Визначення електрорушійної сили та питомої термоедс термопари. Відомості про методи вимірів

Термоелектричні перетворювачі (термопари)

Принцип роботи, схеми включення та використання термопари, градуювання, точність виміру. Сплави для термопар, виготовлення.

Принцип роботи термопари заснований на термоелектричному ефекті, який полягає в тому, що в замкнутому контурі, що складається з двох різнорідних провідників, виникає термо ЕРС (напруга), якщо місця спаїв провідників мають різні температури. Якщо взяти замкнутий контур, що складається з різнорідних провідників (термоелектродів), то на їх спаях виникне термо ЕРС E(t) та E(tо), які залежать від температур цих спаїв t і t 0 . Оскільки розглянуті термо ЕРС виявляються включеними зустрічно, то результуюча термоЕРС, що діє в контурі, визначатиметься як E(t) - E(t 0 ).

У разі рівності температури обох спаїв результуюча термо ЕРС дорівнюватиме нулю. На практиці один зі спаїв термопари занурюється в термостат (як правило, що тане лід) і щодо його визначається різниця температур і температура іншого спаю. Спай, який занурюється в контрольоване (досліджуване) середовище, називають робочим кінцем термопари, а другий спай (у термостаті) – вільним.

У будь-яких пар однорідних провідників величина результуючої термо ЕРС не залежить від розподілу температури вздовж провідників, а залежить тільки від природи провідників та температури спаїв. Якщо термоелектричний контур розімкнути в якомусь місці і включити в нього різнорідні провідники, то за умови, що всі місця з'єднань, що з'явилися при цьому, знаходяться при однаковій температурі, що результує термо ЕРС в контурі, не зміниться. Це використовується для вимірювання величини термоЕРС термопари. Виникає в термопарах ЕРС невелика: вона менша за 8 мВ на кожні 100° З і, як правило, не перевищує по абсолютній величині 70 мВ.

За допомогою термопар можна вимірювати температури в інтервалі від -270 до 2200° Для вимірювання температур до 1100 0С використовують термопари з

неблагородних металів для вимірювання температури в межах 1100 до 1600° С – термопари з благородних металів, а також сплавів платинової групи. Для виміру ще більш високих температур служать термопари із жаростійких сплавів на основі вольфраму.

Нині найчастіше виготовлення термопар використовують платину, платинородий, хромель, алюмель.

При вимірі температури у широкому інтервалі необхідно враховувати нелінійність функції перетворення термопари. Наприклад, функція перетворення мідь-константанових термопар для діапазону температури від -200 до 300° З похибкою, приблизно, ± 2 мкВ описується формулою

E = At^2 + Bt + C,

де A, B і C - постійні, які визначаються шляхом вимірювання термо ЕРС при трьох температурах, t - температура робочого спаю при°С.

Постійна часу (інерційність) термоелектричних перетворювачів залежить від конструкції термопари, якості теплового контакту робочого спаю термопари та об'єкта, що досліджується. Для промислових термопар постійна часу становить кілька хвилин. Однак існують і малоінерційні термопари, у яких постійна часу лежить у межах 5 – 20 секунд і навіть нижче.

Вимірювальний прилад підключається до контуру термопари у вільний кінець термопари та один із термоелектродів.

Як зазначено вище, при вимірюванні температури вільний кінець термопари повинні бути при постійній температурі. Якщо довжини самої термопари недостатньо, то щоб відвести цей кінець у зону з постійною температурою, застосовують дроти, що складаються з двох жил, виготовлених із матеріалів (металів), що мають однакові термоелектричні властивості з електродами термометра.

Для термопар з неблагородних металів подовжують дроти виготовляються найчастіше з тих же матеріалів, що й основні термоелектроди. Для термопар зі шляхетних металів подовжуючі дроти виконуються з інших (не дорогих) матеріалів, що розвиваються в парі між собою в інтервалі температур 0 - 150° З тієї ж термо ЕРС, що й електроди термопари. Наприклад, для термопари платина - платинородий подовжувальні термоелектроди роблять з міді та спеціального сплаву, які утворюють термопару, ідентичну за термо ЕРС термопаре платина-платинородій в інтервалі 0 - 150° З. Для термопари хромель - алюмель подовжувальні термоелектроди виготовляють із міді і константану, а термопари хромель - копель подовжувальними можуть бути основні термоелектроди, виконані як гнучких проводів. Якщо неправильно підключити подовжувальні термоелектроди, може виникати істотна похибка.

