Термометры и термопары

Термопары изобретены Т.И. Зеебеком в 1821 году. В 1984 г. составляли 41% американского рынка температурных датчиков. Принцип: в электрической цепи, сформированной из 2 проводников из различных материалов, генерируется ЭДС, пропорциональная разности температур между этими контактами. Диапазон измерений температуры: от абсолютного нуля до +2750°C. Преимущества: экономичность, удобство применения (датчик может быть достаточно удален от аппаратуры измерения). Недостатки: невысокий уровень электрических сигналов, зашумленность (точность измерения обычно ограничена 0,5°C), один из двух контактов должен находится при известной температуре, хрупкость датчиков, контактный характер измерений в отдельных точках, длительное время установления теплового равновесия между датчиком и объектом измерения (порядка одной секунды).

V - вольтметр, Т₁, Т₂ - температуры сред, Е - электродвижущая сила (ЭДС)

Термопара, образованная двумя проводниками А и В, два спая которых находятся при температурах Т₁ и Т₂, создает ЭДС, зависящую, с одной стороны, от материала проводников А и В и, с другой стороны, от температур Т₁ и Т₂. Обычно температура одного спая постоянна и известна; она служит опорной (нулевой) точкой T₁ = T_r. Температура другого спая Т₂ является температурой Т_с, которую приобретает этот спай в исследуемой среде с температурой Т_х.

Поскольку измерительная информация поступает от спая, размеры которого могут быть очень малыми, это обеспечивает высокое быстродействие и позволяет проводить точечные измерения температуры. Другое достоинство термопары заключается в вырабатываемом сигнале - ЭДС, для измерения которого не требуется пропускать ток через датчик, поэтому не возникает, как в случае термометров сопротивления, погрешности, связанной с саморазогревом, что существенно при измерениях в системах с малой тепловой инерцией, а также при низких температурах. Недостаток термопары заключается в том, что необходимо знать температуру опорного спая. Любая погрешность Т_r приводит к погрешности такого же порядка в определении Т_c. Термопары в зависимости от их типа применяют от очень низких температур (от -270°С для термопары медь - сплав серебра с кобальтом) до очень высоких температур (+2700°С для термопары вольфрам-рений (5% Re)). В последнем случае они позволяют измерять значительно более высокие температуры, чем термометры сопротивления (приблизительно на 1400°С).

В характеристиках термопар приводится изменение ЭДС при температуре опорного спая 0°С. На рисунке ниже приведена принципиальная схема подключения термопары для измерения температуры, где А, В, М₁, М₂, М₃ металлические проводники, концы которых находятся при температурах Т_с, Т_r, Т_а1, Т_а2. Если Т_r = 0, то температура Т_с определяется из таблицы термо ЭДС для термопары.

Для измерения разности температур Т_с1 и Т_с2 применяется схема, представленная на рисунке ниже, где каждая пара соединений проводников из металлов М₁ и М₂ должна находиться при одинаковой температуре.

Схема подключения термопары к измерительному прибору

для измерения температуры спая Т_с

для измерения разности температур Т_с1 - Т_с2

Чувствительность термопары к температуре, или термоэлектрическая способность S, зависит от температуры Т_с и определяется соотношением:

и выражается в мкВ/°С. Например, для термопары железо-константан S(0°C) = 52,9 мкВ/°С, S(700°C) = 63,8 мкВ/°С, а для термопары платино-родий:

(10% Rh) - платина S(0°C) = 6,4 мкВ/°С, S(1400°C) = 11,93 мкВ/°С.

Таким образом, чувствительность термопар значительно ниже  чувствительности измерительных установок с термометрами сопротивления.