3. Измерение температуры термопарами.

ГРАДУИРОВКА ТЕРМОПАР

Явление Зеебека в металлах используют в основном для измерения температуры. Остановимся кратко на некоторых практических вопросах термопарных измерений. Замкнутую электрическую цепь (рис.1 а) состоящую из двух разнородных проводников 1 и 2, называют термоэлементом или термопарой. Для нее справедливо соотношение

_1,2 = d/dT, (10)

где индексы 1,2 относятся к переходу от первого проводника ко второму. Для небольшого температурного интервала

 = _1,2(T₁-T₂). (11)

Если в разрыв одной из ветвей термоэлемента включить последовательно любое число проводников другого состава, все спаи которых поддерживаются при одной и той же температуре, то термоэдс в такой цепи будет равна термоэдс одного элемента.

Устройство, показанное рис. 1 а, называется термоэлектрическим пирометром. Он состоит из термопары и измерительного прибора. Проводники термопары называют термоэлектродами; спай, погружаемый в среду с температурой Т₁, называется горячим или рабочим спаем термопары. Противоположные концы термопары называются холодным, или свободным спаем термопары. Термоэлектроды термопары обозначаются знаками «+» и «-». Положительным термоэлектродом считается тот, по которому ток течет от рабочего спая термопары к свободному.

Измерение разности температур между двумя точками осуществляется дифференциальной термопарой (рис. 1 б), в которой свободный спай является вторым рабочим спаем.

Для увеличения точности измерения небольших температур иногда применяется термобатарея (рис. 1 в), представляющая собой ряд последовательно соединенных термопар, рабочие спаи которых (так же как и свободные) расположены в зоне одной температуры. При последовательном соединений результирующая термоэдс возрастает пропорционально числу включенных термопар, что позволяет увеличить точность измерения температуры.

Рис. 1

Для правильного измерения температуры термопарой необходимо, чтобы температура холодных концов термопары была постоянной. С этой целью они обычно термостатируются при какой-либо определенной температуре (рис. 1 г). Подводку от термостата к измерительному прибору можно осуществить медными проводами. В термостате удобно поддерживать нулевую температуру (температуру тающего льда). Если это не представляется возможным, при вычислении температуры необходимо вводить поправку на температуру холодных спаев.

В лабораторной практике температура свободных концов термопары поддерживается постоянной с помощью сосуда с двойными стенками (сосуд Дьюара), из замкнутого пространства между которыми удален воздух. Сосуд заполняется мелко натолченным тающим льдом с водой. Свободные концы погружаются в лед в пробирках, заполненных маслом. Иногда термостатирование осуществляется при комнатной температуре путем погружения свободных спаев в масло.

При градуировке термопар рабочие спаи помещаются в сосуд с нагревательным элементом, с помощью которого задаются различные температурные режимы.

В качестве материалов термоэлектродов для термопар применяются, главным образом, чистые металлы и их сплавы. Для некоторых специальных случаев измерения температуры применяются термоэлементы, составленные из металлов или сплавов в паре с определенными твердыми неметаллическими материалами (кремний, уголь и др.). При высоких температурах используются и неметаллические термопары. Выбор материалов для термоэлектродов определяется следующими основными требованиями:

1. Величиной термоэдс, развиваемой парой термоэлектродов.

2. Надежностью службы обоих термоэлектродов в условиях всего температурного диапазона измерений, устойчивостью против действия высоких температур, окисления и других вредных факторов.

3. Постоянством термоэлектрических свойств независимо от возможных изменений со временем внутренней структуры и загрязнения поверхностей.

4. Большой электропроводностью и небольшим температурным коэффициентом электрического сопротивления.

5. Однозначной и, по возможности, линейной зависимостью термоэдс от температуры.

6. Однородностью и постоянством состава для обеспечения взаимозаменяемости термопар.

Наиболее распространенные типы термопар, применяемые при лабораторных исследованиях, приведены в таблице I (в названии термопары всегда первым указывается положительный термоэлектрод).

Рабочие спаи термопар изготавливаются путем сварки или

Таблица 1

Материалы термоэлектродов	Верхний предел измерений, °С		Термоэдс при 100 °С горяч. спая и 0 °С холодн. спая, мВ
	длительный нагрев	кратковременный нагрев
Платинородий-платина (ПП)	1300	1600	0,64
Хромель-алюмель (ХА)	900	1300	4,10
Хромель-копель (ХК)	600	800	6,95
Медь-константан (МК)	400	600	3,70

спайки оловянными или серебряными припоями. Свободные концы должны тщательно изолироваться друг от друга. В качестве изоляционного материала чаще всего применяются одно- или двухканальные фарфоровые трубки или бусы, надеваемые на термоэлектроды и выдерживающие температуры до 1500 °С. Широко применяются следующие изоляционные материалы: резина – до 80 °С, шелк – до 120 °С, эмаль до 200 °С, стеклянные бусы – до 500 °С, асбест – до 700 °С и кварцевые трубки и бусы – до 1000 °С.

Градуировка термопар сводится к определению зависимости термоэдс термопары от температуры горячего спая (рабочего конца) при постоянной температуре холодных спаев (обычно при 0 °С). Градуировка может проводиться двумя способами:

• по постоянным точкам плавления (затвердевания) и кипения химически чистых веществ,

• путем сравнения показаний градуируемыхо термопар с показаниями образцового датчика температуры.

Градуировка термопар по постоянным точкам производится в основном для образцовых платинородий-платиновых термопар. В качестве реперных точек могут выбираться точки таяния льда (0 °С), кипения воды (100 °С), затвердевания олова (231,85 °С), цинка (419,45 °С ), сурьмы (630,5 °С), серебра (960,5 °С), меди (1083 °С). В процессе градуировки измеряется барометрическое давление, по которому вносится поправка на реперные точки. При фиксированной реперной точке снимается значение термоэдс термопары.

Градуировка термопар путем сравнения их показаний с показаниями образцового датчика температуры состоит в том, что градуируемую и образцовую термопары нагревают до одинаковой температуры при строго постоянной температуре холодных спаев (обычно при 0 °С) и производят измерение их термоэдс. По электродвижущей силе образцовой термопары судят о температуре. Производится ряд отсчетов при различных температурах, а затем вычерчиваются графики зависимости термоэдс от разности температур.

Градуировка до температуры 200 °С производится в водяном или масляном термостате или по образцовому ртутному термометру или образцовому платиновому термометру сопротивления, а в интервале 200-1300 °С – в электрической печи по образцовой платинородий-платиновой термопаре. В данной работе градуировка четырех термопар различного типа производится по образцовому ртутному термометру. Холодные и горячие спаи термопар помещаются в калориметрические ячейки, в одной из которых находится тающий лед, в другой – нагревательный элемент. Источник постоянной мощности, к которому подключен нагревательный элемент, обеспечивает нагрев воздуха в ячейке до 200С.

Градуировочные таблицы для термопар, выпускаемых серийно, имеются в литературе.