Что такое термопара, принцип действия, основные виды и типы

Типы и виды термопар

Термопары, в зависимости от используемых сплавов проводников, разделяют на:

• хромель-алюмелевые (ТХА), диапазон измерения от -270 до 1372 градусов, погрешность до 0,75%;
• железо-константановые (ТЖК), диапазон от -210 до 1200 градусов, погрешность 0,75%;
• платинородий-платинородиевые (ТПР), диапазон от 0 до 1820 градусов, погрешность – 0,5% (только свыше 800 градусов);
• медь-константановые (ТМКн), диапазон от -270 до 400 градусов, погрешность 0,75% при температуре выше нуля, 1,5% — ниже нуля;
• платинородий-платиновые (ТПП 10), диапазон от -50 до 1768 градусов, погрешность 0,25%;
• вольфрамрениевые (ТФР), диапазон от 0 до 2320 градусов, погрешность – 1% (если свыше 425 градусов).

В теории сделать термопару можно из любых двух проводников. Но вышеуказанные комбинации дают самые точные значения, а некоторые (ТХА, ТПП, ТПР, ТВР) – внесены в ГОСТ для использования в промышленных масштабах.

Различаются термопары и по типу конфигурации проводников. Бывают одноэлементные, двухэлементные, с заземлением на корпус и незаземленные. Точная конфигурация подбирается в зависимости от назначения.

Также существуют многоточечные термопары. Они используются, когда необходимо измерить разницу температур в нескольких измеряемых точках. Допустимое количество точек замера – 60. Чаще многоточечные термопары применяются в нефтепромышленности.

Дополнительно их различают по типу используемой колбы (где и располагаются проводники). Например, для измерения в условиях свыше 1000 градусов требуется использовать керамический «наконечник». А в химических реактивах, которые разъедают материал проводников, используется колба из устойчивого к кислотам или щелочам материала.

Ещё используется классифицирование по инерционности, то есть по скорости получения итогового значения ЭДС. Как правило, общий диапазон – от 40 секунд до 3,5 минут. Существуют датчики и с ненормированной инерционностью. Именно они преимущественно используются в быту, хоть и погрешность в их замерах высокая (для того же холодильника это не критично, так как отклонение результата не превышает 1,5%).

Преимущества и недостатки

Ключевыми преимуществами термопар можно назвать следующие:

• простота конструкции;
• низкая себестоимость изготовления;
• широкий диапазон измеряемых температур (от абсолютного нуля и свыше 2000 градусов по Цельсию);
• надежность (разрешено использовать в условиях агрессивной среды, в химических растворах);
• высокая точность измерения, при правильной градации можно делать замеры с шагом вплоть до 0,01 градуса;
• малый размер капсулы датчика (в цифровой электронике используются модели, размером с микротранзистор).

Из недостатков стоит упомянуть:

• необходимость в определении точного значения коэффициента компенсации (так как замеры производятся не только при нулевой температуре), для каждого отдельного вида термопары это проводится индивидуально;
• наличие диапазона, при котором изменение ЭДС происходит нелинейно (для каждого типа проводника он свой), что не позволяет использовать датчик за его пределами;
• погрешность измеряемых значений термопары ухудшается со временем за счет снижения градуировочных значений (регулярные перепады температур буквально «изнашивают» датчик);
• необходимость использовать только совместимые измерительные приборы (или задействовать компенсационные провода).

Итого, термопара – один из самых простых, точных и дешевых термодатчиков, принцип работы которого заключен в измерении значения электродвижущей силы (указывается в Вольтах, но не следует путать с напряжением).

Недостатки термопары

Недостатков у термопары не так много, в особенности если сравнивать с ближайшими конкурентами (температурными датчиками других типов), но все же они есть, и было бы несправедливо о них умолчать.

Так, разность потенциала измеряется в милливольтах. Поэтому необходимо применять весьма чувствительные потенциометры. А если учесть, что не всегда приборы учета можно разместить в непосредственной близости от места сбора экспериментальных данных, то приходится применять некие усилители. Это доставляет ряд неудобств и приводит к лишним затратам при организации и подготовке производства.

Принцип работы

Работа любой термопары основывается на термоэлектрическом эффекте, который был открыт Т.И. Зеебеком в далёком 1821 году. Данный эффект заключается в том, что если последовательно соединить друг с другом два разнородных металлических проводника, образуя таким образом замкнутую электрическую цепь, и в одном месте соединения проводников произвести нагрев, то в цепи возникает электродвижущая сила (ЭДС). Данную электродвижущую силу называют термо-ЭДС. Под действием термо-ЭДС в замкнутой цепи начинает протекать электрический ток.

