Viber

Аналитическое и технологическое оборудование

Київстар(096)0000-737 Vodafone(066)0000-737 Lifecell(073)0000-737

Київстар(097)0000-737 Vodafone(095)0000-737 Lifecell(093)0000-737

Вайбер чат Відкрити чат Телеграм +380730000737 (Нажмите на иконку для перехода в чат)

Про термопары для точного измерения температуры в лаборатории и промышленности

Posted by   Tech Text
02/09/2023

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.

Эффект Зеебека возникает, когда тепло заставляет электроны диффундировать по материалу.

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.

Если железо и медь соединены в один проводник с двумя выходами-клеммами Один из выводов получит положительное напряжение, другой — равное ему и противоположное по знаку - отрицательное, в результате чего напряжение отсутствует.
Если нагреть сплав Электроны будут легче диффундировать между металлами. Это означает, что напряжение на двух переходах будет отличаться на величину, которая зависит от разницы их температур.

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.

Недавнее