Принцип действия термопар. Основные соотношения

В основе построения термоэлектрических преобразователей лежит явление термоэлектричества, открытое в начале прошлого века русским академиком Эпинусом. Оно заключается в следующем: если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) А и В, соединив их между собой концами (рис.1), причем температуру ; одного места соединения сделать отличной от температуры другого, то в цепи появляется ЭДС, вызываемая термоэлектродвижущей силой (термоЭДС) и являющаяся
разностью функций температур мест соединения проводников: . Подобная цепь называется термоэлектрическим преобразователем, или иначе, термопарой; проводники, составляющие термопару - термоэлектродами, а места их соединения – спаями. .

Термопара может быть применена для измерения температуры. Если один спай термопары, называемый рабочим спаем, поместить в среду с температурой , подлежащей измерению, а температу­ру другого - нерабочего спая поддерживать постоянной, то:

при = const.

Последняя взаимосвязь и положена в основу измерения температур при помощи термопар. Таким образом, естественной входной вели­чиной термопары является температура ее рабочего спая, вы­ходной величиной - термоЭДС, которую термопара развивает при строго постоянной температуре нерабочего спая.

Приборы, представляющие собой сочетание термопары и указателя, используемые для измерения температуры, называются тер­мометрами, или термоэлектрическими пирометрами. Включить ука­затель в цепь термопары можно как по наиболее часто применяе­мой схеме (рис.2, здесь два нерабочих спая), так и по схеме (рис.3). Для того, чтобы включение в цепь термопары указателя (т.е. треть­его проводника) не изменило значение термоЭДС, места соединения указателя с термоэлектродами должны иметь одинаковую темпера­туру.

Термоэлектроды термопары, помещенные в защитную трубу, обычно выполняются жесткими, а соединения их с последующими ча­стями измерительной цепи для удобства монтажа осуществляются гибкими проводами с надлежащей изоляцией. Соединительные прово­да А₁В₁ и А₂B₂ (рис.4), идущие от зажимов головки термопары до места соединения с термопарой с нерабочим спаем (до места соединения с проводами указателя) называются удлинительными термоэлектродами. Удлинительные термоэлектроды для термопар из неблагородных металлов и других материалов выполняются из тех же материалов, что и термоэлектроды термопар. Для термопар из благородных металлов

Рис. 1. Схема термопары

Рис. 2. Рис. 3.

Рис. 2. Включение указателя в разрыв холодного спая

Рис. 3. Включение указателя в разрыв одного из электродов

Рис. 4. Схема термопары с удлинительными термоэлектродами

удлинительные термоэлектроды изготовляют из неблагородных металлов и других материалов. Чтобы при вклю­чении удлинительных термоэлектродов из материалов, отличных от материалов основных термоэлектродов, не изменялась термоЭДС термопары, необходимо выполнить два условия:

1. Удлинительные термоэлектроды должны быть термоэлектри­чески идентичными с основной термопарой в диапазоне рабочих температур нерабочего спая и места соединения термоэлектродов в головке термопары, т.е. удлинительные термоэлектроды в ука­занном интервале температур должны иметь такую же термоЭДС как и электроды главной термопары.

2. Места присоединения удлинительных термоэлектродов к ос­новным термоэлектродам в головке термопары должны иметь одина­ковую температуру.

Большое значение при измерении температуры с помощью тер­мопар имеет их инерционность, определяемая как время, за кото­рое показания термопары при переносе из среды с нормальной тем­пературой (15-20°С) в среду с температурой +100°С достигает 97 - 98°С.

Для уменьшения инерционности стремятся обеспечить наилучший тепловой контакт между рабочим спаем термопары и средой, температуру которой подлежит измерить.