Механизм работы термопары

Еще в 1821 г. Зеебеком было открыто явление, нареченное его именованием, заключающееся в том. что в состоящей из различных проводниковых материалов замкнутой цепи возникает э. д. с. (так именуемая термо-э. д. с), если места контакта этих материалов поддерживаются при различных температурах.

В простом виде, когда электронная цепь состоит из 2-ух разных проводников, она носит заглавие термоэлемента, либо термопары.

Суть явления Зеебека состоит в том, что энергия свободных электронов, обусловливающих появление электронного тока в проводниках, различна и по-разному меняется с температурой. Потому если повдоль проводника имеется перепад температур, на его жарком конце электроны будут иметь огромные энергии и скорости по сопоставлению с прохладным, что определит появление в проводнике потока электронов от жаркого конца к прохладному. В итоге на обоих концах будут скапливаться заряды — отрицательный на прохладном и положительный на жарком.

Потому что у различных проводников эти заряды различны, то при соединении 2-ух из их в термоэлемент появится разностная термо-э. д. с. Для анализа проходящих в термоэлементе явлений комфортно считать, что образующаяся в нем термо-э. д. с. Е является суммой 2-ух контактных электродвижущих сил е, возникающих в местах их контакта и являющихся функцией температуры этих контактов (рис. 1,а).

Рис. 1.Схема термоэлектрической цепи из 2-ух и 3-х проводников, схема включения электроизмерительного прибора в спай и термоэлектрод термопары.

Термоэлектродвижущая сила, возникающая в цепи из 2-ух разнородных проводников, равна разности электродвижущих сил на их концах.

Из этого определения следует, что при равенстве температур на концах термоэлемента его термо-э. д. с. будет равна нулю. Отсюда может быть изготовлен очень принципиальный вывод, обусловливающий возможность использования термопары, как датчика для измерения температуры.

Электродвижущая сила термопары не поменяется от введения в ее цепь третьего проводника, если температуры на его концах будут схожими.

Этот 3-ий проводник может быть включен как в один из спаев, так и в разрез 1-го из проводников (рис. 1,6,в). Этот вывод может быть всераспространен и на несколько проводников, вводимых в цепь термопары, только бы температуры на их концах были схожи.

Потому в цепь термопары можно включить измерительный прибор (также состоящий из проводников) и ведущие к нему соединительные провода, не вызвав конфигурации развиваемой ею термо-э. д. с, если только температуры точек 1 и 2 либо 3 и 4 (рис. 1, г и д) будут равны. При всем этом температура этих точек может отличаться от температуры на выводах прибора, но температура обоих выводов должна быть схожа.

Если сопротивление цепи термопары будет оставаться постоянным, то проходящий в ней ток (а как следует, и показание прибора) будет зависеть только от развиваемой ею термо-э. д. с, т. е. от температур рабочего (жаркого) и свободного (прохладного) ее концов.

Дальше, если поддерживать постоянной температуру свободного конца термопары, показание прибора будет зависеть только от температуры рабочего конца термопары. Таковой прибор будет демонстрировать конкретно температуру рабочего спая термопары.

Таким макаром, термоэлектрический пирометр состоит из термопары (термоэлектродов), электроизмерительного прибора неизменного тока и соединительных проводов.

Из вышесказанного можно сделать последующие выводы.

1. Метод производства рабочего конца термопары (сварка, пайка, скрутка и т. д.) не оказывает влияние на развиваемую ею термо-э. д. с, если только размеры рабочего конца таковы, что температура во всех его точках схожа.

2. Потому что параметром, измеряемым прибором, является не термо- э. д. с, а ток цепи термопары, не обходимо, чтоб сопротивление цепи в эксплуатации оставалось постоянным и равным его значению при градуировке. Но потому что выполнить это фактически нереально поэтому, что сопротивление термоэлектродов и соединительных проводов изменяется с конфигурацией температуры, появляется одна из принципных погрешностей способа: погрешность от несоответствия сопротивления схемы ее сопротивлению при градуировке.

Для уменьшения этой погрешности приборы для термических измерений производятся высокоомными (50—100 Ом при грубых измерениях, 200—500 Ом при более четких) и с малым температурным электронным коэффициентом, с тем чтоб суммарное сопротивление схемы (а как следует, и связь меж током и термо-э. д. с.) изменялось в малой степени при колебаниях окружающей температуры.

3. Термоэлектрические пирометры градуируются всегда при полностью определенной температуре свободного конца термопары — при 0°С. Обычно в работе эта температура отличается от градуировочной, в итоге этого появляется 2-ая принципная погрешность способа: погрешность на температуру свободного конца термопары.

