Определение электродвижущей силы и удельной термо-эдс термопары. Термопара

зируемого раствора на единицу. При производственных измерениях водородные электроды не применяют, так как они неудобны в эксплуатации.

8.1.1. Измерительная ячейка рН-метра

В связи с тем, что электродный потенциал непосредственно измерить нельзя, в потенциометрическом методе применяют гальваническую ячейку, в которой один электрод является измерительным, а другой – электродом сравнения (или вспомогательным), потенциал которого не зависит от концентрации исследуемых ионов раствора. Измерительный электрод помещается в анализируемую

жидкую среду, на нем создается скачок потенциала ЕХ , определяемый концентрацией ионов в этой среде. Потенциал сравнительного электрода должен всегда оставаться постоянным независимо от изменения состава среды.

В качестве измерительных электродов применяются стеклянные, индикаторная часть которых изготовлена из специальных сортов стекла, обладающих водородной функцией. В качестве сравнительного или вспомогательного электрода обычно используются каломельный или хлорсеребряные электроды. Они относятся к электродам так называемого второго рода, которые состоят из металла, его труднорастворимой соли и легкорастворимой соли с тем же анионом, что и у труднорастворимой соли.

Общий вид ячейки со стеклянным измерительным электродом представлен на рис. 1, где 1 – стеклянный индикаторный электрод, 2 – каломельный сравнительный электрод.

ЭДС электродного датчика рН-метра складывается из ряда потенциалов:

E яч= Е к+ Е вн+ Е х+ Е ср+ Е д,

где Е к – разность потенциалов между контактным вспомогательным электродом и раствором, заполняющим стеклянный электрод; E вн – разность потенциалов между раствором и внутренней поверхностью измерительной мембраны; Е х – разность потенциалов между наружной поверхностью стеклянной мембраны и контролируемой средой (функцией pH); Е ср – разность потенциалов на границе ртуть (Hg ) – каломель (Hg 2 Cl 2 ); Е д – диффузионный потенциал на границе контакта двух сред – KCl и контролируемой средой. Хло-

рид калия KCl выполняет роль электролитического ключа, соединяющего анализируемый раствор с электродом.

Рис. 1. Электрическая цепь измерительной ячейки рН-метра

При этом величины Е к , Е вн , Е в постоянны и от состава анализируемой среды не зависят. Диффузионный потенциал Е д очень мал и им можно пренебречь. Таким образом, общая ЭДС определяется трльео активностью ионов водорода: Е яч =Е х + Е .

Таким образом, Е яч =f(pH) , то есть Е яч является линейной функцией pH, что и используется при электрическом измерении величины pH.

Зависимость ЭДС электродной ячейки Е яч от pH определяется электродными свойствами стекла и характеризуется коэффициентом крутизны S характеристики электродной системы S= E/ pH . Изменение температуры анализируемого раствора влияет на ЭДС электродной системы, изменяя крутизну номинальной статической характеристики (НСХ) измерительного электрода. Если выразить эту зависимость графически (рис. 2), то получится пучок пересекающихся прямых. Координаты точки пересечения прямых называются координатами изопотенциальной точки (Е Н ,рН Н ) и являются важнейшими характеристиками электродной системы, которыми руководствуются при расчете схемы температурной компенсации рН-метра. Температурная компенсация изменения ЭДС электродной системы, как правило, осуществляется автоматически (с помощью ТС, включенного в схему промышленного преобразователя рН-метра).

>> R СТ.

Рис. 2. НСХ измерительного электрода

Измерительная ячейка со стеклянным электродом может быть представлена в виде эквивалентной схемы (рис. 3). Сопротивление R яч весьма велико вследствие высокого сопротивления мембраны стеклянного электрода R ст (R яч 500 МОм), Поэтому протекание незначительных токов по внутреннему сопротивлению ячейки вызовет большую погрешность измерения:

UВХ =ЕЯЧ – IЯЧ RЯЧ ; UВХ =ЕЯЧ .

Из последнего равенства видно, что основное требование измерения U ВХ =Е ЯЧ может быть выполнено, если R ВХ >> RЯЧ , т.е.

R ВХ

Рис. 3. Эквивалентная схема измерительной ячейки

8.1.2. Промышленные преобразователи рН-метров ГСП

Комплект автоматического промышленного рН-метра состоит из датчика погружного (типа ДПг-4М) или магистрального (типа ДМ-5М), измерительного высокоомного преобразователя и вторичного прибора ГСП общепромышленного назначения. Задачей измерительного прибора, входящего в комплект рН-метра, является измерение ЭДС электродной системы, которая при неизменных температурных условиях является функцией рН.

Точное измерение ЭДС измерительной ячейки рН-метра, представляющей собой маломощный источник, связано со значительными трудностями. Во – первых, через измерительную ячейку нельзя пропускать ток, плотность которого превышает 10–7 А/см2 , так как может возникнуть явление поляризации электродов, в результате чего электроды выходят из строя. Второе существенное затруднение заключается в том, что при непосредственном измерении ЭДС ячейки рН-метра с потреблением тока, например милливольтметром, создается электрическая цепь, по которой протекает ток, определяющийся суммой внутреннего сопротивления измерительного электрода (около 500…1000 МОм) и сопротивления измерительного прибора. В этом случае необходимо соблюдать ряд условий: измерительный ток должен быть меньше тока поляризации электродов; внутреннее сопротивление прибора должно быть не менее чем в 100 раз выше сопротивления стеклянного электрода, что, однако, вступает в противоречие с требованием высокой чувствительности прибора. В связи с этим преобразователи с непосредственным измерением ЭДС практически не применяются.