Как работает термопара.

Место нагрева обычно называют горячим спаем. Место, где нет нагрева – холодный спай. Если в разрыв цепи подключить гальванометр или микровольтметр, то можно измерить величину термо-ЭДС, которая будет составлять несколько мили- или микровольт. Значение термо-ЭДС будет зависеть от величины нагрева в месте соединения проводников и от величины температуры в месте соединения проводников, где нагрев не происходит. Т.е. значение термо-ЭДС зависит от разности температур между холодным и горячим спаем. Также термо-ЭДС зависит и от рода самих проводников.

Будет интересно Чему равна электроемкость конденсатора?

Таким образом, если место соединения разнородных проводников термопары нагреть, то между несоединёнными (свободными) концами проводников возникнет разность потенциалов, которую можно измерить электроизмерительным прибором. Благодаря современным преобразователям возникающую разность потенциалов можно преобразовать в определённое цифровое значение, т.е. вполне реально узнать значение температуры нагрева в месте соединения проводников термопары. Для того чтобы измерения были точными, температура холодного спая должна быть неизменной. Т.к. это не всегда возможно, используются специальные компенсационные схемы для компенсации температуры холодного спая.

Устройство термопары.

Конструкция устройства

Современные термопары изготавливаются различной формы и длины. По конструктивному исполнению их можно разделить на две группы:

• бескорпусные термопары;
• термопары с защитным кожухом.

Первые представляют собой изделие, у которого место соединения двух проводников не закрыто и не защищено от внешних воздействий. Такое исполнение позволяет достичь быстрого времени измерения температуры и низкой инертности. Второй тип термопары выпускается в виде зонда. Зонд представляет собой металлическую трубку с внутренним изолятором, выдерживающим высокую температуру. Внутрь зонда помещается термоэлектрический элемент термопары. Благодаря такой конструкции термоэлемент защищён от влияния агрессивных сред различных технологических процессов.

Термопара типа J.

Холодный спай

Холодный спай часто представляет собой точку, где свободные концы проводов термопары подсоединяются к измерительному прибору. В силу того, что измерительный прибор в цепи термопары в действительности измеряет разность напряжения между двумя спаями, то напряжение холодного спая должно поддерживаться на неизменном уровне, насколько это возможно. Поддерживая напряжение на холодном спае на неизменном уровне мы тем самым гарантируем, что отклонение в показаниях измерительного прибора свидетельствует о изменении температуры на рабочем спае.

Если температура вокруг холодного спая меняется, то величина напряжения на холодном спае также изменится. В результате изменится напряжение на холодном спае. И как следствие разница в напряжении на двух спаях тоже изменится, что в конечном итоге приведет к неточным показаниям температуры. Для того, чтобы сохранить температуру на холодном спае на неизменном уровне во многих термопарах используются компенсирующие резисторы. Резистор находится в том же месте, что и холодный спай, так что температура воздействует на спай и резистор одновременно.

Термопара газовой плиты.

Рабочий спай термопары (горячий)

Рабочий спай — это спай, который подвержен воздействию технологического процесса, чья температура измеряется. Ввиду того, что напряжение, генерируемое термопарой прямо пропорционально ее температуре, то при нагревании рабочего спая, он генерирует больше напряжения, а при охлаждении — меньше.

Из чего состоит термопара.

Где используются?

Сейчас они являются самым распространенным вариантом температурных датчиков. Используются как в бытовых приборах, так и в промышленности (в том числе в металлургии, где измеряются температуры жидких металлов). Можно упомянуть следующие варианты применения термопар:

1. В холодильниках. Термодатчик включает реле при повышении температуры внутри холодильной камеры, отключает – при её снижении до требуемого уровня.
2. В газовых котлах. Термодатчик отключает подачу газа, если внутри камеры сгорания температура падает ниже заданного значения. Таким образом работает аварийная система отключения котла при затухании горелки (форсунки).
3. В автомобилях. Датчик устанавливается в системе охлаждения (в некоторых марках авто и в воздуховоде, в топливном насосе) для контроля температурного режима, автоматического включения и отключения вентилятора.
4. В компьютерной технике (ноутбуки, смартфоны). Датчик замеряет температуру процессора, микроконтроллеров, GPU-адаптера и при превышении заданного значения – снижает подаваемое напряжение (это называется «троттлинг», то есть принудительное снижение производительности).
5. В цифровых градусниках и термометрах, метеостанциях.
6. В бытовых мультиметрах.