В лабораторних умовах температура вільного кінця термопари підтримується 0° З шляхом поміщення його в посудину Дьюара, наповнений стовченим льодом з водою. У промислових умовах температура вільних кінців термопари зазвичай відрізняється від 0° С і зазвичай дорівнює кімнатній температурі (температурі в приміщенні). Так як градуювання термопар здійснюється при температурі вільних кінців.° С та таблиці градуювання наводяться щодо 0° З, ця відмінність може бути джерелом істотної похибки; для зменшення зазначеної похибки, як правило, вводять поправку до показань термометра. При виборі поправки враховуються як температура вільних кінців термопари, і значення вимірюваної температури (це пов'язані з тим, що функція перетворення термопари нелинейна); це ускладнює точну корекцію похибки.

Для усунення похибки широко застосовується автоматичне запровадження поправки на температуру вільних кінців термопари. Для цього в ланцюг термопари та мілівольтметра включається міст, одним із плеч якого є мідний терморезистор, а решта плечей утворена манганіновими терморезисторами. При температурі вільних кінців термопари, що дорівнює 0° С, міст перебуває у рівновазі; при відхиленні температури вільних кінців термопари від 0° З напруга на виході мосту не дорівнює нулю і складається з термо ЕРС термопари, при цьому вносячи поправку до показань приладу (значення поправки можна регулювати спеціальним резистором). Внаслідок нелінійності функції перетворення термопари повної компенсації похибки не вдається досягти, але зазначена похибка суттєво зменшується.

Насправді при використанні термопари найчастіше застосовуються такі схеми підключення (залежно від необхідної точності). Наприклад взята термопара мідь (М) - константан (К):

9.1. Мета роботи

Визначення залежності термоелектрорушійної сили термопар від різниці температур спаїв.

У замкненому ланцюгу (рис. 9.1), що складається з різнорідних провідників (або напівпровідників) А і В, виникає електрорушійна сила (е.д.с.) Е T і тече струм, якщо контакти 1 і 2 цих провідників підтримуються за різних температур T 1 та T 2 . Ця е.р.с. називається термоелектрорушійною силою (термо-е.д.с), а електричний ланцюг з двох різнорідних провідників називається термопарою. При зміні знака різниці температур спаїв змінюється напрямок струму термопари. Це
явище називається явищем Зеєбека.

Відомі три причини виникнення термо-ЕРС: утворення спрямованого потоку носіїв зарядів у провіднику за наявності градієнта температур, захоплення електронів фононами та зміна положення рівня Фермі залежно від температури. Розглянемо ці причини докладніше.

За наявності градієнта температури dT/dl вздовж провідника електрони на гарячому його кінці мають більшу кінетичну енергію, а значить і більшу швидкість хаотичного руху в порівнянні з електронами холодного кінця. В результаті виникає переважний потік електронів від гарячого кінця провідника до холодного, холодному кінці накопичується негативний, але в гарячому залишається некомпенсированный позитивний заряд.

Накопичення триває до тих пір, поки різниця потенціалів, що виникла, не викличе рівний потік електронів. Алгебраїчна сума таких різниць потенціалів у ланцюзі створює об'ємну складову термо-е.д.с.

Крім цього, наявний градієнт температури у провіднику призводить до виникнення переважного руху (дрейфу) фононів (квантів коливальної енергії). кристалічних ґратпровідника) від гарячого кінця до холодного. Існування такого дрейфу призводить до того, що електрони, що розсіюються на фононах, самі починають здійснювати спрямований рух від гарячого кінця до холодного. Накопичення електронів на холодному кінці провідника та збіднення електронами гарячого кінця призводить до виникнення фононної складової термо-е.д.с. Причому за низьких температур внесок цієї складової є основним у виникненні термо-е.д.с.

Внаслідок обох процесів усередині провідника виникає електричне поле, спрямоване назустріч градієнту температури. Напруженість цього поля можна у вигляді

E = -dφ / dl = (-dφ / dT) · (-dt / dl) = -β · (-dT / dl)

де β = dφ/dT.

Співвідношення (9.1) пов'язує напруженість електричного поля E з градієнтом температури dT/dl. Поле, що виникає, і градієнт температури мають протилежні напрямки, тому вони мають різні знаки.

