Термопара

Введение
Современнаятермодинамика определяет температуру как величину, выражающую состояниевнутреннего движения равновесной макроскопической системы и определяемуювнутренней энергией и внешними параметрами системы.
Непосредственно температуру измерить невозможно, можно лишь судить о ней поизменению внешних параметров, вызванному нарушением состояния равновесияблагодаря теплообмену с другими телами.
Каждому методуопределения температуры, в основе которого лежит зависимость между каким-либовнешним параметром системы и температурой, соответствует определеннаяпоследовательность значений параметра для каждого размера температуры,называемая температурной шкалой. Наиболее совершенной шкалой являетсятермодинамическая температурная шкала (шкала
Кельвина). Практическая ее реализация осуществляется с помощью
Международной практической температурной шкалы (МПТШ), устанавливающейопределенное число фиксированных воспроизводимых реперных точек,соответствующих температуре фазового равновесия различных предельно чистыхвеществ.
Исходным эталономтемпературы является комплекс изготовленных в разных странах мира газовыхтермометров, по показаниям которых определяются численные значения реперныхточек по отношению к точке кипения химически чистой воды при давлении 101325Па, температура которой принята равной
100,00°С(373,15 К точно). Для практического воспроизведения и хранения МПТШмеждународным соглашением установлены единые числовые значения реперных точек,которые с развитием техники время от времени уточняются и корректируются.Последняя корректировка была произведена в 1968 г. Согласно
МПТШ—68 установлены следующие реперные точки, соответствующиедавлению 101325Па: точка кипения кислорода —182,97 °С (90,18 К), тройная точка воды
(при давлении 610 Па) +0,01 °С (273,16 К), точка кипения воды +100,00 °С
(373,15 К), точки затвердевания: олова +231,9681 °С (505,1181К), цинка
+419,58 °С (692,73 К), серебра +961,93 °С (1235,08 К) изолота+1064,43°С(1337,58К).
Весь температурныйдиапазон перекрывается семью шкалами, для воспроизведения которых в зависимостиот области шкалы используются различные методы: от 1,5 до 4 К — измерениедавления паров гелия-4, от 4,2 до 13,8 К — германиевые терморезисторы, от 13,8до 273,16 К и от 273,16 до
903,89 К— платиновые терморезисторы от 903,89 до 1337,58 К — термопарыплатинородий — платина, от 1337,58 до 2800 К — температурные лампы и от
2800 до 100 000 К — спектральные методы.
Огромный диапазонсуществующих температур (теоретически максимально возможное значениетемпературы составляет 1012 К) обусловил большое разнообразие методов ихизмерения. Наиболее распространенные методы измерения температуры и области ихприменения приведены в таблице 1.
Термоэлектрическийметод измерения температуры основан на использовании зависимости термоэлектродвижущейсилы от температуры
Нас будутинтересовать контактные методы и средства электроизмерения температур.

