При соединении одинаково нагретых концов двух проводников из разнородных материалов, из которых в первом количество свободных электронов в единице объема больше, чем во втором, последние будут диффундировать из первого проводника во второй в большем числе, чем обратно. Таким образом, первый проводник станет заряжаться положительно, а второй — отрицательно. Образующееся при этом в месте соединения (спае) проводников электрическое поле будет противодействовать этой диффузии, в результате чего наступит состояние подвижного равновесия, при котором между свободными концами указанных проводников появится некоторая разность потенциалов (термо-э. д. с). С увеличением температуры проводников значение этой термо-э. д. с. также увеличивается.
Кроме того, тсрмо-э. д. с. возникает и между концами однородного проводника, имеющими разные температуры. В этом случае до наступления состояния подвижного равновесия положительно заряжается более нагретый конец проводника как обладающий большей концентрацией свободных электронов по сравнению с концом, менее нагретым. Возрастание разности температур между концами проводника приводит к увеличению возникающей в нем термо-э. д. с.
В замкнутом контуре термоэлектрическою термометра, состоящем из разнородных термоэлектродов, одновременно действуют оба указанных выше фактора, вызывающие появление в спаях температур t и t0и материала термоэлектродов двух суммарных термо-э. д. с. , взятых при обходе контура против часовой стрелки. Отсюда действующая в контуре результирующая термо-э. д. с. равна алгебраической сумме термо-э. д. с. обоих спаев.
Следовательно, вырабатываемая термометром термо-э. д. с. равна разности двух действующих навстречу суммарных термо-э. д. с, появляющихся на концах термоэлектродов в спаях. При равенстве температур обоих спаев результирующая термо-э. д. с. равна нулю.
В зависимости от значении вырабатываемой термо-э. д.с. и общего сопротивлении контура в проводниках появляется электрический ток, сила которого определяется законом Ома.
Спай, погружаемый в измеряемую среду, называется рабочим концом термоэлектрического термометра, а спай 2- свободным концом.
Термоэлектроды термометра обозначаются знаками + и -. Положительным термоэлектродом считается тот, по которому ток течет от рабочего конца к свободному.
Для измерения термо-э. д. с. к термоэлектрическому термометру посредством соединительных проводов подключается вторичный прибор, образующий с ним замкнутую цепь. Применяются два способа включения последнее и контур термометра: в свободный конец или в один из его термоэлектродов. Наибольшее распространение имеет первый из них.
Рассмотрим, как будет влиять на значение результирующей термо-э. д. с. включение в свободный конец термометра третьего разнородного (соединительного) проводника с вторичным прибором. В этом случае термометр будет иметь не один, а два свободных конца со спаями, находящимися при одинаковой температуре t0.
Если принять, что температуры всех трех спаев одинаковы и равны г0» тов замкнутой цепи результирующая термо-э. д. с. будет равна нулю.
Принципиально ничем не отличается от разобранного выше и включение третьего проводника со вторичным прибором и термоэлектрод термометра.
При включении прибора в термоэлектрод в замкнутой цепи появляются два новых, расположенных рядом спая.
Включение в контур термометра третьего разнородного проводника не влияет на развиваемую им термо-э. д. с, если места присоединения проводника имеют одинаковую температуру.
Термо-э. д. с. любого термоэлектрического термометра может быть определена, если известна термо-э. д. с,
развиваемая каждым из его термоэлектродов в паре с одним и тем же третьим разнородным термоэлектродом.
Для различных типов термоэлектрических термометров эта функция имеет сложный вид и определяется опытным путём.
Экспериментальная зависимость термо-э. д. с. от температуры рабочего конца при постоянной температуре свободных концов обычно равной О °С, называется градуировочной характеристикой термоэлектрического термометра . Па основании ее составляются градуировочные таблицы и графики для практического пользования.
Значение развиваемой термо-э. д. с. зависит от материала термоэлектродов и температуры рабочего и свободных концов термометра. В качестве термоэлектродов преимущественно применяются те металлы и сплавы, которые, отвечая одновременно и ряду других требований, развивают сравнительно больший термо-э. д. с. При измерениях температуру свободных концом термометра с целью увеличения термо э. д. с. часто искусственно поддерживают на возможно более низком постоянном уровне.
