Федеральное агентство по рыболовству

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Астраханский государственный технический университет»

Институт информационных технологий и коммуникаций

Кафедра Автоматика и управление

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТЕМПЕРАТУРЫ

Часть II – термоэлектрические термометры

Методические указания к практическим занятиям по курсам «Измерительные преобразователи» и «Технические измерения и приборы» для студентов направления 220700.62 «Автоматизация технологических процессов и производств»

Астрахань, 2014

Составитель:

Кокуев А. Г. – к.т.н. доц. кафедры «Автоматика и управление»

Рецензент:

Прохватилова Л.И.. – к.т.н. доц. кафедры «Автоматика и управление»

Методические указания к практическим занятиям по курсам «Измерительные преобразователи» и «Технические измерения и приборы»: Измерительные преобразователи температуры часть II – термоэлектрические термометры для студентов направления 220700.62 «Автоматизация технологических процессов и производств»/ АГТУ; Сост.: А. Г. Кокуев.- Астрахань, 2014.-23 с.

Методические указания рассмотрены и утверждены на заседании кафедры «Автоматизация и управление» от 16 апреля 2014г., протокол №3

Оглавление

Оглавление 3

1. Термоэлектрические термометры. 4

1.1. Общие сведения. 4

1.2 Удлиняющие провода 6

1.3 Типичные источники погрешностей 7

1.5 Поправка на температуру свободных концов термопары 9

1.6 Используемые материалы и виды преобразователей 10

1.7 Включение измерительного прибора в цепь термоэлектрического термометра. 11

1.8 Средства измерения сигналов термопар 14

2. Термометры сопротивления 16

2.1 Общие сведения 16

2.2 Измерительные приборы термометров сопротивления 17

Используемая литература 23

1. Термоэлектрические термометры.

1.1. Общие сведения.

В целом ряде термоэлектрических устройств давно используется так называемый эффект Зеебека (рис. 1.1.1) – возникновении электрического напряжения в цепи из последовательно соединенных разнородных металлов, контакты между которыми находятся при разных температурах. А недавно японские ученые экспериментально показали существование спинового эффекта Зеебека: оказывается, металлический магнит, помещенный в температурный градиент, является аналогом термопары.

В современной физике открытие новых эффектов – далеко не частое явление и, по сути, большая часть из них расширяет диапазон распространения классических эффектов. Так случилось и с недавно открытым спиновым эффектом Зеебека, ставшим логическим продолжением классического эффекта Зеебека, открытого еще в 1821 году.

Классический эффект Зеебека заключается в возникновении электрического напряжения в цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных металлов, контакты между которыми находятся при разных температурах. Благодаря этому эффекту человечество обрело ключи к большому классу явлений под общим названием «термоэлектричество».

Рис. 1.1.2. Подключение термопары

Сегодня в целом ряде устройств, таких как термоэлектрогенераторы, сенсоры напряжения, температуры, давления газа, интенсивности света, задействован эффект Зеебека.

Такой термоэлектрический термометр (термопара) состоит из двух разнородных металлов, соединенных сваркой. Один конец термопары помещается в измеряемую среду, а свободные концы выведены наружу и подключены к измерительному устройству. При включении нагрева объекта измерения разные концы термопары будут находиться при разных температурах (возникает температурный градиент), что приведет к возникновению термотока или термоэлектродвижущей силы (термоЭДС).

Измерительное устройство преобразует термоток в показания термометра либо работает как датчик температуры на включение и отключение нагревателя при достижении определенной температуры. Следует отметить, что главное достоинство термопар по сравнению с жидкостными термометрами – широкий диапазон рабочих температур: от 4 до 2800 К в зависимости от используемых материалов.

Выделяют три основных причины возникновения термоЭДС. Во-первых, это температурная зависимость уровня Ферми контактирующих проводников. В случае создания температурного градиента внутренние контактные разности потенциалов металлов будут различными, что и приводит к контактной составляющей термотока. Во-вторых, диффузия носителей заряда от горячего конца к холодному. В металлах тепло переносят электроны, которые диффундируют от горячего конца к холодному, накапливаясь на нём. В результате появляется электрическое поле, направленное против температурного градиента и препятствующее дальнейшему разделению зарядов. В-третьих, увлечение электронов фононами, которые движутся в сторону, противоположную температурному градиенту и как бы «подталкивают» электроны к холодному концу.

Все эти причины учтены в так называемом коэффициенте Зеебека, который различается для разнородных проводников (так как зависит от плотности электронов проводимости и скорости их рассеяния) и определяется как отношение сгенерированного электрического напряжения к разности температур на концах проводника.

Н едавно японские ученые экспериментально показали существование спинового эффекта Зеебека(рис 1.1.3) Их работа была опубликована в журнале Nature . Всё началось с теоретических рассуждений. Так как в металлическом магните электроны проводимости в состояниях «спин вверх» и «спин вниз» имеют разную плотность и скорости рассеивания, то авторы публикации логично предположили, что спиновые состояния имеют и разные коэффициенты Зеебека. Другими словами, авторы предложили рассматривать магнит как два проводника с различными коэффициентами Зеебека .