Средства проведения теплофизических измерений. Средства измерения температур. Классы точности средств измерений, страница 6

Появление термоэдс вызвано разницей в интенсивности проявления эффекта Зеебека в различных проводниках. Эффект Зеебека заключается в том, что при нагреве одного из концов проводника увеличивается кинетическая энергия свободных электронов. Это приводит к увеличению интенсивности взаимодействия электронов на «горячем» конце и к вытеснению некоторой их части в «холодный» конец. В результате между «горячим» и  «холодным» концами проводника возникает разность потенциалов, зависящая не только от температуры, но и от материала проводника.

В небольшом диапазоне температур (0-100⁰С) величину термоэдс можно задать линейной зависимостью:

,                                                  2.18

где     α – коэффициент Зеебека или удельная термоэдс.

Таблица 2.2

Материал	α,	Материал	α,
Сурьма	+43	Ртуть	-4,4
Железо	+15	Платина	-4,4
Молибден	+7,6	Натрий	-6,6
Кадмий	+4,6	Палладий	-8,9
Вольфрам	+3,6	Калий	+13,8
Медь	+3,2	Никель	-20,8
Цинк	+3,1	Висмут	-68,0
Золото	+2,9	Хромель	+24
Серебро	+2,7	Нихром	+18
Свинец	0,0	Родий	+6
Олово	-0,2	Алюмель	-17,3
Магний	-0,0	Константан	-38
Алюминий	-0,4	Копель	-38

Как уже отмечалось, коэффициент Зеебека зависит от материалов, из которых выполнены проводники. В таблице 2.2 приводятся значения коэффициента α для некоторых металлов и сплавов по отношению к свинцу [11]. Знак «+» указывает, что ток течет от свинца к данному материалу через нагретый спай, а знак «-» - наоборот.

В зависимости от материала проводников выделяют термопары из благородных, неблагородных и тугоплавких металлов. К первому типу относятся платинородий-платиновые и платинородий-платинородиевые термопары[5]. К достоинству термопар из благородных металлов можно отнести устойчивость к агрессивным средам и высоким температурам (до 1400⁰С) [4,5], а также высокую стабильность удельной термоэдс, что важно при серийном производстве. Основным недостатком данного типа термопар является малое значение термоэдс.

Бóльшая чувствительность достигается применением термопар из неблагородных металлов [4,5]. Наиболее распространенным преобразователем данного типа является хромель-копелевая термопара[6], имеющая удельную термоэдс порядка 62 мкВ/⁰С и хорошую стабильность параметров при серийном производстве. Однако, из-за наличия в составе сплава меди, температурный диапазон применения этой термопары ограничен величиной +400⁰С. Хромель-копелевая термопара обычно выпускается в виде двухжильного кабеля различной длины со спаем на одном конце и разъемом для подключения к  линии связи на другом (см. рис. 2.13).

Работу при более высоких температурах (до 1200⁰С), но при значительно меньшей (29  мкВ/⁰С) чувствительности, обеспечивают термопары сталь-никель. Благодаря тому, что данные термопары по своим теплофизическим свойствам практически не отличаются от стали, их используют для измерения температуры нагрева поршней двигателей внутреннего сгорания, стволов артиллерийских орудий и т. п. Общий вид конструкции подобной термопары представлен на рисунке 2.14. Чувствительный элемент 1 имеет вид стальной пробки 9, внутри которой находится никелевая проволока 7. Изоляция между сталью и никелем достигается за счет наличия на поверхности никелевой проволоки оксидной пленки.

Спай на торце чувствительного элемента достигается либо за счет опрессовки конца датчика усилием в несколько тонн, либо путем зачистки торца и напыления тонкого (2 мкм) слоя никеля [2]. Для крепления на поршне двигателя на внешней поверхности чувствительного элемента нарезается резьба, а на стволе артиллерийского орудия 2 термопара крепится с помощью полого болта 3 [4]. Медная шайба 10 служит для предотвращения прорыва пороховых газов. Внешняя часть центрального никелевого электрода защищена слоем изоляции 8 от короткого замыкания на корпус датчика (он выполняет функции второго электрода термопары).