Глава 10 термоэлектрические датчики

§ 10.1. Принцип действия

Термоэлектрические датчики относятся к датчикам генераторного типа. Их работа основана на одном из термоэлектрических явлений — появлении термоэлектродвижущей силы (термо-ЭДС).

Сущность этого явления заключается в следующем. Если составить электрическую цепь из двух разнородных металлических проводников (или полупроводников), причем с одного конца проводники спаять, а место соединения (спай) нагреть, то в такой цепи возникает ЭДС. Эта ЭДС будет пропорциональна температуре места спая (точнее — разности температур места спая и свободных, неспаянных концов). Коэффициент пропорциональности зависит от материала проводников и в определенном интервале температуры остается постоянным. Цепь, составленная из двух разнородных материалов, называется термопарой; проводники, составляющие термопару, называются термоэлектродами; места соединения термоэлектродов —спаями. Спай, помещаемый в среду, температуру которой надо измерить, называется горячим или рабочим. Спай, от носительно которого измеряется температура, называется холодным или свободным. Возникающая при различии температур горячего и холодного спаев ЭДС называется термоЭДС. По значению этой термоЭДС можно определить температуру.

Физическая сущность возникновения термоЭДС объясняется наличием свободных электронов в металлах. Эти свободные электроны хаотически движутся между положительными ионами, образующими остов кристаллической решетки. В разных металлах

свободные электроны обладают при одной и той же температуре разными скоростью и энергией. При соединении двух разнородных металлов (электродов) свободные металлы из одного электрода проникают в другой. При этом металл с большей энергией и скоростью свободных электронов больше их теряет. Следовательно, он приобретает положительный потенциал. Металл с меньшей энергией свободных электро-

нов приобретает отрицательный потенциал. Возникает контактная разность потенциалов. При одинаковой температуре спаев (0₁= 0₂ на рис. 10.1, а) контактная разность потенциалов не может создать тока в замкнутой цепи. Контактная разность в спае / направлена навстречу контактной разности в спае 2. Но если нагреть один из спаев (рабочий) до температуры 0₁>0₂, то контактная разность в спае 1 увеличится, а в спае 2 останется без изменения. В результате в контуре и возникает термоЭДС, тем большая чем больше разность температур спаев 1 и 2 (0,—8₂).

Для измерения термоЭДС, вырабатываемой термопарой, в цепь термопары включают измерительный прибор (например, милливольтметр). Милливольтметр включают, разомкнув свободный спай (рис. 10.1, б), либо в разрыв одного из термоэлектродов (рис.10.1, в). Как видно из схем включения измерительного прибора в случае разомкнутого свободного спая (рис. 10.1, б) у термопары три спая: один горячий 1 и два холодных 2 и 3, которые должны иметь постоянную температуру. При включении милливольтметра в разрыв одного из термоэлектродов (рис. 10.1, в) имеется четыре спая: один горячий /, один холодный 2 (он должен иметь постоянную температуру), два нейтральных 3 и 4 (они должны находиться при одинаковой, но не обязательно постоянной температуре). Для обеих схем термоЭДС и показания прибора будут одинаковыми, если соответственно одинаковыми будут температуры горячих и' холодных спаев. В этом нетрудно убедиться, если составить уравнения по второму закону Кирхгофа для каждого из контуров.

Способ изготовления спая (сваркой, спайкой и т. п.) на термо-ЭДС не влияет, если только размеры спая таковы, что температура его во всех точках одинакова.

ТермоЭДС, вырабатываемая термопарой, составленной из электродов А и В, является разностью двух термоЭДС: —тер-моЭДС горячего спая при температуре —термоЭДС холодного спая при температуре 02, т. е.

Значения термоЭДС и ее направление зависят от материалов электродов А и В.

В табл. 10.1 приведены термоЭДС для разных материалов в паре с платиной при температуре горячего спая 100°С (373 К) и температуре холодного спая 0°С (273К). Знак плюс перед термоЭДС означает, что в холодном спае ток идет по направлению к платиновому электроду.

Если составить термопару из материалов, которые по отношению к платине имеют термоЭДС разных знаков, то термоЭДС такой термопары будет равна сумме термоЭДС материалов по отношению к платине. Например, из табл. 10.1 берем данные для термоЭДС меди в паре с платиной +0,76 мВ и термоЭДС сплава копель в паре с платиной — 4,0 мВ. Термопара медь-копель на основании уравнения (10.1) будет иметь термоЭДС Е_АВ — 0,76— (—4) = = +4,76 мВ. Материалы для термопар следует подбирать таким образом, чтобы термоЭДС имели достаточно большие значения, обеспечивающие высокую чувствительность измерения.