Применение термометров с более высокими значениями термо-э. д. с. увеличивает надежность измерения температуры. Создаваемая термометрами термо-э. д. с. сравнительно невелика; она составляет не более 8 мВ на каждые 100 °С и при измерении высоких температур не превышает 70 мВ.
Термоэлектродные материалы.
В качестве термоэлектродных материалов для изготовления термометров применяются главным образом чистые металлы и их сплавы. Выбор материала для термоэлектродов имеет существенное значение. Наряду с требованием создания большой термо-э. д. с. термоэлектроды должны по возможности обладать:
-постоянством термоэлектрических свойств независимо от изменения со временем внутренней структуры (рекристаллизации) и загрязнения поверхности;
-устойчивостью против действия высоких температур, окисления и других вредных факторов;
-хорошей электропроводимостью и небольшим температурным коэффициентом электрического сопротивления:
-однозначной и по возможности линейной зависимостью термо-э. д. с. от температуры;
однородностью и постоянством состава для обеспечения -взаимозаменяемости термометров.
Состав термоэлектродов сильно влияет на значение развиваемой ими термо-э. д. с, поэтому воспроизводимость состава металла или сплава значительно упрощает и облегчает условия промышленной эксплуатации термоэлектрических термометров. В этом случае при замене однотипных термометров не требуется переградуировки шкалы вторичного прибора.
Для оценки значения термо-э. д. с. различных термометров обычно пользуются опытными значениями термо-э. д. с. металлов и сплавов в паре с чистой платиной. Выбор платины в качестве основного термоэлектрода вызывается тем, что она обладает постоянством термоэлектрических свойств, устойчива против действия высоких температур и окисления и сравнительно легко может быть получена в чистом виде.
Наибольшее распространение для изготовления термоэлектрических термометров получили материалы: платина, платинородий, хромель, алюмель и копель. Для измерений в лабораторных установках находят также применение медь, железо и константан.
Типы и характеристики термоэлектрических термометров.
Для получения сравнительно высоких значений термо-э. д. с. выбор термоэлектродов производится таким образом, чтобы в паре с платиной один из них создавал положительную, а другой отрицательную термо-э. д. с.
Термоэлектрические термометры, получившие практическое применение, разделяются по материалу термоэлектродов на две группы: из благородных и неблагородных металлов или сплавов. Термоэлектрические термометры типов ТПП, ТПР, ТХА и ТХК включены в государственный стандарт.
Ввиду надежного обеспечения однородности состава термоэлектродов термометром последние имеют постоянные градировочные характеристики.
Термометры типов ТПП и ТПР с термоэлектродами из благородных металлов и сплавов применяются главным образом для измерения температуры выше 1000 °С, так как они обладают большой термостойкостью.
Несмотря на относительно малые значения развиваемой термо-э. д. с. термометры типа ТПП благодаря исключительному постоянству термоэлектрических свойств и большому диапазону измерения получили широкое распространение главным образом как лабораторные, образцовые и эталонные. Последние используются для воспроизведении МПТШ-68 в диапазоне температур 630, 74—1064,43 °С и поверяются по платиновому термометру сопротивления и точкам затвердевания серебра и золота.
Термометры типов ТПП и ТПР хорошо противостоят окислительной среды, но быстро разрушаются под влиянием восстановительной атмосферы (водорода и окиси углерода), двуокиси углерода и паров металлов.
Поэтому термоэлектроды технических термометров этих типов тщательно изолируют от непосредственного соприкосновения окружающей средой.
Промышленные термометры типов ТХА и ТХК с термоэлектродами из неблагородных металлов и сплавов применяются для измерения температуры до 1000 °С . Термометры развивают большие термо-э. д. с, что является их достоинством. Так, например, при одних и тех же температурах рабочего и свободных концов термометр типа ТХК дает в среднем в 8 раз большую термо-э. д. с, чем термометр типа ТПП.
Большое распространение получили термометры типа ТХА, которые по сравнению с остальными термометрами из неблагородных металлов являются наиболее стойкими в окислительной среде, но также подвержены влиянию восстановительной атмосферы.
Термометры типа ТХК развивают наибольшую термо-э. д. с. и достаточно устойчивы против воздействия окружающей среды.