Единственным методом, удовлетворяющим всем требованиям измерения ЭДС ячейки рН-метра, является компенсационный (потенциометрический), или нулевой метод измерения, основным преимуществом которого является отсутствие тока в момент отсчета показаний. Однако не следует считать, что при компенсационном методе электрод не нагружается совсем, и поэтому явление поляризации электродов исключено. Здесь протекание тока (в пределах 10-12 А) объясняется тем, что в процессе измерения всегда имеется небаланс, а в момент измерения компенсация достигается только с той точностью, с какой позволяет чувствительность нульиндикатора.

В настоящее время для измерения ЭДС электродной системы со стеклянным электродом применяют только электронные нуль - индикаторы (измерительные преобразователи) со статической компенсацией. Упрощенная блок-схема, поясняющая принцип действия такого преобразователя, приведена на рис. 4. Преобразователь представляет собой усилитель постоянного тока, охваченный глубокой отрицательной связью ОС по выходному току, чем и обеспечивается большое входное сопротивление. Усилитель построен по схеме преобразования постоянного напряжения в переменное с последующей демодуляцией.

Рис. 4. Структурная схема метода измерения ЭДС ячейки рНметра

Измеряемая ЭДС Е ИЯ сравнивается с напряжением U ВЫХ , образуемым от протекания выходного тока усилителя I ВЫХ по резистору R ОС . На вход усилителя поступает разность этих напряжений U ВХ =Е ИЯ -U ВЫХ . Если коэффициент усиления к = U ВЫХ /U ВХ , то Е ИЯ = U ВЫХ / (1+1/к). При достаточно большом значении к (к 500) Е ИЯ U ВЫХ I ВЫХ R ОС , т.е. сила выходного тока практически пропорциональна входному сигналу от измерительной ячейки рН – метра.

Применение статической компенсации позволяет во много раз уменьшить силу тока, потребляемого от измерительной ячейки в процессе измерения.

Данный принцип реализован практически во всех промышленных преобразователях рН – метров: рН-201, П201, П202, П205 (полупроводниковая элементная база) и в П215 (с использованием стандартных микросхем).

8.1.3. Описание преобразователя П – 201

Промышленные преобразователи типа П201 предназначены для измерения активности ионов водорода (величины рН) растворов и пульп в системах автоматического контроля и регулирования технологических процессов.

Преобразователи рассчитаны для работы в комплекте с любыми серийно выпускаемыми чувствительными элементами рН, как например, ДПг-4М; ДМ-5М и др.

Преобразователь имеет выходы по напряжению и току для подключения вторичных приборов с соответствующими входными

сигналами.
	Основные технические характеристики:
	пределы измерения	от –1 до 14 рН
	предел допускаемой основной приведенной
погрешности:
	а) по выходным сигналам постоянного тока и
	напряжению постоянного тока
	б) по показывающему прибору
	сопротивление измерительного стеклянного
электрода
	сопротивление вспомогательного электрода
	время установления показаний	не более 10 с
	выходной ток	не более 10 с
	выходной ток
	выходное напряжение
	выходное напряжение	от 0 до 10 100мВ

Преобразователь предназначен для монтажа в непосредственной близости от промышленных агрегатов. Преобразователь может состоять из показывающего узкопрофильного прибора и собственно преобразователя, устанавливаемых на одной общей панели или раздельно, или только одного преобразователя. Внешний вид прибора показан на рис. 5.

Кожух 1 выполнен из листовой стали, крышка 2 литая, из алюминиевого сплава. На лицевой стороне крышки имеются надпись с индексом прибора, колпачок 3 и резьбовая заглушка 4.

Рис. 5. Внешний вид преобразователя П201

Внутри кожуха устанавливается каркас, служащий основанием для установки всех блоков и элементов прибора. На переднюю панель преобразователя, расположенную под крышкой, выведены оси переменных резисторов, предназначенных для изменения пределов измерения преобразователей. Колодка с зажимами для внешних электрических соединений расположена в закрытом отсеке, доступ к ней предусмотрен со стороны задней стенки корпуса. Провода вводятся в отсек через четыре сальника в нижней стенке прибора (рис. 6).

Рис. 6. Схема внешних электрических соединений преобразователя П-201: ТРМ – измеритель-регулятор универсальный; ТКР – блок резисторов температурной компенсации

8.1.4. Поверка и градуировка автоматического рН-метра

Текущая поверка автоматического рН-метра заключается в сравнении его показаний с показаниями контрольного прибора. При значительном расхождении показания поверяемого прибора корректируются с помощью компенсатора или путем изменения градуировки преобразователя с помощью ручек настройки. Кроме

того, необходимо периодически проводить более детальную проверку датчика и преобразователя.

