Характеристики современных термопар, выпускаемых отечественной промышленностью

Окончание таблицы 1

Примечание. Указанные буквенные обозначения номинальной статической характеристики (НСХ) термопар соответствуют обозначениям стандарта МЭК 584-1, кроме термопары хромель - копель (L), не нормируемой данным стандартом.

Рассмотрим кратко принцип работы термоэлектрических преобразователей (термопар). Для корректного изложения этого вопроса дадим определение физической величины – температуры.

Температура – это физическая величина, количественно характеризующая меру средней кинетической энергии и теплового движения молекул какого-либо тела или вещества.

Из этого определения следует, что температуру как физическую величину непосредственно измерить невозможно. Ее (температуру) можно измерить только по ее проявлению при изменении других физических свойств тел или веществ. Например, изменение объема, давления, электрического сопротивления, термоЭДС, интенсивности излучения.

В настоящее время широко используют в практике измерения температуры две группы методов: контактные (термометрия) и бесконтактные (пирометрия).

Бесконтактные методы (пирометры различного принципа действий и различного назначения) применяют в основном для измерения очень высоких температур, 1500 ºС и выше. Например, температура агломерата на ленте агломерационной машины; температура в топке барабана сушилки и др. В работе рассматриваем контактные методы измерения.

Принцип действия термопар основан на явлении термоэлектричества. Явление термоэлектричества было открыто немецким ученым – физиком Т. Зеебеком (Т. Seebeck) в 1821 г. и состоит в следующем.

Если соединить два проводника (термоэлектрода) из разнородных металлов или сплавов таким образом, чтобы они образовали замкнутую электрическую цепь (рис. 2), а затем поддерживать места контактов (спаи) при различной температуре, то в цепи будет протекать постоянный ток.

Рис. 2. К пояснению эффекта Зеебека

Говорят, что термоэлектрод А положителен по отношению к В, если ток течет от А к В в более холодном из двух контактов. Электродвижущая сила, вызывающая этот ток, называется термоЭДС Зеебека и зависит только от материала термоэлектродов и разности температур спаев

Е = α ( Т₂ - Т₁ ),

где α – коэффициент пропорциональности (коэффициент Зеебека).

Таким образом, зная температуру одного спая (обычно ее поддерживают постоянной, например, равной 0 ºС) и, измеряя этот ток или напряжение, можно однозначно определить неизвестную температуру другого спая.

Возникновение термоЭДС объясняется диффузией имеющихся в металле свободных электронов из металла, где плотность свободных электронов больше, в металл, где плотность свободных электронов меньше. В месте соприкосновения двух разнородных металлов будет возникать электрическое поле, которое будет препятствовать этой диффузии. Когда скорость диффузионного перехода электронов станет равна скорости их обратного перехода под влиянием установившегося электрического поля, наступит состояние подвижного равновесия. При таком равновесии между металлами А и В возникает некоторая разность потенциалов. Допустим, что температура в местах спая проводников (рис. 3, а) в точках А и В различна.

а б в

1 t₀

t₀

t₀ t^/₀ t₁

А В A B

t^/₁

t

2 t₁

Рис. 3. К пояснению принципа действия термопар

Электроны из более нагретых частей проводников будут диффундировать с большей интенсивностью, чем в обратном направлении. В таком проводнике появляется термоЭДС и на концах его возникает разность потенциалов. С учетом сказанного, термоЭДС в цепи, изображенной на рис. 3, а будет:

Е_АВ(t, t₀) = e_AB(t) + e_BА(t₀), (1)

где Е_АВ(t, t₀) – суммарная термоЭДС, определяемая действием обоих факторов;

e_AB(t) и e_BА(t₀) – термоЭДС, обусловленные контактной разностью потенциалов и разностью температур концов проводников А и В.

Порядок индексов при е указывает, при переходе от какого проводника к какому учитывается ЭДС. Если температура спаев одинакова, то термоЭДС в цепи равна нулю, так как в обоих спаях возникают термоЭДС, равные по величине и направленные навстречу друг другу. Таким образом, при t = t₀ имеем

Е_АВ(t₀) = e_AB(t₀) + e_BА(t₀) = 0; (2)

e_BА(t₀) = - e_AB(t₀). (3)

Подставив (3) в (1), получим:

Е_АВ(t, t₀) = e_AB(t) - e_АВ(t₀) (4)

Из уравнения (4) видно, что термоЭДС в цепи представляет собой сложную функцию двух переменных t и t₀ , т.е. температур обоих спаев. Поддерживая температуру одного из спаев постоянной, t₀ = const, получим:

Е_АВ(t, t₀) = f(t) (5)

Выражение (5) показывает, что если для термопары экспериментально, т.е. путем градуировки, найдена зависимость между термоЭДС и температурой спая, измерение температуры сводится к решению обратной задачи: измеряя термоЭДС термопары, определяют по ней температуру в интересующем нас месте в объекте контроля. Для того, чтобы элемент, изображенный на рисунке 3, а мог быть использован для измерения температуры, в его цепь необходимо включить какой-либо измерительный прибор (гальванометр, прибор компенсационного типа). Для этих целей эту цепь разрывают, например, в одном из спаев или в одном из электродов (рис. 3, б, 3, в). Доказано, что, включение в цепь термопары третьего проводника с измерительным прибором на величину термоЭДС влияния не оказывает. Необходимо при этом соблюдать условие, чтобы температуры разведенных (свободных) концов t₀ и t^/₀^́ или t₁ и t^/₁^́ были равны.

Спаянный конец термопары, помещаемый в зону контроля, называют горячим или рабочим спаем. Свободные концы электродов термопары, находящиеся вне зоны контролируемой температуры, называются холодными концами термопары.

Зависимость термоЭДС е термопары от температуры горячего спая при температуре t₀ = 0 холодного спая называется статической характеристикой термопары.

Статическая характеристика термопары может быть получена по данным градуировочных таблиц и по таблицам величин термоЭДС.

Таблица 2

Статические характеристики промышленных термопар

Окончание табл. 2

В табл. 3 приведены наиболее распространенные варианты конструктивного исполнения термопар и области их применения.