Типы и виды термопар

Многообразие термопар объясняется различными сочетаниями используемых сплавов металлов. Подбор термопары осуществляется в зависимости от отрасли производства и необходимого температурного диапазона.

Термопара хромель-алюмель (ТХА)

Положительный электрод: сплав хромель (90% Ni, 10% Cr). Отрицательный электрод: сплав алюмель (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).

Изоляционный материал: фарфор, кварц, окиси металлов и т.д.

Диапазон температур от -200°С до 1300°С кратковременного и 1100°С длительного нагрева.

Рабочая среда: инертная, окислительная (O2=2-3% или полностью исключено), сухой водород, кратковременный вакуум. В восстановительной или окислительно-восстановительной атмосфере в присутствии защитного чехла.

Недостатки: легкость в деформировании, обратимая нестабильность термо-ЭДС.

Возможны случаи коррозии и охрупчивания алюмеля в присутствии следов серы в атмосфере и хромеля в слабоокислительной а).

Термопара хромель-копель (ТХК)

Положительный электрод: сплав хромель (90% Ni, 10% Cr). Отрицательный электрод: сплав копель (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).

Диапазон температур от -253°С до 800°С длительного и 1100°С кратковременного нагрева.

Рабочая среда: инертная и окислительная, кратковременный вакуум.

Недостатки: деформирование термоэлектрода.

Возможно испарение хрома при длительном вакууме; реагирование с атмосферой, содержащей серу, хром, фтор.

Термопара железо-константан (ТЖК)

Положительный электрод: технически чистое железо (малоуглеродистая сталь). Отрицательный электрод: сплав константан (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).

Используется для проведения измерений в восстановительных, инертных средах и вакууме. Температура от -203°С до 750°С длительного и 1100°С кратковременного нагрева.

Подключение термопары

Проводники термопары к измерительному прибору (который регистрирует ЭДС) подключаются через компенсационные провода. Как правило, изготавливают их из тех же материалов, что и сами проводники термопары. Их главное назначение – минимально изменять значение ЭДС, обеспечивая тем самым минимальную погрешность измерения. По этой причине термодатчики производителями могут поставляться сразу с компенсационными проводами. Вместо них ещё могут применяться термисторы, которые вырабатывают ток компенсации для холодного спая. В плане конструкции такие датчики проще, но погрешность у них на порядок больше.

Ещё один вариант подключения – «на разрыв». Это когда в качестве компенсационных проводов используются проводники из того же материала, что и клеммы измерительного прибора. Но не для всех типов термопар это подходит, так как медь (которая используется в клеммах измерительных приборов) допускается паять не ко всем сплавам. И в таких датчиках место холодного спая – это концы проводников термопары. Если между холодным и горячим спаями расстояние малое, то и погрешность при измерении высоких температур получится большой.

Разновидности преобразователей термоэлектрического типа

Виды термопар чрезвычайно обширные.  Есть два основных фактора разделения: по разновидности сплавов и по варианту спайки. А также отдельным типом являются многоточечные ТП.

Тип электропар в зависимости от сплавов проводников

Термопара создает ЭДС, принцип всегда аналогичный, но сплавы нагреваются по-разному, поэтому рабочие диапазоны, скорость срабатывания, погрешности могут колебаться.

Разные сочетания металлов обладают своими параметрами, определяющими выходной импульс напряжения, но главное — температурный диапазон, в котором допускается использовать ту или иную разновидность сенсора

При росте амплитуды выходного напряжения улучшается разрешение измерений. Растет повторяемость, соответственно, и точность.

Есть разные соотношения разрешения и диапазона t° у конкретных типов ТП, что делает их подходящими для определенных условий.

Есть 9 типов термопар по составу сплавов проводников:

Разновидности обозначаются буквами. (J, K, T, E, N, R, S, B, C).

Для нас важна термопара типа К (другое обозначение — ТХА): она наиболее распространенная, подходит для применения в бытовых, других приборах и для задач, не имеющих каких-либо особых требований.

Традиционно ТХА рекомендована всегда, если только нет обоснований для использования иных видов. Ниже приведем описание термопары типа К из узкопрофилированного сайта по электронике:

Особенности конструкции

Термопара – это специальное устройство, которое предназначается для измерения температуры. Конструкция будет состоять из двух разнородных проводников, которые в дальнейшем будут между собою контактировать в одной или нескольких точках. Когда на одном участков этих проводников измениться температура, тогда будет создаваться напряжение. Многие специалисты достаточно часто используют термопары для контроля температуры в разнообразной среде и для конвертации температуры в энергию.