Проверка датчика включает в себя следующие операции:

1) тщательный наружный осмотр, в особенности тех его частей, которые соприкасаются с измеряемой средой;

2) проверка электрических цепей, в особенности сопротивления изоляции цепей стеклянного и сравнительного электродов от-

носительно корпуса, которое должно быть не менее 1012 Ом и 2108 Ом соответственно;

3) проверка характеристики электродной системы по буферным растворам с известной величиной рН с помощью контрольного лабораторного рН-метра.

Поверка преобразователя включает в себя:

1) определение основной погрешности измерений преобразователя и корректировку его градуировки;

2) определение дополнительных погрешностей измерений преобразователя от изменения сопротивления стеклянного электрода R СТ , изменения сопротивления сравнительного электрода RСР

и изменение потенциала контролируемого раствора Е Х .

Для градуировки шкалы рН-метров необходимо иметь имитатор электродной системы И-01 или И-02.

Имитатор электродной системы позволяет проверять работоспособность датчика рН – метров; влияние изменения сопротивления электродов и напряжения между раствором и корпусом агрегата на показания прибора; помехозащищенность рН-метров.

С помощью имитатора можно воспроизвести следующие параметры электродной системы:

а) напряжение, эквивалентное ЭДС электродной системы, в пределах от 0 до 1000 мВ;

б) сопротивление, эквивалентное сопротивлению стеклянного электрода: 0; 500 и 1000 МОм;

в) сопротивление, эквивалентное сопротивлению вспомогательного электрода: 10 и 20 кОм;

г) напряжение, эквивалентное ЭДС “земля – раствор”: 0 и

Имитатор является электрическим эквивалентом электродной системы (рис. 7) и конструктивно оформлен в виде переносного устройства, размещенного в стальном корпусе со съемной крышкой.

E З Rв

Рис. 7. Эквивалентная схема имитатора электродной системы: R И – сопротивление измерительного стеклянного электрода; R В – сопротивление вспомогательного электрода; E – суммарная ЭДС электродной системы: E З – ЭДС “земля - раствор”.

На лицевой панели имитатора имеются клеммы для подключения его к поверяемому рН-метру с помощью кабеля, который имеется в комплекте. Там же размещены ручки установки требуемой величины выходного напряжения, сопротивления электродов, потенциала контролируемого раствора и т.д.

8.2. ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИБОРЫ

1. Промышленный преобразователь П-201.

2. Имитатор электродной системы И-02.

3. Измеритель-регулятор универсальный многоканальный ТРМ 138.

8.3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Собрать установку для поверки преобразователя П-201 с помощью имитатора И-02 в соответствии со схемой рис. 8, соединив выход имитатора со входом “Изм” и “Всп” преобразователя посредством коаксиального кабеля.

2. Подготовить к работе имитатор. Для этого нажать на переключателях имитатора: “R И ” – кнопку 500; “EЗР ”,”RВ ” – кнопки

“00” для EЗР и ”010” для RВ ; “ПИТАНИЕ” – кнопка “EВНУТР ” и “Вкл”.

3. Подать напряжение питания на стенд.

Рис. 8. Схема поверки: 1 – имитатор электродной системы И-02; 2 – электродная система; 3 – высокоомный преобразователь П-201; 4 – измеритель-регулятор многоканальный ТРМ 138

4. Стрелками ^ v на ТРМ 138 выбрать канал № 5, по которому осуществляется отсчет ЭДС.

5. Произвести поверку преобразователя.

Для этого:

5.1. Набрать на кнопках переключателя “E, mV” имитатора значение ЭДС, соответствующее величине рН оцифрованной отметки шкалы. Переключатель “EX , mV” устанавливается в положении “+” или “-“ в зависимости от знака ЭДС в градуировочной таблице.

5.2. Произвести отсчет показаний по имитатору И-02. Определить основную погрешность измерений при RВ =10

кОм; EЗ =0. Основная погрешность проверяется на всех оцифрованных отметках шкалы при прямом и обратном ходе и рассчитывается по формуле = [(E –E 0 )/(E K –E Н )]100%, где E 0 – табличное (действительное значение ЭДС электродной системы, соответствующее данной оцифрованной отметке шкалы, мВ; E – фактическое значение ЭДС, мВ; Е К , Е Н – значения ЭДС, соответствующие конечной и начальной отметкам шкалы.

6. Результаты поверки представить в отчете.

9.1. Цель работы

Определение зависимости термоэлектродвижущей силы термопары от разности температур спаев.

В замкнутой цепи (рис. 9.1), состоящей из разнородных проводников (или полупроводников) А и В, возникает электродвижущая сила (э.д.с.) Е T и течет ток, если контакты 1 и 2 этих проводников поддерживаются при различных температурах T 1 и T 2 . Эта э.д.с. называется термоэлектродвижущей силой (термо-э.д.с), а электрическая цепь из двух разнородных проводников называется термопарой. При изменении знака разности температур спаев изменяется направление тока термопары. Это
явление называется явлением Зеебека .

Известны три причины возникновения термо-ЭДС: образование направленного потока носителей зарядов в проводнике при наличии градиента температур, увлечение электронов фононами и изменение положения уровня Ферми в зависимости от температуры. Рассмотрим эти причины подробнее.

