1.7Термоэлектрические преобразователи

1.7.1Принцип действия термоэлектрических преобразователей

Термоэлектрический преобразователь - это преобразователь температуры, основанный на существовании определенной зависимости между э.д.с., устанавливающейся в цепи, составленной из разнородных проводников, и температурами их спаев.

Термоэлектрические термометры нашли широкое применение как образцовые и технические средства измерения температур вплоть до 2500⁰С. Для измерения температур выше 1600⁰С термоэлектрические термометры используются в кратковременных режимах измерений. Они могут быть использованы и для измерения низких температур (от –200⁰С), но в этой области температур получили гораздо меньшее распространение.

Достоинствами термоэлектрических термометров являются: достаточно высокая точность; возможность организации дистанционной передачи показаний; возможность выпуска изделий со стандартной градуировкой на любой температурный интервал в пределах допустимых температур применения.

Рассмотрим цепь, состоящую из двух разнородных металлов А и В, так как показано на рис.4.13. На границе раздела двух различных металлов имеется контактная разность потенциалов , наличие которой объясняется диффузией свободных электронов из проводника с их большей концентрацией в проводник с их меньшей концентрацией. Концентрация свободных электронов зависит от рода металлов и от температуры, следовательно контактная разность потенциалов также будет зависеть от двух факторов

• рода металлов;

• температуры контакта.

В

Рисунок 4.13

цепи, показанной на рис.4.13, контактные разности потенциалов образуются в точках спаев 1 и 2. Если они равны между собой, то будучи п ротивоположно направленными взаимно уравновешиваются, не создавая э.д.с. в цепи. Если же контактная разность потенциалов в точке 1 не равна контактной разности потенциалов в точке 2, то в цепи разнородных проводников А и В создается результирующая э.д.с.. Неравенство по величине контактных разностей потенциалов в спаях одинаковых проводников возможно только в одном случае, если не равны температуры этих спаев. Результирующая э.д.с. в этом случае равна

(4.21)

Результирующую э.д.с., возникшую благодаря неравенству температур спаев, называют термоэлектродвижущей силой (термо-э.д.с.); цепь двух разнородных электродов – термоэлектрическим преобразователем (ранее употреблявшееся название – термопара); места контактов – горячим и холодным спаями термоэлектрического преобразователя (ранее употреблявшееся название – спаи термопары).

Положительным называют тот термоэлектрод, от которого ток идет в спае, имеющем меньшую температуру, отрицательным – к которому ток идет в том же спае. Если в рассматриваемой цепи в спае 2 ток идет от электрода А к электроду В, то электрод А – термоположительный, а электрод В – термоотрицательный. Порядок написания термоэлектродов в индексе символа контактной э.д.с. АВ следующее: термоэлектрод, написанный в индексе первым – термоположительный; термоэлектрод, написанный в индексе вторым – термоотрицательный.

Рассмотрим основные свойства термоэлектрических преобразователей.

1-е свойство: если термоэлектрический преобразователь имеет температуры спаев и , то термо-э.д.с. равна алгебраической сумме двух термо-э.д.с., одна из которых генерируется при температуре спаев и , другая при температуре спаев и (см.рис.4.14):

(4.22)

2

Рисунок 4.14 Рисунок 4.15

-е свойство: в замкнутой цепи, состоящей из любого числа различных однородных проводников A, B, C,…M, N при одинаковых температурах всех спаев термо-э.д.с. отсутствует. Действительно, если бы в цепи имелась термо-э.д.с., значит в цепи бы имел место термоток, а значит одна часть цепи охлаждалась, а другая нагревалась. Это означало бы, что подвод и отвод тепла к разным участкам системы совершается при одинаковых температурах во всех точках системы. Следовательно, сумма контактных термо-э.д.с. такой цепи равна нулю.

Правило Вольта для трех разнородных проводников будет использовано нами далее при анализе схем включения вторичных приборов в цепь термоэлектрического преобразователя, состоящего из двух электродов. На рис.4.15 показана термоэлектрическая цепь, состоящая из трех разнородных проводников А, В и С. Все спаи цепи: 1, 2 и 3 – находятся при одинаковой температуре t. Сумма контактных термо-э.д.с. цепи равна нулю:

. (4.22)

Следовательно

.