Рекомендации по работе с потенциометром Мостовые методы измерения сопротивлений (стр. 2 из 5)

Термопара

Термопара (термоэлектрический преобразователь) представляет собой очень простой, надежный и, в то же время, достаточно точный датчик температуры. Принцип действия термопары можно пояснить воспользовавшись моделью свободных электронов. Согласно этой модели, электроны проводимости рассматриваются как электронный газ, заполняющий кристаллическую решетку металла. Работа выхода и концентрация свободных электронов являются индивидуальными характеристиками вещества и у разных металлов различны. В результате, если два разнородных проводника соединить в одной точке, то часть электронов продиффундирует из одного проводника в другой, исходно электронейтральные проводники зарядятся, и на их свободных концах появится разность потенциалов – контактная ЭДС. Величина контактной ЭДС зависит от температуры – Е=Е(Т). Поэтому простейшая конструкция состоящая из двух, соединенных в одной точке проводников может служить термометром, если для этой пары металлов зависимость Е=Е(Т) известна. В данном контексте контактная ЭДС называется термо-ЭДС, проводники, из которых изготовлена термопара, называются термоэлектродами, а точка их соединения – спаем термопары.

Таким образом, чтобы измерить температуру какого-то объекта достаточно измерить термо-ЭДС термопары, спай которой находится в тепловом контакте с этим объектом, и затем рассчитать температуру, используя таблицу либо аналитическую зависимость Е(Т). Как измерить ЭДС термопары? Очевидно, что если подключить термоэлектроды непосредственно к регистрирующему прибору (потенциометру или микровольтметру с большим входным сопротивлением), мы получим еще два "термопарных спая" в точках контактов термоэлектродов с клеммами прибора. В результате регистрирующий прибор покажет суммарную ЭДС

E =E_AB(t_x) + E_AКл(t₀) + E_BКл(t₀) ,

где E_AB – термо-ЭДС рабочего спая; E_AКл, E_BКл – термо-ЭДС возникающие в местах контактов термоэлектродов с клеммами прибора; t_x – температура рабочего спая термопары; t₀ – температура клемм прибора.

Так как при равенстве температур всех спаев суммарная ЭДС термопары должна равняться нулю это выражение можно преобразовать к виду:

E =E_AB(t_x) – E_AB(t₀) .

Отсюда видно, что термопарой измеряется разность t_x – t₀. Поэтому значение t₀ нужно знать и при проведении измерений поддерживать постоянным, причем тем же самым, что и при градуировке термопары, когда определялась зависимость Е(Т). Каких-либо физических ограничений на выбор величины t₀ не существует, но общепринято термостатировать свободные концы термоэлектродов при t₀ = 0° С. В таблицах номинальных статических характеристик термопар всегда приводят значения Е(t) соответствующее температуре t₀ = 0° С.

Таким образом, если термоэлектроды подключить непосредственно к клеммам прибора, температуру клемм придется поддерживать равной 0° С, что технически сложно. Поэтому применяют специальные способы подключения термопар.

Основной способ подключения термопары показан на рис. 1.4. Здесь термоэлектроды “надставлены” медными проводами, которые и присоединены к клеммам прибора. Так как клеммы потенциометров и чувствительных вольтметров изготавливают из меди или из сплавов, имеющих близкую к нулю контактную ЭДС в паре с медью, “паразитных” контактных ЭДС здесь не возникает, какую бы температуру не имели клеммы. Соединения медных проводов с термоэлектродами (так называемые “холодные спаи” термопары) помещают в сосуд с плавящимся льдом – термостатируют при температуре 0° С.

Другой способ подключения термопары показан на рис. 1.5. Здесь изображена так называемая дифференциальная термопара, представляющая собой, как видно из рис. 1.5, две “обычные” термопары, включенные встречно. Контактные ЭДС на клеммах прибора здесь взаимно компенсируются, т.к. они одинаковы по величине и противоположны по знаку. ЭДС дифференциальной термопары пропорциональна разности температур ее спаев. Поэтому дифференциальную термопару используют обычно не для абсолютного измерения температуры, а для измерения разности температур (различных объектов или в разных точках одного объекта). Однако ее можно использовать и для абсолютных измерений. В этом случае один из спаев (все равно какой) дифференциальной термопары используется, как рабочий, второй (“холодный спай”) – термостатируется при 0°С так же, как и у “обычной” термопары.

Чувствительностью термопары называется величина К = dE/dt (E – ЭДС термопары, t – температура). При подборе материалов термоэлектродов стремятся к тому, чтобы чувствительность была максимальной и не зависела от температуры. Наилучшей линейностью характеристики среди термопар с термоэлектродами из неблагородных металлов обладает хромель-алюмелевая (ХА) термопара (К = 40 мкВ/К при 0°С, К = 43 мкВ/К при 500°С), наивысшей чувствительностью – хромель-копелевая (ХК) термопара (К = 63 мкВ/К при 0°С, К = 88 мкВ/К при 500°С). Как видно из приведенных численных значений, чувствительность термопары зависит от температуры. Однако если измерения производятся в сравнительно небольшом интервале температур, можно в первом приближении считать К = const. В этом случае температура может быть рассчитана по формуле (при термостатировании “холодных” спаев при t₀ = 0°С):

t_x = К^-1×Е , °С.

Значение К можно рассчитать по экспериментально измеренной ЭДС термопары Е^* при какой-либо известной температуре t^*.

Номинальная статическая характеристика термоэлектрического преобразователя хромель – алюмель (ХА)
t, °C	Е, мВ	t, °C	Е, мВ	t, °C	Е, мВ	t, °C	Е, мВ	t, °C	Е, мВ
0	0,000	50	2,022	100	4,095	150	6,137	200	8,137
10	0,397	60	2,436	110	4,508	160	6,539	210	8,537
20	0,798	70	2,850	120	4,919	170	6,939	220	8,938
30	1,203	80	3,266	130	5,327	180	7,338	230	9,341
40	1,611	90	3,681	140	5,733	190	7,737	240	9,745

Номинальная статическая характеристика термоэлектрического преобразователя хромель – копель (ХК)
t, °C	Е, мВ	t, °C	Е, мВ	t, °C	Е, мВ	t, °C	Е, мВ	t, °C	Е, мВ
0	0,000	50	3,306	100	6,860	150	10,621	200	15,363
10	0,639	60	3,998	110	7,597	160	11,396	210	16,174
20	1,289	70	4,700	120	8,342	170	12,176	220	16,990
30	1,951	80	5,411	130	9,094	180	12,964	230	17,812
40	2,623	90	6,131	140	9,854	190	13,758	240	18,639

Задания.

Измерение температуры термопарой.

Измерьте ЭДС термопары при температуре плавления олова (231,9 ºС). Определите, воспользовавшись таблицами номинальных статических характеристик термопреобразователей, тип термопары (у вас может быть либо ХА-термопара, либо ХК-термопара).