RAPID ANALYSIS OF METAL

Явление термоэлектричества было открыто немецким физиком Т.Зеебеком в 1821 г. и состоит в следующем. Если соединить два проводника (термоэлектрода) из разнородных металлов или сплавов таким образом, чтобы они образовали замкнутую электрическую цепь и затем поддерживать места контактов (спаи) при различной температуре, то в цепи будет протекать постоянный ток. Говорят, что термоэлектрод А положителен по отношению к В, если ток течет от А к В в более холодном из двух контактов. Электродвижущая сила, вызывающая этот ток, называется термоЭДС Зеебека и зависит только от материала термоэлектродов и разности температуры спаев.

E=α(T2-T1),

где α – коэффициент пропорциональности (коэффициент Зеебека).

Измерение температуры с помощью термопар основывается на нормированных калибровочных характеристиках термопар и законах термоэлектричества, установленных опытным путем.

  1. Закон внутренних температур. Наличие температурного градиента в однородном проводнике не приводит к возникновению электрического тока. Таким образом, термоЭДС определяется только разностью температур в местах контакта различных проводников.
  2. Закон промежуточных проводников. Пусть два однородных проводника из металлов А и В образуют термоэлектрическую цепь с контактами, имеющими температуры Т1 и Т2. В разрыв проводника А включается проводник из металла Х, и образуются два новых контакта — J1 и J2. Если температура проводника Х одинакова по всей длине, то результирующая термоЭДС цепи не изменится. Этот важный закон позволяет:
    1. спаивать (а не сваривать) концы электродов,
    2. использовать  удлинительные провода для подключения термопар к измерительным приборам.
  3. Закон промежуточной температуры. Если в цепи, образованной двумя термоэлектродами из разнородных металлов, индуцируется термоЭДС Е1 при температурах контактов Т1 и Т2 и термоЭДС Е2 при температурах контактов Т2 и Т3, то при температурах Т1 и Т3 ЭДС будет равна Е1+Е2. Это означает, что градуировочные таблицы можно использовать и при температуре опорного контакта, не равной 0°С
  4. Закон аддитивности термоЭДС. Если известны термоЭДС металлов А и В в паре с опорным металлом R, то термоЭДС пары А с В будет равна их сумме. Это означает, что можно создавать нестандартные комбинации термоэлектродов и по-прежнему пользоваться для них градуировочными таблицами. При подключении термопар к измерительным устройствам обязательно возникают дополнительные контакты между термопарой и соединительными проводниками. Допустим, мы хотим подключить термопару медь-константан с рабочим спаем J1, имеющим температуру Т1, и свободными концами с температурой Т2, к вольтметру медными проводниками и непосредственно измерить термоЭДС. В этом случае показания вольтметра не будут соответствовать истинной разности температур Т1 и Т2 для термопары медь-константан, поскольку, подсоединив термопару, мы получим два новых контакта J2 и J3 с температурами Т2 и Т3. Контакт J2 (медь-медь) не вносит в цепь паразитной термоЭДС, но контакт J3 (константан-медь) образует новую термопару, спай которой находится при температуре Т3, вносящую в цепь дополнительную термоЭДС, противоположную по знаку термоЭДС от спая J1. Таким образом, для того чтобы определить неизвестную температуру Т1, нужно знать температуру Т3 (ее можно, например, измерить другим датчиком температуры или привязать к известной температуре, погрузив J3 в ледяную ванну).

На практике не обязательно устраивать ледяную ванну рядом с каждой термопарой. Существует несколько программных и аппаратных способов обеспечения точности измерений с помощью термопар, из которых наибольшее распространение получил метод схемы компенсации холодного спая (в англоязычной литературе — CJC). Суть его заключается во введении в измерительную цепь источника напряжения с ЭДС равной по величине и противоположной по знаку термоЭДС контакта J3. Разумеется, эта ЭДС должна так же зависеть от температуры окружающего воздуха, поэтому, как правило, частью такого источника является интегральный полупроводниковый датчик температуры. В приведенной схеме использован полупроводниковый датчик AD590 и источник опорного напряжения AD580. Существуют также специальные микросхемы для подключения термопар, содержащие устройства компенсации холодного спая, усилители и схемы контроля исправности термопар.

Итак, мы точно измерили термоЭДС нашей термопары. Теперь остался последний шаг: преобразовать эту термоЭДС в температуру. К сожалению, у большинства термопар зависимость термоЭДС от температуры в некоторых диапазонах имеет нелинейный характер. Основная причина этого — зависимость коэффициента Зеебека от температуры. Для достижения высокой точности измерений термопарного термометра во всем диапазоне рабочих температур необходима его калибровка. Простейший (и, кстати, наиболее точный) метод калибровки заключается в составлении и размещении в памяти ЭВМ таблицы соответствия значений термоЭДС и температуры, измеренной с помощью образцового термометра. Единственным серьезным недостатком табличного метода является его высокая ресурсоемкость (при широком температурном диапазоне требуется очень большой объем таблицы). Наряду с табличной используется также полиномиальная апроксимация

Т = A0 + A1X + A2X2 + A3X3+…+ AnXn>

где Т — температура, Х — выходное напряжение термопары. Коэффициенты Аj и порядок полинома n определяются по градуировочным таблицам для каждого типа термопары.

Закон промежуточных проводников

Закон промежуточных проводников

Закон аддитивности термоЭДС

 
Поиск