При наличии градиента температуры dT / dl вдоль проводника электроны на горячем его конце обладают большей кинетической энергией, а значит и большей скоростью хаотического движения по сравнению с электронами холодного конца. В результате возникает преимущественный поток электронов от горячего конца проводника к холодному, на холодном конце накапливается отрицательный, а на горячем остается некомпенсированный положительный заряд.

Накопление продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет равный поток электронов. Алгебраическая сумма таких разностей потенциалов в цепи создает объемную составляющую термо-э.д.с.

Помимо этого, имеющийся градиент температуры в проводнике приводит к возникновению преимущественного движения (дрейфа) фононов (квантов колебательной энергии кристаллической решетки проводника) от горячего конца к холодному. Существование такого дрейфа приводит к тому, что электроны, рассеиваемые на фононах, сами начинают совершать направленное движение от горячего конца к холодному. Накопление электронов на холодном конце проводника и обеднение электронами горячего конца приводит к возникновению фононной составляющей термо-э.д.с. Причем при низких температурах вклад этой составляющей является основным в возникновении термо-э.д.с.

В результате обоих процессов внутри проводника возникает электрическое поле, направленное навстречу градиенту температуры. Напряженность этого поля можно представить в виде

E = -dφ / dl = (-dφ / dT)· (-dt / dl)=-β·(-dT / dl)

где β = dφ / dT.

Соотношение (9.1) связывает напряженность электрического поля E с градиентом температуры dT / dl. Возникающее поле и градиент температуры имеют противоположные направления, поэтому они имеют разные знаки.

Определяемое выражением (9.1) поле является полем сторонних сил. Проинтегрировав напряженность этого поля по участку цепи АВ (рис 9.1) от спая 2 до спая 1 и предполагая, что T 2 > T 1 , получим выражение для термо-э.д.с, действующей на этом участке:

(Знак изменился при изменении пределов интегрирования.) Аналогично определим термо-э.д.с., действующую на участке В от спая 1 до спая 2.

Третья причина возникновения термо-э.д.с. заключается в зависимости от температуры положения уровня Ферми, который соответствует наивысшему энергетическому уровню, занятому электронами. Уровню Ферми соответствует энергия Ферми E F , которую могут иметь электроны на этом уровне.

Энергия Ферми - максимальная энергия, которую могут иметь электроны проводимости в металле при 0 К. Уровень Ферми будет тем выше, чем больше плотность электронного газа. Например (рис.9.2), E FA - энергия Ферми для металла A, а E FB - для металла В. Значения E PA и E PB - это наибольшая потенциальная энергия электронов в металлах А и В соответственно . При контакте двух разнородных металлов А и В наличие разности уровней Ферми (E FA > E FB) приводит к возникновению перехода электронов из металла А (с более высоким уровнем) в металл В (с низким уровнем Ферми).

При этом металл А заряжается положительно, а металл В отрицательно. Появление этих зарядов вызывает смещение энергетических уровней металлов, в том числе уровней Ферми. Как только уровни Ферми выравниваются, причина, вызывающая преимущественный переход электронов из металла А в металл В, исчезает, и между металлами устанавливается динамическое равновесие. Из рис. 9.2 видно, что потенциальная энергия электрона в металле А меньше, чем в В на величину E FA - E FB . Соответственно потенциал внутри металла А выше, чем внутри В, на величину)

U AB = (E FA - E FB) / l

Это выражение дает внутреннюю контактную разность потенциалов. На такую величину убывает потенциал при переходе из металла А в металл В. Если оба спая термопары (см. рис. 9.1) находятся при одной и той же температуре, то контактные разности потенциалов равны и направлены в противоположные стороны.

В этом случае они компенсируют друг друга. Известно что уровень Ферми хоть и слабо, но зависит от температуры. Поэтому, если температура спаев 1 и 2 различна, то разность U AB (T 1) - U AB (T 2) на контактах дает свой контактный вклад в термо-э.д.с. Он может быть сравним с объемной термо-э.д.с. и равен:

E конт = U AB (T 1) - U AB (T 2) = (1/l) · { + }

Последнее выражение можно представить следующим образом:

Результирующая термо-э.д.с. (ε T) слагается из э.д.с, действующих в контактах 1 и 2 и э.д.с, действующих на участках А и В.

E T = E 2A1 + E 1B2 + E конт

Подставив в (9.7) выражения, (9.3) и (9.6) и проводя преобразования, получим

где α = β - ((1/l) ·(dE F / dT))

Величина α называется коэффициентом термо-э.д.с. Так как и β и dE F / d T зависят от температуры, то коэффициент α тоже является функцией Т.

Приняв во внимание (9.9), выражение для термо-ЭДС можно представить в виде:

Величину α AB называют дифференциальной или удельной термо-ЭДС данной пары металлов. Измеряется она в В/К и существенно зависит от природы контактирующих материалов, а также интервала температур, достигая порядка 10 -5 ÷10 -4 В/К. В небольшом интервале температур (0-100°С) удельная термо-э.д.с. слабо зависит от температуры. Тогда формулу (9.11) можно с достаточной степенью точности представить в виде:

E T = α · (T 2 - T 1)

В полупроводниках, в отличие от металлов, существует сильная зависимость концентрации носителей зарядов и их подвижности от температуры. Поэтому рассмотренные выше эффекты, приводящие к образованию термо-э.д.с, выражены в полупроводниках сильнее, удельная термо-э.д.с. значительно больше и достигает значений порядка 10 -3 В/К.