Визначається виразом (9.1) поле є полем сторонніх сил. Проінтегрувавши напруженість цього поля по ділянці ланцюга АВ (рис 9.1) від спаю 2 до спаю 1 і припускаючи, що T 2 > T 1 отримаємо вираз для термо-е.д.с, що діє на цій ділянці:

(Знак змінився при зміні меж інтегрування.) Аналогічно визначимо термо-е.д.с., що діє на ділянці від спаю 1 до спаю 2.

Третя причина виникнення термо-е.д. залежить від температури положення рівня Фермі, що відповідає найвищому енергетичному рівню, зайнятому електронами. p align="justify"> Рівню Фермі відповідає енергія Фермі E F , яку можуть мати електрони на цьому рівні.

Енергія Фермі - максимальна енергія, яку можуть мати електрони провідності в металі при 0 К. Рівень Фермі буде тим вищим, чим більша щільність електронного газу. Наприклад (рис.9.2), E FA – енергія Фермі для металу A, а E FB – для металу В. Значення E PA і E PB – це найбільша потенційна енергія електронів у металах А та В відповідно . При контакті двох різнорідних металів А і наявність різниці рівнів Фермі (E FA > E FB) призводить до виникнення переходу електронів з металу А (з більш високим рівнем) в метал В (з низьким рівнем Фермі).

При цьому метал А заряджається позитивно, а метал негативно. Поява цих зарядів викликає усунення енергетичних рівнів металів, зокрема рівнів Фермі. Як тільки рівні Фермі вирівнюються, причина, що викликає перехід електронів з металу А в метал, зникає, і між металами встановлюється динамічна рівновага. З рис. 9.2 видно, що потенційна енергія електрона в металі А менше, ніж у величину E FA - E FB . Відповідно потенціал усередині металу А вищий, ніж усередині В, на величину)

U AB = (E FA - E FB) / l

Це вираз дає внутрішню контактну різницю потенціалів. На таку величину зменшується потенціал при переході з металу А до металу В. Якщо обидва спаї термопари (див. рис. 9.1) знаходяться при одній і тій же температурі, то контактні різниці потенціалів рівні та спрямовані в протилежні сторони.

І тут вони компенсують друг друга. Відомо що рівень Фермі хоч і слабкий, але залежить від температури. Тому, якщо температура спаїв 1 і 2 різна, то різниця U AB (T 1) - U AB (T 2) на контактах дає свій контактний внесок у термо-е.д.с. Він може бути порівняний з об'ємною термо-е.д.с. і дорівнює:

E конт = U AB (T 1) - U AB (T 2) = (1/l) · ( + )

Останній вираз можна представити так:

Результати термо-е.д.с. (ε T) складається з е.д.с, що діють в контактах 1 і 2 та е.д.с, що діють на ділянках А та В.

E T = E 2A1 + E 1B2 + E конт

Підставивши в (9.7) вирази, (9.3) та (9.6) і проводячи перетворення, отримаємо

де α = β - ((1/l) ·(dE F / dT))

Розмір α називається коефіцієнтом термо-э.д.с. Оскільки і β і dE F / d T залежить від температури, то коефіцієнт α також є функцією Т.

Взявши до уваги (9.9), вираз для термо-ЕРС можна подати у вигляді:

Величину α AB називають диференціальноїабо у діловий термо-ЕРСцієї пари металів. Вимірюється вона у В/К і істотно залежить від природи контактуючих матеріалів, а також інтервалу температур, досягаючи порядку 10 -5 ÷10 -4 В/К. У невеликому інтервалі температур (0-100 ° С) питома термо-е.д.с. слабко залежить від температури. Тоді формулу (9.11) можна з достатнім ступенем точності подати у вигляді:

E T = α · (T 2 - T 1)

У напівпровідниках, на відміну металів, існує сильна залежність концентрації носіїв зарядів та його рухливості від температури. Тому розглянуті вище ефекти, що призводять до утворення термо-е.д.с, виражені у напівпровідниках сильніше, питома термо-е.д.с. значно більше і досягає значень порядку 10-3 В/К.

9.3. Опис лабораторної установки

Для вивчення залежності термо-е.д. від різниці температур спаїв (контактів) у справжній роботі використовується термопара, виготовлена з двох відрізків дроту, один із яких є сплавом основі хрому (хромель), а інший сплавом основі алюмінію (алюмель). Один спай разом з термометром поміщений у посудину з водою, температура T 2 якої може бути змінена шляхом нагрівання на електроплитці. Температура іншого спаю T1 підтримується постійною (рис.9.3). Виникаюча термо-е.д.с. вимірюється цифровим вольтметром.

