Додаткові теоретичні відомості

Електрони провідності металу здійснюють хаотичний тепловий рух. Деякі електрони при цьому покидають метал і утворюють електронну хмарку поблизу поверхні металу порядку декількох міжатомних відстаней (d_a~10^-10–10^{-9 м). На поверхні металу внаслідок цього залишається надлишок позитивних іонів. Ці заряди й електронна хмарка утворюють подвійний електричний шар, електричне поле якого перешкоджає вильоту електронів з металу. Тому при звичайних температурах вільні електрони практично не покидають метал. Мінімальна робота, яка необхідна для виходу електрону з металу, називається роботою виходу електрона з металу А}_вих:

А_вих=еDj,

де е - заряд електрона, Dj - поверхнева різниця потенціалів.

Робота виходу електрону з металу залежить від температури сплавів і від природи металу, що створюють дану температура. Терморушійна сила– це робота сторонніх сил по розподілу електронного заряду в джерелі струму і створення на його полюсах електронного поля. Вона залежить від температури і природи металів, що створюють термопару.

Якщо різниця температур сплавів порядку 100⁰С, то термо ЕРС термопари змінюється прямо пропорційно різниці сплавів і E=k(t₁-t₂), де k – термоелектрична рушійна сила; t₁ – початкова температура; t₂ – кінцева температура. ЕРС спаяння і ЕРС зварення відрізняються одна від одної, тому що при зваренні з’являється новий вид металу і електрону потрібно переходити вже від одного металу до другого, а від другого до третього.

Використання термопари є одним з способів контролю температури в важко доступних та небезпечних місцях. Термопара складається із двох різнорідних провідників з особливих сплавів, які спаяні між собою, занурені в термостат заповнений стеарином з нагрівальним елементом. Вільні кінці провівників виведені за межі нагрівальної зони і з'єднані з приладом, показуючим перетворений сигнал поступаючий від спаю термопари. Термопара, яка знаходится в печі, захована у вогнестійкий чохол, що захищає її від агресивного середовища печі.

Явище термоелектронної емісії

Провідність металів зумовлена наявністю вільних електронів, які рухаються подібно до частинок ідеального газу поміж іонами кристалічної ґратки металу. Внаслідок зіткнень вільних електронів між собою, а також з іонами ґратки встановлюється енергетично рівноважний розподіл електронів. Повна енергія електронів у гратці - від’ємна. Це означає, що при вильоті електрону з металу на нього діє сила, яка намагається повернути його назад у метал. Для виведення електрона з металу в вакуум необхідно виконати роботу проти цих сил, яка називається роботою виходу.

Роботою виходу називається мінімальна робота, яку повинен здійснити електрон, щоб вирватись за межі даного металу в вакуум. Цю роботу можна також характеризувати різницею потенціалів у металі та поза ним: , де Кл. Робота виходу А є різною для різних металів, і залежить від температури та від стану їх поверхні . При підвищенні температури деякі електрони внаслідок хаотичного руху набувають достатньо велику кінетичну енергію і можуть вилетіти за межі металу. Випускання електронів нагрітими провідниками називають термоелектронною емісією. Це явище використовується в електронних лампах та у багатьох інших електровакуумних приладах.

Отже, величина термо-е.р.с. ε прямопропорційно залежить від різниці температур спаїв ΔТ, а також від природи металів контакту. На величину термоерс впливають також дифузійні переходи електронів з одного металу до іншого внаслідок градієнту температур вздовж провідника при нагріванні одного з контактів. Зазначимо, що , тобто коефіцієнт термоерс чисельно дорівнює термоелектрорушійній силі, що виникає при різниці температур спаїв в 1К. Вимірюється коефіцієнт термоерс в В/К; мВ/К і мкВ/К.

Закон електромагнітної індукції в диференціальній формі для випадку незмінного контура.

Закон електромагнітної індукції в диференціальній формі задається другим рівнянням Максвела

,

де — напруженість електричного поля, — магнітна індукція, c —швидкість світла у вакуумі.

Електричне поле, яке виникає при зміні магнітного поля призводить до появи електрорушійної сили.

Для виготовлення термопар найчастіше використовують термоелектродний дріт діаметром ~ 0,5 мм, оскільки дріт меншого діаметра має більшу неоднорідність матеріалу. Робочий кінець термопари (гарячий спай) виготовляють зварюванням, спайкою чи скручуванням. Але найкраще виконувати зварювання, оскільки досягається надійний контакт. Перед зварюванням кінці електродів скручують. Зварювання проводять дуговим графітним електродом при напругах 15...20 В. Холодний спай термопари виготовляють паянням оловом (з каніфоллю). Перед градуюванням термопару відпалюють повністю при температурі дещо більшій за робочу. Для ізоляції термоелектродів застосовують одно- чи двоканальні фарфорові або керамічні трубки (соломку). При градуюванні термопар, як правило, температуру холодного спаю підтримують при 0°С. Такого типу термопара носить назву диференціальної. Але при вимірюваннях температури холодний спай не завжди може бути при 0°С, бути в умовах довільної температури .

