Термоэлектрические датчики температуры. Термопары.

В 1821 году немецкий ученый, уроженец г. Ревеля (ныне Таллин), Т. Й. Зеебек (1770-1831) обнаружил, что если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру, то в цепи протекает электрический ток. Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока.

Этот факт послужил основой для создания устройства, чувствительным элементом которого является термопара - два проводника из разнородных материалов, соединенных между собой на одном (рабочем) конце, другие два (свободные) конца проводников подключаются в измерительную цепь или непосредственно к измерительному прибору, причем температура свободных концов заранее известна. Термопара образует устройство (или его часть), использующее термоэлектрический эффект для измерения температуры. Под термоэлектрическим эффектом понимается генерирование термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), возникающей из-за разности температур между двумя соединениями различных металлов и сплавов, образующих часть одной и той же цепи.

Замкнутая электрическая цепь (рис. 21.1), состоящая из двух разнородных проводников - термоэлектродов а и b, образует термоэлектропреобразователь (в дальнейшем термопара). Спай Т1 погружаемый в измеряемую среду, называется рабочим или горячим спаем термопары, второй спай Т2 носит название холодного или свободного.

Рис. 21.1. Идеальная термопара.

Согласно электронной теории, во всех проводниках имеются свободные электроны. Число электронов, приходящихся на единицу объема, различно для проводников. По мере повышения температуры проводника концентрация свободных электронов в единице его объёма возрастает. Эти свободные электроны диффундируют из мест с большей концентрацией в места с меньшей, т.е. в общем случае, когда концы проводника имеют разную температуру, свободные электроны диффундируют от горячего конца проводника к холодному. Следовательно, при электронной проводимости холодный конец проводника заряжается отрицательно, а нагретый - положительно.

Термоэлектродвижущая сила, развивающаяся на концах однородного проводника (термоЭДС Томсона), зависит от его природы. Величина этой термоЭДС ET a для конкретною проводника а определяется соотношением

, (21.1)

где - коэффициент Томсона для данного проводника, зависящий от его материала а.

Если замкнутая цепь состоит из двух различных однородных проводников а и b, то суммарная термоэдс в цепи равна разности термоэдс, возникающих в каждой ветви, и определяется по формуле

. (21.2)

т.е. в замкнутой цепи, состоящей из пары проводников а и b, суммарная термоэдс зависит от абсолютных температур и в местах их соединений.

Зеебек, проводя исследования термоэлектрических явлений в замкнутых цепях разнородных проводников, обнаружил, что в цепи, состоящей из двух разнородных проводников а и b, находящихся в соприкосновении при одинаковой температуре, в месте контакта возникает термоэдс (явление Зеебека), вследствие разности концентраций свободных электронов в каждом из проводников и контактной разности потенциалов. Если число свободных электронов, приходящихся на единицу объёма, обозначить соответственно через и и принять, что , то электроны проводника а будут диффундировать в проводник b в большем количестве, чем обратно из проводника b в проводник а. Вследствие этого проводник а будет заряжаться положительно, проводник b отрицательно, при этом свободные концы проводников будут иметь некоторую разность потенциалов

, (21.3)

где e -заряд электрона; k - постоянная Больцмана.

Изложенные выше закономерности позволяют заключить по термоэдс в цепи, составленной из двух разнородных проводников, имеющих различные температуры мест их контакта и определится в следующем виде:

. (21.4)

Таким образом, если одно из мест контактирования термопары, составленной из термоэлектродов а и b, выдерживать при постоянной температуре ( =const), то термоЭДС ее будет зависеть только от температуры . Следовательно, проградуировав ее, т. е. построив зависимость термоЭДС термопары от температуры (рабочего конца) и выдерживая постоянной температуру (свободного конца), можно в дальнейшем по величине измеренной термоЭДС определить температуру рабочего спая. Обычно градуировку термопары производят при температуре свободных концов =273,75 К (0 С).

Следует отметить, что рассматриваемый термоэлектрический эффект обладает и обратным свойством, заключающимся в том, что если в такую цепь (см. рис. 21.1) извне подать электрический ток, то в зависимости от направления тока один из спаев будет нагреваться, а другой охлаждаться (эффект Пельтье).

Для измерения термоэдс в цепь термопары включается измерительный прибор (милливольтметр, потенциометр и т.п.) по одной из двух схем (рис. 21.2).

Рис. 21.2. Схемы измерения термоэдс термопар.

Подключение измерительного прибора в контур термопары по обеим схемам (рис. 21.2) одинаково правомочно. Влияние третьего проводника с не сказывается при равенстве температур 2 и 3 или 3 и 4. Если температура свободных концов отлична от нуля, то показания приборов будут отличаться от градуировочной. Введение поправки на температуру свободных концов может производиться следующими способами:

- применением удлиняющих термоэлектродных проводов, изготовленных из материалов, имеющих термоэлектрическую характеристику, совпадающую с характеристикой используемого термоэлектрического преобразователя в интервале температур от 0 до 100 - 200◦ С, включенных таким образом, что паразитные термоЭДС, образующиеся в местах контактирования включены встречно и равны по величине;

- применением компенсирующего моста для автоматического введения поправки (коробка холодных спаев), который представляет собой неравновесный мост с постоянными манганиновыми резисторами R₁, R₂, R₃ и медным резистором R_m, находящимся в равновесии при 0 С, при отклонении температуры свободных концов возникающий разбаланс моста U_ab компенсирует возможное снижение измеряемой термоЭДС (рис. 21.3);

Рис. 21.3. Схема автоматической компенсации температуры свободных концов термопары.

- применением специального медного сопротивления в автоматических потенциометрах;

- термостатированием свободных концов при постоянной температуре 0 С или (50 ± 0,5) С.