Лабораторная работа № 1 Изготовление термопар и термометров сопротивления
Цель работы: приобрести практические навыки индивидуального изготовления термоэлектрических термометров (термопар) и проволочных термометров сопротивления, которые наиболее часто применяются для измерений температур, как в промышленности, так и в научно-исследовательской работе.
1.1. Исходные сведения Термоэлектрические термометры
Термоэлектрическими называют термометры, термоэлектрический преобразователь которых использует эффект Зеебека – одно из квантовых термоэлектрических явлений. Этот эффект был открыт в 1821 г. немецким физиком Т. И. Зеебеком (1770–1831).
Простейшая электрическая цепь (рис. 1.1), состоящая из последовательно соединенных различных проводников, называется термопарой, а сами проводники (А и В) – термоэлектродами. Точки контакта термоэлектродов принято называть спаями. Спаи изготавливаются с помощью соответствующих припоев или электросваркой. Хорошо сделанный спай имеет форму шарика малого диаметра.
Рис. 1.1. Термоэлектрическая цепь: А, В – разнородные проводники.
В электрической цепи (рис. 1.1), собранной из двух разнородных проводников А и В, возникает термоэлектродвижущая сила (термоэдс) EАВ, пропорциональная разности температур Т1 и Т2 между точками контакта (спаями) проводников,
,
(1.1)
где АВ – коэффициент термоэдс проводника А относительно проводника В; В/К.
Величина коэффициента термоэдс АВ зависит от материала проводников А и В, а также от диапазона рабочих температур, в котором используется термопара.
Из выражения (1.1) следует, что термопара может непосредственно использоваться только для измерения разности температур между телами или разными точками одного тела. Но она вполне пригодна и для измерения температуры, если один из спаев (опорный) будет находиться в тепловом контакте с телом известной температуры, а второй спай (рабочий) будет размещен в исследуемом теле.
В эффекте Зеебека коэффициент термоэдс АВ термопары фактически является разностью двух абсолютных коэффициентов термоэдс
.
(1.2)
Из соотношения (1.2) следует, что для определения абсолютных коэффициентов термоэдс различных материалов достаточно найти такой коэффициент для какого-либо одного материала. В соответствии с квантовыми представлениями имеются два природных металла, обладающих нейтральной проводимостью и, следовательно, имеющих практически нулевые коэффициенты термоэдс. В области низких температур таким металлом является свинец (Pb), а в области умеренных и высоких температур – платина (Pt). По своим коэффициентам к ним приближаются чистая медь (Cu), серебро (Ag), золото (Au) и вольфрам (W).
Укажем правила обращения с термоэлектрическими цепями .
Правило Магнуса. Термоэдс, возникающая в замкнутой цепи, которая образована парой однородных, изотропных проводников, зависит только от температуры самих спаев и совершенно не зависит от распределения температуры по длине проводников.
Правило аддитивности показаний
термопар по температуре. Если имеется
возрастающая последовательность
температур изотермических пространств
,
то при измерении их парой термоэлектродов
действует правило:
.
(1.3)
Правило аддитивности показаний термопар по материалам. Если для измерения разности температур (Т1 – Т2) используется цепь из трех термоэлектродных материалов А–В–С, то справедливы следующие соотношения:
; 
; 
.
(1.4)
Из последних двух правил следует объединенное правило – неоднородность проводника допустима только в изотермической области и, наоборот, неизотермичность допустима только в однородном проводнике. Недопустимо сочетание неоднородности и неизотермичности. Поэтому при включении в цепь термопары вторичного (электроизмерительного) прибора, измеряющего термоэдс, необходимо обеспечить его изотермичность, особенно изотермичность входных клемм.
Важно помнить, что любые неоднородности и механические напряжения (а они всегда создают неоднородности) в неизотермических термоэлектродных материалах могут быть источниками паразитных термоэдс и искажать сигнал термопары, что приведет к ошибкам в измерении температуры.
Различают два типа термопар, обыкновенные и дифференциальные. К обыкновенным термопарам относят термопары с одним рабочим спаем (рис. 1.2, а). В них свободные концы термоэлектродов подключаются непосредственно к клеммам измерительного прибора, который находится в изотермической среде комнатной температуры. Следовательно, такая термопара всегда измеряет разность температур между рабочим спаем и клеммами измерительного прибора.
в)
Т2
Т1
Рис. 1.2. Схемы включения измерительного прибора в цепь
термоэлектрического преобразователя
Термопары другого типа принято называть дифференциальными. Они имеют два спая, рабочий и опорный. Один из термоэлектродов термопары разрывается, и образовавшиеся свободные концы термоэлектрода подключаются к клеммам измерительного прибора, находящегося в изотермической среде комнатной температуры. Дифференциальная термопара, в отличие от обыкновенной термопары, позволяет непосредственно измерять разность температур между двумя произвольными точками исследуемого объекта. Схема дифференциальной термопары показана на рис. 1.2, б. В данном случае температура прибора на показания термопары не влияет. Для увеличения сигнала от дифференциальной термопары целесообразно использовать последовательно несколько спаев, как это представлено на рис. 1.2, в. Такая последовательность соединения спаев называется батареей дифференциальных термопар или термостолбиком. На рис. 1.2, в показана батарея дифференциальных термопар, содержащая шесть спаев.
Термопары удовлетворяют многим требованиям идеального термопреобразователя. Они просты, надежны в работе и состоят по существу всего из двух термоэлектродных проводников, диаметр которых может выбираться только по технологическим соображениям. При необходимости показатель их собственной тепловой инерционности можно снижать до сотых и даже тысячных долей секунды. С помощью набора термопар, изготовленных из соответствующих пар материалов, сейчас удается производить измерения температур в интервале температур (2...3000) К. При этом снижать их инструментальную погрешность до 0,01 К и обеспечивать чувствительность до 100 мкВ/К.
Современные электроизмерительные приборы способны регистрировать напряжения порядка 10–10 В, поэтому термоэлектрические преобразователи являются единственными приборами, позволяющими измерять очень малые разности температур (до 10–6 К), это возможно при использовании термостолбиков с необходимым числом термопар.
Если материалы термоэлектродов однородны, изотропны и не претерпевают физических или химических изменений, то зависимость термоэдс от температуры хорошо воспроизводится при многократных изменениях их температуры.