Про термопары для точного измерения температуры в лаборатории и промышленности

А существует ли связь между распространением температуры в материале, в частности в металле и его проводимостью ? Иными словами, одинакова ли природа ли этих явлений ?
Эти вопросы не праздные, чисто научные или философские.

Именно в этих вопросах лежит начало исследований, на основании которых были сделаны первые шаги к изобретению одного из непрямых контактных методов измерения температуры с помощью такого датчика как термопара.

И сразу к терминологии. Поскольку в названии уже как правило кратко и емко кроется суть явления, предмета, прибора и т.д.
Итак, “термо”+”пара”. Имеем два объекта и они каким-то образом связаны с температурой. С точки же зрения лингвистики это такой микс из двух языков. Если же брать строго на английском, то это будет thermocouple.

Для достоверных и высокоточных измерений температуры в лаборатории не обойтись без такого датчика как термопара

А теперь окунемся в историю. Причем достаточно давнюю. Не в XXI и даже не в XX век, а в конец XVIII- начало XIX, т.е в то время, когда жил и творил на научном фронте физик Зеебек.

И то что сейчас буквально каждый, как в интернет-магазине измерительных приборов в Украине, так и за копейки на алиэкспрессе может купить термопару, в значительной мере заслуга именно Зеебека.
Именно он задумывался и проводил опыты, пытаясь ответить на вопросы, которые мы вынесли в начало.

Но если ему понадобились на это месяцы и годы, то мы можем "перескочить" этот долгий период и ответим:

Да, процесс распространения температуры в металле и электропроводность имеют общую природу.

А именно и тепло и ток проводят электроны. Но и в первом и во втором случае им нужен 'толчок', т.е. физическое явление, которое и заставляет их двигаться.
И таким драйвером выступает или нагрев или приложение разности потенциалов к концам проводника.

Но мы пока сказали о распространении тепла и проводимости как о явлениях независимых, но суть эффекта и суть нашей статьи именно в связи между температурой и током. В электро-тепловом дуализме.

Это ключевое ! Почему ? Потому что львиная доля измерительного оборудования функционирует именно на непрямых методах, то есть, когда она величина преобразуется в другую. Примеров огромное количество, в том числе в лабораторной практике. И мы писали об этом неоднократно.
Ну хорошо, приведем пару примеров из зерновой лаборатории:

• Спектр света модифицируется в зависимости от содержания компонентов в зерне (белок, зола, клейковина). На этом принципе работают ИК-анализаторы;
• Затухание электромагнитного сигнала пропорционально содержанию влаги в пшенице. А это уже "стихия" влагомеров.

Именно эти связи (зависимости, калибровки – так уже более точно) дают возможность БЫСТРО и с приемлемой погрешностью заменять классические (химические, механические, термические и другие) методы.

Не исключение и лабораторные термометры с термопарой, впрочем как и электронные и цифровые.

А почему эти приборы работают на непрямом методе ? Ведь они ПРЯМО измеряют температуру ? Прикоснулся, подождал и смотри на дисплей. 

Измерить температуру “ПРЯМО” невозможно.

Но почему ? А мы уже ответили. Потому что чем больше температура, тем выше активность электронов. А эту активность измерить невозможно. Нет таких физических инструментов, чтобы отследить и фиксировать движение хотя бы одного электрона, не говоря уже о триллионах других. И не надо это делать. Все гораздо проще и дешевле и с погрешностью, не превышающей 1-го градуса, а для прецизионных термопар - еще ниже.

Такие термометры измеряют косвенно активность электронов путем анализа результата их “деятельности” – повышения температуры.
Почему нет ?

Мы можем представлять электроны в металле как молекулы в газе, которые колеблются за счет кинетической энергии. Чем горячее газ, тем больше кинетической энергии в среднем имеет каждая молекула и тем быстрее она колеблется. Точно так же, как молекулы газа движутся быстрее, когда мы нагреваем например металлический стержень, электроны имеют тенденцию двигаться быстрее от горячего конца стержня к холодному к более холодному, т.е. создавать поток.

Поток чего ? И тепла и электричества !
Нагрев делает более горячий конец слегка заряженным положительно, а более холодный конец — слегка отрицательно заряженным, создавая электрическое напряжение.

Бери, измеряй и получай значение температуры через разницу потенциалов !
Ну хорошо, а что если соединить два разных металла ? Поскольку у них разные физические свойства (структура, плотность, пластичность, вязкость и т.д.), логично, что в них электроны движутся с разной степенью свободы.

В этом кстати состоит и разница между проводниками, диэлектриками и полупроводниками. Если вы соедините вместе два разных металла, свободные электроны имеют тенденцию перемещаться из одного материала в другой посредством своего рода диффузии. Так, например, если вы сплавите (например точечной сваркой) образец меди с образцом железа, электроны имеют тенденцию перемещаться от железа к меди, в результате чего медь становится более отрицательно заряженной, а железо - более положительно заряженной.

Это и есть эффект Зеебека, и он лежит в основе работы термопар.

И еще раз повторимся насчет калибровок.
Если мы измеряем температуру с помощью сенсора-термопары с металлическим переходом, мы можем найти формулу — математическое соотношение (функциональное или в виде таблицы), которое связывает ток и температуру.

Это называется калибровкой или градуировкой, фактически это и есть метки на шкале термометра.

После калибровки вы получаете прибор, который сможете использовать в лаборатории для измерения температуры любых объектов в пределах диапазона.
Термопары также нашли широкое распространение в науке и промышленности, поскольку они очень точны и могут работать в широком диапазоне как высоких высоких (выше 1000℃), так и низких температур.

Конечно сам сигнал, пропорциональный температуре, крайне слаб и его нужно многократно усилить с помощью электронной схемы-усилителя.

1. Для различных применений доступен широкий ассортимент термопар на основе металлов с высокой проводимостью, таких как никель, медь, хром, железо, алюминий, платина, родий и их соединения.
2. Также под особые задачи выбирают термопары с заданными характеристиками. Например датчики температуры могут быть немагнитными, устойчивым к агрессивным воздействиям, коррозии. Это достигается легированием (добавлением в сплав определенных химических веществ).

Поскольку термопары создают напряжение, они могут встраиваться в автоматизированные системы регулирования и контроля.