Как работают термопары?

Вот что я называю горячим! Но насколько это горячо на самом деле? Если вы
хотите измерить температуру чего-то такого горячего, как вулкан, обычный термометр
бесполезен. Вставьте шарик ртутного термометра в вулканическую лаву (которая может быть
намного выше 1000 °C или 1800 °F),
и вы получите сюрприз: ртуть внутри мгновенно закипит
(она превращается из жидкости в газ при всего лишь 356 °C
или 674 °F), а само стекло
может даже расплавиться (если лава действительно горячая). Попробуйте измерить что-то
очень холодное (например, жидкий азот) ртутным термометром, и у вас
возникнет противоположная проблема: при температуре ниже −38 °C/38 °F
ртуть представляет собой твердый кусок металла. Так как же измерить действительно горячие или холодные вещи? С помощью
хитрой пары электрических кабелей, называемых термопарой . Давайте
подробнее рассмотрим, как это работает!

Фото: Измерение температуры вулканической лавы с помощью термопары.
Это фото сделано в Национальном парке «Гавайские вулканы» после извержения вулкана Килауэа в 1983 году. Фото Дж. Д. Григгса предоставлено Геологической службой США (USGS).

Какова связь между электричеством и теплом?

Фото: Медь одинаково хорошо проводит тепло и электричество.
Фото предоставлено NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Вы заметили, что когда мы говорим о проводимости в
науке, мы можем ссылаться на две вещи? Иногда мы имеем в виду тепло, а
иногда — электричество. Металл
вроде железа или золота
очень хорошо проводит и тепло, и электричество; материал вроде пластика
вообще не проводит ни то, ни другое.

Существует связь между тем, как металл проводит тепло, и тем, как он
проводит электричество . Если вы читали нашу основную статью об
электричестве, вы знаете, что электрический ток переносится через
металлы
крошечными заряженными частицами внутри атомов, называемыми
электронами . Когда
электроны «маршируют» через материал, они несут с
собой электричество, как муравьи, переносящие листья. Если электроны могут свободно переносить
электрическую энергию через металл, они также могут переносить тепловую
энергию — и именно поэтому металлы, которые хорошо проводят электричество, также являются
хорошими проводниками тепла. (
Однако для неметаллов все не так просто, потому что тепло проходит через них другими, более
сложными способами. Но для понимания термопар
нам нужно рассмотреть только металлы.)

Томас Зеебек и термоэлектрический эффект

Предположим, вы вставляете железный прут в огонь. Вам придется
довольно быстро отпустить его, потому что тепло будет подниматься по металлу
от огня к вашим пальцам. Но осознавали ли вы, что электричество
также поднимается по пруту?

Первым, кто правильно понял
эту идею, был немецкий физик Томас Зеебек
(1770–1831), который обнаружил, что если два конца металла находятся при разных температурах,
через него будет течь электрический ток. Это один из способов сформулировать то, что
сейчас известно как эффект Зеебека или термоэлектрический эффект .
Зеебек обнаружил, что по мере его дальнейших исследований все становилось интереснее. Если
он соединял два конца металла вместе, ток не тек;
аналогично, ток не тек, если два конца металла были при
одинаковой температуре.

Художественное произведение: Основная идея термопары: два разнородных металла (серые кривые) соединены вместе на двух концах. Если один конец термопары поместить на что-то горячее (горячий спай), а другой конец на что-то холодное (холодный спай), возникает напряжение (разность потенциалов). Вы можете измерить его, поместив вольтметр (В) между двумя спаями.

Зеебек повторил эксперимент с другими металлами, а затем попытался
использовать два разных металла вместе. Теперь, если способ, которым электричество или
тепло текут через металл, зависит от внутренней структуры материала,
вы, вероятно, можете увидеть, что два разных металла будут производить разное
количество электричества, когда они нагреты до одной и той же температуры.
Так что, если вы возьмете полоску одинаковой длины из двух разных металлов и
соедините их вместе на двух концах, чтобы сделать петлю. Затем окуните один
конец (один из двух спаев) во что-то горячее (например, стакан с
кипящей водой), а другой конец (другой спай) во что-то
холодное. Затем вы обнаружите, что электрический ток течет через
петлю (которая фактически является электрической цепью), и величина
этого тока напрямую связана с разницей температур
между двумя спаями.

Главное, что нужно помнить об эффекте Зеебека, это то, что величина
создаваемого напряжения или тока зависит только от типа металла (или металлов) и разницы температур. Для получения эффекта Зеебека
не нужен спай между разными металлами: нужна только разница температур. Однако на практике термопары используют металлические спаи.

Почему возникает эффект Зеебека?

Иллюстрация: Как работает эффект Зеебека: если нагреть один конец металла (красная стрелка), электроны (белые капли) «диффундируют» вдоль него, делая более холодный конец немного более отрицательно заряженным, чем более горячий конец.

