Термопары
Когда два различных металла приведены в соприкосновение друг с другом на атомном уровне, возникает разность электрических потенциалов. Эта так называемая контактная разность потенциалов зависит только от природы этих двух металлов и от абсолютной температуры. Площадь контакта не оказывает влияния на разность потенциалов. Для многих комбинаций металлов контактная разность потенциалов приблизительно линейно зависит от абсолютной температуры контакта, если температурный диапазон не слишком велик. Когда два контакта включены последовательно, как показано на рис. 3.16(а), в цепи появляется термоэдс V при условии, что эти два контакта имеют разную температуру. Такая конструкция называется термопарой, Некоторые характеристики термопар приведены на рис. 3.16(b).
Названия хромель, константан и алюмель относятся к следующим сплавам (относительный вес в процентах):
хромель – 90% Ni, 10% Сг,
константан – 54% Сu, 45% Ni, 1% Мn,
алюмель – 95% Ni, 3% Мn, 2% Al, 1% Si.
Термоэдс является мерой разности температур между двумя контактами. Более точно выходное напряжение термопары можно записать в виде степенного ряда от разности температур T-T0 где T0 – некоторая заданная температура калибровки, то есть
.
Рис. 3.16(а) Термопара, образованная двумя контактами разнородных металлов, находящимися при различных температурах Т1 и Т2. (b) Характеристики некоторых обычно применяемых термопар (буквами указаны различные комбинации металлов): Е – хромель-константан; J – железо-константан; К – хромель-алюмель; Т – медь-константан; R – (87%Pt, 13%Rh) – платина; S – (90%Pt, 10%Rh) – платина. (с) Значение коэффициента Зеебека для этих термопар как функция температуры Т1 при заданной опорной температуре Т2=0 0С.
По мере увеличения n это выражение будет описывать поведение данной термопары все более точно. Каждая термопара (каждая комбинация двух металлов) характеризуется собственным рядом температурно-независимых коэффициентов а1 (i=1, ,n). Для большинства материалов требуется примерно восемь коэффициентов а1 (n=8), чтобы получить погрешность ±1%. Коэффициент а1 носит название коэффициента Зеебека. На рис. 3.16(с) показано, как зависел бы этот коэффициент от температуры, если бы характеристика термопары описывалась только одним единственным коэффициентом а1.
Если мы имеем дело с большим диапазоном температур, то для достижения необходимой точности следует использовать больше одного коэффициента. Это сделать легко, когда доступен компьютер. Мы можем ввести в компьютер кусочно-линейную аппроксимацию используемой термопары. Этот подход заслуживает особого внимания, когда измеряются температуры большого числа объектов, как, например, на нефтеперерабатывающем заводе. Здесь применение термопар обеспечивает относительно дешевый и надежный, но нелинейный способ измерения температуры. Центральный компьютер может затем линеаризовать данные, считанные с каждого датчика.
При малом диапазоне температур в районе Т, = 0'С можно воспользоваться следующими значениями коэффициента Зеебека а, для различных типов термопар:
тип Е: 61 мкВ/К тип К: 40 мкВ/К
тип J: 52 мкВ/К тип R: 6 мкВ/К
тип Т: 41 мкВ/К тип S: 6 мкВ/К.
Следующие четыре физических явления вносят свой вклад в напряжение
на выходе термопары:
- Эффект Зеебека. Это полезный эффект, результат которого измеряется в отсутствие тока, протекающего через термопару. Он возникает из температурной зависимости контактной разности потенциалов. Эта контактная разность потенциалов обусловлена различием уровней Ферми у двух разнородных металлов. Чем выше температура, тем большее число электронов находятся на более высоком энергетическом уровне, чем уровень Ферми. Из-за этого контактная разность потенциалов становится зависящей от температуры.
- Эффект Пельтье. Если через контакт двух разнородных металлов протекает ток, то температура контакта изменяется. В зависимости от направления тока, контакт становится теплее или холоднее окружающей среды. Этот эффект вызван тем, что всякий процесс электрической проводимости сопровождается переносом тепла. В металле теплопроводность, так же как и электропроводность, обеспечивается свободными электронами. В термопаре эффект Пельтье является нежелательным, поскольку вносит температурную погрешность.
- Эффект Томсона. Если через однородный металлический проводник течет ток в направлении, совпадающем с отрицательным температурным градиентом, то будет выделяться термоэлектричесая теплота. Если направление тока изменить на обратное, то тепло будет поглощаться проводником. Этот обратимый эффект также следует из того факта, что процесс электропроводности в металле сопровождается передачей тепла и, наоборот, теплопроводность сопровождается электропроводностью. Этот эффект также вносит ошибки.
- Джоулево тепло. В двух последних явлениях мы предполагали, что нет выделения тепла из-за рассеяния электрической энергии в электрическом сопротивлении металлов. Если полное сопротивление равно R, то в виде тепла рассеивается I2Rджоулей в секунду. Поэтому термопара сама себя нагревает. Таким образом, очевиден вывод, состоящий в том, что через термопару не следует пропускать ток, если мы заинтересованы в точном измерении температуры; схема измерения должна иметь высокий входной импеданс.
Дополнительный источник ошибок возникает из-за влажности. Влага может образовывать с каждым из металлов гальванический элемент, причем вырабатываемое им напряжение во много раз больше, чем напряжение термопары. Поэтому термопару часто помещают в водонепроницаемый корпус.
Если мы хотим с помощью термопары измерить абсолютную температуру, а не разность температур, нам следует поддерживать один из контактов при известной фиксированной опорной температуре. Этого можно достичь, регулируя температуру одного из контактов с помощью термостата. Можно также осуществить компенсацию температуры эталонного контакта, как показано на рис. 3.17. Температура эталонного контакта здесь измеряется резистивным датчиком R(Т), который включен в мостовую схему. Выходное напряжение моста включено последовательно с термопарой так, что происходит компенсация температуры эталонного контакта.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.