Термоелектричні термометри.
Як первинні перетворювачі температури можуть бути використані металеві і напівпровідникові термопари. Явище термотоку полягає в тому, що у замкнутому ланцюзі, який складений з різнорідних провідників або напівпровідників, виникає електричний струм, якщо температура місць з’єднання їх різна.
Метали можна розташувати в такий термоелектричний ряд: (-) Bi, Co, Ni, K, Pd, Na, Hg, Pt, Al, Mg, Sn, Pb, Cs, Ag, Cu, Zn, Cd, Mo, Fe, Sb, Si (+).
Якщо скласти термоелемент з будь-яких двох металів, які входять до цього ряду, то попередній метал виявиться електровід’ємним, а наступний – електрододатним. Чим дальше один від одного стоять в термоелектричному ряді метали, які складають термоелемент, тим більше при заданій різниці температур виникаюча ЕРС.
Температурна залежність ЕРС термоелемента виражається формулою
,
(2.17)
де
- стала величина для даної пари металів.
На основі залежності (2.17) визначається для даної термопари як електрорушійна сила, що виникає при різниці температур спаїв 1°.
В табл.2.2 наведені середні значення для деяких термопар, які застосовуються при вимірюваннях температури.
Таблиця 2.2 Середні значення термопар
-
Термоелемент
, мкВ/°С
Мідь – константан
Манганін – константан
Платина – константан
Залізо – константан
Константан – хромонікель
41
41
34
52
69
Сила
струму, який виникає у замкнутому
ланцюзі, що складається з термопари з
опором
і опору навантаження
(опір гальванометра, опір лінії зв’язку),
при різниці температур
виражається формулою
.
(2.18)
Напруга у зовнішньому ланцюзі визначається як
.
(2.19)
Часто для збільшення температурної чутливості термоелектричної установки в ланцюг вмикається декілька послідовно з’єднаних термоелементів. У цьому випадку вирази (2.18) і (2.19) приймуть вигляд
;
(2.20)
,
(2.21)
де
-
кількість термоелементів.
Проте
треба мати на увазі, що із збільшенням
кількості термоелементів зростає опір
термобатареї.
В метеорології термоелектричні термометри застосовуються при дослідженнях для вимірювання градієнтів температури, а також для вимірювання температури повітря, ґрунту і води. У випадку вимірювання температури «холодний» спай підтримується при постійній температурі або його температура повинна вимірюватися за допомогою допоміжного термометру.
Шкала вимірювального приладу, увімкненого в ланцюг термопари або термобатареї, може бути розділена на градуси температури (або різниці температур). Для реєстрації температури і різниці температур (за значеннями ЕРС термопар) застосовують автоматичні потенціометри, високочутливі реєстратори, а також реєстратори з попереднім посиленням.
Термометри з термоелементами у деяких випадках мають перевагу перед іншими термометрами, особливо при вимірюванні різниці температур. Вони можуть забезпечити вимірювання у всьому діапазоні температур, які зустрічаються в метеорології, і не потребують джерел живлення. Їхнім істотним недоліком є мала чутливість.
Термометри
термотранзисторні. Термотранзисторами
названі транзистори, застосовні як
первинні перетворювачі температури.
Як термометричну характеристику
термотранзистора частіше за все
вибирають напругу емітер – база
.
Термотранзистори можуть застосовуватися
при вимірювання температури в межах
від -70 до +200°С.
Термотранзистори володіють деякими позитивними якостями, такими, як стабільність, лінійність, ідентичність зразків, висока чутливість, малі габарити, невелика вартість та деякі інші.
Температурна залежність напруги емітер – база з достатньою точністю визначається виразом
,
де
- напруга емітер – база при 0°С;
-
стала величина;
- температура.
Термометри
з термотранзисторами містять мостову
вимірювальну схему, одним з плечей
якої є перехід емітер – база
термотранзистора, на колектор якого
надходить замикаюча напруга. Джерело
живлення моста і транзистора повинне
бути стабілізованим. Напруга на виході
моста визначається виразом
,
де
-
коефіцієнт, що залежить від параметрів
вимірювального моста і характеристик
термотранзистора, тобто для певного
виду термотранзисторного термометра
величина постійна.
