Термопара
Введение
Современная
термодинамика определяет температуру как величину, выражающую состояние
внутреннего движения равновесной макроскопической системы и определяемую
внутренней энергией и внешними параметрами системы.
Непосредственно температуру измерить невозможно, можно лишь судить о ней по
изменению внешних параметров, вызванному нарушением состояния равновесия
благодаря теплообмену с другими телами.
Каждому
методу определения температуры, в основе которого лежит зависимость между
каким-либо внешним параметром системы и температурой, соответствует
определенная последовательность значений параметра для каждого размера
температуры, называемая температурной шкалой. Наиболее совершенной шкалой
является термодинамическая температурная шкала (шкала
Кельвина). Практическая ее реализация осуществляется с помощью
Международной практической температурной шкалы (МПТШ), устанавливающей
определенное число фиксированных воспроизводимых реперных точек,
соответствующих температуре фазового равновесия различных предельно чистых
веществ.
Исходным
эталоном температуры является комплекс изготовленных в разных странах мира
газовых термометров, по показаниям которых определяются численные значения
реперных точек по отношению к точке кипения химически чистой воды при давлении
101325 Па, температура которой принята равной
100,00°С(373,15 К точно). Для практического воспроизведения и хранения МПТШ
международным соглашением установлены единые числовые значения реперных точек,
которые с развитием техники время от времени уточняются и корректируются.
Последняя корректировка была произведена в 1968 г. Согласно
МПТШ—68 установлены следующие реперные точки, соответствующиедавлению 101325
Па: точка кипения кислорода —182,97 °С (90,18 К), тройная точка воды
(при давлении 610 Па) +0,01 °С (273,16 К), точка кипения воды +100,00 °С
(373,15 К), точки затвердевания: олова +231,9681 °С (505,1181К),цинка
+419,58 °С (692,73 К), серебра +961,93 °С (1235,08 К) изолота+1064,43°С(1337,58
К).
Весь
температурный диапазон перекрывается семью шкалами, для воспроизведения которых
в зависимости от области шкалы используются различные методы: от 1,5 до 4 К —
измерение давления паров гелия-4, от 4,2 до 13,8 К — германиевые
терморезисторы, от 13,8 до 273,16 К и от 273,16 до
903,89 К— платиновые терморезисторы от 903,89 до 1337,58 К — термопары
платинородий — платина, от 1337,58 до 2800 К — температурные лампы и от
2800 до 100 000 К — спектральные методы.
Огромный диапазон существующих температур (теоретически максимально возможное значение температуры составляет 1012 К) обусловил большое разнообразие методов их измерения. Наиболее распространенные методы измерения температуры и области их применения приведены в таблице 1.
Термоэлектрический метод измерения температуры основан на использовании зависимости термоэлектродвижущей силы от температуры
Нас будут интересовать контактные методы и средства электроизмерения температур.
1. Общие сведения о термоэлектрических преобразователях
1.1. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Тепловым называется преобразователь, принцип действия которого основан на тепловых процессах и естественной входной величиной которого является температура. К таким преобразователям относятся термопары и терморезисторы, металлические и полупроводниковые. Основным уравнением теплового преобразования является уравнение теплового баланса, физический смысл которого заключается в том, что все тепло, поступающее к преобразователю, идет на повышение его теплосодержания QТС и, следовательно, если теплосодержание преобразователя остается неизменным (не меняется температура и агрегатное состояние), то количество поступающего в единицу времени тепла равно количеству отдаваемого тепла. Тепло, поступающее к преобразователю, является суммой количества тепла Qэл, создаваемого в результате выделения в нем электрической мощности, и количества тепла Qто, поступающего в преобразователь или отдаваемого им в результате теплообмена с окружающей средой.
Явление термоэлектричества было открыто в 1823 г. Зеебеком и заключается в следующем. Если составить цепь из двух различных проводников(или полупроводников) А и В, соединив их между собой концами (рис. 1а), причем температуру 1 одного места соединения сделать отличной от температуры о другого, то в цепи появится э.д.с., называемая термоэлектродвижущей силой (термо-э.д.с.) и представляющая собой разность функций температур, мест соединения проводников.
Подобная цепь называется термоэлектрическим преобразова . телем или иначе термопарой; проводники, составляющие термопару, — термоэлектродами, а места их соединения — спаями.
При небольшом перепаде температур между спаями термо-э. д. с. можно считать пропорциональной разности температур.
