Методы и средства контактных электроизмерений температуры
Информация - Физика
Другие материалы по предмету Физика
ьшом перепаде температур между спаями термо-э. д. с. можно считать пропорциональной разности температур: EAB=SAB??.
Опыт показывает, что у любой пары однородных проводников подчиняющихся закону Ома, величина термоэ.д.с. зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температур между спаями.
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 ?AB и равна qAB=?AB•I.
Во второй половине XIX в. Томсоном был открыт эффект, заключающийся в установлении на концах однородного проводника, имеющего температурный градиент, некоторой разности потенциалов и в выделении дополнительной тепловой мощности при прохождении тока по проводнику, имеющему температурный градиент. Однако э.д.с. Томсона и дополнительное тепло настолько малы, что в практических расчетах ими обычно пренебрегают.
На рис. 1б показана принципиальная схема термоэлектрического преобразователя, который в зависимости от положения переключателя Кл может работать в режиме генератора электрической энергии (положение 1) и в режиме переноса тепла от источника с температурой ? к резервуару с температурой ?0.
К.п.д. термоэлектрического генератора зависит от разности температур и свойств материалов и для существующих материалов очень мал (при ??=300 не превышае ?=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, показана на рис. 2.
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,?0)=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 ?1 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. 2 приведены термоэ.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 термоэ.д.с. от температуры в широком диапазоне температур обычно нелинейна, поэтому данные таблицы нельзя распространить на более высокие температуры.
Таблица 2
МатериалТермо
э.д.с., мВМатериалТермо
э.д.с., мВКремний+44,8Свинец+0,44Сурьма+4,7Олово+0,42Хромель+2,4Магний+0,42Нихром+2,2Алюминий+0,40Железо+1,8Графит+0,32Сплав(90% Pt+10% Ir)+1,3Уголь+0,30Молибден+1,2Ртуть0,00Кадмий+0,9Палладий0,57Вольфрам+0,8Никель1,5Манганин+0,76Алюмель1,7Медь+0,76Сплав (60%Au+30%Pd+10%Pt)2,31Золото+0,75Константан3,4Цинк+0,75Копель4,5Серебро+0,72Пирит12,1Иридий+0,65Молибденит69104Родий+0,64Сплав (90% Pt+10% Rh)+0,64
При пользовании данными таблицы следует иметь в виду, что развиваемые термоэлектродами термоэ.д.с. в значительной степени зависят от малейших примесей, механической обработки (наклеп) и термической обработки (закалка, отжиг).
При конструировании термопар, естественно, стремятся сочетать термоэлектроды, один из которых развивает с платиной положительную, а другой отрицательную термоэ.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. На
рис. 3 рис. 3показан чувствительный элемент радиационного пирометра. Рабочие спаи термопар расположены на черненом лепестке, поглощающем излучение, холодные концы на массивном медном кольце, служащем теплоотводом и прикрытом экраном. Благодаря массивности и хорошей теплоотдаче кольца температуру свободных концов можно считать постоянной и равной комнатной.
1.2. УДЛИНИТЕЛЬНЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРОДЫ, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ, ПОГРЕШНОСТИ ТЕРМОПАР
Удлинительные термоэлектроды. Свободные концы термопары лолжны находиться при постоянной температуре, лучше всего при 0С (рис. 4). Однако не всегда возможно сделать термоэлектроды термопары настолько длинными и гибкими, чтобы свободные конц