Вимірювання температури термопарами

Короткі  теоретичні  відомості

Вимірювання температури  за допомогою термопар базується  на явищі термоелектричного ефекту. Якщо в електричному ланцюгу, зібраному  з двох різних провідників, температура  обох спаїв буде неоднакова, то з'явиться  струм, величина якого буде приблизно пропорційна різниці температур двох спаїв.

Вважається, що кожний спай є джерелом електрорушійної сили (е.р.с.), значення якої визначається температурою. Виникнення е.р.с. у місці спаю пояснюється  наявністю в провідниках вільних  електронів, кількість яких для різних матеріалів різна. Тому в місці спаю електрони переходять від одного провідника до іншого в більшій кількості, ніж в зворотному напрямку, внаслідок чого один з провідників заряджається позитивно, а інший - негативно. Дифузія електронів залежить від температури, тому е.р.с., які виникають в спаях з неоднаковою температурою, будуть різні. Загальна е.р.с., що діє в ланцюгу, буде рівна алгебраїчній сумі е.р.с., які виникають в спаях.

Термопара ― це два різних металевих провідники (термоелектроди), зварені один з одним на одному кінці. Цей так званий робочий або гарячий спай термопари вставляють в середовище, температуру якої вимірюють. Вільні кінці термопари ("холодні кінці") з’єднують з вторинним приладом для вимірювання термо- е.р.с. Якщо температура “холодних кінців” термопари однакова і постійна (зазвичай t₀ = 0 або 20 ⁰С), то е.р.с, однозначно залежить від температури робочого спаю термопари. Тоді завдання зводиться до вимірювання цієї термо-е.р.с.

Термоелектродні матеріали, що використовуються для виготовлення термопар, повинні бути хімічно стійкими у всьому робочому діапазоні, давати якомога більшу термо-е.р.с. Їх характеристика (залежність термо-е.р.с. від температури) повинна бути лінійною, стабільною в часі і практично однаковою для термопар з однаковими електродами.

Найпоширеніші термопари це: хромель-копелеві (до 800°С), хромель-алюмінієві (до 1000°С) і платинородій-платинові (до 1300°С). Характеристики цих термопар приведені в ГОСТ 3044-61 у вигляді таблиць залежності термо-е.р.с. від температури робочого спаю при температурі холодних кінців 0°С. Якщо, як це звичайно буває, холодні кінці термопари знаходяться при температурі, відмінній від 0°С, то потрібно, використовуючи таблиці, вводити поправку на температуру холодних кінців відповідно до формули.

Е= Е_Т+DЕ,                                                                                                 (1)

де Е - е.р.с. термопари;

Е_Т - табличне значення термо-е.р.с;

∆Е - поправка для наявної температури холодних кінців, яка береться з таблиць.

Якщо термопара  буде з’єднана з вторинним приладом звичайними (мідними або алюмінієвими) дротами, то температура холодних кінців термопари, що знаходяться в її головці, буде невідома, нестабільна і неоднакова для двох електродів. Це викличе істотну похибку вимірювання. Щоб уникнути цієї похибки при з'єднанні термопари і вторинного приладу використовують “компенсаційні” дроти з двох різних металів, підібраних таким чином, щоб в парі вони мають термоелектричну характеристику таку ж (в межах до 100°С), як і сама термопара. Завдяки цьому в місці з'єднання електродів термопари з відповідним компенсаційним дротом термо-е.р.с. не виникає (за умови збереження правильної полярності з'єднання) і зміна температури головки термопари ніяк не впливає на покази вторинного приладу. Компенсаційні дроти, по суті, продовжують електроди термопари і переносять холодні кінці в місце з постійною і відомою температурою.