9.4. Методика проведення експерименту та обробка результатів
9.4.1. Методика експерименту

У роботі використовуються прямі вимірювання, що виникає в термопарі е.д.с. Температура спаїв визначається за температурою води в судинах термометром (див. рис. 9.3)

9.4.2. Порядок виконання роботи

Увімкніть мережний шнур вольтметра.
Натисніть на мережу на передній панелі цифрового вольтметра. Дайте прогрітися приладу протягом 20 хвилин.
Відпустіть гвинт затиску на стійці термопари, підніміть вгору і закріпіть. Налийте в обидві склянки холодну воду. Відпустіть спаї термопари у склянки приблизно на половину глибини води.
Запишіть у табл. 9.1 значення початкової температури T 1 спаїв (води) за термометром (для іншого спаю вона залишається постійною протягом усього експерименту).
Увімкніть електроплитку.
Записуйте значення е.р.с. та температури T 2 у табл. 9.1 через кожних десять градусів.
При закипанні води вимкніть електроплитку та вольтметр.

9.4.3. Обробка результатів вимірювань

За даними вимірювань побудуйте графік залежності е.р.с. термопари 8Т (вісь ординат) від різниці температур спаїв ΔT = T 2 - T 1 (вісь абсцис).
Користуючись отриманим графіком лінійної залежності Е T від ∆T, визначте питому термо-е.д.с. за формулою: α = ΔET / Δ(ΔT)

9.5. Перелік контрольних питань

У чому полягає сутність та яка природа явища Зеєбека?
Чим зумовлено виникнення об'ємної складової термо-е.д.с?
Чим зумовлене виникнення фононної складової термо-е.д.с?
Чим зумовлено виникнення контактної різниці потенціалів?
Які пристрої називаються термопарами та де вони застосовуються?
У чому полягає сутність і яка природа явищ Пельтьє та Томсона?

Савельєв І. В. Курс загальної фізики. Т.3. - М: Наука, 1982. -304 c.
Єпіфанов Г. І. Фізика твердого тіла. М.: Вища школа, 1977. – 288 с.
Сівухін Д. В. Загальний курс фізики. Електрика. Т.3. - М: Наука, 1983. -688 c.
Трофімова Т. І. Курс фізики. М.: Вища школа, 1985. – 432 с.
Детлаф А. А., Яворський В. М. Курс фізики. М.: Вища школа, 1989. – 608 с.

Термоелектричні перетворювачі. Принцип дії, які застосовуються матеріали.

Тепловим називається перетворювач, принцип дії якого заснований на теплових процесах та природною вхідною величиною якого є температура. До таких перетворювачів відносяться термопарита терморезистори, металеві та напівпровідникові. Основним рівнянням теплового перетворення є рівняння теплового балансу, фізичний зміст якого полягає в тому, що все тепло, що надходить до перетворювача, йде на підвищення його теплозмісту QТС і, отже, якщо теплозміст перетворювача залишається незмінним (не змінюється температура та агрегатний стан), то кількість тепла, що надходить в одиницю часу, дорівнює кількості віддається тепла. Тепло, що надходить до перетворювача, є сумою кількості тепла Qел, створюваного в результаті виділення в ньому електричної потужності, і кількості тепла Qто, що надходить у перетворювач або віддається їм в результаті теплообміну з навколишнім середовищем.

Явище термоелектрики було відкрито 1823 р. Зеєбеком і у наступному. Якщо скласти ланцюг із двох різних провідників (або напівпровідників) А і В, з'єднавши їх між собою кінцями (рис. 1.), причому температуру одного місця з'єднання зробити відмінною від температури про інше, то в ланцюзі з'явиться е.д.с. , звана термоелектрорушійною силою (термо-е.д.с.) і є різницею функцій температур, місць з'єднання провідників.

Подібний ланцюг називається термоелектричним перетворювачем або інакше термопарою; провідники, що становлять термопару, - термоелектродами, а місця їхнього з'єднання - спаями.

Рис.1.

При невеликому перепаді температури між спаями термо-е.д.с. можна вважати пропорційною різниці температур.

Досвід показує, що у будь-якої пари однорідних провідників, що підкоряються закону Ома, величина термо-е.д.с. залежить тільки від природи провідників та від температури спаїв та не залежить від розподілу температур між спаями.

