Общие сведения. Термоэлектрическим термометром называют термопару, служащую датчиком, измерительный прибор - потенциометр (милливольтметр) с соединительными проводами.

Термоэлектрическим термометром называют термопару, служащую датчиком, измерительный прибор - потенциометр (милливольтметр) с соединительными проводами.

Принцип работы термопары состоит в следующем. Если составить замкнутую цепь из двух разнородных проводников и нагреть один ее спай, то в цепи возникнет электрический ток (рис.4.1.).

Рис.4.1. Схема электрических цепей

а) цепь, состоящая из двух разнородных проводников;

б) схема включения третьего проводника в цепь термопары.

Замкнутая электрическая цепь (см. рис.4.1.а), состоящая из двух разнородных проводников - термоэлектродов А и В, образует термоэлемент (термопару). Спай - погружаемый в измеряемую среду, называется рабочим или горячим спаем термопары, второй спай носит название свободного или холодного.

Суммарную термоэлектродвижущую силу замкнутой цепи из проводников А и В, спаи которой нагреты до температур t₀ и t можно выразить уравнением:

E_AB (tt₀) = I_AB (t) + I_BA (t₀),

где E_AB (tt₀) - суммарная т.э.д.с. термопары;

I_AB (t), I_BA (t₀) - потенциалы, возникающие в местах соприкосновения проводников.

Индексы при Е и I указывают направление т.э.д.с. от А к В или от В к А. При изменении порядка индексов, например, у символа I_BA должен измениться также и знак, т.е.

E_AB (tt₀) = I_AB (t) - I_BA (t₀),

Так как потенциалы I спаев зависят от температуры, то суммарная т.э.д.с. (наблюдаемая в цепи, из двух разнородных проводников, с разными температурами спаев) равна разности функций температур t и t₀:

E_AB (tt₀) = f₁ (t) – f₂ (t₀),

Поддерживая температуру одного из спаев постоянной, например, полагая, что t₀ - const, т.е. f₂ (t₀) - const получим:

E_AB (tt₀) = f₁ (t) – const,

или

E_AB (tt₀) = f₁ (t),

Таким образом, если для данной температуры экспериментально, т.е. путем градуировки найдена последняя зависимость, то измерение неизвестной температуры сводится к определению т.э.д.с. термопары. При введении в цепь термопары третьего проводника (см. рис.4.1.б), если концы последнего имеют одинаковую температуру, т.э.д.с. термопары не изменяется (то же относится и к нескольким проводникам). Поэтому включение в цепь термопары соединительных проводов, измерительных приборов и подгоночных сопротивлений не отражается на точности измерений.

Термопары, как правило, градуируются при температуре свободного спая t₀ = 0 °С. В действительности же температура холодных спаев термопары обычно отличается от 0 °С, поэтому для нахождения действительной температуры вводят поправку по уравнению:

E_AB (tt₀) = E_AB (t'₀t) ± E_BA (t'₀t₀),

где E_AB (tt₀) – т.э.д.с., развиваемая термопарой при температурах рабочего t и свободного t₀ = 0 °C спаев,

E_AB (t'₀t) - т.э.д.с., развиваемая термопарой при температурах рабочего t и свободного t₀ = 0 °С,

E_BA (t'₀t₀) - т.э.д.с., развиваемая термопарой при температуре свободных концов термопары t'₀ не равных нулю и свободного спая t₀ = 0 °С (по градировочной таблице 4.2.).

Знак плюс относится к случаю, когда t'₀ > t₀=0 ⁰С, минус - когда t'₀ < t₀=0 ⁰С.

Конструктивно термопара представляет собой две проволоки из разнородных металлов, нагреваемые концы которых скручиваются, а затем свариваются или спаиваются.

Термоэлектроды изолируются обычно одноканальными или двухканальными фарфоровыми трубками и помещаются в защитный чехол. Для соединения термоэлектродов с внешней цепью служит головка термопары, выполненная из электроизоляционного материала.

Для устранения влияния изменения температуры окружающей среды на величину возникающей э.д.с., свободные концы термопары термостатируют или применяют специальные компенсирующие устройства.

Соединение термопары с вторичными приборами производится термоэлектродными проводами, изготовленными из таких же материалов, что и сама термопара, или из других сплавов, развивающих в пределах до 100 °С т.э.д.с. равную т.э.д.с. термопары.

В качестве вторичных приборов в комплекте с термопарами для измерения температуры используются, как правило, электронные автоматические потенциометры.

Потенциометрический (компенсационный) метод измерения основан на уравновешивании (компенсации) измеряемой т.э.д.с. с известной разностью потенциалов, образованной вспомогательным источником тока. На схеме (рис.4.2.) ток от вспомогательного источника сухого элемента с разностью потенциалов Е проходит по цепи, в которую между точками А и В включено калиброванное проволочное сопротивление, называемое реохордом.

Рис.4.2. Принципиальная схема потенциометра

Для последнего справедливо соотношение:

= , (1)

Ток в этой цепи выражается:

I₁ = , (2)

Вторая цепь включает термопару, чувствительный милливольтметр с нулем по середине шкалы - нуль-прибор (НП), являющийся индикатором наличия тока в цепи термопары, и участок реохорда L между точкой А и скользящим контактом Д. Термопара в цепи включена так, что ее ток на участке сопротивления R_АД идет в том же направлении, что и от источника В.

При E(tt₀) < Е_ИL можно найти такое положение точки на реохорде R_АВ, при котором ток в цепи термопары станет равным нулю, и стрелка НП становится на нулевом делении шкалы. При этом

E(tt₀) = i · RАД, (4)

Учитывая соотношения (2) и (3), из уравнения (4) найдем

E(tt₀) = E_{Б ,}

Следовательно, т.э.д.с. термопары E(tt₀) определяется величиной падения напряжения на участке реохорда и не зависит от сопротивления цепи термопары.

Реохорд снабжен шкалой, градуированной в милливольтах или градусах.

При измерении таким методом ток в цепи реохорда нужно поддерживать на постоянном уровне, устанавливаемом и контролируемом также компенсационным методом.

Наиболее широкое применение в промышленности нашли термопары, представленные в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Краткая характеристика термопар