Принцип действия. Основные свойства термоэлектрической цепи

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Явление термоэлектричества было открыто в 1756 г. русским академиком Ф. У. Эпинусом. Сущность этого эффекта состоит в том, что если два разнородных по материалу проводника A и B (или полупроводника) соединить концами (рис. 11. 1, а) и поме

стить их в среды с разными температурами θ₁ и θ₂, то в контуре этих проводников возникает термоэлектродвижущая сила (термо-э. д. с). Эта термо-э. д. с. в определенном интервале температуры будет пропорциональна разности температур двух концов электри­ческой цепи и зависит от материала проводников. Цепь, составлен­ная из двух разнородных металлов, называется термопарой, а воз­никающая при нагреве спая электродвижущая сила называется термо-э. д. с. Проводники А и В (рис. 11. 1, а), составляющие термопару, называют термоэлект­ро­дами, а места их стыка — спаями. Спай, температура которого должна поддерживаться постоянной, называют холодным или свободным концом, а спай, непосредствен­но соприкасающийся с измеряемой средой, — горячим.

С точки зрения теории электронного строения металлов физиче­ская сущность возникновения термо-э. д. с. объясняется следующим образом. В разных металлах свободные электроны обладают раз­личными энергией и скоростью движения (при θ = 273 К). При со­единении двух разнородных металлов (электродов) свободные электроны из одного металла проникают в другой, при этом ме­талл с большей активностью свободных электронов приобретает положительный потенциал (благодаря потери некоторой части электронов), а металл с меньшей активностью свободных электро­нов получает отрицательный потенциал.

Таким образом, один металл заряжается положительно, а дру­гой отрицательно. Возникает контактная разность потенциалов, ко­торая будет тем больше, чем выше температура термоэлектродов. Если спаять между собой дна разнородных проводника (термоэлек­трода) обоими концами (рис. 11. 1, б), то в образованном замкну­том контуре при одинаковой температуре θ₂ обоих спаев сумма э. д. с. равна нулю и ток в цепи не возникает. Объясняется это тем, что в обоих спаях возникает одинаковая по величине, но об­ратная по знаку контактная разность потенциалов.

Если нагреть один из спаев (рабочий) до температуры θ₁, το кон­тактная разность потенциалов в нагретом спае увеличится, а в не­нагретом (холодном) спае температура θ₂ останется без изменений.. В результате в контуре возникнет термо-э. д. с, величина которой зависит от разности температур нагрева спаев. Таким образом, по· величине термо-э. д. с. можно судить о разности температур θ₁ — θ₂, при этом если известна температура холодного спая θ₂ (поддержи­вая ее постоянной), то можно определить температуру горячего* спая θ₁.

Термопары являются датчиками температуры генераторного ти­па (преобразующими тепловую энергию в э. д. с) и получили широ­кое применение в схемах автоматического контроля и регулирова­ния в диапазоне температур от 373 до 2000 К, в частности они ис­пользуются в теплоэнергетике и металлургии для измерения темпе­ратуры выходящих газов, для контроля режима работы реактивных двигателей. В авиационной технике термопары применяют для из­мерения температуры головок цилиндров 273—623 К, для измере­ния температуры выходящих газов 573—1273 К и др.

Термопары по сравнению с другими датчиками, применяемыми для измерения температур, обладают следующими достоинствами: 1) простотой устройства; 2) небольшими габаритами; 3) возмож­ностью измерения больших температур.

Для измерения термо-э. д. с, развиваемой термопарой, в цепь термопары включают измерительный прибор (милливольтметр или потенциометр) либо свободными концами (рис. 11. 1, б), либо в раз­рыв термопары (рис. 11. 1, в). Как следует из рисунков, в случае (б) у термопары будет два спая: один горячий 1 и два холодных 2' и 3, которые должны иметь постоянную температуру θ₂, а в случае (в) у термопары — четыре спая: один горячий 1, один холод­ный 2 и два нейтральных 3 и 4. Спаи 3 и 4 должны иметь одинако­вую температуру θ₃. Несмотря на внешнее отличие схем (б) и (в) от схемы (а), термо-э. д. с, развиваемая термопарами, в обоих слу­чаях будет одинаковой, если одинаковыми будут температуры го­рячих и холодных спаев. Это объясняется тем, что термо-э. д. с. термопары не изменяется от введения в ее цепь третьего провод­ника, если температуры концов этого проводника одинаковы (на основании закона последовательных контактов).

Из сказанного следует, что способ изготовления спая (сваркой, спайкой и т. п.) на величину термо-э. д. с. не влияет, если только размеры спая таковы, что температура его во всех точках одинако­ва. В случае нарушения равенства температур концов третьего про­водника, включаемого в цепь термопары, появляется посторонняя термо-э. д. с. (паразитная), которая будет зависеть от свойства про­водника и от температуры мест его присоединения.

На рис. 11. 1, г представлена дифференциальная термопара, ко­торую используют для измерения разности температур (для срав­нения температур в двух точках). Оба конца термопары являются рабочими. Если температуры горячих спаев будут неодинаковыми, т. е. θ₁ ≠ θ₂, то термо-э, д. с. будет отлична от нуля. Полярность тер­мо-э. д. с. показывает, в какой из контролируемых точек темпера­тура выше и в какой ниже.