Дія термопари ґрунтується на ефекті Зеєбека. Ефект Зеєбека ґрунтується на таких явищах. Якщо вздовж провідника існує градієнт температур, електрони на гарячому кінці видобувають вищі енергії та швидкості, ніж холодному. У результаті виникає потік електронів від гарячого кінця до холодного, і холодному кінці накопичується негативний заряд, але в гарячому залишається некомпенсированный позитивний заряд. Оскільки середня енергія електронів залежить від природи провідника і по-різному зростає з температурою, за тієї ж різниці температур термоЕРС на кінцях різних провідників відрізнятимуться:

E1 = k1 (T1 - T2); e2 = k2(T1 - T2)

Де Т1 і Т2 - температури гарячого та холодного кінців відповідно; k1 та k2 –коефіцієнти, що залежать від фізичних властивостейвідповідно 1-го та 2-го провідників. Результуюча різниця потенціалів називається об'ємною термоЕРС:

Eоб = e1 - e2 = (k1 - k2) (T1 - T2).

У місцях спайки різнорідних провідників з'являється контактна різниця потенціалів, яка залежить від площі та матеріалів прилеглих поверхонь та пропорційна їх температурі:

Ek1 = kповT1; ek2 = kповT2

Де kпов – коефіцієнт поверхонь дотичних металів. У результаті з'являється друга складова вихідної напруги - контактна термоЕРС:

Ek = ek1 - ek2 = kпов (T1 - T2)

Напруга на виході термопари визначається як сума об'ємної та контактної термо-ЕРС:

Uвих = еоб + ek = (k1 - k2 + kпов) (T1 - T2) = к (T1 - T2)

Де до – коефіцієнт передачі.

Недоліки термопари:

Мінімальна чутливість (порядку 0,1 мВ/°К);
- Високий вихідний опір;
- Необхідність підтримки постійної температури одного з кінців.

Явище термоелектрики належить до оборотних явищ, зворотний ефект було відкрито 1834 р. Жаном Пельтьє і його ім'ям.
Якщо через ланцюг, що складається з двох різних провідників або напівпровідників, пропустити електричний струм, то тепло виділяється в одному спаї та поглинається в іншому. Теплота Пельтьє пов'язана з силою струму лінійною залежністю на відміну від теплоти Джоуля, і в залежності від напрямку струму відбувається нагрівання або охолодження спаю.
Теплова потужність, що поглинається або виділяється, пропорційна силі струму, залежить від природи матеріалів, що утворюють спай, характеризується коефіцієнтом Пельтьє.

К.п.д. Термоелектричний генератор залежить від різниці температур і властивостей матеріалів і для існуючих матеріалів дуже малий (при = 300 ° не перевищує = 13%, а при = 100 ° значення = 5%), тому термоелектричні генератори використовуються як генератори енергії лише в спеціальних умовах. К.п.д. термоелектричного підігрівача та холодильника також дуже малі, і для охолодження к.п.д. при температурному перепаді 5 ° становить 9%, а при перепаді 40 ° - тільки 0,6%; однак, незважаючи на такі низькі к.п.д., термоелементи використовуються в холодильних пристроях. У вимірювальній техніці термопари набули широкого поширення для вимірювання температур; крім того, напівпровідникові термоелементи використовуються як зворотні теплові перетворювачі, що перетворюють електричний струм на тепловий потік і температуру.

Термопара з підключеним до неї мілівольтметром, що застосовується для вимірювання температури.
Якщо один спай термопари, званий робітником, помістити в середу з температурою 1, що підлягає вимірюванню, а температуру 2, інших, неробочих, підтримувати спаїв постійної, то f(0) = const і EAB(1) = f(1) – C= f1(1). незалежно від цього, яким чином проведено з'єднання термоэлектродов (спайкою, зварюванням тощо. буд.). Таким чином, природною вхідною величиною термопар є температура її робочого спаю, а вихідною величиною - термо-е. д. с., яку термопара розвиває при строго постійній температурі 2 неробочого спаю.

Матеріали для термопар. У табл. 1 наведені термо-е.д.с., які розвиваються різними термоелектродами в парі з платиною при температурі робочого спаю 1 = 100°С та температурі неробочих спаїв 2 = 0° С. Залежність термо-е.д.с. від температури у широкому діапазоні температур зазвичай нелінійна, тому дані таблиці не можна поширити більш високі температури.

