Материалы термопар и их конструкция

К материалам термоэлектродов предъявляется ряд требований:

- однозначная и по возможности близкая к линейной зависимость термоэдс от температуры;

- жаростойкость и механическая прочность с целью измерения высоких температур;

- химическая инертность;

- термоэлектрическая однородность материала проводника по длине, что позволяет восстанавливать рабочий спай без переградуировки, а также менять глубину его погружения;

- технологичность (воспроизводимость) изготовлении с целью получения взаимозаменяемых по термоэлектрическим свойствам материалов;

- стабильность градуировочной характеристики;

- дешевизна.

Среди этих требований есть желательные и обязательные. К числу обязательных относятся воспроизводимость и стабильность.

Для удобства применения термоэлектрический термометр специальным образом армируется. Его помещают в защитные металлические или керамические трубы (чехлы). Термоэлектроды изолируют один от другого с помощью керамических трубочек (бусинок) и вставляют в трубу. Вид и материал защитных труб выбирают в соответствии со свойствами измеряемой среды. Многочисленные конструктивные формы и необходимые принадлежности в значительной части регламентированы стандартами и другими нормативными документами.

Если физические и химические условия допускают это, то термопара может быть введена в измеряемую среду без защитной оболочки. При этом размеры ее могут быть приняты малыми, чем обеспечивается благоприятное динамическое поведение.

В некоторых диапазонах температур функция удовлетворительно описывается квадратичным или кубическим уравнением:

, (21.5)

, (21.6)

причем константы A, B, C и D определяются по результатам калибровки в четырех точках. При использовании некоторых наиболее распространенных термопар пользуются также таблицами функции.

Термоэдс в значительной степени зависит от чистоты используемых индивидуальных материалов. В еще большей степени она изменяется из-за невоспроизводимости составов и структуры применяемых сплавов, а также из-за местной термоэлектрической неоднородности проволок. Поэтому предлагаемые таблицы дают не столько абсолютные значения E, сколько ее порядок и темп изменения. Для точных измерений необходимо корректировать таблицу по результатам измерений E при нескольких температурах.

Для повышения чувствительности при изменении температуры используют термостолбики. Несколько термопар спаиваются последовательно (рис. 21.4) и спаи размещаются через один в средах с измеряемой и сравнительной температурой; при этом термо-ЭДС столбика в n раз больше, чем у единичной термопары в тех же условиях. Термостолбики особенно удобны при выборе сравнительной температуры вблизи измеряемой, когда общий сигнал единичной пары мал.

Чувствительность большинства термопар быстро уменьшается с понижением температуры; на рис. 21.5, показано изменение S для некоторых термопар. Чувствительность широко используемой термопары медь-константан (кривая 1) становится недостаточной в области 40-30 К, и она не применяется при температурах ниже 20 К. В области температур ниже 20 К почти вдвое большую чувствительность имеет термопара константан-хромель (кривая 2). Значительно благоприятнее ход изменения чувствительности термопар из сплава золота с 2,1 атомных % кобальта в сочетании с медью или хромелем (кривая 3); термометрами такого типа можно измерять температуры до 10 К и ниже.

Рис. 21.4. Термостолбики из нескольких термопар.

В низкотемпературной термометрии используют термопары на основе золота с небольшой примесью железа (<0,1 атомных %). Чувствительность таких термопар возрастает с увеличением содержания железа (в указанных границах) и заметно повышается в паре с хромелем (вместо меди). Как видно из рис. 21.5 (кривая 4), чувствительность термопары (Аu+0,07 атомных % Fe)-хромель остается практически неизменной при повышении температур до 100 К и затем еще более возрастает, так что она может использоваться для измерения до 20-25 С. Чувствительность термопары (Аu+0,07 атомных % Fe) - медь (кривая 5) значительно снижается при температурах выше 20 К (до 8 мкВ/С при 78 К и 2,5 мкВ/С при 273 К), поэтому при необходимости осуществлять измерения в широком диапазоне температур она должна быть дублирована высокотемпературной термопарой, например медно - хромелевой.

Рис. 21.5. Чувствительность термопар при низких температурах. 1 - медь-константан, 2 - константан - хромель, 3 - золота с 2,1 атомных % кобальта - медь, 4 - золота с 2,1 атомных % кобальта - хромель, 5 - Аu+0,07 атомных % Fe) - медь.

Термопары на основе золота, легированного железом, позволяют измерять температуры до 1 К; при необходимости диапазон измерений может быть расширен до 0,05 К. Выше рассматривались данные для термопар, сравнительный спай которых размещается в среде с температурой 0 С. При определении низких температур возникает необходимость измерять относительно большие термоэдс и при этом оказывается затруднительным фиксировать небольшие изменения термоэдс при малых колебаниях температуры. В таких случаях целесообразно размещать сравнительный спай в среде с температурой, приближающейся к измеряемой температуре. Для этого используется устройство, позволяющее воспроизводить и длительно поддерживать определенную температуру с требуемой точностью.

Пусть, например, требуется зафиксировать на уровне около 20 К изменение температуры 0,5 С медно-константановой термопарой, т. е. обнаружить изменение термоэдс =2,5 мкВ. При температуре сравнительного спая 0 С E=6190 мкВ и, таким образом, требуется зафиксировать относительно изменение термоэдс =0,04%. Между тем при размещении сравнительного спая в среде жидкого кислорода в тех же условиях =0,4%, в среде жидкого гелия 4,3% и в среде жидкого водорода 7,8%. Поскольку это достигается за счет уменьшения общего сигнала, оказывается возможным применить более чувствительные вторичные приборы или использовать специальную технику, например усилители постоянного тока.

Термопары отличаются простотой конструкции и могут быть изготовлены без сложного оборудования. Рабочий спай может быть сделан миниатюрным, что обеспечивает малую инерционность прибора. Поэтому термопары успешно применяются в тех случаях, когда требуется минимальное запаздывание показаний, например при измерении относительно быстро изменяющихся температур.

Малоинерционные миниатюрные термопары особенно удобны также при изменении температуры поверхности или тонких стенок аппаратов. В этом случае для получения удовлетворительных результатов спай должен быть плотно прижат (или припаян) к исследуемой поверхности. Необходимо также 4 - 5 см проводов, непосредственно примыкающих к спаю, проложить в среде с такой же температурой (или прижать к той же поверхности); это позволяет избежать искажения температуры в точке измерения за счет подвода тепла извне по проводам. Целесообразно также по этой причине использовать материалы с меньшей теплопроводностью.

Термопара фиксирует разность температур двух спаев, и точность измерения холодным спаем в решающей степени определяется точностью воспроизведения температуры сравнительного спая. Этот спай помещают в среду с неизменной температурой, например в чистый кислород, кипящий при нормальном давлении. Но чаще пользуются ванной со льдом, тающим в дистиллированной воде (0 С), или размещают спай в патроне с водой при тройной точке. Для прецизионного термостатирования теплого спая успешно используется также термоэлектрическое устройство, поддерживающее температуру 0±0,001 С.