Глава 10 термоэлектрические датчики

§ 10.1. Принцип действия

Термоэлектрические датчики относятся к датчикам генераторного типа. Их работа основана на одном из термоэлектрических явле­ний — появлении термоэлектродвижущей силы (термоЭДС).

Сущность этого явления заключается в следующем. Если соста­вить электрическую цепь из двух разнородных металлических про­водников (или полупроводников), причем с одного конца провод­ники спаять, а место соединения (спай) нагреть, то в такой цепи возникает ЭДС. Эта ЭДС будет пропорциональна температуре места спая (точнее — разности температур места спая и свободных» иеспа-янных концов). Коэффициент пропорциональности зависит от ма­териала проводников и в определенном интервале температуры остается постоянным. Цепь, составленная из двух разнородных ма­териалов, называется термопарой; проводники, составляющие тер­мопару, называются термоэлектродами; места соединения термо­электродов— спаями. Спай, помещаемый в среду, температуру ко­торой надо измерить, называется горячим или рабочим. Спай, относительно которого измеряется температура, называется холод­ным или свободным. Возникающая при различии температур горя­чего и холодного спаев ЭДС называется термоЭДС. По значению этой термоЭДС можно определить температуру.

Физическая сущность возникновения термоЭДС объясняется наличием свободных электронов в металлах. Эти свободные элект­роны хаотически движутся между положительными ионами, образу­ющими остов кристаллической решетки. В разных металлах свобод­ные электроны обладают при одной и той же температуре разными скоростью и энергией. При соединении двух разнородных металлов (электродов) свободные металлы из одного электрода проникают в другой. При этом металл с большей энергией и скоростью свобод­ных электронов больше их теряет. Следовательно, он приобретает положительный потенциал. Металл с меньшей энергией свободных электронов приобретает отрицательный потенциал. Возникает кон­тактная разность потенциалов. При одинаковой температуре спаев (в, =в₂ на рис. 10.1, а) контактная разность потенциалов не может создать тока в замкнутой цепи. Контактная разность в спае 7 на­правлена навстречу контактной разности в спае 2. Но если нагреть

один из спаев (рабочий) до температуры в, > 0₂, то контактная раз­ность в спае 1 увеличится, а в спае 2 останется без изменения. В ре­зультате в контуре и возникает термоЭДС, тем большая, чем больше разность температур спаев / и 2 (0, - 9₂).

Для измерения термоЭДС, вырабатываемой термопарой, в цепь термопары включают измерительный прибор (например, милли­вольтметр). Милливольтметр включают, разомкнув свободный спай (рис. 10.1, 6), либо в разрыв одного из термоэлектродов (рис. 10.1, в). Как видно из схем включения измерительного прибо­ра, в случае разомкнутого свободного спая (рис. 10.1, б) у термопа­ры три спая: один горячий 1 и два холодных 2 и 3, которые должны иметь постоянную температуру. При включении милливольтметра в разрыв одного из термоэлектродов (рис. 10.1, в) имеется четыре спая: один горячий 1, один холодный 2 (он должен иметь постоян­ную температуру), два нейтральных 3 и 4 (они должны находиться при одинаковой, но не обязательно постоянной температуре). Для обеих схем термоЭДС и показания прибора будут одинаковыми, если соответственно одинаковыми будут температуры горячих и хо­лодных спаев. В этом нетрудно убедиться, если составить уравнения по второму закону Кирхгофа для каждого из контуров.

Способ изготовления спая (сваркой, спайкой и т. п.) на термо­ЭДС не влияет, если только размеры спая таковы, что температура его во всех точках одинакова.

Значения термоЭДС и ее направление зависят от материалов электродов А и В.

ТермоЭДС, вырабатываемая термопарой, составленной из элек­тродов А и В, является разностью двух термоЭДС: e_Al£Q_t) — термо­ЭДС горячего спая при температуре в,; e^/Sj) — термоЭДС холод­ного спая при температуре 9₂, т. е.

В табл. 10.1 приведены термоЭДС для разных материалов в паре с платиной при температуре горячего спая 100 °С (373 К) и темпера­ туре холодного спая О "С (273 К). Знак плюс перед: термоЭДС озна­ чает, что в холодном спае ток идет по направлению к платиновому электроду.

Если составить термопару из материалов, котррые по отноше­нию к платине имеют термоЭДС разных знаков, то термоЭДС такой термопары будет равна сумме термоЭДС материалов по отношению к платине. Например, из табл. 10.1 берем данные для термоЭДС меди в паре с платиной +0,76 мВ и термоЭДС сплава копель в паре с платиной — 4,0 мВ. Термопара медь—копель на основании урав­нения (10.1) будет иметь термоЭДС Е_ЛВ = 0,76 - (-4) = +4,76 мВ. Ма­териалы для термопар следует подбирать таким образом, чтобы тер­моЭДС имели достаточно большие значения, обеспечивающие вы­сокую чувствительность измерения.