Таблиця 1.

Матеріал	Термо-ЕДС, мВ	Матеріал	Термо-ЕДС, мВ



		Алюміній


Молібден
		Паладій
Вольфрам
Манганін

		Константан


		Молібден

При користуванні даними таблиці слід мати на увазі, що термоелектродами термо-е.д.с. значною мірою залежать від найменших домішок, механічної обробки (наклеп) та термічної обробки (загартування, відпал).

При конструюванні термопар, звичайно, прагнуть поєднувати термо-електроди, один з яких розвиває з платиною позитивну, а інший - негативну термо-е.д.с. При цьому необхідно враховувати також придатність того чи іншого термоелектрода для застосування в заданих умовах вимірювання (вплив на термоелектрод середовища, температури тощо).
Для підвищення вихідного е.д.с. використовується кілька термопар, що утворюють термобатарею. Робочі спаї термопар розташовані на чорненому пелюсті, що поглинає випромінювання, холодні кінці - на масивному мідному кільці, що служить тепловідведенням та прикритим екраном. Завдяки масивності та хорошій тепловіддачі кільця температуру вільних кінців можна вважати постійною та рівною кімнатною.

Похибки та виправлення вимірювань термопарою.

Вимірювальний прилад або електронну вимірювальну систему підключають або до кінця термоелектродів (рис. 2, а), або в розрив одного з них (рис. 2, б).

Рис.2 Підключення вимірювального приладу до термопари

Похибка обумовлена зміною температури неробочих спаїв термопари. Градуювання термопар здійснюється за температури неробочих спаїв, що дорівнює нулю. Якщо при практичному використанні термоелектричного пірометра температура неробочих спаїв буде відрізнятися від 0° на величину 0, то необхідно ввести відповідну поправку у показання термометра.

Однак слід мати на увазі, що через нелінійну залежність між е.д.с. термопари і температурою робочого спаю величина поправки до показань покажчика, градуйованого безпосередньо в градусах, не буде дорівнювати різниці температур 0 вільних кінців.
Розмір поправки пов'язані з різницею температур вільних кінців через коефіцієнт k званий поправочним коефіцієнтом на температуру неробочих кінців. Величина k різна для кожної ділянки кривої, тому кривувальну криву поділяють на ділянки по 100° С і для кожної ділянки визначають значення k.

Недоліком подібних пристроїв є необхідність джерела струму для живлення мосту і поява додаткової похибки, обумовленої зміною напруги цього джерела.

Похибка, обумовлена зміною температури лінії, термопари та вказівника. У термоелектричних термометрах для вимірювання термо-е.д. застосовують як звичайні мілівольтметри, так і низькоомні компенсатори з ручним або автоматичним врівноваженням на межу виміру до 100 мВ.

У випадках, коли термо-э.д.с. вимірюється компенсатором, опір ланцюга термо-е.д.с., як відомо, ролі не грає. У тих випадках, коли термо-э.д.с. вимірюється мілівольтметром, може виникнути похибка, обумовлена зміною опорів всіх елементів, що становлять ланцюг термо-е.д.с.; тому необхідно прагнути постійного значення опору проводів і самої термопари

Промислові термопари

Основні параметри термопар промислового типу:

Таблиця 2

Позначення термопари	Позначення термоелектродів	Матеріали	Межі виміру при тривалому застосуванні	Верхня межа вимірювань при короткочасному застосуванні
		Платинородій (10% родію) платина	Від -20 до 1300
		Платинородій (30% родію)
		Хромель-алюмель
		Хромель-копель

Для вимірювання температур нижче - 50 ° С можуть знайти застосування спеціальні термопари, наприклад мідь - константан (до ~ - 270 ° С), мідь - крапель (до - 200 ° С) і т. д. Для вимірювання температур вище 1300-1800 ° З виготовляються термопари на основі тугоплавких металів: іридій-ренійіридій (до 2100 ° С), вольфрам-реній (до 2500 ° С), на основі карбідів перехідних металів - титану, цирконію, ніобію, талію, гафнію
(теоретично до 3000-3500 ° С), на основі вуглецевих та графітових волокон.
Градуювальні характеристики термопар основних типів наведено у табл. 3. У цій таблиці вказана температура робочого спаю в градусах
Цельсія та наведені величини термо-е.д.с. відповідних термопар в мілівольтах при температурі вільних кінців 0°.