9.3. Описание лабораторной установки

Для изучения зависимости термо-э.д.с. от разности температур спаев (контактов) в настоящей работе используется термопара, изготовленная из двух отрезков проволоки, один из которых является сплавом на основе хрома (хромель), а другой сплавом на основе алюминия (алюмель). Один спай вместе с термометром помещен в сосуд с водой, температура T 2 которой может изменяться путем нагрева на электроплитке. Температура другого спая T 1 поддерживается постоянной (рис.9.3). Возникающая термо-э.д.с. измеряется цифровым вольтметром.

9.4. Методика проведения эксперимента и обработка результатов
9.4.1. Методика эксперимента

В работе используются прямые измерения возникающей в термопаре э.д.с. Температура спаев определяется по температуре воды в сосудах с помощью термометра (см. рис. 9.3)

9.4.2. Порядок выполнения работы

Включите сетевой шнур вольтметра в сеть.
Нажмите кнопку сеть на передней панели цифрового вольтметра. Дайте про греться прибору в течении 20 минут.
Отпустите винт зажима на стойке термопары, поднимите ее вверх и закрепите. Налейте в оба стакана холодную воду. Отпустите спаи термопары в стаканы приблизительно на половину глубины воды.
Запишите в табл. 9.1 значение начальной температуры T 1 спаев (воды) по термометру (для другого спая она остается постоянной в течение всего эксперимента).
Включите электроплитку.
Записывайте значения э.д.с. и температуры T 2 в табл. 9.1 через каждые десять градусов.
При закипании воды выключите электроплитку и вольтметр.

9.4.3. Обработка результатов измерений

По данным измерений постройте график зависимости э.д.с. термопары 8Т (ось ординат) от разности температур спаев ΔT = T 2 - T 1 (ось абсцисс).
Пользуясь полученным графиком линейной зависимости Е T от ∆T, определите удельную термо-э.д.с. по формуле: α = ΔE T / Δ(ΔT)

9.5. Перечень контрольных вопросов

В чем состоит сущность и какова природа явления Зеебека?
Чем обусловлено возникновение объемной составляющей термо-э.д.с?
Чем обусловлено возникновение фононной составляющей термо-э.д.с?
Чем обусловлено возникновение контактной разности потенциалов?
Какие устройства называются термопарами и где они применяются?
В чем состоит сущность и какова природа явлений Пельтье и Томсона?

Савельев И. В. Курс общей физики. Т.3. - М.: Наука, 1982. -304 c.
Епифанов Г. И. Физика твердого тела. М.: Высшая школа, 1977. - 288 с.
Сивухин Д. В. Общий курс физики. Электричество. Т.3. - М.: Наука, 1983. -688 c.
Трофимова Т. И. Курс физики. М. : Высшая школа, 1985. - 432 с.
Детлаф А. А., Яворский В. М. Курс физики. М. : Высшая школа, 1989. - 608 с.

Термоэлектрические преобразователи. Принцип действия, применяемые материалы.

Тепловым называется преобразователь, принцип действия которого основан на тепловых процессах и естественной входной величиной которого является температура. К таким преобразователям относятся термопары и терморезисторы, металлические и полупроводниковые. Основным уравнением теплового преобразования является уравнение теплового баланса, физический смысл которого заключается в том, что все тепло, поступающее к преобразователю, идет на повышение его теплосодержания QТС и, следовательно, если теплосодержание преобразователя остается неизменным (не меняется температура и агрегатное состояние), то количество поступающего в единицу времени тепла равно количеству отдаваемого тепла. Тепло, поступающее к преобразователю, является суммой количества тепла Qэл, создаваемого в результате выделения в нем электрической мощности, и количества тепла Qто, поступающего в преобразователь или отдаваемого им в результате теплообмена с окружающей средой.

Явление термоэлектричества было открыто в 1823 г. Зеебеком и заключается в следующем. Если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) А и В, соединив их между собой концами (рис. 1.), причем температуру 1 одного места соединения сделать отличной от температуры о другого, то в цепи появится э.д.с., называемая термоэлектродвижущей силой (термо-э.д.с.) и представляющая собой разность функций температур, мест соединения проводников.

Подобная цепь называется термоэлектрическим преобразователем или иначе термопарой ; проводники, составляющие термопару, - термоэлектродами, а места их соединения - спаями.

Рис.1.

При небольшом перепаде температур между спаями термо-э.д.с. можно считать пропорциональной разности температур.

Опыт показывает, что у любой пары однородных проводников подчиняющихся закону Ома, величина термо-э.д.с. зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температур между спаями.

