Электрические преобразователи температуры

Принцип действия электрических термометров основан на зависимости электрических свойств термоприемника (электродвижущей силы, тока, сопротивления, частоты колебания электрического контура) от температуры. Так как сигнал, вырабатываемый электрическими термометрами, недоступен для непосредственного восприятия, то они работают в комплекте с вторичным приборами, измеряющими электрические характеристики датчика.

Из электрических термометров наибольшее распространение получили термоэлектрические датчики температуры (термопары) и терморезисторные датчики температуры (термометры сопротивления).

Термоэлектрический датчик температуры представляют собой активный чувствительный элемент, поскольку не требуют затрат энергии для выработки измерительной информации. Терморезисторный датчик температуры представляют собой пассивный чувствительный элемент, поскольку проявляет свои свойства только при прохождении через него электрического тока, т.е. необходим источник энергии. Наряду с высокой точностью измерения температуры несомненными достоинствами электрических термометров является их сравнительно низкая стоимость и удобство эксплуатации (обработки, передачи, записи и хранения электрических сигналов).

Термоэлектрические преобразователи.

В термоэлектрических термометрах используется явление термоэлектричества, открытое Зеебеком в 1821 г. (эффект Зеебека). Если из двух разнородных проводников образовать замкнутый контур и места соединений поддерживать при различных температурах, то в контуре возникает электрический ток.

Применительно к термопаре термин “разнородные” означает различие не только по составу, в том числе и по концентрации примесей в одном и другом электроде, но и различие по структуре. Термин соединение предполагает обеспечение электрического контакта электродов путем механического соединения, сваркой, пайкой и т.д.

Одно из мест соединений (рабочий спай) помещают в среду, температуру которой измеряют, другое соединение помещают в среду с постоянной и известной температурой. Таким образом термопара измеряет разность температур T = Т- Т_о между рабочим спаем и термостатируемым.

Физические основы термоэлектричества.

Согласно физическим представлениям о строении вещества термоэлектрические явления объясняются следующим образом. Если обеспечить контакт двух различных материалов, то вследствие различных уровней Ферми при их соприкосновении возникает контактная разность потенциалов. Это первая составляющая термоэлектродвижущей силы (т.э.д.с.). Другая составляющая обусловлена различной концентрацией свободных электронов, которая зависит от температуры. При наличии разности температур в проводнике возникает диффузия электронов, приводящая к образованию электрического поля.

Таким образом результирующая т.э.д.с. слагается из алгебраической суммы скачков потенциала при контакте разнородных проводников и суммы изменений потенциалов, обусловленных диффузией электронов. Если не изменяется состав проводников и состояние кристаллической решетки, то результирующий эффект является однозначной функцией температуры и может быть использован с целью термометрии.

Электродвижущая сила термопары Е, состоящей из двух термоэлектродов А и С может быть рассчитана из алгебраической суммы эффектов Пельтье (1834 г.) и Томпсона (1847 г.).

Эффект Пельтье. Если в контуре, составленном из разнородных проводников, течет ток, то при переходе электронов из одного термоэлектрода в другой они должны или затрачивать, или приобретать энергию. Вследствие этого энергия электронов увеличивается или уменьшается, а место контакта охлаждается или нагревается. Тепловые потоки, возникающие в местах соединения термоэлектродов, изменяются пропорционально току I и определяются как Q_p = C_PI, где C_P – коэффициент Пельтье. С_Р является функцией температуры и состава термоэлектрода.

Эффект Томпсона. Если по проводнику, в котором существует перепад температур Т, проходит электрический ток I, то наряду с джоулевым теплом в нем будет происходить выделение или поглощение (в зависимости от направления тока) дополнительной теплоты.

Плотность теплового потока обусловленная эффектом Томпсона пропорциональна градиенту температуры и величине тока I и определяется как Q_T = C_TI(dT/dx)dx, где С_Т – коэффициент Томпсона. Коэффициент Томпсона С_Т зависит от температуры и природы вещества.

Точное значение зависимости т.э.д.с. от температуры рассчитать затруднительно, вследствие недостаточности информации о свойствах веществ, а тем более их сплавов. Оценить ожидаемую величину сигнала (э.д.с.) можно воспользовавшись экспериментально установленным термоэлектрическим рядом потенциалов различных веществ относительно платины. Термоэлектрод, расположенный в ряду выше, всегда положителен по отношению к нижестоящему. Из-за различного характера зависимости Е = f(T) последовательность ряда может изменяться в зависимости от температуры. Так, медь при температуре -100С располагается ниже железа, а при температуре 300С – выше него.