4.2.2. Термоэлектрические термометры

Действие термоэлектрических термометров основано на свойстве металлов и сплавов создавать термоэлектродвижущую силу (термоэдс), зависящую от температуры места соединения (спая) концов двух разнородных проводников (термоэлектродов), образующих чувствительный элемент термометра – термопару. Имея закон изменения термоэдс термометра от температуры и определяя значение термоэдс электроизмерительным прибором, можно найти искомое значение температуры в месте измерения [5, 6].

Термопары широко используются для измерения температур в пределах от –150 до 2000⁰С.

Термопара состоит из двух спаянных и изолированных по длине термоэлектродов, защитного чехла и головки с зажимами для подключения соединительной линии. В качестве вторичных приборов, работающих с термоэлектрическими термометрами, применяются магнитоэлектрические милливольтметры и потенциометры.

К преимуществам термопар можно отнести

- большой диапазон измерения;

- высокую чувствительность и высокую степень точности;

- незначительную инерционность;

- возможность измерения локальных температур вследствие малых габаритов спая термопар (микротермопары);

- легкость осуществления дистанционной передачи показаний;

- отсутствие постороннего источника тока.

Основные свойства термоэлектрических термометров

Принцип действия термопар основан на термоэлектрических явлениях, открытых в 1821 г. Зеебеком.

Известно, что в замкнутом контуре, состоящем из двух разнородных проводников, непрерывно течет электрический ток, если места спаев проводников имеют различные температуры. Механизм возникновения термоэдс основывается на том, что концентрация в межмолекулярном пространстве проводника свободных электронов, находящихся в единице объема, зависит от материала проводника и его температуры.

Пусть два разнородных проводника А и B соединены и температура концов одинакова. В проводнике B плотность свободных электронов больше, чем в А, поэтому из В электроны диффундируют в А в большем количестве, чем обратно. Таким образом, проводник B будет заряжаться положительно, а А – отрицательно. Электрическое поле, возникшее в месте соприкосновения проводников, будет препятствовать этой диффузии. Когда скорость диффузионного перехода электронов станет равна скорости их обратного перехода под действием электрического поля, наступит состояние подвижного равновесия. При этом между проводниками А и B возникнет некоторая разность потенциалов термоэдс. С увеличением температуры термоэдс увеличивается.

Кроме того, термоэдс возникает и между концами однородного проводника, имеющими разные температуры, причем более нагретый конец заряжается положительно.

В замкнутом контуре (рис. 10), состоящем из разнородных термоэлектродов А и B, одновременно действуют оба указанных фактора, вызывающие появление в спаях 1 и 2 (в зависимости от температур t и t₀ и материала термоэлектродов) двух суммарных термоэдс e_AB(t) и e_BA(t₀). Действующая в контуре результирующая термоэдс Е_AB(t, t₀) равна алгебраической сумме термоэдс обоих спаев, т.е.

Е_AB(t, t₀) = e_AB(t) + e_BA(t₀), (4.10)

но, если учесть, что e_BA(t₀)= –e_AB(t₀), получим

Е_AB(t, t₀) = e_AB(t) – e_AB(t₀). (4.11)

Рис. 10. Схема устройства термопары: А, B – разнородные проводники; 1, 2 – спаи термопары

Следовательно, вырабатываемая термометром термоэдс равна разности двух действующих навстречу суммарных термоэдс, появляющихся на концах термоэлектродов в спаях 1 и 2. При равенстве t=t₀ результирующая термоэдс равна 0.

Спай 1, погружаемый в измеряемую среду, называется рабочим или горячим концом термоэлектрического термометра, а спай 2 – свободным или холодным концом.

Для измерения термоэдс к термоэлектрическому термометру посредством соединительных проводов подключается вторичный прибор, образующий с ним замкнутую цепь. Применяются два способа включения в контур: в свободный конец или в один из его термоэлектродов. Наиболее распространен первый способ.

Рассмотрим, будет ли влиять на результирующую термоэдс включение третьего (соединительного) проводника C с вторичным прибором ВП [5].