1. Общие сведения о термоэлектрических преобразователях
1.1.ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ,ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Тепловым называетсяпреобразователь, принцип действия которого основан на тепловых процессах иестественной входной величиной которого является температура. К такимпреобразователям относятся термопары и терморезисторы, металлические иполупроводниковые. Основным уравнением теплового преобразования являетсяуравнение теплового баланса, физический смысл которого заключается в том, чтовсе тепло, поступающее к преобразователю, идет на повышение его теплосодержанияQТС и, следовательно, если теплосодержание преобразователя остается неизменным(не меняется температура и агрегатное состояние), то количество поступающего вединицу времени тепла равно количеству отдаваемого тепла. Тепло, поступающее кпреобразователю, является суммой количества тепла Qэл, создаваемого в результатевыделения в нем электрической мощности, и количества тепла Qто, поступающего впреобразователь или отдаваемого им в результате теплообмена с окружающейсредой.
Явлениетермоэлектричества 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. 1а), причем температуру 1 одного местасоединения сделать отличной от температуры о другого, то в цепи появитсяэ.д.с., называемая термоэлектродвижущей силой (термо-э.д.с.) и представляющаясобой разность функций температур, мест соединения проводников.
Подобная цепьназывается термоэлектрическим преобразова. телем или иначе термопарой;проводники, составляющие термопару, — термоэлектродами, а места их соединения —спаями.
При небольшомперепаде температур между спаями термо-э. д. с. можно считать пропорциональнойразности температур.
Опыт показывает, чтоу любой пары однородных проводников подчиняющихся закону Ома, величинатермо-э.д.с. зависит только от природы проводников и от температуры спаев и независит от распределения температур между спаями.
Явлениетермоэлектричества принадлежит к числу обратимых явлений, обратный эффект былоткрыт 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 вдругом. Теплота Пельтье связана с силой тока линейной зависимостью в отличие оттеплоты Джоуля, и в зависимости от направления тока происходит нагревание илиохлаждение спая.
Поглощаемая иливыделяемая тепловая мощность пропорциональна силе тока, зависит от природыматериалов, образующих спай, характеризуется коэффициентом Пельтье.
Во второй половинеXIX в. Томсоном был открыт эффект, заключающийся в установлении на концаходнородного проводника, имеющего температурный градиент, некоторой разностипотенциалов и в выделении дополнительной тепловой мощности при прохождении токапо проводнику, имеющему температурный градиент. Однако э.д.с. Томсона идополнительное тепло настолько малы, что в практических расчетах ими обычнопренебрегают.
На рис. 1б показанапринципиальная схема термоэлектрического преобразователя, который в зависимостиот положения переключателя Кл может работать в режиме генератора электрическойэнергии (положение 1) и в режиме переноса тепла от источника с температурой крезервуару с температурой.


К.п.д.термоэлектрического генератора зависит от разности температур и свойствматериалов и для существующих материалов очень мал (при = 300° не превышае =13%, а при= 100° значение= 5%), поэтому термоэлектрические генераторыиспользуются как генераторы энергии лишь в специальных условиях. К.п.д.термоэлектрического подогревателя и холодильника также очень малы, и дляохлаждения к.п.д. при температурном перепаде 5° составляет 9%, а при перепаде40° — только 0,6%; однако, несмотря на столь низкие к.п.д., термоэлементыиспользуются в холодильных устройствах. В измерительной технике термопарыполучили широкое распространение для измерения температур; кроме того,полупроводниковые термоэлементы используются как обратные тепловыепреобразователи, преобразующие электрический ток в тепловой поток итемпературу.
Термопара сподключенным к ней милливольтметром, применяемая для измерения температуры.
Если один спайтермопары, называемый рабочим, поместить в среду с температурой 1, подлежащейизмерению, 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 термопарыявляется температура  ее рабочего спая, авыходной величиной — термо-э. д. с., которую термопара развивает при строгопостоянной температуре 2 нерабочего спая.
Материалы, применяемые для термопар. В табл. 2 приведены термо-э.д.с., которыеразвиваются различными термоэлектродами в паре с платиной при температурерабочего спая 1 = 100° С и температуре нерабочих спаев
2 = 0° С. Зависимость термо-э.д.с. от температуры в широком диапазонетемператур обычно нелинейна, поэтому данные таблицы нельзя распространить наболее высокие температуры.
Таблица 1
  
