Про термопари для точного вимірювання температури в лабораторії та промисловості

А чи існує зв'язок між поширенням температури в матеріалі, зокрема в металі та його провідністю? Іншими словами, чи однакова природа цих явищ?
Ці питання не вигадані, чисто наукові або філософські.

Саме в цих питаннях лежить початок досліджень, на підставі яких були зроблені перші кроки до винаходу одного з непрямих контактних методів вимірювання температури за допомогою такого датчика як термопара.

І одразу до термінології. Оскільки в назві вже зазвичай коротко і ємно криється суть явища, предмета, приладу і т.д.
Отже, "термо" + "пара". Маємо два об'єкти і вони якимось чином пов'язані із температурою. З погляду лінгвістики це такий мікс із двох мов. Якщо ж брати суворо англійською, то це буде thermocouple.

Для достовірних та високоточних вимірювань температури в лабораторії не обійтися без такого датчика як термопара

А тепер поринемо в історію. Причому, досить давню. Не в XXI і навіть не в XX століття, а в кінець XVIII-початок XIX, тобто в той час, коли жив і творив на науковому фронті фізик Зеєбек.

І те, що зараз буквально кожен, як в інтернет-магазині вимірювальних приладів в Україні, так і за копійки на аліекспресі може купити термопару, значною мірою заслуга саме Зеєбека.
Саме він замислювався і проводив досліди, намагаючись відповісти на питання, які ми винесли на початок.

Але якщо йому знадобилися на це місяці та роки, то ми можемо "перескочити" цей довгий період і відповімо:

Так, процес поширення температури в металі та електропроводність мають спільну природу.

А саме і тепло та струм проводять електрони. Але й у першому і у другому випадку їм потрібен 'поштовх', тобто фізичне явище, яке і змушує їх рухатися.
І таким драйвером виступає або нагрівання або додавання різниці потенціалів до кінців провідника.

Але ми поки що сказали про поширення тепла і провідності електрики як про явища незалежні, але суть ефекту і суть нашої статті саме у зв'язку між температурою і струмом. В електро-тепловому дуалізмі.

Це ключове! Чому? Тому що левова частка вимірювального обладнання функціонує саме на непрямих методах, тобто коли вона величина перетворюється на іншу. Прикладів величезна кількість, у тому числі в лабораторній практиці. І ми писали про це неодноразово.
Ну добре, наведемо пару прикладів із зернової лабораторії:

• Спектр світла модифікується в залежності від вмісту компонентів у зерні (білок, зола, клейковина). На цьому принципі працюють інфрачервоні аналізатори;
• Згасання електромагнітного сигналу пропорційно вмісту вологи в пшениці. А це вже "стихія" вологомірів.

Саме ці зв'язки (залежності, калібрування – так вже точніше) дають можливість ШВИДКО та з прийнятною похибкою замінювати або доповнуювати класичні (хімічні, механічні, термічні та інші методи).

Не виняток і лабораторні термометри з термопарою, втім як і електронні та цифрові.

А чому ці прилади працюють на непрямому методі? Адже вони ПРЯМО вимірюють температуру? Доторкнувся, зачекав і дивись на дисплей.

Виміряти температуру “ПРЯМО” неможливо.

Але чому ? А ми вже відповіли. Тому що чим більша температура, то вища активність електронів. А цю активність виміряти неможливо. Немає таких фізичних інструментів, щоб відстежити і фіксувати рух хоча б одного електрона, не кажучи вже про трильйони інших. І не треба це робити. Все набагато простіше і дешевше і з похибкою, що не перевищує 1 градус, а для прецизійних термопар - ще нижче.

Такі термометри вимірюють опосередковано активність електронів шляхом аналізу результату їхньої “діяльності” – підвищення температури.
Чому ні ?

Ми можемо представляти електрони в металі як молекули в газі, що коливаються за рахунок кінетичної енергії. Чим гарячіший газ, тим більше кінетичної енергії в середньому має кожна молекула і тим швидше вона коливається. Точно так, як молекули газу рухаються швидше, коли ми нагріваємо наприклад металевий стрижень, електрони мають тенденцію рухатися швидше від гарячого кінця стрижня до холодного до холоднішого, тобто створювати потік.

Потік чого? І тепла та електрики!
Нагрів робить гарячіший кінець злегка зарядженим позитивно, а холодніший кінець — злегка негативно зарядженим, створюючи електричну напругу.

Бери, вимірювай та отримуй значення температури через різницю потенціалів!
Ну добре, а що якщо з'єднати два різні метали? Оскільки вони мають різні фізичні властивості (структура, щільність, пластичність, в'язкість тощо), логічно, що у них електрони рухаються з різним ступенем свободи.

У цьому полягає і різниця між провідниками, діелектриками і напівпровідниками. Якщо ви з'єднаєте разом два різні метали, вільні електрони мають тенденцію переміщатися з одного матеріалу в інший за допомогою свого роду дифузії. Так, наприклад, якщо ви сплавите (наприклад точковим зварюванням) зразок міді із зразком заліза, електрони мають тенденцію переміщатися від заліза до міді, внаслідок чого мідь стає більш негативно зарядженою, а залізо – більш позитивно зарядженим.

Це і є ефект Зеєбека, і він лежить в основі роботи термопар.

І ще раз повторимося щодо калібрувань.
Якщо ви вимірюєте температуру за допомогою сенсора-термопари з металевим переходом, ми можемо знайти формулу — математичне співвідношення (функціональне або у вигляді таблиці), яке пов'язує струм і температуру.

Це називається калібруванням або градуюванням, фактично це і є мітки на шкалі термометра.

Після калібрування ви отримуєте прилад, який зможете використовувати в лабораторії для вимірювання температури будь-яких об'єктів у межах діапазону.
Термопари також знайшли широке поширення в науці та промисловості, оскільки вони дуже точні і можуть працювати в широкому діапазоні як високих (вищих за 1000℃), так і низьких температур.

Звичайно сам сигнал, пропорційний температурі, вкрай слабкий і його потрібно багаторазово посилити за допомогою електронної схеми-підсилювача.

1. Для різних застосувань доступний широкий асортимент термопар на основі металів з високою провідністю, таких як нікель, мідь, хром, залізо, алюміній, платина, родій та їх сполуки.
2. Також під особливі завдання вибирають термопари із заданими характеристиками. Наприклад датчики температури можуть бути немагнітними, стійкими до агресивних впливів, корозії. Це досягається легуванням (додаванням до сплаву певних хімічних речовин).

Оскільки термопари створюють напругу, вони можуть вбудовуватися в автоматизовані системи регулювання та контролю.