3.1.1 Общие сведения

Термоэлектрический термометр состоит из термоэлектрического преобразователя температуры (термопары) и вторичного прибора. Измерение температуры осуществляется косвенным методом — путем измерения с помощью вторичного прибора термоэлектродвижущей силы (термоЭДС) термопары, однозначно зависящей от разности температур рабочего (горячего) спая термопары и ее свободных концов. Эта зависимость (статическая характеристика термопары) стандартизована для температуры свободных концов, равной 0ºС. При температуре свободных концов Т ºС величина ЭДС термопары Е_Т(t) отличается от стандартной на постоянную величину Е₀ (Т):

Е_Т(t) = Е₀ (t) — Е₀ (Т), (3.1)

где Е_Т(t) и Е₀ (t) — ЭДС термопары при температуре рабочего спая t ºС и температуре свободных концов соответственно Т ºС и 0 ºС;

Е₀(Т) — ЭДС термопары при температуре рабочего спая Т ºС и температуре свободных концов 0 ºС.

По уравнению (3.1) характеристика термопары может быть пересчитана для любой температуры свободных концов термопары.

В качестве вторичных приборов для измерения термоЭДС применяются милливольтметры и автоматические потенциометры. Шкалы вторичных приборов, предназначенных для работы с термопарами, градуированы в единицах температуры. Так как зависимости термоЭДС Ео(t) от температуры у различных типов термопар отличаются друг от друга, на шкале конкретного прибора указывается тип термопары, для которой проградуирована шкала данного прибора: ХК — хромель-копелевая термопара, ХА — хромель-алюмелевая и т.д. Термопары других марок в комплекте с данным прибором не могут применяться без градуировки его шкалы.

Следует помнить, что градуировка шкалы приборов может быть произведена и при температуре свободных концов термопары, отличной от 0 ºС. В современных автоматических потенциометрах, предназначенных для работы с термопарами (потенциометры могут применяться для измерения других физических величин, преобразованных в напряжение постоянного тока), предусмотрена автоматическая компенсация измерения действительной температуры свободных концов термопары для исключения возникающей при этом ошибки измерения температуры.

В основу работы потенциометра положен компенсационный метод измерения, заключающийся в уравновешивании (компенсации) измеряемой ЭДС известным падением напряжения.

Принципиальная схема измерения ЭДС термопреобразователя компенсационным методом показана на рисунке 3.1.1. Схема содержит: Б — батарею; г- реостат; Rр — калиброванный реохорд; НГ — нуль-гальванометр; Т — термоэлектрический преобразователь (термопару); НЭ — нормальный элемент Вестона; R_K — контрольное сопротивление; П — переключатель.

Простейшая потенциометрическая схема состоит из трёх взаимосвязанных электрических цепей — рабочей, измерительной и контрольной. Под действием ЭДС батареи в рабочей цепи протекает ток Iр, величина которого определяется суммой трёх сопротивлений — реостата г, сопротивления R_K и сопротивления реохорда Rр . При постоянстве тока Iр реохорд может рассматриваться как известный источник напряжения, величина которого определяется положением движка, а полярность — направлением тока в рабочей ветви. К реохорду встречно через нуль-гальванометр НГ, называемый нуль-прибором, подключён термопреобразователь Т с неизвестным значением ТЭДС. В случае неравенства Е_Х и падения напряжения U_АД на участке реохорда АД в измерительной цепи возникает напряжение разбаланса, наличие которого определяется по отклонению стрелки нуль-прибора. При перемещении движка реохорда в направлении, соответствующем уменьшению напряжения разбаланса, в момент равенства Е_Х = U_АД стрелка нуль-прибора установится на нулевой отметке, т.е. ток в измерительной цепи будет равен нулю, и по шкале калиброванного реохорда можно определить величину падения напряжения, а следовательно, и неизвестную ЭДС. Результат измерения будет правилен лишь при условии постоянства тока I_Р. Поскольку ЭДС батареи изменяется с течением времени вследствие необратимости протекающих в ней при разрядке электрохимических процессов, ток в рабочей цепи поддерживается постоянным за счёт изменения сопротивления реостата г.

Установка рабочего тока производится с помощью контрольной цепи. Для этого переключатель П устанавливают в положение К (контроль). При этом термопара Т отключается от схемы, нормальный элемент НЭ подключается так, что его напряжение сравнивается с напряжением на контрольном сопротивлении R_К. Равенству Е_НЭ =I_РR_K соответствует требуемое значение тока I_Р. При выполнении этого условия ток через нуль-прибор протекать не будет и его стрелка должна находится на нулевой отметке, что достигается путём изменения сопротивления реостата г. Данный метод измерения ЭДС является одним из наиболее точных.

Рисунок 3.1.1 — Принципиальная схема измерения ТЭДС