2. Термоэлектрические термометры – термопары

П рименение термоэлектрических термометров (ГОСТ 3044-84) для измерения температуры основано на зависимости термоэлектродвижущей силы (термоЭДС) термопары от температуры. ТермоЭДС возникает в цепи (рис. 6.2.), составленной из двух разнородных проводников А и В при неравенстве температур t и t_о в местах соединения этих проводников.

Современная физика объясняет термоэлектрические явления следующим образом. С одной стороны, вследствие различия уровней Ферми у разных металлов при их соприкосновении возникает контактная разность потенциалов. С другой стороны, концентрация свободных электронов в металле зависит от температуры. При наличии разности температур в проводнике возникает диффузия электронов, приводящая к образованию электрического поля.

Таким образом, термоЭДС слагается из суммы скачков потенциала в контактах (спаях) термопары и суммы изменений потенциала, вызванных диффузией электронов, и зависит от рода проводников и их температуры.

Если в цепи t = t_о, то и разности потенциалов будут равны по значению, но иметь разные знаки: e_АВ (t) = - e_ВА(t_о), а суммарная термоЭДС и ток в цепи будут равны нулю:

ε_АВ (t, t_о) = e_АВ (t) - e_ВА(t_о) = 0 (6.1.)

Если t  t_о, то суммарная термоЭДС не равна нулю:

ε_АВ (t, t_о) = e_АВ (t) - e_ВА(t_о)  0, (6.2.)

так как разности потенциалов для одних и тех же проводников при разных температурах не равны: e_АВ (t)  e_ВА(t_о). Результирующая термоЭДС (2) зависит для данных проводников А и В, от температур t, t_о.

Чтобы получить однозначную зависимость термоЭДС от измеряемой температуры t, необходимо другую температуру t_о поддерживать постоянной.

Для измерения термоЭДС в цепь термоэлектрического термометра включают измериельный прибор, причем существует два варианта его включения: в разрыв электрода (рис. 6.3, а) и в разрыв спая (рис.6.3, б).

В первом случае измеряемая температура (температура рабочего спая) будет t; температура свободных концов, поддерживаемая постоянной, t_о; и температуры мест подсоединения тре-тьего проводника (С) с измерительным прибором (ИП) t₁ и t₂.

Чтобы не было искажения развиваемой термоЭДС, температуры t₁ и t₂ должны быть равны: t₁ = t₂, а температуры свободных концов постоянны: t_о = соnst.

Во втором случае третий проводник с измерительным прибором включается в разрыв нерабочего спая, поэтому места подсоединения являются одновременно свободными концами термоэлектрического термометра. Их температуры должны быть одинаковы, как температуры концов третьего проводника, и постоянны, как температуры свободных концов: t₁ = t₂ = t_о = соnst.

Для определения температуры термоэлектрическим термометром необходимо измерить термоЭДС, развиваемую рабочим спаем, и температуру нерабочего спая (свободных концов). Если температура t_о = 0 ^оС, то измеряемая температура находится сразу из градуировочной таблицы по величине термоЭДС. Если температура свободных концов (нерабочего спая) t_о остается постоянной, но отличной от 0 ^оС, то, чтобы ввести поправку на температуру сводных концов, необходимо к термоЭДС, развиваемой рабочем спаем Е (t, t_о), прибавить термо ЭДС, соответствующую температуре t_о, Е (t_о, 0):

Е (t₁, 0) = Е (t, t_о) + Е (t_о, 0) (6.3.)

Поправка на температуру свободных концов может вводиться автоматически путем включения в схему медного резистора соответствующей величины, изменение падения напряжения на котором ΔU при изменении температуры от t_о^/ до t_о^// равняется изменению термоЭДС термопары при том же изменении температуры.

В современные автоматические потенциометры (типа КСП), предназначенные для измерения температуры термопарами конкретной градуировки, автоматически вводится поправка на температуру свободных концов путем применения мостовой схемы, питаемой постоянным током.

В нашей стране применяются следующие термопары: медь – копелевая (- 200…+100 ^оС); медь – медноникелевая (- 200…+ 400 ^оС); железо – медноникелевая (- 200…+ 700 ^оС); хромель – копелевая (- 50…+ 600 ^оС); никельхром – никельалюминевая (- 200…+ 1000 ^оС); платинородий – платиновая (0…+ 1300^оС); платонородий – платинородиевая (300…1600 ^оС); вольфрамрений – вольфрамрениевая (0…2200 ^оС).

Конструктивное оформление термопары показано на рис. 6.4.

Рис. 6.4. Схема устройства термоэлектрического термометра.

Термоэлектрический термометр состоит из термоэлектродов 1, рабочие концы которых сварены и образуют спай 2; защитного чехла 3; изоляционных трубок 4, предохраняющих термоэлектроды от контакта с чехлом и между собой; головки 5, содержащей колодку 6 и зажимы 7 для соединения термоэлектродов проводами 8 с измерительным прибором 9 (милливольтметром или потенциометром).

Точность измерения термопарой зависит от диапазона измеряемых температур, а также от класса точности вторичного прибора.