Термоэлектрический термометр

Принцип действия основан на использовании, открытого в 1821 году Зеебеком, термоэлектрического эффекта, который состоит в следующем:

в замкнутой цепи, состоящей из двух или нескольких разнородных проводников возникает электрический ток, если хотя бы два мета соединения (спая) этих проводников имеют разную температуру.

А и В – термоэлектроды;

1 и 2 – спаи.

Если t₁ ¹ t₂, то в замкнутой цепи протекает ток. Существует и обратный эффект – эффект Пельтье. Он состоит в следующем: если цепь из нескольких разнородных проводников подать ток, то в зависимости от направления тока один из спаев будет греться.

Если t₁ < t₂, то направление тока от электрода А к электроду В и в этом случае А – термоположительный электрод, а В – термоотрицательный.

Причины возникновения термоэлектрического эффекта характеризуют по разному. Например, различные металлы обладают различной работой выхода электронов и поэтому при соприкосновении двух разнородных металлов возникает контактная разность потенциалов. При различии температур концов проводников в них возникает диффузия электронов, приводящая к возникновению разности потенциалов на концах.

Возникающая в системе термоЭДС зависит от температур t₁ и t₂:

Е_АВ = f (t₁, t₂) = е_АВ (t₁) + е_АВ (t₂)

Если t₂ = const, то Е_АВ = е_АВ (t₁) – С

В этом случае спай 1 – рабочий спай, а спай 2 – свободный спай.

Зависимость термоЭДС от температуры устанавливается экспериментально, путем градуировки и последующего построения графика. ТермоЭДС зависит от температуры концов спаев, химического состава термоэлектродов и от их длины. В соответствии со стандартами t₂ = 0 °С.

При измерениях температура t₂ может отличаться от градуировочного значения. В этом случае вводится соответствующая поправка в результат измерения:

E_AB(t t₀) = E_AB(t t₀^’) + E_AB(t₀^’t₀).

Поправка E_AB(t₀^’t₀) равна термоЭДС, которую развивает данная термопара при температуре горячего спая t₀^’, а холодных спаев – равной градуировочному значению. Поправка берется положительной, если t₀^’ > t₀, и отрицательной, если t₀^’ < t_0. Величина поправки может быть взята из градуировочной таблицы.

Способы включения измерительного прибора в измерительную цепь

ü в разрыв спая В цепь измерения включается еще один третей проводник С, при этом спай 1 – рабочий, а спаи 2 и 3 - свободные.

ü в разрыв термоэлектрода В цепь измерения включается третей проводник С, при этом спай 1 – рабочий, спай 2 – свободный, а спаи 3 и 4 - нейтральные. t3 должна быть постоянной

Несмотря на внешнее различие схем термоЭДС в обоих случаях одинаковая, если температуры концов третьего проводника С будут равны.

Для исключения влияния температуры измеряемого объекта на свободные концы термопары последние удаляют из зоны с переменной температурой, используя не сами электроды, а удлиняющие термоэлектродные провода. Места подключения термоэлектродных проводов рассматриваются, как свободные концы. Соединительные провода должны быть термоэлектрически подобны термоэлектродам термопары. Как правило, соединительные провода для термопар, изготовленных из неблагородных металлов, выполняются из тех же самых материалов, что и термоэлектроды. Исключение составляет хромель-алюмелевая термопара, для которой с целью уменьшения сопротивления линии в качестве соединительных проводов применяется медь в паре с константаном.

Материалы, используемые для изготовления термопар

Название	Состав	Максимальный темпер. предел, °C
Хромель	10% Cr + 90 % Ni
Платинородий	90 % Pt + 10 % Rh
Медь	Cu
Платина	Pt
Алюмель	95 % Ni + 5 % Al
Копель	56 % Cu + 44 % Ni
Константан	60 % Cu + 40 % Ni

Для предохранения от механических повреждений и вредного воздействия объекта термоэлектроды помещают в защитную арматуру (защитная гильза, изоляционные бусы и головка).

Требования к термопарам: воспроизводимость, высокая чувствительность, надежность, стабильность, достаточный температурный диапазон.

Применяемые термоэлектродные преобразователи:

ü ТХК (хромель-копель) ХК₆₈ (-50 … +60 °С);

ü ТХА (хромель-алюмель) ХА₆₈ (-50 … +1000°С);

ü ТПП (платинородий-платина) ПП₆₈ (0 - 1300°С);

ü ТПР (платинородий-платинородий) ПР30/6₆₈ (300 - 1600°С);

ü ТВР (вольфрамрений-вольфрамрений) ВР5/20₆₈ (0-2200°С).

Данный преобразователь работает с магнитоэлектрическими милливольтметрами, потенциометрами или нормирующими преобразователями с получением на выходе унифицированного сигнала.

Достоинства: измерение высоких температур;

точность измерения.

Недостатки: сложность изготовления и монтажа;

сложность градуировки.