Материал
Термо-эдс мВ
Материал
Термо-эдс мВ
Кремний
+44
Свинец
+0,44
Сурьма
+4,7
Олово
+0,42
Хромель
+2,4
Магний
+0,42
Нихром
+2,2
Алюминий
+0,40
Железо
+1,8
Графит
+0,32
Сплав
+1,3
Уголь
+0,30
Молибден
+1,2
Ртуть
+0
Кадмий
+0,9
Палладий
-0,57
Вольфрам
+0,8
Никель
-1,5
Манганин
+0,76
Алюмель
-1,7
Медь
+0,76
Сплав
-2,31
Золото
+0,75
Константан
-3,4
Цинк
+0,75
Копель
-4,5
Серебро
+0,72
Пирит
-12,1
Иридий
+0,65
Молибден
-69
Родий
+0,64
Сплав
+0,64
При пользованииданными 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 конструированиитермопар, естественно, стремятся сочетать термоэлектроды, один из которыхразвивает с платиной положительную, а другой — отрицательную термо-э.д.с. Приэтом необходимо учитывать также пригодность того или иного термоэлектрода дляприменения в заданных условиях измерения (влияние на термоэлектрод среды,температуры и т. д.).
Для повышениявыходной э.д.с. используется несколько термопар, образующих термобатарею. Рабочиеспаи термопар расположены на черненом лепестке, поглощающем излучение, холодныеконцы — на массивном медном кольце, служащем теплоотводом и прикрытом экраном.Благодаря массивности и хорошей теплоотдаче кольца температуру свободных концовможно считать постоянной и равной комнатной.
1.2. УДЛИНИТЕЛЬНЫЕТЕРМОЭЛЕКТРОДЫ, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ, ПОГРЕШНОСТИ ТЕРМОПАР
Удлинительныетермоэлектроды. Свободные концы термопары лолжны находиться при постояннойтемпературе, лучше всего при 0°С. Однако не всегда возможно сделатьтермоэлектроды термопары настолько длинными и гибкими, чтобы свободные концы ееможно было разместить в достаточном удалении от рабочего спая.  Кроме того, при использовании благородныхметаллов делать длинные термоэлектроды экономически невыгодно, поэтомуприходится использовать провода от другого материала.
Соединительные провода A1 и B1, идущие от зажимов в головке термопары до местанахождения нерабочих спаев и выполняемые из дешевых материалов, называютудлинительными термоэлектродами. Чтобы при включении удлинительныхтермоэлектродов из материалов, отличных от материалов основных термоэлектродов,не изменилась термо-э.д.с. термопары, необходимо выполнить два условия. Первое— удлинительные термоэлектроды должны быть термоэлектрически идентичны сосновной термопарой, т. е. иметь ту же термо- э.д.с. в диапазоне возможныхтемператур.
Места соединениятермоэлектродов в головке термопары (примерно в диапазоне от 0 до 100° С). Ивторое—места присоединения удлинительных термоэлектродов к основнымтермоэлектродам в головке термопары должны иметь одинаковую температуру,
Для термопарыплатинородий — платина применяются удлинительные термоэлектроды из меди исплава ТП, образующие термопару, термоидентичную термопаре платинородий —платина в пределах до 150° С. Такие же удлинительные термоэлектроды сизмененными знаками полярности применяют для термопары вольфрам — молибден. Длятермопары хромель — алюмель удлинительные термоэлектроды изготовляются из медии константана. Для термопары хромель — копель удлинительными являются основныетермоэлектроды, но выполненные в виде гибких проводов.
Погрешность,обусловленная изменением температуры нерабо-ihx спаев термопары. Градуировкатермопар осуществляется при температуре нерабочих спаев, равной нулю. Если припрактическом использовании термоэлектрического пирометра температура нерабочихспаев будет отличаться от 0° С на величину
0, то необходимо ввести соответствующую поправку в показания термометра.
Однако следует иметьв виду, что из-за нелинейной зависимости между э.д.с. термопары и температуройрабочего спая величина поправки к показаниям указателя, градуированногонепосредственно в градусах, не будет равна разности температур 0 свободныхконцов.


Величинапоправки  связана с разностью температурсвободных концов через коэффициент k называемый поправочным коэффициентом натемпературу нерабочих концов. Величина k различна для каждого участка кривой,поэтому градуировочную кривую разделяют на участки по 100° С и для каждогоучастка определяют значение k.
В цепь термопары имилливольтметра включен мост, одним из плеч которого является терморезистор RТиз медной или никелевой проволоки, помещенный возле нерабочих спаев термопары(остальные плечи моста выполнены из манганиновых резисторов). При температуремост находится в равновесии и напряжение на его выходной диагонали равно нулю.При повышении температуры нерабочих спаев сопротивление RТ также увеличивается,мост выходит из равновесия и возникающее напряжение на выходной диагонали мостакорректирует уменьшение термо-э.д.с. термопары. Вследствие нелинейноститермопар полной коррекции погрешности, обусловленной изменением температурынерабочих спаев, при помощи описываемого устройства получить не удается, однаковеличина остаточной погрешности не превышает 0,04 мВ на 10 К.
Недостатком подобныхустройств является необходимость в источнике тока для питания моста и появлениедополнительной погрешности, обусловленной изменением напряжения этогоисточника.
Погрешность,обусловленная изменением температуры линии, термопары и указателя. Втермоэлектрических термометрах для измерения термо-э.д.с. применяют как обычныемилливольтметры, так и низкоомные компенсаторы с ручным или автоматическимуравновешиванием на.предел измерения до 100 мВ.
В тех случаях, когдатермо-э.д.с. измеряется компенсатором, сопротивление цепи термо-э.д.с., какизвестно, роли не играет. В тех же случаях, когда термо-э.д.с. измеряетсямилливольтметром, может возникнуть погрешность, обусловленная изменениемсопротивлений всех элементов, составляющих цепь термо-э.д.с.; поэтомунеобходимо стремиться к постоянному значению сопротивления проводов и самойтермопары.
В отечественныхтермоэлектрических термометрах при их градуировке учитывается сопротивлениевнешней относительно милливольтметра цепи, т. е. проводов и термопары (Rпр +RТП), равное 5 Ом. Регулировка сопротивления этой внешней цепи осуществляетсяпри помощи добавочной катушки сопротивления из манганина непосредственно примонтаже прибора.
Паразитныетермо-э.д.с. возникают вследствие наличия неод-нородностей в материалах и поданным, приведенным в работе, могут составлять для различных материалов 10—100мкВ. В частности, для платиновой проволоки при протяженности распределениятемпературы 30 мм и температурном градиенте величина паразитной термо-эдссоставляет 10 мкВ.