Как мы уже видели, существует тесная связь между тем, насколько хорошо электричество
течет в материале (электропроводность), и тем, насколько хорошо тепло течет (теплопроводность
). Мы можем представить себе электроны в металле как нечто вроде
молекул в газе, которые колеблются с кинетической энергией. Чем горячее газ
, тем больше кинетической энергии в среднем имеет каждая молекула и тем быстрее она
колеблется. Так же, как молекулы газа движутся быстрее, когда вы их нагреваете,
так и электроны имеют тенденцию «диффузировать» больше, когда металл горячее. Если вы нагреваете
один конец металлического стержня, электроны движутся там быстрее и создают чистый поток к более холодному
концу. Это делает более горячий конец слегка положительно заряженным, а более холодный конец
слегка отрицательно заряженным, создавая разницу потенциалов — эффект Зеебека.

Фото: Термопара (оранжевая), прикрепленная к трубе с горячей водой. Фото Лейко Эрла предоставлено NREL (идентификатор изображения 6307251).

А как насчет эффекта Зеебека в соединении между двумя разными металлами?
Электроны движутся более свободно в некоторых материалах, чем в других. Это основное
различие между проводниками и изоляторами, а также между хорошими и плохими проводниками.
Если соединить два разных металла вместе, свободные электроны имеют тенденцию перемещаться из одного материала в другой
посредством своего рода диффузии. Так, например, если соединить кусок меди с куском железа, электроны имеют тенденцию перемещаться из железа в медь, оставляя медь более отрицательно заряженной, а железо более положительно заряженным.
Если железо и медь соединены в петлю с двумя соединениями, одно из соединений получит
положительное напряжение, а другое — равное и противоположное отрицательное напряжение, не создавая
в целом никакого напряжения. Но если одно из соединений горячее другого, электроны будут диффундировать
между металлами там более легко. Это означает, что напряжение на двух соединениях будет
отличаться на величину, которая зависит от разницы их температур.
Это эффект Зеебека — и он лежит в основе того, как работает большинство термопар.

Измерение температуры с помощью термопары

Фото: Вид лабораторного испытания при высоких температурах, для которого термопары бесценны. Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна (NASA-GRC) NASA.

Видите, куда мы движемся? Если вы измерите несколько известных
температур с помощью этого устройства с металлическим соединением, вы можете вычислить формулу
— математическое соотношение — которое связывает ток и
температуру. Это называется калибровкой : это как разметка
шкалы на термометре. После калибровки у вас есть
инструмент, который вы можете использовать для измерения температуры чего угодно
.

Просто поместите один из металлических спаев в ванну со льдом (или
чем-то другим с точно известной температурой). Поместите другой
металлический спай на объект, температуру которого вы хотите узнать.
Теперь измерьте изменение напряжения, которое происходит, и, используя формулу, которую вы
вычислили ранее, вы можете точно рассчитать температуру
вашего объекта. Гениально! То, что у нас здесь есть, это пара (пара)
металлов, которые соединены вместе (спарены) для измерения тепла (что
по-гречески называлось «термос»). Вот почему это называется
термопарой .

Как на практике выглядят термопары?

Все, что нас действительно волнует, это один из двух спаев — тот, который измеряет неизвестную температуру. Поэтому, когда вы видите фотографию или иллюстрацию термопары, это обычно все, что показано:

Фото: Типичная термопара. Здесь вы можете ясно увидеть, как два разных металла были соединены вместе внутри защитной внешней оболочки. Фото предоставлено NASA Glenn Research Center (NASA-GRC)
и Internet Archive.

То, что вы видите здесь, — это часть термопары, которая измеряет неизвестную температуру. На практике она подключается к более крупной схеме, что-то вроде той, что ниже, с двумя выходами, питающими
электронный усилитель напряжения. Это увеличивает очень маленькую разницу напряжения между двумя частями схемы (верхний и нижний пути на этой схеме), чтобы ее можно было измерить более точно. Чтобы быть абсолютно ясным, прибор, который вы видите на фотографии выше, — это просто крайняя левая часть рисунка ниже:

На фото: Как на практике используется типичная термопара как часть
более крупной цепи, включающей два металлических спая и усилитель напряжения.

Широкий спектр различных термопар доступен
для различных применений на основе металлов с высокой проводимостью,
таких как железо, никель,
медь, хром, алюминий,
платина, родий
и их сплавы. Иногда конкретная
термопара выбирается просто потому, что она точно работает в определенном
диапазоне температур, но условия, в которых она работает, также могут влиять
на выбор (например, материалы в термопаре должны
быть немагнитными, некорродирующими или
устойчивыми к воздействию определенных
химикатов).