Серійно випускається транзисторний електротермометр ТЕТ-2 (рис.2.20). Ця установка призначена для вимірювання температури ґрунту на поверхні і глибинах, на яких стаціонарно установлюються датчики, і в будь-якій точці поля до глибини 50 см за допомогою переносного датчика-щупа. Установка забезпечує вимірювання температури в діапазоні 120°С (від -40 до +80°С) з дискретністю відліку 2°С і в діапазоні 60°С (від -10 до +50°С) по трьом діапазонам по 20°С з дискретністю 0,2°С.
ТЕТ-2 містить вимірювальний пристрій і датчики (рис.2.20 а, б), якими установка може бути укомплектована в будь-якій кількості. Установка може комплектуватися також і комутатором (перемикачем) для почергового підключення датчиків до вимірювального приладу.
Вимірювальний пристрій переносний. В ньому розміщені елементи нерівноважного моста і стабілізатора, гальванічний елемент та інші узгоджені і допоміжні елементи схеми, головним чином, резистори. На лицьовій його панелі (рис.2.20 а) розміщені вимірювальний прилад, ручка перемикача піддіапазонів, шкала піддіапазонів і кнопка для увімкнення приладу. На боковій стінці знаходиться розетка (закрита ковпачком) для почергового підключення датчиків (або перемикача датчиків). Вимірювальний прилад має дві шкали – одна з межами від -40 до +80°С для наближених вимірювань, друга тримежова: від -10 до +10°С, від +10 до +30°С, від +30 до +50°С, для більш точних вимірювань.
Вимірювальний пристрій має знімну захисну кришку.
Рис.2.20 Установка для вимірювання температури ґрунту ТЕТ-2: а – пульт; б і в – датчики
Датчики в залежності від призначення мають різну конструкцію. Переносний датчик-щуп (рис.2.20, б) призначений для вимірювання температури ґрунту на глибинах до 50 см. Він являє собою металеву трубку (довжиною приблизно 50 см) з гострим наконечником і ручкою. Наконечник з’єднаний з трубкою за допомогою втулки з теплоізоляційного матеріалу. Термотранзистор закріплений всередині трубки безпосередньо у наконечника і за допомогою кабелю зв’язаний з вилкою штепсельного роз’єму, всередині корпуса якого знаходиться резистор, увімкнений в ланцюг струму емітера для установлення заданого значення характеристичної напруги .
При зміні температури датчик заглиблюють в ґрунт до потрібної глибини, натискаючи на його ручку; глибина заглиблення визначається по шкалі, що нанесена на трубці (нуль шкали співпадає з наконечником, де знаходиться термотранзистор).
Датчик для стаціонарної установки (рис.2.20, в) являє собою металеву капсулу з термотранзистором всередині, герметично з’єднану з відрізком кабелю, жили якого з’єднують термотранзистор з вилкою штепсельного роз’єму.
При вимірюванні температури датчик підключають до вимірювального пристрою (або через перемикач). Вимірювальний пристрій установлюють горизонтально. Надалі процес вимірювання аналогічний процесу вимірювання температури термометрами опору і виконується в такій послідовності: перевіряють положення стрілки приладу і при необхідності коректором установлюють її на нуль, рукоятку установлюють в положення «К» (при цьому стрілка повинна установитися біля контрольного сектора в кінці нижньої шкали), потім ручку переводять в положення « - 40 + 80 » і по положенню стрілки відносно нижньої шкали визначають температуру. Більш точне її значення отримують, установлюючи ручку в положення, що відповідає піддіапазону, визначеному попереднім грубим вимірюванням, і зробивши відлік по верхній шкалі приладу.
Основна похибка ТЕТ-2 при вимірюванні в широкому діапазоні складає 2°С, а в піддіапазонах – 0,5°С.