Термопари застосовують у електролітах, двигунах внутрішнього згорання, де великі температури. Термопа́ра — чутливий елемент термоелектричного перетворювача у вигляді двох ізольованих провідників із різнорідних матеріалів, з'єднаних на одному кінці, принцип дії якого ґрунтується на використанні термоелектричного ефекту для вимірювання температури. Використовується у устаткуванні для вимірювання температури, а також для прямого перетворення енергії тепла в електричну енергію у тих випадках, коли доцільно уникнути рухомих деталей (наприклад, у космосі). Поглинання тепла при проходженні електричного струму через контакт використовується в холодильниках тощо.

Термопари широко застосовують для вимірювання температури різних об'єктів, а також в автоматизованих системах управління і контролю. Вимірювання температур за допомогою термопар набуло широкого поширення через надійної конструкції датчика, можливості працювати в широкому діапазоні температур і дешевизни. Широкому застосуванню термопари зобов'язані в першу чергу своїй простоті, зручності монтажу, можливості вимірювання локальної температури. Вони набагато більш лінійні, ніж багато інших датчики, а їх нелінійність на сьогоднішній день добре вивчена і описана в спеціальній літературі. До переваг термопар відносяться також мала інерційність, можливість вимірювання малих різниць температур. Термопари незамінні при вимірюванні високих температур (до 2200 ° С) в агресивних середовищах. Термопари можуть забезпечувати високу точність вимірювання температури на рівні ± 0,01 ^°С. Вони виробляють на виході термоЕРС в діапазоні від мікровольт до мілівольт, однак вимагають стабільного підсилення для подальшої обробки.

Термопари відносяться до класу термоелектричних перетворювачів, принцип дії яких заснований на явищі Зеєбека: якщо спаї двох різнорідних металів, що утворюють замкнений електричний ланцюг, мають неоднакову температуру (Т не дорівнює Т2), то в ланцюзі протікає електричний струм. Зміна знаку у різниці температур спаїв супроводжується зміною напрямку струму.

Явище Зеєбека

Під термоелектричним ефектом розуміється генерування термоелектрорушійної сили (термоЕРС), що виникає через різницю температур між двома з'єднаннями різних металів і сплавів. Таким чином, термопара може утворювати пристрій (або його частина), що використовує термоелектричний ефект для вимірювання температури. У поєднанні з електровимірювань приладом термопара утворює термоелектричний термометр. Вимірювальний прилад або електронну вимірювальну систему підключають або до кінців термоелектродов а), або в розрив одного з них б).

Підключення термопари до вимірювального приладу

У місцях підключення провідників термопари до вимірювальній системі виникають додаткові термоЕРС. В результаті їх дії на вхід вимірювальної системи фактично надходить сума сигналів від робочої термопари і від «термопар», що виникли в місцях підключення.

Принцип роботи термопари

Існують різні способи уникнути цього ефекту. Найбільш очевидним з них є підтримання температури холодного спаю постійною. На практиці при вимірюванні температур широко використовується техніка «компенсації холодного спаю»: температура холодного спаю вимірюється іншим датчиком температури, а потім величина термоЕРС холодного спаю програмно або апаратно віднімається з сигналу термопари. Місця підключення термопари до вимірювальної системи повинні мати однакову температуру, тобто перебувати в ізотермальній зоні. Крім того, у схемі з компенсацією холодного спаю в цій же зоні повинен знаходитись і датчик температури холодного спаю. Слід враховувати ці вимоги при конструюванні вимірювальної системи.

Техніка компенсації холодного спаю

В залежності від конструкції і призначення розрізняють термопари занурювані і поверхневі; із звичайної, вибухобезпечної, вологонепроникною чи іншої оболонкою (герметичній або негерметичної), а також без оболонки; звичайні, вібротряскоустойчівие і удароміцні; стаціонарні і переносні і т.д.. Зазначимо ЕРС термопари, кінці якої зварені, відрізняється від ЕРС термопари кінці якої спаяні. При зварюванні утворюється третій метал, який є сплавом двох інших. Саме третій метал створює перешкоду проходження електронів через третій слой. Таким чином ЕРС термопари, кінці якої зварені, має менш точний результат за ЕРС термопари кінці якої спаяні.

Основне застосування термопари - електронні термометри.