3.4.2. Термоэлектрические термометры (пирометры)

Электрические термометры этого типа, называемые также пирометрами, основаны на использовании термоэлектрического эффекта, возникающего при нагреве места спая двух проводников из неоднородных металлов или сплавов. Если два других конца этих проводников замкнуть, то под действием термоэлектродвижущей силы (термоЭДС) нагреваемого спая в образовавшейся цепи возникнет электрический ток, силу которого можно измерить чувствительным прибором. Спаянную (сваренную) таким образом пару разнородных проводни­ков или иначе термоэлектродов называют термопарой.

Принципиальная схема термопары с подключенным к ней регистрирующим прибором показана на рис. 29,а. Нагреваемый спай термопары, находящийся при температуре t измеряемой среды, именуют горячим, или рабочим; второй – холодным, или свободным, имеющим температуру t₀. Предпочтительнее термины горячий и холодный, поскольку они точнее выражают сущность процесса.

ТермоЭДС термопары при одном и том же перепаде температур t - t₀ между спаями может принимать различные значения вследствие того, что уровень ее определяется не только перепадом температур, но и абсолютными величинами температур горячего и холодного концов. Следовательно, результирующая термоЭДС термопары в общем случае будет равна разности термоЭДС обоих ее спаев, находящихся при температуре t и t₀:

Чтобы получить нужную однозначность зависимости термоЭДС от температуры горячего спая, температуру холодного конца термопары необходимо поддерживать постоянной. Для выполнения этого непременного условия холодный спай термопары целесообразнее всего погружать в среду с температурой тающего льда. В практике холодный спай 3 помещают в сосуд 1 с двойными стенками, наполненный тающим льдом 2; причем спай, погружаемый в воду, может быть заключен в тонкую стеклянную пробирку 4 (рис. 29,б). Применяют и другие способы термостатирования холодного спая, если описанный осуществить нельзя.

Рис. 29. Схемы термопары (а) и термоэлектрической измерительной цепи (б)

Тарировку термопар проводят при постоянной температуре t₀=0 °С холодного спая, а горячему спаю последовательно задают определенную температуру и фиксируют развиваемую термопарой термоЭДС. По данным опыта строят тарировочный график зависимости термоЭДС от температуры (рис. 30).

Приведенный на рисунке тарировочный график платино-плати­нородиевой термопары, полученный при температуре холодного спая t = 0 °С, наглядно иллюстрирует явную нелинейность термоЭДС этой стандартной термопары в диапазоне 0+600 °С. При дальнейшем увеличении температуры нагрева горячего спая термоЭДС ее изменяется по закономерности, близкой к прямолинейной.

Металлы для термоэлектродов термопар должны отвечать следующим требованиям:

1) обеспечивать возможно бóльшую величину термоЭДС при данном перепаде температур;

2) иметь высокую стойкость в рабочей среде;

3) обеспечивать постоянное приращение термоЭДС при нагреве, включая продолжительный нагрев;

4) иметь сравнительно небольшую стоимость.

Рис. 30. Тарировочный график термопары платинородий–платина при температуре холодного спая t=0 С

По особенностям материалов, применяемых в термопарах, последние можно разделить на три группы: термопары из благородных металлов, из обычных металлов и из металлических проводников, спаянных с неметаллическими. Основные материалы электродов приведены в табл. 21.

Таблица 21