Действие термопары основано на эффекте Зеебека. Эффект Зеебека основывается на следующих явлениях. Если вдоль проводника существует градиент температур, электроны на горячем конце добывают высшие энергии и скорости, чем на холодном. В итоге возникает поток электронов от горячего конца к холодному, и на холодном конце накапливается негативный заряд, а на горячем остается некомпенсированный позитивный заряд. Поскольку средняя энергия электронов зависит от природы проводника и по-разному растет с температурой, при той же разнице температур термо-ЭДС на концах разных проводников будут отличаться:

E1 = k1(T1 - T2); e2 = k2(T1 - T2)

Где Т1 и Т2 - температуры горячего и холодного концов соответственно; k1 и k2 –коэффициенты, что зависят от физических свойств соответственно 1-го и 2-го проводников. Результирующая разница потенциалов называется объемной термо-ЕРС:

Eоб = e1 - e2 = (k1 - k2)(T1 - T2).

В местах спайки разнородных проводников появляется контактная разница потенциалов, которая зависит от площади и материалов прилегающих поверхностей и пропорциональная их температуре:

Ek1 = kповT1; ek2 = kповT2

Где kпов - коэффициент поверхностей касательных металлов. В итоге появляется вторая составляющая исходного напряжения - контактная термо-ЕРС:

Ek = ek1 - ek2 = kпов(T1 - T2)

Напряжение на выходе термопары определяется как сумма объемной и контактной термо-ЭДС:

Uвих = eоб + ek = (k1 - k2 + kпов)(T1 - T2) = к(T1 - T2)

Где к - коэффициент передачи.

Недостатки термопары:

Малая чувствительность (порядку 0,1 мВ/°К);
- высокое исходное сопротивление;
- необходимость поддержки постоянной температуры одного из концов.

Явление термоэлектричества принадлежит к числу обратимых явлений, обратный эффект был открыт в 1834 г. Жаном Пельтье и назван его именем.
Если через цепь, состоящую из двух различных проводников или полупроводников, пропустить электрический ток, то тепло выделяется в одном спае и поглощается в другом. Теплота Пельтье связана с силой тока линейной зависимостью в отличие от теплоты Джоуля, и в зависимости от направления тока происходит нагревание или охлаждение спая.
Поглощаемая или выделяемая тепловая мощность пропорциональна силе тока, зависит от природы материалов, образующих спай, характеризуется коэффициентом Пельтье.

К.п.д. термоэлектрического генератора зависит от разности температур и свойств материалов и для существующих материалов очень мал (при = 300° не превышает = 13%, а при = 100° значение = 5%), поэтому термоэлектрические генераторы используются как генераторы энергии лишь в специальных условиях. К.п.д. термоэлектрического подогревателя и холодильника также очень малы, и для охлаждения к.п.д. при температурном перепаде 5° составляет 9%, а при перепаде 40° - только 0,6%; однако, несмотря на столь низкие к.п.д., термоэлементы используются в холодильных устройствах. В измерительной технике термопары получили широкое распространение для измерения температур; кроме того, полупроводниковые термоэлементы используются как обратные тепловые преобразователи, преобразующие электрический ток в тепловой поток и температуру.

Термопара с подключенным к ней милливольтметром, применяемая для измерения температуры.
Если один спай термопары, называемый рабочим, поместить в среду с температурой 1, подлежащей измерению, а температуру 2, других, нерабочих, спаев поддерживать постоянной, то f(0) = const и EAB(1) = f(1) – C= f1(1). независимо от того, каким образом произведено соединение термоэлектродов (спайкой, сваркой и т. д.). Таким образом, естественной входной величиной термопары является температура ее рабочего спая, а выходной величиной - термо-э. д. с., которую термопара развивает при строго постоянной температуре 2 нерабочего спая.

Материалы, применяемые для термопар. В табл. 1 приведены термо-э.д.с., которые развиваются различными термоэлектродами в паре с платиной при температуре рабочего спая 1 = 100°С и температуре нерабочих спаев 2 = 0° С. Зависимость термо-э.д.с. от температуры в широком диапазоне температур обычно нелинейна, поэтому данные таблицы нельзя распространить на более высокие температуры.

Таблица 1.

Материал	Термо-эдс, мВ	Материал	Термо-эдс, мВ



		Алюминий


Молибден
		Палладий
Вольфрам
Манганин

		Константан


		Молибден

При пользовании данными таблицы следует иметь в виду, что развиваемые термоэлектродами термо-э.д.с. в значительной степени зависят от малейших примесей, механической обработки (наклеп) и термической обработки (закалка, отжиг).

При конструировании термопар, естественно, стремятся сочетать термо-электроды, один из которых развивает с платиной положительную, а другой - отрицательную термо-э.д.с. При этом необходимо учитывать также пригодность того или иного термоэлектрода для применения в заданных условиях измерения (влияние на термоэлектрод среды, температуры и т. д.).
Для повышения выходной э.д.с. используется несколько термопар, образующих термобатарею. Рабочие спаи термопар расположены на черненом лепестке, поглощающем излучение, холодные концы - на массивном медном кольце, служащем теплоотводом и прикрытым экраном. Благодаря массивности и хорошей теплоотдаче кольца температуру свободных концов можно считать постоянной и равной комнатной.

Погрешности и поправки измерений термопарой.

Измерительный прибор или электронную измерительную систему подключают либо к концам термоэлектродов (рис. 2,а), либо в разрыв одного из них (рис. 2,б).

