Термоэлемент (термопара)

ТермоэлементТЕРМОЭЛЕМЕНТ, термопара, прибор в виде комбинации из двух проводников, дающих термоэлектрический ток. Применяется для измерения тепловой и лучистой энергии и весьма малых переменных электрических токов (гл. обр. высокочастотных). Для измерения температур как средних, так и высоких изготовляют термоэлементы из двух разнородных металлов в виде двух одинаковой длины проволок, спаянных на одном конце. Спаянный конец помещается в пункте, температура которого требуется измерить. Два других конца соединяются с гальванометром (с малым сопротивлением) проводами, симметрично (во избежание погрешностей) расположенными по отношению к термоэлементу и к измерительному прибору, для взаимного компенсирования термоэдс, возникающих в других частях цепи. Получающиеся термоэдс пропорциональны разности температуры спая и температуры двух свободных концов термопары, от которых идут провода к гальванометру. При выборе термоэлемента берут проводники с относительно малыми термоэдс (порядка 10-5 V/°C) и по возможности тонкие (с малой теплоемкостью, чтобы термопара могла быстро следовать за изменениями температуры).

Для измерения от 0 до 100°С применяют пару константан - медь, дающую около 40·10-6 V/°C нагрева. Выше 100°С (до +600°С) применяют пару серебро - константан. Для измерения очень высоких температур применяют: 1) пару платина - сплав платины с 10% иридия (до +1100°С) и 2) пару платина-сплав платины с 10% родия (до +1600°С). Для той же цели используются пары железо - константан, никель - нихром и некоторые специальные сплавы, например, хромель - алюмель. Обе проволоки термоэлемента для предохранения спая от загрязнения и других повреждений заключают в фарфоровую трубку, запаянную с одного конца, и изолируют друг от друга асбестом, а также запаивают в кварцевые или из особого огнеупорного вещества трубки. Для измерения очень малых разностей применяют термопары с большой термоэдс (порядка 120·10-6 V/°C нагрева), например, пару «сплав висмута с 5% олова - сплав висмута с 3% сурьмы». Прибор для этой цели называется термоэлектрическим столбиком и составляется из 30—40 соединенных последовательно термоэлементов. Его применяют, например, для исследования распределения энергии в спектре. В этой термобатарее бруски, входящие в отдельные пары, располагают зигзагом так, что все четные пары обращены в одну сторону, а нечетные - в другую; бруски изолированы друг от друга асбестовым картоном. Собранная батарея имеет вид кубика или параллелепипеда и заделывается в металлическую оправу.

Термоэлемент применяют для измерения весьма малых переменных токов. Для этого спай термоэлемента нагревается измеряемым током, а другие концы замыкаются на чувствительный гальванометр. Существует много различных конструкций таких термоэлементов, но наиболее употребительных соединений можно отметить два. На фиг. 1 две разнородные проволоки С и D в точке К припаяны к цельной проволоке АВ, нагревающей спай К проходящим по ней измеряемым током. На фиг. 2 разнородные проволоки спаяны в точке К крестом. Одна пара их присоединена к гальванометру, а другая - к источнику измеряемого тока.

Термоэлемент

Соединение по фиг. 1 имеет то преимущество, что подогревающая спай проволока однородна, и при той же силе тока спай будет нагрет до большей температуры, чем в случае фиг. 2, где подогревающий элемент состоит из проволок различного удельного сопротивления и нагревается неравномерно.

Термоэлемент

Для термоэлемента применяют пары: платина - никель, константан - железо, константан - манганин и др. Для уменьшения теплоотдачи и повышения чувствительности термоэлемент заключают в небольшой эвакуированный стеклянный сосуд. Чувствительность такого вакуумного термоэлемента при неизменном токе зависит от металлов термопары, от способа прикрепления ее к нагревающей проволоке и от диаметра последней. При токе через термоэлемент в 10 mА через подогревающую проволоку диаметром 15 мкм термопара железо - константан при аккуратной пайке оловом дает термоэдс ~10 mА. При тщательной электросварке термопары можно при тех же условиях получить 17 mV и более. Основное требование - минимальный размер спая.

Термоэлементы изготовляются для измерения токов (гл. образом высокочастотных) от долей mА до десятков А в виде самостоятельных приборов или вставленных внутрь измерительных приборов. В последнем случае часто употребляется не одна термопара, а батарейки из нескольких термопар. Получить однородные термоэлементы очень трудно, и в работе с ними требуется тщательная их градуировка.

Было сделано много попыток использовать термоэлементы в технических целях для непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую без применения промежуточного тела, каким являются вода и водяные пары. Однако КПД таких термобатарей настолько низок (порядка 1—3%), что применение их для технических целей по экономическим соображениям в настоящее время совершенно исключается.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 23 - 1934 г.