При первом способе включения (рис. 11, а) термометр будет иметь два свободных конца со спаями 2 и 3, находящимися при одинаковой температуре t₀. Результирующая термоэдс равна

Е_AB(t, t₀) = e_AB(t) + e_BC(t₀)+e_СА(t₀). (4.12)

Если принять, что температуры всех трех спаев одинаковы и равны t₀, то в замкнутой цепи результирующая термоэдс будет равна нулю^*), т.е.

Е_AB(t₀) = e_AB(t₀) + e_BC(t₀) + e_СА(t₀)=0 (4.13)

или

e_BC(t₀) + e_СА(t₀) = – e_AB(t₀) . (4.14)

Подставив (3.14) в (3.12), получим

Е_AB(t, t₀ )= e_AB(t) – e_AB(t₀),

или соотношение (3.11).

а)	б)

Рис. 11. Способы подключения вторичного прибора к термоэлектрическому термометру: а) – подключение в свободный конец, б) – подключение в термоэлектрод

При втором способе подключения прибора ВП появляются два новых спая 3 и 4. Пусть температура этих спаев t₁, тогда результирующая термоэдс

Е_AB(t, t₀) = e_AB(t) + e_BC(t₁)+e_СB(t₁)+ e_BА(t₀), (4.15)

где e_BC(t₁)= –e_CВ(t₁) и e_BА(t₀)= –e_АB(t₀). Подставив эти соотношения, получим опять уравнение (4.11). При этом температура нейтральных спаев 3 и 4 никакой роли не играет.

Таким образом, включение в контур термоэлектрического термометра третьего разнородного проводника не влияет на развиваемую им термоэдс, если места присоединения проводника имеют одинаковую температуру. Если же температуры спаев 2 и 3 на рис. 11, а или спаев 3 и 4 на рис. 11, б не будут равны, то при этом в цепи появится «паразитная» термоэдс, которая отразится на результатах измерения.

Термоэдс любого термоэлектрического термометра может быть определена, если известна термоэдс, развиваемая каждым из его термоэлектродов в паре с одним и тем же третьим разнородным термоэлектродом.

Пусть даны термоэдс двух термометров АС и ВС, температуры рабочих и свободных концов t и t₀. Требуется найти при тех же температурах термоэдс термометра АВ.

Имеем

Е_AС(t, t₀) = e_AС(t) – e_АС(t₀);

Е_ВС(t, t₀) = e_ВС(t) – e_ВС(t₀).

Вычитая, получаем

Е_AС(t, t₀) – Е_ВС(t, t₀)= e_AС(t) – e_АС(t₀) – e_ВС(t) + e_ВС(t₀). (4.16)

Известно, что

e_AС(t) – e_ВС(t)= e_AВ(t);

e_BС(t₀) – e_АС(t₀)= –e_AВ(t₀),

тогда (3.16) примет вид

Е_AС(t, t₀) – Е_ВС(t, t₀)= e_AВ(t) – e_AВ(t₀), (4.17)

Е_AB(t, t₀)

Е_AB(t, t₀)= Е_AС(t, t₀) – Е_ВС(t, t₀). (4.18)

Измерение температуры при помощи термоэлектрического термометра возможно лишь при постоянной и точно известной температуре свободного конца t₀. В этом случае

Е_AB(t, t₀)=f(t). (4.19)

Функция f(t) имеет сложный вид и определяется экспериментальным путем. Принято, что t₀=0 и f(t₀)=0.

Экспериментальная зависимость термоэдс Е_AB(t, t₀) от температуры рабочего конца t при постоянной температуре свободных концов t₀ (как отмечалось, обычно 0⁰С), называется градуировочной характеристикой.

Величина называетсячувствительностью термопары.

Значение термоэдс зависит от материала термоэлектродов, температур рабочего и свободного концов.

К материалам, предназначенным для изготовления термопар, предъявляется ряд требований [6]:

• они не должны в пределах измеряемых температур с течением времени изменять свои физические свойства;

• величина термоэдс выбираемых материалов должна быть достаточной для точных измерений;

• выбираемые материалы должны быть устойчивы против действия высоких температур, окисления и других вредных факторов;

• температурный коэффициент электросопротивления должен быть, по возможности, минимальным, а электропроводность – высокой;

• однозначная и, по возможности, линейная зависимость термоэдс от температуры;

• однородность и постоянство состава для обеспечения взаимозаменяемости термометров.

