Измерение температуры

4. Термоэлектрические термометры. Термоэлектрический эффект

В основу измерения температуры термоэлектрическими термометрами положен термолектрический эффект, заключающийся в том, что в замкнутой цепи термоэлектрического преобразователя (термопары), состоящего из двух или нескольких разнородных проводников, возникает электрический ток, если хотя бы два места соединения (спая) проводников имеют разные температуры. Спай, имеющий температуру t, называется рабочим, а спай, имеющий постоянную температуру t₀, - свободным. Проводники А и В называются термоэлектродами. Термоэлектрический эффект объясняется наличием в металле свободных электронов, число которых в единице объёма различно для разных металлов. Педположим, что в спае с температурой t электроны из металла А диффундируют в металл В в большем количестве, чем в обратном направлении; поэтому металл А заряжается положительно, а металл В – отрицательно. Электрическое поле, возникающее в месте соприкосновении проводников, препятствует этой диффузии, и когда скорость диффузии электронов станет равна скорости их обратного перехода под влиянием установившегося электрического поля, наступает состояния подвижного равновесия. при таком состоянии между проводниками А и В возникает некоторая разность потенциалов.

Электронная теория даёт лишь физическое(качественное) объяснение термоэлектрического эффекта. Количественное определение термо- ЭДС на основании этой теории невозможно, так как число свободных электронов, приходящихся, на единицу объёма, не поддаётся количественному учету, и не известен закон их изменения с изменением температуры.
Поддерживая температуру одного из спаев постоянной, например, полагая t₀ = const, получим

Е_АВ(tt₀) = f (t).

Если для данного термоэлектрического преобразователя эксперементально, т.е. путём градуировки, найденна данная зависимость, то измерение температуры сводиться к определению термо-ЭДС термометра.

Для включения измерительного прибора необходимо разорвать электрическую цепь. Разрыв можно произвести в спае с температурой t₀ или в одном из термоэлектродов.
Термо-ЭДС термоэлектрического термометра не изменяется от введения в его цепь третьего проводника, если концы этого проводника имеют одинаковые температуры. Практически это означает, что в цепь термоэлектрического преобразователя можно включать соединительные провода и измерительные приборы.
Термоэлектрический преобразователь градуируют при определенной постоянной температуре t₀ (обычно при t₀ = 0⁰C, реже при t₀ =20⁰C).
Принято 6 типов технических ТЭП с металлическими термоэлектродами.
Платинородий (90% Pt + 10% Rh) – платиновые ТЭП (тип ТПП). В зависимости от назначения эт преобразователи подразделяются на эталонные, образцовые и рабочие.
При правильной эксплуатации они сохраняют постоянство своей градуировки в течение весьма длительного времени. К недостаткам ТЭП этого типа следует отнести малую развиваемую термо-ЭДС по сравнению с другими ТЭП.
Платинородий (30% родия) – платинородиевый (6% родия) ТЭП (тип ТПР). Особенностью ТЭП является то, что он развивает очень малую термо-ЭДС (0.04 мВ при 120⁰С и 0,002 мВ при 20⁰С), что не требует введения поправки на температуру свободных концов.
Хромель – алюмелевый (94% Ni +2% Al +2.5%Mn+ 1% Si + 0.5% примеси) ТЭП (тип ТХА) применяют для измерения температур до 1300⁰С.
Хромель-копелевый (56% Сu +44% Ni) TЭП (тип ТХК) из всех стандартных ТЭП развивает наибольшую термо-ЭДС, что позволяет изготовлять термоэлектрические термометры с узкой температурной шкалой, например с диапазоном 0 -–300⁰С.
Вольфрам-рений (5% рения) – вольфрам-рениевый (20% рения) (тип ТВР) ТЭП применяют для измерения температур до 2300⁰С в нейтральной и восстановительной средах, а также в вакууме. Указанные ТЭП используют для измерения температуры расплавленных металлов.
В термоэлектрогенераторах, термоэлектрохолодильниках, различных измерительных приборах применяют также полупроводниковые ТЭП с термо-ЭДС, в 5- 10 раз большей термо-ЭДС обычных ТЭП из металлов и металлических сплавов. В качестве термоэлектродных материалов в этих ТЭП применяют сплавы ZnSb и CdSb.