Рис.2 Подключение измерительного прибора к термопаре

Погрешность, обусловленная изменением температуры нерабочих спаев термопары. Градуировка термопар осуществляется при температуре нерабочих спаев, равной нулю. Если при практическом использовании термоэлектрического пирометра температура нерабочих спаев будет отличаться от 0° С на величину 0, то необходимо ввести соответствующую поправку в показания термометра.

Однако следует иметь в виду, что из-за нелинейной зависимости между э.д.с. термопары и температурой рабочего спая величина поправки к показаниям указателя, градуированного непосредственно в градусах, не будет равна разности температур 0 свободных концов.
Величина поправки связана с разностью температур свободных концов через коэффициент k называемый поправочным коэффициентом на температуру нерабочих концов. Величина k различна для каждого участка кривой, поэтому градировочную кривую разделяют на участки по 100° С и для каждого участка определяют значение k.

Недостатком подобных устройств является необходимость в источнике тока для питания моста и появление дополнительной погрешности, обусловленной изменением напряжения этого источника.

Погрешность, обусловленная изменением температуры линии, термопары и указателя. В термоэлектрических термометрах для измерения термо-э.д.с. применяют как обычные милливольтметры, так и низкоомные компенсаторы с ручным или автоматическим уравновешиванием на предел измерения до 100 мВ.

В тех случаях, когда термо-э.д.с. измеряется компенсатором, сопротивление цепи термо-э.д.с., как известно, роли не играет. В тех же случаях, когда термо-э.д.с. измеряется милливольтметром, может возникнуть погрешность, обусловленная изменением сопротивлений всех элементов, составляющих цепь термо-э.д.с.; поэтому необходимо стремиться к постоянному значению сопротивления проводов и самой термопары

Промышленные термопары

Основные параметры термопар промышленного типа:

Таблица 2

Обозначение термопары	Обозначение термоэлектродов	Материалы	Пределы измерения при длительном применении	Верхний предел измерений при кратковременном применении
		Платинородий (10% родия) платина	От -20 до 1300
		Платинородий (30% родия)
		Хромель-алюмель
		Хромель-копель

Для измерения температур ниже - 50° С могут найти применение специальные термопары, например медь - константан (до ~- 270° С), медь - копель (до - 200° С) и т. д. Для измерения температур выше 1300-1800° С изготавливаются термопары на основе тугоплавких металлов: иридий-ренийиридий (до 2100° С), вольфрам-рений (до 2500° С), на основе карбидов переходных металлов - титана, циркония, ниобия, талия, гафния
(теоретически до 3000-3500° С), на основе углеродистых и графитовых волокон.
Градуировочные характеристики термопар основных типов приведены в табл. 3. В этой таблице указана температура рабочего спая в градусах
Цельсия и приведены величины термо-э.д.с. соответствующих термопар в милливольтах при температуре свободных концов 0° С.

Таблица 3

Обозначение градуировки	Температура рабочего спая
	12.2, 16.40, 20.65, 24.91, 33.32, 41.26, 48.87
	2.31, 3.249, 4.128, 5.220, 7.325, 9.564, 11.92, 14.33, 16.71
	4.913, 6.902, 9.109, 11.47, 13.92

Допускаются отклонения реальных термо-э.д.с. от значений, приведенных в табл. 3, на величины, указанные в табл. 4.

Таблица 4

Конструкция термопары промышленного типа . Это термопара с термоэлектродами из неблагородных металлов, расположенными в составной защитной трубе с подвижным фланцем для ее крепления. Рабочий спай термопары изолирован наконечником. Термоэлектроды изолированы брусами. Защитная труба состоит из рабочего и нерабочего участков. Передвижной фланец крепится к трубе винтом. Головка термопары имеет литой корпус с крышкой, закрепленной винтами; В головке укреплены фарфоровые колодки (винтами) плавающими (незакрепленными) зажимами, которые позволяют термоэлектродам удлиняться под воздействием температуры без возникновения механических напряжений, ведущих к быстрому разрушению термоэлектродов. Термоэлектроды крепятся к этим зажимам винтами, а соединительные провода - винтами. Эти провода проходят через штуцер с асбестовым уплотнением.

Для термопар из благородных металлов часто применяют неметаллические трубы (кварцевые, фарфоровые и т. д.), однако такие трубы механически непрочны и дороги. Фарфоровые трубы надлежащего состава можно использовать при температурах до 1300- 1400°С.
В качестве изоляции термоэлектродов друг от друга применяют асбест до 300° С, кварцевые трубки или бусы до 1000° С, фарфоровые трубы 1300 С. Для лабораторных термопар, используемых при измерении низких температур, применяют также теплостойкую резину до 150° С, шелк до 100-120°С, эмаль до 150-200 °С.

Методы контактных электроизмерений средних и высоких температур с помощью термопар

Средними в термометрии считаются температуры от 500 (начало свечения) до 1600 °С (белое каление), а высокими- от 1600 до 2500°С, до которых удается распространить термоэлектрический метод с использованием высокотемпературных, жаростойких материалов.
Принцип термоэлектрического метода и основные свойства термоэлектродов были рассмотрены выше в п. 1. Основным вопросом при использовании этого метода для измерения средних и высоких температур является защита термоэлектродов от разрушающего химического и термического воздействия среды. Для этого термопары снабжаются защитной арматурой в виде чехлов, трубок или колпачков из огнеупорных материалов. Главное требование к защитной оболочке - высокая плотность строения и температурная стойкость.