Таблиця 3

Позначення градуювання	Температура робітника спаю
	12.2, 16.40, 20.65, 24.91, 33.32, 41.26, 48.87
	2.31, 3.249, 4.128, 5.220, 7.325, 9.564, 11.92, 14.33, 16.71
	4.913, 6.902, 9.109, 11.47, 13.92

Допускаються відхилення реальних термо-е.д.с. від значень, наведених у табл. 3 на величини, зазначені в табл. 4.

Таблиця 4

Конструкція термопари промислового типу. Це термопара з термоелектродами з неблагородних металів, які розташовані в складовій захисній трубі з рухомим фланцем для її кріплення. Робочий спай термопар ізольований наконечником. Термоелектрод ізольовані брусами. Захисна труба складається з робочої та неробочої ділянок. Пересувний фланець кріпиться до труби гвинтом. Головка термопари має литий корпус із кришкою, закріпленою гвинтами; У головці укріплені фарфорові колодки (гвинтами) плаваючими (незакріпленими) затискачами, які дозволяють термоелектродам подовжуватися під впливом температури без виникнення механічних напруг, що ведуть до швидкого руйнування термоелектродів. Термоелектроди кріпляться до цих затискачів гвинтами, а сполучні дроти - гвинтами. Ці дроти проходять через штуцер з азбестовим ущільненням.

Для термопар із благородних металів часто застосовують неметалеві труби (кварцові, фарфорові тощо), проте такі труби механічно неміцні та дорогі. Фарфорові труби належного складу можна використовувати при температурі до 1300-1400°С.
Як ізоляція термоелектродів один від одного застосовують азбест до 300° С, кварцові трубки або намисто до 1000° С, фарфорові труби 1300 С. Для лабораторних термопар, що використовуються при вимірі низьких температур, застосовують також теплостійку гуму до 150° С, шовк до 10 -120 ° С, емаль до 150-200 ° С.

Методи контактних електровимірювань середніх та високих температур за допомогою термопар

Середніми в термометрії вважаються температури від 500 (початок світіння) до 1600 ° С (біле гартування), а високими від 1600 до 2500 ° С, до яких вдається поширити термоелектричний метод з використанням високотемпературних, жаростійких матеріалів.
Принцип термоелектричного методу та основні властивості термоелектродів були розглянуті вище у п. 1. Основним питанням при використанні цього методу для вимірювання середніх та високих температур є захист термоелектродів від руйнівного хімічного та термічного впливу середовища. Для цього термопари забезпечуються захисною арматурою у вигляді чохлів, трубок або ковпачків із вогнетривких матеріалів. Головна вимога до захисної оболонки – висока щільність будови та температурна стійкість.

При вимірі температур нижче 1300 ° С використовуються фарфорові чохли, при більш високих температурах - ковпачки з тугоплавких матеріалів (такі як корунд, окису алюмінію, берилію або торію), заповнені інертним газом.

Залежність термін служби термопар від пористості захисної оболонки.

При вимірі температури поверхні тіл особливу складність становить контакт робочого спаю термопари з поверхнею нагрітого тіла.
Для поліпшення контакту використовують термопари, робочий спай яких виконаний у вигляді стрічки або пластини. Така конфігурація робочого спаю при деформації дозволяє відтворювати поверхню об'єкта вимірювання.

Для вимірювання температур до 2000-2500 ° С використовуються вольфрамові або іридієві термопари. Особливістю їх застосування є вимірювання у вакуумі, в інертному або відновному середовищі, оскільки на повітрі вони окислюються. Чутливість вольфрамомолібденової термопари становить 7 мкВ/К, а вольфрамо-ренієвої 13 мкВ/К.
В умовах високих температур застосовуються термопари з вогнетривких матеріалів (пари карбід титану – графіт, карбід цирконію – борид цирконію та дисиліцид молібдену – дисіліцид вольфраму). У таких термопарах усередині циліндричного електрода (діаметр близько 15 мм) є другий електрод-стрижень, з'єднаний з першим електродом на одному кінці трубки.

Чутливість термопар з вогнетривких матеріалів досягає 70 мкВ/К, проте їх застосування обмежене інертними та відновлювальними середовищами.
Для вимірювання температури розплавленого металу термопарами з благородних металів використовується метод, що полягає в зануренні термопари в метал на час, безпечний для її працездатності. При цьому термопара на короткий час (0,4-0,6 с) занурюється в контрольоване середовище та вимірюється швидкість наростання температури робочого спаю. Знаючи залежність між швидкістю нагрівання термопари (її теплову інерційність) і температурного середовища, можна розрахувати значення температури, що вимірюється. Цей метод застосовується для вимірювання розплавленого металу (2000-2500°С) та газового потоку (1800°С).