• относительно невысокая стоимость.

Для оценки значения термоэдс различных термометров обычно пользуются экспериментальными значениями термоэдс металлов и сплавов в паре с чистой платиной.

Типы и характеристики термоэлектрических

термометров

По характеру применяемых материалов для изготовления термопар последние могут быть разбиты на следующие группы:

• термопары из благородных металлов;

• термопары из неблагородных металлов и сплавов.

Термоэдс, развиваемые наиболее распространенными термопарами при 100⁰С, а также пределы измерения температур этими термопарами приведены в табл. 5.

Термопары из благородных металлов и сплавов применяются, главным образом, для измерения температуры выше 1000⁰С, т.к. они обладают большой термостойкостью.

Платинородий-платиновые термопары (несмотря на малую термоэдс) благодаря исключительному постоянству термоэлектрических свойств и большому диапазону измерения используются, главным образом, как образцовые (эталонные) и лабораторные термометры. Допускаемое отклонение термоэдс ΔE (мВ) технического термометра этого типа от градуировочных значений составляет до температуры 300⁰С около 0,01 мВ, при t>300⁰C ΔE=(0,01+2,510^-5(t–300)), где t – температура рабочего конца в ⁰С. Термометры данного типа хорошо противостоят действию окислительной среды, но быстро разрушаются под влиянием восстановительной атмосферы (водорода и окиси углерода), двуокиси углерода и паров металлов. Поэтому их тщательно изолируют от непосредственного соприкосновения с окружающей средой.

Таблица 5

Характеристики термопар

Наименование	Состав	Верхний температурный предел при длительном применении, 0С	Верхний температурный предел при кратковременном применении, 0С	Термоэдс (мВ) при t=1000С
Медь-копелевая	100%Cu – 56%Cu+44%Ni	350	500	4,75
Медь-конс-тантановая	100%Cu – 60%Cu+40%Ni	350	500	4,28
Железо-копелевая	100%Fe – 56%Cu+44%Ni	600	800	5,75
Железо- константановая	100%Fe – 60%Cu+40%Ni	600	800	5,40
Хромель- копелевая	90%Ni+10%Cr – 56%Cu+44%Ni	600	800	6,95
Хромель- алюмелевая	90%Ni+10%Cr – 94%Ni+2%Al+ +2,5%Mn+1%Si+ +0,5%примеси	900	1250	4,10
Платинородий-платиновая	100%Pt+10%Rh – 100%Pt	1300	1600	0,64
Вольфрамрений-вольфрамрениевая	95%W+5%Re – 80%W+20%Re	1800	2600	1,4

Для измерения температур до 900⁰С термопары из благородных металлов применять нецелесообразно, т.к. в этой области температур надлежащую надежность измерений обеспечивают термопары из неблагородных металлов. Их достоинство состоит в том, что они развивают большие термоэдс. Однако эти термопары также подвержены влиянию восстановительной среды. Допускаемые отклонения термоэдс от градуировочных значений составляют при t < 300⁰С около 0,16 мВ, при t> 300⁰C ΔE= =  (0,16 + 210^-4 (t – 300)) для хромель-алюмелевых термопар и 0,2 мВ при t < 300⁰С, при t > 300⁰C ΔE =  (0,2 + 610^-4 (t – 300)) для хромель-копелевых термопар.

Конструктивные формы термопар весьма разнообразны. В простейшем виде термопара представляет собой два разнообразных термоэлектрода, изолированных друг от друга и имеющих один общий спай (образующийся скруткой и сваркой концов в пламени электрической дуги или гремучего газа). Очень часто два термоэлектрода помещаются в один общий чехол-капилляр. В качестве изоляции термоэлектродов служат лаки и эмали до 100 – 150⁰С, стеклянные бусы до 500⁰С, кварцевые трубки до 1000⁰С, фарфоровые бусы до 1500⁰С. Широкое распространение получила алундовая изоляция термоэлектродов.

Вторичными приборами, работающими в комплекте с термоэлектрическим термометрами, являются магнитоэлектрические милливольтметры и потенциометры. Принцип их действия и устройство см. в [5].