1.4. ПРОМЫШЛЕННЫЕТЕРМОПАРЫ
Основные параметрытермопар промышленного типа:
Таблица 2


Обозначение теомопары
Обозначение термоэлектродов
Материалы
Пределы измерения при длительном применении
Верхний предел измерений при кратковременном применении
ТПП
ПП-1
Платинородий(10% родия) платина
От -20 до 1300
1600
ТПР
ПР-30
Платинородий(30% родия)
300-1600
1800
ТХА
ХА
Хромель-алюмель
-50-1000
1300
ТХК
ХК
Хромель-копель
-50-600
800
    Дляизмерения 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 основетугоплавких 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 характеристикитермопар основных типов приведены в табл. 6. В этой таблице указана температурарабочего спая в градусах
Цельсия и приведены величины термо-э.д.с. соответствующих термопар вмилливольтах при температуре свободных концов 0° С.
Таблица 3


Обозначение градуировки
Температура рабочего спая
ХА
12.2, 16.40, 20.65, 24.91, 33.32, 41.26, 48.87
ПП-1
2.31, 3.249, 4.128, 5.220, 7.325, 9.564, 11.92, 14.33, 16.71
ПР-30
4.913, 6.902, 9.109, 11.47, 13.92
   Допускаютсяотклонения реальных термо-э.д.с. от значений, приведенных в табл. 6, навеличины, указанные в табл. 7.
Таблица 4


Обозначение градуировки
Диапазон температур
Наибольшее отклонение температур
ПП-1
-20 до +300
0,01
ПР-30
+300 до +1800
0,01
ХА
-50 до +300
0,16
ХК
-50 до +300
0,20
    Конструкциятермопары промышленного типа.Это термопара с термоэлектродами из неблагородныхметаллов, расположенными в составной защитной трубе с подвижным фланцем для ее крепления.Рабочий спай термопары изолирован  наконечником. Термоэлектроды изолированы брусами.Защитная труба состоит из рабочего  инерабочего участков. Передвижной фланец крепится к трубе винтом. Головка термопары имеет литой корпус  с крышкой, закрепленной винтами; В головке укрепленыфарфоровые колодки  (винтами) плавающими (незакрепленными)зажимами, которые позволяют термоэлектродам удлиняться под воздействиемтемпературы без возникновения механических напряжений, ведущих к быстромуразрушению термоэлектродов. Термоэлектроды крепятся к этим зажимам винтами, асоединительные провода — винтами. Эти провода проходят через штуцер  с асбестовым уплотнением.
Основным вопросом приконструировании термопар промышленного типа является выбор материала защитнойтрубы (арматуры) и изоляции. Защитная арматура термопары должна оградить ее отвоздействия горячих, химически агрессивных газов, быстро разрушающих термопару.Поэтому арматура должна быть газонепроницаемой, хорошо проводящей тепло,механически стойкой и жароупорной. Кроме того, при нагревании она не должнавыделять газов или паров, вредных для термоэлектродов.
При температурах, непревышающих 600° С, обычно применяют стальные трубы без шва, при  более высоких температурах(до1100° С)—защитные трубы из легированных сталей. Для уменьшения стоимости защитных трубих часто выполняют составными (сварными) из двух частей: рабочего участка трубыиз нержавеющей стали и нерабочего из обычной стали.
Для термопар изблагородных 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 до1300— 1400°С.
Применяя защитныетрубы из карбида кремния и графита, необходимо учитывать, что при нагреванииони выделяют восстанавливающие газы; поэтому помещаемые в них термопары(особенно термопары на платиновой основе) должны быть защищены дополнительногазонепроницаемым чехлом.
В качестве изоляциитермоэлектродов друг от друга применяют асбестдо300° С, кварцевые трубки илибусы до 1000° С, фарфоровые трубы 1300 С. Для лабораторных термопар,используемых при измерении низких температур, применяют также теплостойкуюрезину до 150° С, шелк до 100—120°
С, эмаль до 150—200 °С.
Инерционностьтермопар и термометров характеризуется их постоянной времени Т, определяемойкак время, необходимое Для того, чтобы изменение выходной величиныпреобразователя, перенесенного из среды с температурой
30—35 °С в сосуд с интенсивно перемешиваемой водой с температурой 15—20 °С,достигло 63% от установившегося значения перепада. Различают термопары итермометры сопротивления малоинерционные (Ттп
9 с для термометра), средней инерционности Ттп