Термопара (термоелектричний перетворювач) - пристрій, що застосовується для вимірювання температури в промисловості, наукових дослідженнях, медицині, системах автоматики.

Принцип дії ґрунтується на ефекті Зеєбека або, інакше, на термоелектричному ефекті. Між з'єднаними провідниками є контактна різниця потенціалів; якщо стики пов'язаних у кільце провідників знаходяться за однакової температури, сума таких різниць потенціалів дорівнює нулю. Коли ж стики знаходяться за різних температур, різниця потенціалів між ними залежить від різниці температур. Коефіцієнт пропорційності у цій залежності називають коефіцієнтом термо-ЕРС. У різних металів коефіцієнт термо-ЕРС різний і, відповідно, різниця потенціалів, що виникає між кінцями різних провідників, буде різною. Поміщаючи спай з металів з відмінними від нуля коефіцієнтами термо-ЕРС у середу з температурою Т 1 ми отримаємо напругу між протилежними контактами, що знаходяться при іншій температурі Т 2 , яке буде пропорційно різниці температур Т 1 та Т 2 .

Переваги термопар

Висока точність вимірювання значень температури (до ±0,01 °С).
Великий температурний діапазон вимірювання: від –250 °C до +2500 °C.
Простота.
Дешевизна
Надійність

Для отримання високої точності вимірювання температури (до ±0,01 °С) потрібне індивідуальне градуювання термопари.
На показання впливає температура вільних кінців, яку необхідно вносити поправку. У сучасних конструкціях вимірювачів на основі термопар використовується вимірювання температури блоку холодних спаїв за допомогою вбудованого термістора або напівпровідникового датчика та автоматичне введення виправлень до вимірюваної ТЕРС.
Ефект Пельтьє (у момент зняття показань необхідно виключити протікання струму через термопару, оскільки струм, що протікає через неї, охолоджує гарячий спай та розігріває холодний).
Залежність ТЕРС від температури значно нелінійна. Це створює труднощі розробки вторинних перетворювачів сигналу.
Виникнення термоелектричної неоднорідності внаслідок різких перепадів температур, механічних напруг, корозії та хімічних процесіву провідниках призводить до зміни градуювальної характеристики та похибок до 5 К.
На великій довжині термопарних та подовжувальних проводів може виникати ефект «антени» для електромагнітних полів.

Технічні вимоги до термопар визначаються ГОСТ 6616-94. Стандартні таблиці для термоелектричних термометрів (НСХ), класи допуску та діапазони вимірювань наведені у стандарті МЕК 60584-1,2 та у ГОСТ Р 8.585-2001.

платинородій-платинові - ТПП13 - Тип R
платинородій-платинові - ТПП10 - Тип S
платинородій-платинородієві - ТПР - Тип B
залізо-константанові (залізо-мідьнікелеві) ТЖК - Тип J
мідь-константанові (мідь-мідьнікелеві) ТМКн - Тип Т
нихросіл-нісилові (нікельхромнікель-нікелькремнієві) ТНН - Тип N.
хромель-алюмелеві - ТХА - Тип K
хромель-константанові ТХКн - Тип E
хромель-копелі - ТХК - Тип L
мідь-капеляві - ТМК - Тип М
сильх-силінові - ТСС - Тип I
вольфрам і реній - вольфрамренієві - ТВР - Тип А-1, А-2, А-3

Для використання онлайн калькулятора в полі Термо-ЕРС (мВ) необхідно ввести значення термоЕРС термопари, так само слід враховувати, що температура відображатиметься без урахування температури навколишнього середовища. Для зручності користування калькулятором онлайн в полі «Температура окруж. середовища» необхідно ввести температуру навколишнього середовища в °С і всі показання будуть з витіканням температури навколишнього середовища.

Онлайн калькуляторпереведення термо-ЕРС у температуру (°С) для термопари типу хромель-алюмель ТХА - Тип K.

Онлайн калькулятор

типу хромель-алюмель ТХА - Тип K.

Онлайн калькуляторпереведення термо-ЕРС у температуру (°С) для термопари типу

хромель-копель ТХK - Тип L.