Термоэлектрические преобразователи. - Курс лекций по “Физическим основам измерений”

Явление термоэлектричества было открыто в 1823 году  Зеебеком и  заключается в следующем. На границе соприкосновении двух  различных проводников имеются контактные скачки потенциала, которые существуют и при разомкнутой цепи. Это значит, что в контактном слое возникает ЭДС. Сторонние силы появляются в данном случае в результате давления электронного газа, которое различно в различных проводниках. Если соединить три проводника последовательно (рис.1.4),

тогда распределение потенциала в цепи имеет вид (рис.1.5).

         Скачки потенциалов в контактах В, С равны по величине, но противоположны по знаку и показание вольтметра равно нулю.

         Если температура контактов неодинакова, то ЭДС цепи не рана нулю. Это явление получило название термоэлектричества.

Положим в рис 1.4 температура Т1 больше Т2, т.к. тепловые скорости электронов вблизи

контакта В больше, чем в контакте С, то в проводнике 2 возникает поток диффузии электронов, направленный от В к С. Поэтому в проводнике 2 возникнут электрические заряды, а внутри проводника возникнет электрическое поле такой величины, чтобы ток дрейфа компенсировал ток диффузии. Следовательно, при наличии в проводнике градиента температуры в нём возникнёт и градиент электрического потенциала.

       Однако термо ЭДС  обусловлена и контактными скачками потенциала  U12 и U21 (рис.1.6)

Сумма их уже не равна нулю. Напряжение  V вольтметра (рис.1.4) и равно по величине Т.Э.Д.С. и складывается из двух физических явлений. 

       Подобная цепь, состоящая из двух различных проводников, называется термоэлектрическим преобразователем или иначе термопарой.

Проводники, составляющие термопару, - термоэлектроды, а места их соединения-спаи (рис 1.7). Опыт показывает, что у любой пары двух проводников значение Т.Э.Д.С. зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температуры вдоль проводников. Термоэлектрический контур можно разомкнуть в любом месте и включить в него разрыв другие проводники. И если все появившиеся соединения имеют одинаковую температуру, то не возникнет никаких паразитных термо ЭДС. Можно разомкнуть контур в месте контактирования термоэлектродов А и В и вставить дополнительный проводник С между ними (рис.17). Значение термо ЭДС в этом случае определяется как :

              Можно разорвать один из термоэлектродов и вставить дополнительный проводник. Значение термо-ЭДС не изменится.

Явление термоэлектричества принадлежит к числу  обратимых явлений, обратный эффект был открыт в 1834г. Пелатье и назван его именем. Если через цепь, состоящую из двух различных проводников пропустить электрический ток, то теплота выделяется в одном слое и поглощается в другом.

В измерительной технике термопары получили широкое распространение для измерения температуры. Кроме того, полупроводниковые термоэлементы используются как обратные тепловые преобразователи.

Для конструирования термопар можно воспользоваться данными для ряда металлов, которые развивают термо-ЭДС в паре с платиной при температуре рабочего спая Т1=100 С и температуре свободных концов То=0 С (табл.1).

Зависимость термоЭДС от температуры в широком диапазоне температур нелинейная, поэтому данные таблицы нельзя распространять на более высокие температуры.

  При конструировании термопар стремятся сочетать термоэлектроды, один из которых развивает с платиной положительную, а другой отрицательную термоЭДС, тогда их суммарная ЭДС складывается.

   Для повышения выходной ЭДС используется несколько термопар, образуемых термобатарею, у которой рабочие спаи имеют не равные температуры, а электроды соединяются последовательно.

     Рабочие концы термоэлектродов спаяны и находятся на объекте измерения, а свободные концы должны находиться при постоянной температуре. При большом удалении объекта измерения от измерительного прибора не всегда  возможно выполнить термоэлектроды длинными. Поэтому термоэлектроды можно удлинять из материала другого металла. Чтобы при этом не изменялась термоЭДС термопары, необходимо выполнить два условия. Первое - места присоединения удлинительных электродов к основным термоэлектродам должны иметь одинаковую температуру. И второе – удлинительные термоэлектроды должны быть термоэлектрически идентичными основной термопаре, т.е. иметь ту же термоЭДС в диапазоне возможных температур места соединения термоэлектродов. Например – для термопары платинородий-платина применяются удлинительные термоэлектроды из меди и сплава ТП, образующие термопару, термоидентичную основной термопаре.

  При неправильном подключении удлинительных электродов возникает погрешность измерения.

   Другая погрешность возможна по причине изменения температуры свободных концов.

    Градуировка термопар осуществляется при температуре свободных концов, равной нулю. Если же температура их не равна нулю, а отличается на величину +Т, то измеренная ЭДС будет меньше и необходимо внести поправку в показания термометра. Величина поправки ∆Т связана с разностью температур свободных концов через коэффициент k, называемый поправочным коэффициентом. Определить его приближенно можно  из соотношения

 , где Т0=00С;

 - температура свободных концов.

Практически для хромель-копелевой термопары он лежит в пределах 0,8-1; для платинародий-платина – 0,82 - 1,11. при малом значении  ∆Т k можно принять равным 1.

Для автоматического введения поправки на температуру нерабочих электродов на рис. 18 схематически показано устройство.

рис. 18

В цепь термопары и милливольтметра включен мост, одним из плеч которого является терморезистор Rt из медной или никелевой проволоки, помещенный возле нерабочих спаев термопары (остальные плечи моста выполнены из манганиновых резисторов). При температуре Т0 мост находится в равновесии и напряжение на его выходной диагонали равно нулю. При повышении температуры нерабочих спаев сопротивление Rt тоже увеличивается, мост выходит  из равновесия и возникающее напряжение на диагонали корректирует уменьшением термо-ЭДС термопары.

Полной коррекции  нет, но погрешность уменьшается.

В термоэлектрических термометрах для измерения ЭДС применяют как обычные милливольтметры, так и компенсаторы. С компенсаторами сопротивление цепи термо ЭДС роли не играет. В случае не измерения милливольтметра может возникнуть погрешность, вызванная изменением сопротивления цепи.

В большинстве термометров на термопаре при их градуировке учитывается сопротивление внешней цепи, т.е. проводов и термопары (Rпр+Rт), равное 5 Ом. Регулировка сопротивления этой внешней цепи осуществляется при помощи добавочной катушки сопротивления при монтаже прибора.

Термопары промышленного типа и их основные параметры приведены в таблице 2.

Для измерения температур ниже указанных в таблице 2 и выше применяются специальные термопары.