Под термопарой принято понимать два разнородных проводника (термоэлектрода), контактирующих между собой, по крайней мере, в двух точках с температурами t1 и t2 причем t1 не равна t2 . Под идеальной термопарой будем понимать такую, у которой составляющие ее термоэлектроды идеально однородны по своей длине.

Термопары существуют благодаря такому явлению, как контактная разность потенциалов. Если два разных твердых проводника или полупроводника привести в плотный контакт друг с другом, то в окрестности места их соприкосновения образуются разделенные электрические заряды. При этом на внешних концах данных проводников возникнет разность потенциалов . Эта разность потенциалов окажется равна разности работ выхода для каждого металла, поделенной на заряд электрона

Понятно, что если сомкнуть такую пару в кольцо, то результирующая ЭДС будет равна нулю, а если с одной стороны ее все же оставить разомкнутой, то будет иметь место реальная ЭДС, величиной от десятых долей вольта до единиц вольт, в зависимости от того, что это за материалы.

Термопара — датчик температуры, состоящий из двух соединенных между собой разнородных металлических проводников (или полупроводников). Действие термопары основано на возникновении термоЭДС в контуре, составленном из двух различных металлов со спаями, нагретыми до различных температур. ТермоЭДС для каждой пары металлов зависит только от температур спаев.

Конечно, вольтметром измерить контактную разность потенциалов не удастся, однако на вольт-амперной характеристике она себя проявит, так например она проявляет себя в транзисторе и в диоде на p-n переходе .

Суть в том, что при соприкосновении, к примеру, двух металлов, система выходит из равновесия потому что химические потенциалы этих двух металлов не равны друг другу, в результате происходит диффузия электронов в сторону уменьшения их энергии, что в свою очередь приводит к изменению заряда и электрического потенциала приведенных в контакт металлов. Так в приконтактной области начинается рост электрического поля, и как следствие мы имеем то, что имеем.

Если теперь снова рассмотреть два этих проводника из разных металлов, только замкнутых в кольцо, когда суммарная ЭДС по замкнутому контуру станет равна нулю, то здесь получится два контактных места. Назовем эти места спаями.

Итак, есть два спая двух разных проводников. Что если попробовать подогреть один из спаев, а второй оставить при комнатной температуре? Очевидно, что поскольку соединенные металлы разные, и в каждом спае присутствует контактная разность потенциалов, то спаи будут испытывать разное отклонение ЭДС, находясь при разных температурах.

Эксперимент доказывает, что разность потенциалов между спаями будет пропорциональна разности их температур, так что можно ввести коэффициент пропорциональности, который называют термо-ЭДС. Для различных термопар термо-ЭДС будет разной.

Описанное явление относится к термоэлектрическим, а сам эффект, на базе которого работают все термопары, называется эффектом Зеебека , в честь его первооткрывателя — Томаса Зеебека.

При неравенстве температур t1 и t2 ЭДС термопары, составленной из термоэлектродов А и B, определяется разностью функций, характеризуемых значениями температур t1 и t2 и независящих от длины и диаметра термоэлектродов, а также от их удельных сопротивлений.

Если в разрезе такого кольца измерить напряжение, то в определенном интервале температур оно окажется почти строго пропорционально разности температур спаев. И даже если оставить только один спай (как на рисунке), и лишь его подогревать, а напряжение измерять между двумя концами, находящимися при одной и той же комнатной температуре, то все равно можно обнаружить очень четкую зависимость ЭДС от текущей температуры спая. Так и работают термопары.

Таким образом, термопара может служить средством измерения температуры. Она является несложным преобразователем температуры в электрическую величину — разность потенциалов .

Место контактирования термоэлектродов (спай термопары), помещаемое в среду с измеряемой температурой, называется рабочим концом термопары. Другой спай, температура которого поддерживается постоянной, называется свободным концом термопары.

Для измерения термо-ЭДС, развиваемой термопарой, в ее цепь включают измерительный прибор, что может быть осуществлено либо между свободными концами термопары, либо в разрыв между частями одного из термоэлектродов.

Измерительный прибор, включаемый в цепь термопары можно рассматривать как третий проводник. Если на зажимах прибора, к которым подключена термопара, обеспечивается равенство температур, то измерительный прибор не будет вносить искажений в измеряемую величину термо-ЭДС термопары.

