металлах.

Рис. 1.3. Возникновение термо-ЭДС в цепи термопар.

Схемы подключения термопар к измерительному прибору показаны на рис. 1.4. В реальной практике в большинстве случаев используют вторую схему, где измерительный прибор включается в разрыв одного из термоэлектродов. Подобное подключение позволяет компенсировать ненужную термо-ЭДС, возникающую в точках подключения термоэлектродов к проводам, ведущим к прибору. Эти точки в случае первой схемы хотя и находятся при одинаковой температуре, но соединяют разные по физическим свойствам проводники (например, медь-железо и медь-константан, если соединительные провода медные), в результате чего в них может возникать дополнительная нескомпенсированная термо-ЭДС, влияющая на результаты измерения. Термопара на основе такой схемы подключения называется дифференциальной.

Следует отметить, что схема подключения может содержать и большее количество спаев, чем два. Такие схемы могут использоваться для измерения, например, средней температуры объекта по нескольким точкам замера.

Для расчета суммарной термо-ЭДС в цепи дифференциальной термопары необходимо знать как минимум температуру одного из спаев. Раньше холодные спаи опускались в сосуды с тающим льдом для поддержания их температуры, равной 0 °C (отсюда появилось название «холодные спаи»), но это очень неудобно, а для многих практических схем и вовсе невозможно. Сейчас обычно температура холодного спая контролируется дополнительным детектором (например, терморезистором).

Рис. 1.4. Способы подключения термопары.

Зависимость величины ЭДС термопары от температуры нелинейна в широком диапазоне температур, но на определенном участке её можно считать линейной и использовать для расчета коэффициента термо-ЭДС  (рис. 1.5).

Рис. 1.5. График зависимости термо-ЭДС в зависимости от температуры для различных типов термопар.

Наиболее распространены термопары платино-платинородиевые (ПП), хромель-алюмелевые (ХА), хромель-копелевые (ХК), железо-константановые (ЖК), алюмелевые. Термопары пригодны для измерения температур в диапазоне от 0 до 2300 °C и в области низких температур до –200 °C.

Таблица 1.1. Основные параметры ТП по ГОСТ.

Тип ТП	Условное обозначение НСХ (международное)	Материал термоэлектрода: положительный и отрицательный	Диапазон измерения температуры (кратковременный), С	Диапазон термо- ЭДС, мВ
ТВР	ВР (А)	вольфрам (95 %) – рений (5 %)/ вольфрам (80 %) – рений (20 %)	0 – 2200 (2500)	0 – 31,13 (33,64)
ТПР	ПР (В)	платинородий (70 % Pt + 30 % Rh)/ платинородий (94 % Pt + 6 % Rh)	300 – 1600 (1800)	0,43 – 11,26 (13,58)
ТПП	ПП (S)	платинородий (90 % Pt + 10 % Rh)/ платина	0 – 1300 (1600)	0 – 13,15 (16,77)
ТХА	ХА (К)	хромель (90,5 % Ni + 9,5 % Cr)/ алюмель (94,5 % Ni + Al, Si, Mn, Co)	–200 – +1000 (1300)	–5,89 – +41,27 (52,40)
ТХК	ХК (L)	хромель (90,5 % Ni + 9,5 % Cr)/ копель (56 % Cu + 44 % Ni)	–200 – + 600 (800)	–9,50 – +49,10 (66,47)
ТМК	МК (М)	медь / копель (56 % Cu + 44 % Ni)	–200 – +100	–6,15 – +4,72

Для указанных в табл. 1 термопар (с металлическими электродами) в соответствии с ГОСТ Р 50342-92 и ГОСТ 3044-84 устанавливаются номинальные статические характеристики термопар (НСХ), т.е. зависимости термо-ЭДС термопар от температуры измерительного спая при температуре соединительного спая 0 С. В этой же таблице приведены основные параметры термопар. НСХ задаются в виде таблиц или в виде аппроксимирующих полиномов. Более удобным является табличное задание НСХ.

Недостатки термопар:

• Для получения высокой точности измерения температуры (до ±0,01 °С) требуется индивидуальная градуировка термопары.

• Высокое исходное сопротивление.

• Зависимость ТЭДС от температуры существенно нелинейна (величину  нельзя считать постоянной в широком диапазоне температур). Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.

• Необходимость поддержки постоянной температуры одного из концов.

Преимущества термопар:

• Высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01 °С).

• Большой температурный диапазон измерения: от –200 °C до 2500 °C.

• Простота.

• Дешевизна, надежность.

Стационарное и динамическое состояния термопар.