1.2. Физические принципы работы дифференциальной термопары

Дифференциальные термопары широко используются в современном физическом эксперименте, в лабораторных условиях и промышленности как точные измерители температуры и низковольтные источники тока. Они представляют замкнутую цепь из двух разнородных металлов (рис.4.2), в которой выполнен разрыв для проведения измерений э.д.с. Места соединения металлов называются спаями, которые обычно выполняются методами высокотемпературной сварки. Если температуры спаев одинаковы, то э.д.с. термопары равна нулю, если температуры спаев различны, то э.д.с. термопары отлична от нуля. Действие термопары основано на эффекте Зеебека (T.Seebeck) – возникновении электродвижущей силы в цепи, состоящей из разнородных проводников, контакты между которыми имеют различную температуру.

Рис.4.2. Дифференциальная термопара

Рис.4.3. Эквивалентная электрическая схема. Широкими темными

полосами показан двойной электрический слой

Рассмотрим физические основы работы дифференциальной термопары. Эквивалентная схема этого устройства показана на рис. 4.3. В ней существуют два источника э.д.с. ε₁₂ и ε₂₁, направленных навстречу друг другу. При равенстве температур спаев величины ε₁₂ и ε₂₁ одинаковы, результирующая э.д.с. на концах термопары является нулевой. Если мы поднимем температуру левого спая, то величина ε₁₂ увеличится, величина ε₂₁ останется прежней и на концах термопары появится э.д.с., равная разности ε₁₂ и ε₂₁.

Подсчитаем результирующую электродвижущую силу ε:

(4.2) или

(4.3) Коэффициент для двух данных металлов называется постоянной термопары или удельной термо-э.д.с. Он равен термоэлектродвижущей силе, возникающей в цепи при разности температур спаев в один градус Кельвина:

. (4.4)

Для металлов величина составляет несколько десятков мкВ/град.

Важно отметить, что в общем случае термо-э.д.с. в контуре дифференциальной термопары складывается из трех составляющих. Первая составляющая обусловлена температурной зависимостью контактной разности потенциалов, вторая — диффузией носителей заряда от горячих спаев к холодным, третья - увлечением электронов квантами тепловой энергии — фононами, поток которых также распространяется к холодному концу. Однако в силу малости второго и третьего факторов их влияние не рассматривается.

Точное измерение температуры при помощи дифференциальной термопары основано на зависимости величины э.д.с. от разницы температур спаев. Если один из спаев поместить в объем, находящийся при определенной фиксированной температуре (например, смесь воды и льда, 0°С), а второй – в объем, температуру которого надо определить, то по величине измеренной э.д.с. на основании предварительной градуировки термопары можно определить неизвестную температуру. Точность определения температуры составляет десятые доли градуса. Дополнительными достоинствами этого метода измерения температуры являются широкий интервал температур, малая инерционность, обусловленная малым объемом спая, возможность применения в автоматизированных системах контроля производственных процессов. В качестве примера можно привести термопары медь – константан, которые широко применяются для измерения температуры в интервале от 70 до 570 К.

Если постоянно поддерживать разность температур между спаями, то эту систему можно использовать в качестве источников постоянного напряжения. Особенностью таких источников являются малые напряжения и небольшие мощности. Величину напряжения можно увеличить, собирая термопары последовательно, для увеличения мощности применяют батареи с параллельным соединением термопар.