загрузка...
 
Термопари
Повернутись до змісту

Термопари

Термопари – це чутливі елементи датчиків, за допомогою яких вимірюється температура в діапазоні 0-2600  К. Термопара виготовляється шляхом зварювання двох різних металевих проводів, наприклад, Cu і константан; Cu і (Cu-Ni) - сплав; Pt-(Pt-Ir) - сплав; Fe і (Cu-Ni) - сплав; хромель-алюмель та ін. Дві такі термопари утворюють датчик. Для цього необхідно один спай помістити при 0оС, а інший привести в контакт з об’єктом вимірювання температури (рис.3.3). Між спаями виникає терморушійна сила (ТРС), яка має величину порядку 1-10 мкВ/К (наприклад, у термопари Cu - (Cu-Ni) ТРС має величину 4,3 мВ за різниці температур спаїв у 100оС). Оскільки величина ТРС мала, то необхідно мати точну вимірювальну апаратуру. Крім того, опорна точка (0оС) повинна весь час підтримуватися постійною або також вимірюватися. У зв’язку з цим набули поширення інтегральні схеми для термопар без опорної точки, але із внутрішнім компенсатором точки танення льоду (похибка вимірювання температури в інтервалі 0-300оС складає до 0,6оС). Прикладом таких датчиків можуть бути пристрої із цифровою індикацією UNI-T UT70B (похибка 3% на інтервалі від –200 до 1300оС) та АРРА 109 (0,1% на такому самому інтервалі).

Із курсу загальної фізики добре відомо, що виникнення ТРС викликане двома причинами.

По-перше, при переході з одного метала в інший (спай) виникає внутрішня контактна різниця потенціалів (стрибок потенціалу)

,(3.10)

де ЕФ – енергія Фермі; е – заряд електрона; А і В – позначення провідників.

Оскільки два спаї знаходяться при різних температурах, то стрибок потенціалу для них буде різним, і для всього електричного кола термопари сума (U12)1+(U12)2 буде відмінною від нуля (індекси “1” і “2” позначають номери спаїв).

 

Рисунок 1.3 – Вимірювання температури термопарою із використанням опорної точки 0оС

Інша причина виникнення ТРС пов’язана із градієнтом температури вздовж провідників термопари. З огляду на те, що концентрація електронів з високою енергією (Е>ЕФ) буде більшою біля нагрітого контакту і, навпаки, їх концентрація з низькою енергією (Е<ЕФ) буде більшою біля холодного контакту, то вздовж провідника виникне градієнт концентрації електронів, що обумовить дифузію більш швидких електронів до холодного контакту, а повільних – до нагрітого. При цьому на кожній ділянці провідника (Dх) відбуватиметься зміна потенціалу (Dj), що характеризується величиною U:

.

Величину ТРС можна подати так:

e = eконт + eдиф,

або після інтегрування вздовж провідників від Т1 до Т2:

e = aАВ(Т1 - Т2),

де aАВ = (aА - aВ) – питома ТРС для даної пари металів або напівпровідників; aА і aВ – коефіцієнти ТРС для провідників А і В .

Величина питомої ТРС для пари металів має порядок величини 10-5 - 10-4 В/К, а у напівпровідникових пар на один-два порядки вище (~10-3 В/К), що пояснюється тим, що у напівпровідників із різним типом провідності a має різні знаки, і тому ?aАВ?= ?aА?+ ?aВ?.

У загальному випадку ТРС залежить від температури не за лінійним законом, і можливі випадки, коли вона змінює свій знак. Наприклад, у випадку термопари Cu-Fe при 540оС ТРС дорівнює приблизно нулю і змінює свій знак.



загрузка...