В некоторых случаях для измерения малых разностей темпера­тур в целях получения большей термо-э. д. с. применяют термоба­тареи (по аналогии с последовательно включенными электрически­ми элементами), т. е. несколько последовательно включенных тер­мопар (рис. 11. 1, д). Дело в том, что термо-э. д. с, развиваемая тер­мопарой, невелика и составляет для разных термопар 0, 01—0, 07 мВ на 1°С (274 К).

При последовательном соединении нескольких (п) термопар их термо-э. д. с. суммируются. В связи с этим принято считать, что при использовании термобатареи из η термопар в η раз повышается точность измерения разности температур. Измерение производится компенсационным методом, что дает значительное увеличение из­меряемого напряжения. Обычно одна группа спаев термобатареи (рис. 11. 1, е) приводится в тепловой контакт с объектом А (напри­мер, холодная вода), а вторая — с объектом Б (например, горячая вода). ·

Термоэлектрическая цепь характеризуется следующими свойст­вами:

1) величина термо-э. д. с. зависит только от материала термо­электродов и температуры каждого спая;

2) термо-э. д. с. не зависит от размеров термоэлектродов и от распределения температуры вдоль термоэлектродов (если при этом температура спаев остается неизменной);

3) в термоэлектрическую цепь можно включить измерительный прибор, так как в этом случае величина термо-э. д. с. не изменяется (см. рис. 11. 1, б, в).

Величина термо-э. д. с, определенная экспериментальным путем, может быть приближенно выражена следующей функцией, запи­санной для температуры холодного спая, равной нулю (θ₂ = 0):

E _{θ; 0} = a θ₁ + b θ₁, (11. 1)

где θ₁ —температура горячего спая; а и b — постоянные коэффици­енты, характеризующие пару металлов, которые приведены в табл. 11. 1. Практически величину термо-э. д. с. определяют не по формуле (ИЛ), а по справочным таблицам, в которых указаны значения э. д. с. для разных металлов в зависимости от температу­ры горячего спая θ₁, при температуре холодного спая θ₂ = 273 К.

В табл. 11. 2 приведены основные термоэлектродные материалы, значения их термо-э, д. с. в паре с платиной (нормальный термо­электрод) при температуре рабочего спая θ₁ = 373 К и температуре холодных спаев θ₂ = 273 К. Знак плюс перед значением термо-э, д. с. в табл. 11. 2 указывает на то, что в холодном спае ток идет по на­правлению к платине.

Таблица 11. 1

Тип термо­пары	Материал термоэлектродов	Обозна­чение градуи­ровки	Термо-э. д. с. при θ1=373 K и θ2=273 К, мВ	Пределы изме­рений при длительном применении, К	Допустимый предел при кратковре­менном при­менении, К
от	до
тпп	Платинородий (10% родия) — платина	ПП-1	0, 64
ТПР	Платинородий (30% родия) — платиноро­дий (6% родия)	ПР-30/6	-
TXA	Хромель—алюмель	XA	4, 1
TXK	Хромель—копель	XK	6, 95
THC	Сплав HK-CA	HC	1, 85			—
—	Вольфрам — мо­либден	—	0, 5			—
TMK	Медь — копель	—	4, 75			Нестандартные
тжк	Железо — копель	—	5, 75

Основаниями к выбору нормального термоэлектрода — плати­ны — служат ее ценные качества: постоянные физические свойства, высокая температура плавления, простой способ получения в хи­мически чистом виде и др. Термо-э, д. с. принято обозначать

(11. 2)

где А —материал первого электрода; В — материал второго элект­рода; θ₂ — температура холодного спая; θ₁ — температура горячего спая.

Таблица 11. 2

Материал	Термо-э. д. с, мВ
Платина Pt	0, 0
Кремний Si	+44, 8
Сурьма Sb	+4, 7
Хромель (89% Ni, 9, 8% Сг, 1% Fe, 0, 2% Mn)	+2, 95
Железо Fe	+ 1, 8
Молибден Мо	+1, 3
Вольфрам W	+0, 8
Медь Cu	+0, 76
Иридий Ir	+0, 65
Платинородий (90% Pt, 10% Ph)	+0, 64
Родий Rh	+0, 64
Алюмель (94% Ni, 2, 5% Mn, 2% Al, 1% Si, 0, 5% Fe)	—1, 15
Константан (60% Cu, 40% Ni)	—3, 5
Копель (55% Cu, 45% Ni)	—4, 0
Теллур Те	+40
Висмут Bi	—5, 5; —7, 5
Цинк Zn	+0, 75
Олово Sn	+0, 42

Из формулы (11. 2) следует, что термо-э, д. с, возникшая в цепи и составленная из двух разнородных проводников, места спаев ко­торых имеют разные температуры, равна разности результирую­щих э. д. с. Термо-э, д. с, которую один термоэлектрод приобретает по отношению к другому, считают положительной, если она в хо­лодном спае направлена от первого ко второму электроду, и отри­цательной, если — от второго электрода к первому (например, медь по отношению к платине имеет положительную термо-э, д. с.).

Дата добавления: 2015-05-09