Опыт показывает, что у любой пары однородных проводников подчиняющихся закону Ома, величина термо-э.д.с. зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температур между спаями.
Явление
термоэлектричества принадлежит к числу обратимых явлений, обратный эффект был
открыт в 1834 г. Жаном Пельтье и назван его именем.
Если через цепь, состоящую из двух различных проводников или полупроводников,
пропустить электрический ток, то тепло выделяется в одном спае и поглощается в
другом. Теплота Пельтье связана с силой тока линейной зависимостью в отличие от
теплоты Джоуля, и в зависимости от направления тока происходит нагревание или
охлаждение спая.
Поглощаемая или выделяемая тепловая мощность пропорциональна силе тока, зависит от природы материалов, образующих спай, характеризуется коэффициентом Пельтье.
Во второй половине XIX в. Томсоном был открыт эффект, заключающийся в установлении на концах однородного проводника, имеющего температурный градиент, некоторой разности потенциалов и в выделении дополнительной тепловой мощности при прохождении тока по проводнику, имеющему температурный градиент. Однако э.д.с. Томсона и дополнительное тепло настолько малы, что в практических расчетах ими обычно пренебрегают.
На рис. 1б
показана принципиальная схема термоэлектрического преобразователя, который в
зависимости от положения переключателя Кл может работать в режиме генератора
электрической энергии (положение 1) и в режиме переноса тепла от источника с
температурой к резервуару с температурой.
К.п.д. термоэлектрического генератора зависит от разности температур и свойств материалов и для существующих материалов очень мал (при = 300° не превышае = 13%, а при= 100° значение= 5%), поэтому термоэлектрические генераторы используются как генераторы энергии лишь в специальных условиях. К.п.д. термоэлектрического подогревателя и холодильника также очень малы, и для охлаждения к.п.д. при температурном перепаде 5° составляет 9%, а при перепаде 40° — только 0,6%; однако, несмотря на столь низкие к.п.д., термоэлементы используются в холодильных устройствах. В измерительной технике термопары получили широкое распространение для измерения температур; кроме того, полупроводниковые термоэлементы используются как обратные тепловые преобразователи, преобразующие электрический ток в тепловой поток и температуру.
Термопара с подключенным к ней милливольтметром, применяемая для измерения температуры.
Если один спай термопары, называемый рабочим, поместить в среду с температурой 1, подлежащей измерению, а температуру 2, других, нерабочих, спаев поддерживать постоянной, то f(0) = const и
EAB(1) = f(1)
– C= f1(1). независимо от того, каким образом произведено соединение
термоэлектродов(спайкой, сваркой и т. д.). Таким образом, естественной входной
величиной термопары является температура ее рабочего спая, а выходной
величиной — термо-э. д. с., которую термопара развивает при строго постоянной
температуре 2 нерабочего спая.
Материалы, применяемые для термопар. В табл. 2 приведены термо-э.д.с., которые
развиваются различными термоэлектродами в паре с платиной при температуре
рабочего спая 1 = 100° С и температуре нерабочих спаев
2 = 0° С. Зависимость термо-э.д.с. от температуры в широком диапазоне
температур обычно нелинейна, поэтому данные таблицы нельзя распространить на
более высокие температуры.
Таблица 1
|
Материал |
Термо-эдс мВ |
Материал |
Термо-эдс мВ |
|
Кремний |
+44 |
Свинец |
+0,44 |
|
Сурьма |
+4,7 |
Олово |
+0,42 |
|
Хромель |
+2,4 |
Магний |
+0,42 |
|
Нихром |
+2,2 |
Алюминий |
+0,40 |
|
Железо |
+1,8 |
Графит |
+0,32 |
|
Сплав |
+1,3 |
Уголь |
+0,30 |
|
Молибден |
+1,2 |
Ртуть |
+0 |
|
Кадмий |
+0,9 |
Палладий |
-0,57 |
|
Вольфрам |
+0,8 |
Никель |
-1,5 |
|
Манганин |
+0,76 |
Алюмель |
-1,7 |
|
Медь |
+0,76 |
Сплав |
-2,31 |
|
Золото |
+0,75 |
Константан |
-3,4 |
|
Цинк |
+0,75 |
Копель |
-4,5 |
|
Серебро |
+0,72 |
Пирит |
-12,1 |
|
Иридий |
+0,65 |
Молибден |
-69 |
|
Родий |
+0,64 |
Сплав |
+0,64 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Страницы: 1, 2