Потому что эта погрешность может достигать 10-ов градусов, то нужно в показания прибора заносить подобающую поправку. Эта поправка может быть высчитана, если известна температура свободных концов.

Потому что температура свободного конца термопары при градуировке to равна 0°С, а в эксплуатации она, обычно, выше 0°С (свободные концы находятся обычно в помещении, нередко они размещены близко к печи, температура которой замеряется), то пирометр дает заниженное против реальной измеряемой температуры показание и значение последнего нужно прирастить на величину поправки.

Как правило это осуществляется графическим методом. Это вызывается тем, что обычно отсутствует пропорциональность меж термо-э. д. с. и температурой. Если же зависимость меж ними пропорциональная, то градуировоч-ная кривая представляет прямую линию и в данном случае поправка на температуру свободного конца термопары будет равна конкретно его температуре.

Конструкция и типы термопар

К материалам для термоэлектродов предъявляются последующие требования:

1) высочайшая термо-э. д. с. и близкий к пропорциональному нрав ее конфигурации от температуры;

2) жаростойкость (неокисляемость при больших температурах);

3) неизменяемость физических параметров со временем в пре делах измеряемых температур;

4) высочайшая электронная проводимость;

5) малый температурный коэффициент сопротивления;

6) возможность производства в огромных количествах с постоянными физическими качествами.

В текущее время используются последующие стандартные термопары.

Платинородий-платиновая термопара. Эти термопары могут быть использованы для измерения температур до 1300°С при продолжительном применении и до 1600 °С при краткосрочном, при условии их использования в окислительной газовой среде. При средних температурах платинородий-платиновая термопара зарекомендовала себя как очень надежная и стойкая, потому она применяется как примерная в интервале 630 — 1064°С.

Хромель-алюмелевая термопара. Эти термопары созданы для измерения температур при продолжительном применении до 1000 °С и при краткосрочном — до 1300°С. Они накрепко работают в этих границах в окислительной атмосфере (если отсутствуют брутальные газы), потому что на поверхности электродов при нагреве появляется узкая защитная пленка окислов, препятствующая проникновению кислорода в металл.

Хромель-копелевая термопара. Эти термопары позволяют определять температуры продолжительно до 600°С и краткосрочно до 800 °С. Они удачно работают как в окислительной, так и в восстановительной атмосфере, также в вакууме.

Железо-копелевая термопара. Пределы измерений — те же, что и хромель-копелевых термопар, условия работы — такие же. Она дает наименьшую термо-э. д. с. по сопоставлению с термопарой ХК: 30,9 мВ при 500 °С, но ее зависимость от температуры поближе к пропорциональной. Значимым недочетом термопары ЖК является коррозия ее выполненного из железа электрода.

Медь-копелевая термопара. Потому что медь в окислительной атмосфере начинает активно окисляться уже при 350°С, то пределы применимости этих термопар — 350 °С продолжительно и 500 °С краткосрочно. В вакууме эти термопары можно использовать до 600 °С.

Кривые зависимости термо-э. д. с. от температуры для более всераспространенных термопар. 1 — хромель-копелевая; 2 — железо-копелевая; 3 — медь-копелевая; 4 — ТГБЦ-350М; 5 — ТГКТ-360М; 6 — хромель-алюмелевая; 7 — платинородий-платиновая; 8 —ТМСВ-340М; 9 — ПР-30/6.

Сопротивление термоэлектродов стандартных термопар из неблагородных металлов составляет 0,13 — 0,18 Ом на 1 м длины (в оба конца), для платинородий-платиновых термопар 1,5—1,6 Ом на 1 м. Допустимые отличия термо-э. д. с. от градуировочных для неблагородных термопар составляют ±1%, для платинородий-платиновых ±0,3—0,35%.

Стандартная термопара представляет собой жезл поперечником 21—29 мм и длиной 500 — 3000 мм. На высшей части защитной трубы насажена штампованная либо литая (обычно из алюминия) головка с карболитовой либо бакелитовой пластинкой, в которую запрессованы две пары выводов с винтообразными зажимами, соединенные попарно; в один из выводов зажат термоэлектрод, к другому присоединен соединительный провод, ведущий к измерительному прибору. Время от времени соединительные провода заключаются в гибкий защитный шланг. По мере надобности герметизировать отверстие, в каком устанавливается термопара, последняя снабжается штуцером с резьбой. Для ванн термопары производятся также коленчатой формы.