При измерении температур ниже 1300 °С используются фарфоровые чехлы, при более высоких температурах - колпачки из тугоплавких материалов (такие, как корунд, окиси алюминия, бериллия или тория), заполненные инертным газом.

Зависимость срока службы термопар от пористости защитной оболочки.

При измерении температуры поверхности тел особенную трудность составляет контакт рабочего спая термопары с поверхностью нагретого тела.
Для улучшения контакта используются термопары, рабочий спай которых выполнен в виде ленты или пластины. Такая конфигурация рабочего спая при деформации позволяет воспроизводить поверхность объекта измерения.

Для измерения температур до 2000-2500 °С используются вольфрамовые или иридиевые термопары. Особенностью их применения является измерение в вакууме, в инертной или восстановительной средах, так как на воздухе они окисляются. Чувствительность вольфрамомолибденовой термопары составляет 7 мкВ/К, а вольфрамо-рениевой 13 мкВ/К.
В условиях высоких температур применяются термопары из огнеупорных материалов (пары карбид титана - графит, карбид циркония - борид циркония и дисилицид молибдена - дисилицид вольфрама). В таких термопарах внутри цилиндрического электрода (диаметр около 15 мм) имеется второй электрод-стержень, соединенный с первым электродом на одном конце трубки.

Чувствительность термопар из огнеупорных материалов достигает 70 мкВ/К, однако их применение ограничено инертными и восстановительными средами.
Для измерения температуры расплавленного металла термопарами из благородных металлов используется метод, заключающийся в погружении термопары в металл на время, безопасное для ее работоспособности. При этом термопара на короткое время (0,4-0,6 с) погружается в контролируемую среду, и измеряется скорость нарастания температуры рабочего спая. Зная зависимость между скоростью нагрева термопары (ее тепловую инерционность) и температурной среды, можно рассчитать значение измеряемой температуры. Этот метод применяется для измерения расплавленного металла (2000-2500 С) и газового потока (1800 С).

Термопара (термоэлектрический преобразователь) - устройство, применяемое для измерения температуры в промышленности, научных исследованиях, медицине, в системах автоматики.

Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Между соединёнными проводниками имеется контактная разность потенциалов; если стыки связанных в кольцо проводников находятся при одинаковой температуре, сумма таких разностей потенциалов равна нулю. Когда же стыки находятся при разных температурах, разность потенциалов между ними зависит от разности температур. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными от нуля коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой Т 1 , мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т 2 , которое будет пропорционально разности температур Т 1 и Т 2 .

Преимущества термопар

Высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01 °С).
Большой температурный диапазон измерения: от −250 °C до +2500 °C.
Простота.
Дешевизна.
Надёжность

Для получения высокой точности измерения температуры (до ±0,01 °С) требуется индивидуальная градуировка термопары.
На показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового датчика и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.
Эффект Пельтье (в момент снятия показаний необходимо исключить протекание тока через термопару, так как ток, протекающий через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный).
Зависимость ТЭДС от температуры существенно нелинейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.
Возникновение термоэлектрической неоднородности в результате резких перепадов температур, механических напряжений, коррозии и химических процессов в проводниках приводит к изменению градуировочной характеристики и погрешностям до 5 К.
На большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.

Технические требования к термопарам определяются ГОСТ 6616-94. Стандартные таблицы для термоэлектрических термометров (НСХ), классы допуска и диапазоны измерений приведены в стандарте МЭК 60584-1,2 и в ГОСТ Р 8.585-2001.

платинородий-платиновые - ТПП13 - Тип R
платинородий-платиновые - ТПП10 - Тип S
платинородий-платинородиевые - ТПР - Тип B
железо-константановые (железо-медьникелевые) ТЖК - Тип J
медь-константановые (медь-медьникелевые) ТМКн - Тип Т
нихросил-нисиловые (никельхромникель-никелькремниевые) ТНН - Тип N.
хромель-алюмелевые - ТХА - Тип K
хромель-константановые ТХКн - Тип E
хромель-копелевые - ТХК - Тип L
медь-копелевые - ТМК - Тип М
сильх-силиновые - ТСС - Тип I
вольфрам и рений - вольфрамрениевые - ТВР - Тип А-1, А-2, А-3

Для использования онлайн калькулятора в поле «Термо-ЭДС (мВ)» необходимо ввести значение термо-ЭДС термопары, так же следует учитывать, что температура будет отображаться без учета температуры окружающей среды. Для удобства пользования онлайн калькулятором в поле «Температура окруж. среды» необходимо ввести температуру окружающей среды в °С и все показания будут с утечем температуры окружающей среды.

Онлайн калькулятор перевода термо-ЭДС в температуру (°С) для термопары типа хромель-алюмель — ТХА — Тип K.

Онлайн калькулятор

типа хромель-алюмель — ТХА — Тип K.

Онлайн калькулятор перевода термо-ЭДС в температуру (°С) для термопары типа

хромель-копель — ТХK — Тип L.