2. Методы контактных электроизмерений различных диапазонов температур.
 2.3. МЕТОДЫ КОНТАКТНЫХ ЭЛЕКТРОИЗМЕРЕНИЙ
СРЕДНИХ И ВЫСОКИХТЕМПЕРАТУР С ПОМОЩЬЮ ТЕРМОПАР
Средними втермометрии считаются температуры от 500 (начало свечения) до 1600 °С (белоекаление), а высокими— от 1600 до 2500°С, до которых удается распространитьтермоэлектрический метод с использованием высокотемпературных, жаростойкихматериалов.
Принциптермоэлектрического метода и основные свойства термоэлектродов были рассмотренывыше в п. 1. Основным вопросом при использовании этого метода для измерениясредних и высоких температур является защита термоэлектродов от разрушающегохимического и термического воздействия среды. Для этого термопары снабжаютсязащитной арматурой в виде чехлов, трубок или колпачков из огнеупорныхматериалов. Главное требование к защитной оболочке — высокая плотность строенияи температурная стойкость.
При измерении температур ниже 1300 °С используются фарфоровые чехлы, при болеевысоких температурах — колпачки из тугоплавких материалов (такие, как корунд,окиси алюминия, бериллия или тория), заполненные инертным газом.
Зависимость срокаслужбы термопар от пористости защитной оболочки.
При измерениитемпературы поверхности тел особенную трудность составляет контакт рабочегоспая термопары с поверхностью нагретого тела.
Для улучшения контакта используются термопары, рабочий спай которых выполнен ввиде ленты или пластины. Такая конфигурация рабочего спая при деформациипозволяет воспроизводить поверхность объекта измерения.
Для-измерениятемператур до 2000—2500 °С используются вольфрамовые или иридиевые термопары.Особенностью их применения является измерение в вакууме, в инертной иливосстановительной средах, так как на вэздухе они окисляются. Чувствительностьволь-фрамо-молибденовой термопары составляет 7 мкВ/К, а вольфрамо-рениевой 13мкВ/К.
В условиях высокихтемператур применяются термопары из огнеупорных материалов (пары карбид титана— графит, карбид циркония — борид циркония и ди-силицид молибдена — дисилицидвольфрама). В таких термопарах внутри цилиндрического электрода (диаметр около15 мм) имеется второй электрод—стержень, соединенный с первым электродом наодном конце трубки.
Чувствительность термопар из огнеупорных материалов достигает 70 мкВ/К, однакоих применение ограничено инертными и восстановительными средами.
Для измерениятемпературы расплавленного металла термопарами из благородных металловиспользуется 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 скоростьнарастания температуры рабочего спая. Зная зависимость между скоростью нагреватермопары (ее тепловую инерционность) и температурной среды, можно рассчитатьзначение измеряемой температуры. Этот метод применяется для измерениярасплавленного металла (2000-2500 С) и газового потока (1800 С).