Принцип работы термоэлектрического преобразователя

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

ПОВЕРКА ПИРОМЕТРИЧЕСКИХ МИЛЛИВОЛЬТМЕТРОВ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.1. Изучить принцип работы термоэлектрического преобразователя, используемого в комплекте с пирометрическим милливольтметром, для измерения температуры.

1.2. Изучить принцип действия и устройство пирометрических милливольтметров.

1.3. Произвести поверку градусной шкалы пирометрического милливольтметра.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Принцип работы термоэлектрического преобразователя

Измерение температуры термоэлектрическими термометрами — термоэлектрическими преобразователями (ТЭП) основано на ис­пользовании открытого в 1821г. Зеебеком термоэлектрического эф­фекта. ТЭП часто называют просто термопарами.

Рис. 2.1.1. Схема термоэлектрической цепи

При размыкании такой цепи на ее концах может быть измерена так называемая термо­электродвижущая сила (термоЭДС). Следует отметить, что рассматриваемый эффект обладает и обратным свойством, заключающимся в том, что если в такую цепь извне подать электрический ток, то в зависимости от направления тока один из спаев будет нагреваться, а другой охлаждаться (эффект Пельтье).

Возникновение термотока или термоЭДС в современной физике объясняется тем, что различные металлы обладают различной работой выхода электронов, и поэто­му при соприкосновении двух разнородных металлов возникает контактная разность потенциалов. Кроме того, при различии тем­ператур концов проводников в них возникает диффузия электро­нов, приводящая к возникновению разности потенциалов на концах.

Таким образом, оба указанных фактора - контактная разность потенциалов и диффузия электронов - являются слагаемыми ре­зультирующей термоЭДС в цепи. Значение термоЭДС в итоге зависит от природы термоэлектродов и разности температур спаев ТЭП.

Для математической формализации соотношения между контакт­ными термоЭДС и результирующей термоЭДС цепи необходимо принять ряд условий. Один термоэлектрод, от которого в спае с меньшей температурой ток идет к другому термоэлектроду, приня­то считать положительным, а другой — отрицательным. Например, если t₀ < t (см. рис. 2.1.1) и ток в этом спае направлен от термолектрода А к термоэлектроду В, то термоэлектрод А — термо­положительный, а В — термоотрицательный.

Обозначим контакт­ную термоЭДС в спае между термоэлектродами А к В при темпе­ратуре t как е_АВ(t). Указанная запись означает, что если термоэлектрод А положительный и он в очередности написания идет первым, то термоЭДС e_АВ(t) имеет положительный знак. При при­нятом условии запись e_ВА(t) будет означать, что эта термоЭДС учтена с отрицательным знаком. В соответствии с законом Вольта, в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при равенстве температур спаев термоток этой цепи равен нулю.

Исходя из этого, можно заключить, что если спаи 1 и 2 имеют одну и ту же температуру, например t₀, то контактные термоЭДС в каждом спае равны между собой и действуют навстречу и пото­му результирующая термоЭДС такого контура E_AB(t₀t₀) равна ну­лю, т. е.

E_AB(t₀t₀)=e_ВА(t₀)-e_ВА(t₀)=0, (2.1.1)

или с учетом того, что e_AB(t₀) = - e_ВА(t₀),

E_AB(t₀t₀)=e_ВА(t₀)+e_ВА(t₀)= 0. (2.1.2)

Рассматривая (2.1.2) с формальной точки зрения, можно при­нять следующее правило: результирующая термоЭДС контура рав­на арифметической сумме контактных термоЭДС, в символе кото­рых очередность записи термоэлектродов соответствует направле­нию обхода контура (например, против движения часовой стрелки).

Для замкнутой цепи, показанной на рис. 2.1.1, результирующая термоЭДС составит

E_AB(tt₀) = e_AB(t) + e_BA(t₀), (2.1.3)

или

E_AB(tt₀)=e_AB(t)-e_AB(t₀). (2.1.4)

Уравнение (2.1.4) называют основным уравнением ТЭП. Из него следует, что возникающая в контуре термоЭДС E_AB(tt₀) зависит от разности функций температур t и t₀. Если сделать t₀ = const, то e_АВ(t₀) = c = const и

Е_АВ(tt₀) =e_АВ(t)-с= f(t) (2.1.5)

При известной зависимости (2.1.5) путем измерения термоЭДС в контуре ТЭП может быть найдена температура t в объекте изме­рения, если температура t₀ = const. Спай, погружаемый в объект измерения температуры, называют рабочим спаем или рабочим концом, а спай вне объекта называют свободным спаем (концом).

Следует отметить, что в явном виде зависимость (2.1.5) для кон­кретно используемых термоэлектродных материалов пока не мо­жет быть получена аналитически с достаточной точностью. Поэто­му при измерении температур эта зависимость для различных ис­пользуемых ТЭП устанавливается экспериментально путем граду­ировки и последующего табулирования или построением графика зависимости термоЭДС от температуры. В процессе градуировки температура свободных концов ТЭП должна поддерживаться постоянной, и значение ее стандартизовано на уровне t₀ = 0°С.

Необходимо подчеркнуть, что генерируемая в контуре ТЭП тер­моЭДС зависит только от химического состава термоэлектродов и температуры спаев и не зависит от геометрических размеров тер­моэлектродов и размера спаев.