Корисний сплав або як термометр із термопарою вимірює температуру
Щупові, електронні – всі види термометрів, які можна віднести до групи “контактних”, розраховані здебільшого на вельми помірні, побутові температури, що не перевищують 200-300 градусів.
Втім, така ж картина спостерігається і в низькотемпературній області. У країнах з помірним кліматом, не кажучи вже про спекотні регіони температура нижче 50 градусів морозу, буває тільки в морозильних камерах глибокого заморожування, наприклад при тривалому зберіганні м'яса.
Але давайте все-таки про гарячий, як більш затребуваний діапазон у промисловості, особливо в металургії або наприклад у вулканічній лаві, де жар точно досягне більше 1000°C. Ніякі ртутні, рідинні або електронні термометри не спроможні вам допомогти. Більш того, вони майже зі 100% ймовірністю вирушать у технічний світ інший, розплавляючись від нерівного температурного зіткнення.
Навіть на Венері, де на поверхні зовсім не комфортні 450℃, радянські станції серії "Венера", остання з яких здійснила посадку в далекому березні 1982 року, що неодноразово проводили дослідження і відправляли на Землю чорно-білі та кольорові фотографії, витримували не більше години – апаратура перегрівалася і виходила з ладу. Рятувало її лише попереднє охолодження, виготовлене ще до посадки на поверхню.
Так як виміряти, без шкоди будемо коректно говорити навіть не для самого приладу, а для датчика, який можна винести на дроті, а значить сам вимірювальний блок буде в безпеці, екстремальні температури ?
Чуємо справедливу експертну думку:
"Так а є високотемпературні пірометри! Направляй з відстані кілька метрів і виміряй."
Так, логіка є! І такий варіант іноді є прийнятним. Але з інфрачервоним методом виміру температури головного болю досить багато. І пов'язано це з налаштуванням коефіцієнта емісії. І все одно не завжди вдається досягти прийнятної точності.
Ідеальну точність, без будь-яких налаштувань і температурних танців з бубном забезпечить термометр з термопарою.
Він не боїться "гарячої роботи". Головне вибрати потрібну термопару. Їх до речі можна купити окремо. Роз'єми стандартні, що полегшує справу.
Як сплав вимірює температуру
Електрика та тепло – що спільного ?
Вже з найменування "термо+пара", зрозуміло, що мова буде про температуру, точніше про тепло. Але не в тому контексті, що можна вимірювати температуру, а в процесі перетворення. Тобто температура впливає на “пару” (що ж це за пара ми і розбиратимемося). А оскільки ми в одній із статей розбирали, що температуру виміряти безпосередньо неможливо, оскільки це наслідок активності електронів у речовині, то й доводиться шукати метод перетворення температури.
У градусниках це спосіб розширення рідини. А в термометрах на основі термопари це ефект виникнення різниці потенціалів у сплаві металів при їх нагріванні.
Що це нам дає?
А це дає нам функціональну залежність. І вже не так суттєво – лінійна вона чи нелінійна. На всьому діапазоні виміру можна побудувати графік або задати дані у вигляді таблиці, де кожному значенню температури відповідає певна напруга на виході термопари. Таким чином, відградуйований термометр і буде нам видавати бажаний результат.
Виходить, що ми отримуємо напругу з нічого? Тобто ми можемо наприклад нагріти термопару і потім підключити наприклад лампочку, І ось він, безкоштовне джерело електрики? І розетка не потрібна ?
Мрії це все. Закон збереження енергії не порушується. І запропонований варіант не прийнятний.
- По-перше, а де Ви братимете нагрів ? Потрібне джерело енергії. Тобто нагріте тіло. І його теплова енергія перейде в електричну. Енергії сонця для нагріву буде мало. Зате її буде надмірно, якщо поставити сонячні панелі і підключити інвертор, щоб бути вдома зі світлом.
- По-друге, сигнал з термопари настільки слабкий, що нічого ви до нього не підключите. Його треба підсилити і лише потім отримати цифри на дисплеї термометра.
- По-третє, навіть якщо уявити, що у вас є дармове джерело температури, причому чимале - в сотні градусів, щоб отримати достатню напругу на контактах термопари, ресурс сенсора не нескінченний. Разові завдання з вимірювання це одне, а постійне, безперервне, багатогодинне і тим більше багатоденне нагрівання високою температурою це інше.
Але повернемося до “термо” та “пари”.
Коли ми говоримо про провідність (відразу скажемо, говорити будемо тільки про метали), то спостерігається певний вимірювальний дуалізм. З одного боку, провідність це про електричний струм. Електрики знають, і дроти тому виготовляються саме з цих матеріалів, а саме що дроти з найменшим опором - з міді або алюмінію.
Клеми можуть виготовлятися із сталі. А ось, наприклад, золото добре проводить і електричний струм і тепло, але використовувати таким чином дорогоцінний метал занадто марнотратно. Хоча для деяких відповідальних завдань контакти можуть покриватися шаром позолоти.
А чи є щось спільне між тим, як метал проводить тепло і електричний струм?
Якщо струм створюється потоком електронів під впливом електрорушійної сили джерела енергії, включеного в замкнутий електричний ланцюг, то так само електрони “переносять” і тепло.
Власне, саме тому метали є хорошими провідниками як тепла так і електрики.
Щоправда, є велика різниця у швидкості. Електрика поширюється зі швидкістю світла, а температура набагато повільніше. На те, щоб нагріти кінчик цвяха, якщо капелюшок гріти на полум'ї газової плити, можуть піти секунди, якщо не хвилини.
І це слід враховувати всім, хто використовуватиме термопари. Вони повільні, інерційні.
І ще один зв'язок температури та електрики ми відзначимо. Це біметалічна пластина. Коли струм, що споживається квартирою або будинком, перевищує допустиме значення, на яке розрахований аварійний автомат (наприклад 25 А), то термопластина під дією струму нагріється, вигнеться і розімкне ланцюг.
Що таке термоелектричний ефект
Коріння винаходу термопари сягають ще початку XIX століття. Німецький фізик Томас Зеєбек (1770 – 1831), проводячи досліди з температурою та металами, виявив, що якщо два кінці металу мають різну температуру, через них буде текти електричний струм.
Зеєбек продовжив дослідження і з'ясував, що якщо він з'єднає два кінці металу разом, то струм не потече. Також не буде струму і якщо два кінці металу матимуть однакову температуру.
Принцип дії термопари полягає в наступному.
- Два різнорідні метали з'єднані між собою.
- Якщо один кінець термопари помістити на щось гаряче, а інший кінець на щось холодне, виникає різниця потенціалів.
- Цю напругу можна виміряти, підключивши вольтметр між двома контактами.
Зеєбек повторював експерименти з різними металами. Ефект залежав від внутрішньої структури матеріалу.
Це означає, що два різних метали будуть виробляти різну кількість електрики, навіть якщо їх нагрівають до однакової температури.
Втім, у цьому немає проблеми. Просто для кожної пари матеріалів потрібно скласти різні таблиці градуювання. Наприклад, в одному сплаві температурі 200 градусів буде відповідати (умовно) напруга 0,05 В, а в іншому 0,03 В.
Основне, що слід винести з ефекту Зеебека, це те, що величина напруги або струму, що створюється, залежить тільки від типу використовуваного сплаву і різниці температур.