Иллюстрация: Части типичной термопары. 1) Защитная металлическая оболочка (темно-серая), изготовленная из нержавеющей стали или сплава (возможно, никеля и хрома); 2) Первый провод, изготовленный из одного металла (красный); 3) Второй провод, изготовленный из другого металла (синий), соединенный с первым проводом, чтобы получилась термопара; 4) Изоляция (зеленая), изготовленная из измельченного и спрессованного минерального оксида. 5) Цемент для удержания изоляции на месте; 6) Электрическая изоляция, изготовленная из резины или пластика. Иллюстрация из патента США 4,018,624: Структура термопары и способ ее изготовления, автор Сильвио Дж. Риццоло, любезно предоставлено Патентным и товарным знаком США.

Для чего используются термопары?

Фото: Измерение температуры глубоко под землей на нефтяном месторождении — прекрасный пример
того, где термопары действительно полезны. Фото предоставлено Министерством энергетики США
и опубликовано на Flickr.

Термопары широко используются в науке и промышленности, поскольку
они, как правило, очень точны и могут работать в огромном диапазоне
действительно высоких и низких температур. Поскольку они генерируют электрический
ток, они также полезны для проведения автоматизированных измерений: гораздо
проще заставить электронную
схему или компьютер измерять
температуру термопары через регулярные интервалы, чем делать это
самостоятельно с помощью термометра. Поскольку в них нет ничего особенного, кроме
пары металлических полосок, термопары также относительно
недороги и (при условии, что используемые металлы имеют достаточно высокую
температуру плавления) достаточно прочны, чтобы выдерживать довольно суровые
условия.

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

Узнать больше

На этом сайте

• Энергия
• Нагревать
• Пирометры
• Термохромные (реагирующие на тепло) материалы
• Термометры

Книги

• Термопары: теория и свойства Дэниела Д. Поллока. CRC Press, 1991/2018. Недавнее электронное переиздание всеобъемлющего теоретического руководства 1991 года. Также доступно для предварительного просмотра как более раннее издание, Теория и свойства термопарных элементов Дэниела Д. Поллока, ASTM International, 1971.
• Практическая термопарная термометрия Томаса В. Керлина, Американское общество приборостроения, 1999 г.

Статьи

Новости и научно-популярная информация

• Хестан Кью: Внедрение интеллектуальной посуды в жизнь: Wired, апрель 2017 г. Как «умная» посуда использует встроенные термопары, чтобы не допустить подгорания вашего обеда.
• Датчики температуры — то вы их видите, то нет: IEEE Spectrum, 2017. TE Connectivity описывает, как мы полагаемся на датчики температуры в повседневной жизни.
• Заметки об использовании термопар: гораздо более подробное введение из журнала Electronics Cooling, основанное на информации, имеющейся здесь.

Более научный

• Возрождение термоэлектричества Абрама Ф. Иоффе, Scientific American, т. 199, № 5 (ноябрь 1958 г.),
  стр. 31–37. Полвека назад в этой статье предполагалось, что эффекты Зеебека (и Пельтье) произведут революцию в использовании энергии всего за несколько лет; мы все еще ждем!
• Термоэлектрики нагревают и охлаждают Терри М. Тритт, Science, 31 мая 1996 г., стр. 1276–1277. Более современный взгляд на то, как мы можем использовать эффект Зеебека в охлаждении и производстве электроэнергии?

Практические эксперименты

• Термопары берут ТЕПЛО: Сбор данных с помощью компьютерно-интерфейсной технологии Луи Надельсона, The Science Teacher,
  том 62, № 3, март 1994 г., стр. 30–33. Термопары идеально подходят для изучения сбора данных, понимания линейных уравнений и освоения калибровки в классе.

Фото

• Фотографии термопар: быстрый поиск на Flickr выдает несколько сотен фотографий термопар и соответствующего оборудования для измерения высоких температур.

Патенты

Если вы ищете гораздо больше технических описаний термопар, патенты — отличное место, чтобы начать. Вот несколько примеров, которые я выбрал из базы данных USPTO (но их сотни):

• Патент США (переиздание) 16270: Электрический пирометр Томаса Варли, 16 февраля 1926 г. Пирометр начала XX века на основе термопары.
• Патент США 1,643,734: Термопара Владимира Зворыкина, 27 сентября 1927 г. Усовершенствованная термопара, по совпадению разработанная одним из пионеров телевидения.
• Патент США 4,018,624: Структура термопары и способ ее изготовления, Сильвио Дж. Риццоло, Engelhard Minerals & Chemicals Corporation, 19 апреля 1977 г. Описывает структуру типичной современной термопары, способной измерять температуру свыше 315 °C (600 °F).

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты.

Статьи с этого сайта зарегистрированы в Бюро по авторским правам США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой суровые гражданские или уголовные санкции.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2009, 2023. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.