Итак, для измерения термоЭДС в контур термопары посредством соединительных и компенсационных проводов включается чувствительный электроизмерительный прибор со шкалой, проградуированной в мВ, мкВ или градусах.

Компенсационные провода, входящие в комплект термоэлектрического пирометра, служат для отвода свободных концов термопары в зону с известной или постоянной температурой.

К каждому свободному концу термопары подключают соответствующий компенсационный провод (положительный к положительному термоэлектроду, отрицательный к отрицательному термоэлектроду).

Оба компенсационных провода подбирают так, чтобы составленная из них термопара при температуре рабочих концов 100° С и свободных концов 0° С развивала термоЭДС, близкую к теромоЭДС той термопары, в схему которой введены данные компенсационные провода.

Далее, электрический контакт между термоэлектродами термопары (спай термопары) можно осуществлять не только сваркой концов термоэлектродов, но и их пайкой. Возникающая в последнем случае между термоэлектродами прослойка третьего металла (припоя) не вызывает погрешности измерений, так как температуры на границах припоя с термоэлектродами практически одинаковые.

Из этих же соображений допускается применение термопар, в рабочий конец которых между термоэлектродами вварен небольшой кусок проволоки из легкоплавкого металла. В такой термопаре при достижении предельного значения температуры (температура плавления легкоплавкого металла) разрывается цепь, что используют как импульс для аварийного сигнала.

Термопару с такой легко плавкой вставкой следует устанавливать в зоне с достаточно равномерным температурным полем. В противном случае разность температур на концах «вставки» может быть причиной погрешности измерения температур.

Реальные термопары, используемые в практике измерений температур, подчиняются всем высказанным в этой статье теоретическим положениям в той мере, в какой можно пренебречь паразитными термо-ЭДС, возникающими в цепи всякой термопары» обусловленными неоднородностью каждого термоэлектрода.

Сегодня можно встретить промышленные термопары, у которых, в зависимости от требуемого измеряемого диапазона температур, электроды изготавливают из специально подобранных сплавов.

К примеру термопары из сплавов хромель и алюмель имеют коэффициент термо-ЭДС, равный 40 микровольт на °C, и предназначены для измерения температур в диапазоне от 0 до +1100°C. А пара медь-константан, столь популярная в качестве демонстрационного пособия, позволяет измерять температуры от -185 до +300°C.

Ее термо-ЭДС сильно зависит от конкретной разности температур, поэтому для оценки ее параметров удобно пользоваться таблицей, например при температуре холодного спая в 0°C, при разности температур в 100 градусов, разность потенциалов медно-константановой пары будет приблизительно равна 4,25мВ.

Дополнительно приведу справочные данные на термопары.

Наибольшее распространение получили следующие термопары:

• (10% родия) — платина с пределами измерения при длительном применении до 1300° С и при кратковременном — до 1600° С;

• платинородий (30% родия) — платинородий (6% родия) с пределами измерения при длительном применении 300 — 1600° С, при кратковременном — до 1800° С;

• вольфрамрений — вольфрамрений с пределами измерения до 2300 — 2500° С в вакууме и нейтральной среде;

• графит — карбид титана — до 2500° С в вакууме, нейтральной и восстановительной среде;

• графит — борид циркония — до 2000° С в вакууме, нейтральной среде и до 1700° С в расплавленном металле;

• хромель — алюмель — до 1300° С;

• хромель — копель — до 800° С;

• медь — копель — от -260° до 500° С;

• железо — константан — от -200° до 800° С;

• медь — константан — от 260° до 500° С.

Для измерения температуры расплавленного металла до 1800° С применяется молибден — вольфрам, вольфрам — графит и графит — графит.

В зависимости от конструкции и назначения различают термопары:

• погружные и поверхностные;

• с обыкновенной, взрывобезопасной,

• влаго- и водозащищенной головками, а также без головки (со специальной заделкой выводных концов);

• незащищенные от воздействия измеряемой среды и защищенные;

• негерметичные и герметичные;

• обыкновенные, вибротряскоустойчивые и ударопрочные (до 3,5 мин.),

• со средней (до 1 мин.) и малой инерционностью (до 40 сек.), а также с ненормированной инерционностью;

• однозонные и многозонные (в зависимости от числа зон, в которых измеряется температуpa) ;

• одинарные и двойные (по числу рабочих концов для измерений в одной зоне);

• стационарные и переносные.