Полезный сплав или как термометр с термопарой измеряет температуру

Щуповые, электронные – все виды термометров, которые можно отнести к группе “контактных”, рассчитаны в большинстве своем на весьма умеренные, бытовые температуры, не превышающие 200-300 градусов.
Впрочем такая же картина наблюдается и в низкотемпературной области. В странах с умеренным климатом, не говоря уже о жарких регионах температуры ниже 50 градусов мороза бывает только в морозильных камерах глубокой заморозки, например при длительном хранении мяса.
Но давайте все-таки о горячем, как более востребованном диапазоне в промышленности, особенно в металлургии или например в вулканической лаве, где жар точно достигнет 1000°C. Никакие ртутные, жидкостные или электронные термометры не способны будут вам помочь. Более того, они почти со 100% вероятностью отправятся в технический мир иной, расплавляясь от неравного температурного столкновения.
Даже на Венере, где на поверхности совсем не комфортные 450℃, советские станции серии "Венера", последняя из которых совершила посадку в далеком марте 1982 года, неоднократно проводившие исследования и отправлявшие на Землю черно-белые и цветные фотографии, выдерживали не более часа – аппаратура перегревалась и выходила из строя. Спасало ее только предварительное охлаждение, произведенное еще до посадки на поверхность.
Так как же измерить, без вреда для будем корректно говорить даже не для самого прибора, а для датчика, который можно вынести на проводе, а значит сам измерительный блок будет в безопасности, экстремальные температуры ?

Слышим справедливое экспертное мнение:
"Так а есть высокотемпературные пирометры ! Направляй с расстояния в несколько метров и измеряй."

Так, логика есть ! И такой вариант иногда приемлемый. Но с инфракрасным методом измерения температуры головной боли достаточно много. И связано это с настройкой коэффициента эмиссии. И все равно не всегда удается достигнуть приемлемой точности.
Идеальную точность, без всяких настроек и температурных танцев с бубном обеспечит термометр с термопарой.

Он не боится "горячей работы". Главное выбрать нужную термопару. Их кстати купить можно отдельно. Разъемы стандартные, что облегчает дело.

Как сплав измеряет температуру

Электричество и тепло – что общего ?

Уже из наименования "термо+пара", понятно, что речь будет о температуре, точнее о тепле. Но не в том контексте, что можно измерять температуру, а в процессе преобразования. То есть температура воздействует на “пару” (что жто за пара мы и будем разбираться). А поскольку мы в одной из статей разбирали, что температуру измерить непосредственно невозможно, поскольку это следствие активности электронов в веществе, то и приходится искать метод преобразования температуры.
В градусниках это метод расширения жидкости. А в термометрах на основе термопары это эффект возникновения разности потенциалов в сплаве металлов при их нагреве.
Что это нам дает ?
А дает нам это функциональную зависимость. И уже не так существенно - линейная она или нелинейная. На всем диапазоне измерения можно построить график или задать данные в виде таблицы, где каждому значению температуры отвечает определенное напряжения на выходе термопары. Таким образом отградуированный термометр и будет нам выдавать желаемый результат.

Получается, что мы получаем напряжение из ничего ? То есть мы можем например нагреть термопару и потом подключить например лампочку, И вот он, бесплатный источник электричества ? И розетка не нужна ?

Мечты это все. Закон сохранения энергии не нарушается. И предложенный вариант не приемлеим.

Во-первых, а где Вы будете брать нагрев ? Нужен источник энергии. То есть нагретое тело. И его тепловая энергия перейдет в электрическую. Энергии солнца для нагрева будет не достаточно. Зато ее будет с избытком, если поставить солнечные панели и подключить инвертор, чтобы быть дома со светом.
Во-вторых сигнал с термопары столь слабый, что ничего вы к нему не подключите. Его надо усилить и только потом получить цифры на дисплее термометра.
В-третьих, даже если представить, что у вас есть дармовой источник температуры, причем немалой - в сотни градусов, чтобы получить достаточное напряжение на контактах термопары, ресурс сенсора не бесконечен. Разовые задачи по измерению это одно, а постоянный, непрерывный, многочасовый и тем более многодневный нагрев высокой температурой это другое.

Но вернемся к “термо” и “паре”.
Когда мы говорим о проводимости (сразу скажем речь вести будем только о металлах), то наблюдается определенный измерительный дуализм. С одной стороны проводимость это про электрический ток. Электрики знают, и провода поэтому изготавливаются именно из этих материалов - наименьшим сопротивлением обладает медь или алюминий.
Клеммы могут изготавливаться из стали. А вот например золото хорошо проводит и электрический ток и тепло, но использовать таким образом драгоценный металл слишком расточительно. Хотя для некоторых ответственных задач, контакты могут покрываться слоем позолоты.
А есть ли что-то общее между тем, как металл проводит тепло и электрический ток ?
Если ток создается потоком электронов под воздействием электродвижущей сил источника энергии, включенного в замкнутую электрическую цепь, то так же электроны “переносят” и тепло.
Собственно именно поэтому металлы являются хорошими проводниками как тепла так и электричества.
Правда есть большая разница в скорости. Электричество распространяется со скоростью света, а температура гораздо медленнее. На то, чтобы нагреть кончик гвоздя, если шляпку греть на пламени газовой плиты, могут уйти секунды, если не минуты.
И это следует учитывать всем, кто будет использоваться термопары. Они медлительные, инерционные.

И еще одну связь температуры и электричества мы отметим. Это биметаллическая пластина. Когда ток, потребляемый квартирой или домом превышает допустимое значение, на которое расчитан аварийный автомат (например 25 А), то термопластина под действием тока нагреется, выгнется и разомкнет цепь.

Что такое термоэлектрический эффект

Корни изобретения термопары уходят еще в начало XIX века. Немецкий физик Томас Зеебек (1770–1831), проводя опыты с температурой и металлами, обнаружил, что если два конца металла имеют разную температуру, через них будет течь электрический ток.

Это один из способов назвать то, что сейчас известно как эффект Зеебека или термоэлектрический эффект.

Зеебек продолжил исследования и выяснил, что если он соединит два конца металла вместе, ток не потечет. Также не будет тока и если два конца металла будут иметь одинаковую температуру.
Принцип действия термопары заключается в следующем.

Два разнородных металла соединены между собой.
Если один конец термопары поместить на что-то горячее, а другой конец на что-то холодное, возникает разность потенциалов.
Это напряжение можно измерить, подключив вольтметр между двумя контактами.

Зеебек повторял эксперименты с разными металлами. Эффект зависел от внутренней структуры материала.
Это значит, что два разных металла будут производить разное количество электричества, даже когда их нагревают до одинаковой температуры.
Впрочем в этом нет проблемы. Просто для каждой пары материалов, нужно составить разные таблицы градуировки. Например в одном сплаве температуре в 200 градусов будет отвечать (условно) напряжение 0,05 В, а в другом 0,03 В.
Основное, что следует вынести из эффекта Зеебека, это то, что величина создаваемого напряжения или тока зависит только от типа используемого сплава и разницы температур.