Коммерческий преобразователь будет иметь доступную стоимость. Он будет иметь стандартные разъемы и позволяет измерять разнообразный спектр температуры. Основным отличием от других устройств для измерения температуры считается то, что они имеют автономное питание и не требуют внешнего фактора возбуждения. Основным ограничением во время работы с этим устройством считается его точность.

Основные параметры этого прибора на сегодняшний день будут зависеть именно от материала, из которого он выполнен. Если узел создан из разнородных материалов, тогда он позволяет производитель электрический потенциал. Термопары для практического измерения температуры чаще всего выполнены из определенного материала. Различные сплавы чаще всего могут использовать для разнообразных температурных диапазонов. Если вам необходимо купить термопару, тогда сначала проконсультируйтесь с продавцом.

Существуют также и разные типы термопары. Многие приспособления считаются полностью стандартизированными. Многие производственные компании на сегодняшний день используют электронные методы холодного спая для корректировки изменения температуры на клеммах устройства. Благодаря этому им удалось значительно повысить точность.

Применение термопары считается достаточно широким. Их могут использовать в следующих областях:

• Науке.
• Промышленности.
• Для измерения температуры в печах или котлах.
• Частных домах или офисах.
• Также эти приборы способны заменить термостаты АОГВ в газовых отопительных приборах.

Типы термопары

При определенных условиях создается термопара своими руками. Но перед изготовлением, потребуется изучить все виды термопары. Также вам необходимо знать, чем отличаются модели: ТХА, ТХК, ТПП, ТВР, ТЖК, ТПР, ТСП. Они могут распределяться как:

• Тип E. Здесь вы встретите сплав хромель-константан. Это соединение будет иметь достаточно высокую проводимость. Это делает его подходящим для криогенного использования. Диапазон температур будет составлять от -50 до +740 градусов.
• Тип J. Это железо-константан. Здесь область работы будет составлять от -40 до +740 градусов.
• Тип K. Это термопары, которые будут составляться из сплава хромель алюминий. На сегодняшний день эти устройства являются достаточно распространенными и диапазон их измерений составляет от -200 до +1350 градусов. В окислительной среде проволока из хромеля может быстро разъедаться. Это явление также имеет название «зелена гниль».

• Тип M. Чаще всего эта продукция используется в вакуумных печах. Максимальная температура может составлять до 1400 градусов.
• Тип N. Никросил-нисиловые термопары. Они предназначаются для работы в диапазоне температур от -270 до +1300 градусов.
• Сплавы родия и платины. Это одни из наиболее стабильных термопар. Обычно их используют для измерения высоких температур.
• Тип B, S, C. Эти термопары подойдут для использования в среде с температурой до 1800 градусов.
• Сплавы рения и вольфрама. Эта продукция отлично справляется с очень высокими температурами. Чаче всего их могут использовать в вакуумных печах или промышленной автоматике.

У нас вы также можете прочесть про правильное заземление.

Устройство и принцип действия термопары

Действительно, постоянно находиться в зоне открытого пламени может далеко не каждый материал. Термоэлемент же изготовлен из металла, точнее, из нескольких металлов, поэтому высокой температуры не боится. При работе газовой котельной установки без него никак не обойтись, выход из строя термопары означает полную остановку агрегата и немедленный ремонт. Все дело в том, что термоэлемент работает совместно с электромагнитным отсекающим клапаном, перекрывающим вход в топливный тракт. Стоит только этой детали выйти из строя, как клапан закроется, подача топлива прекратится и горелочное устройство потухнет.

Чтобы лучше понять принцип работы термопары газового котла, стоит рассмотреть схему, представленную на рисунке.

Схема термопары

В основе этого принципа лежит следующее физическое явление: если надежно соединить между собой 2 разнородных металла, а потом место соединения нагревать, то на холодных концах этого спая появится разница потенциалов, то есть, напряжение. А при подключении к ним измерительного прибора цепь замкнется и возникнет постоянный электрический ток. Напряжение будет совсем небольшим, но этого вполне достаточно, чтобы в чувствительной катушке электромагнитного клапана возникла индукция и он открылся, позволяя топливу пройти к запальнику.

Для справки. Некоторые современные электромагнитные клапаны настолько чувствительны, что остаются открытыми, пока напряжение на входе не станет ниже 20 мВ. Термоэлемент в обычном рабочем режиме вырабатывает напряжение порядка 40—50 мВ.

Соответственно, устройство термопары газового котла основано на описанном явлении, носящем название эффекта Зеебека. Две детали из различных металлов прочно соединяются между собой в одной или нескольких точках, при этом качество соединения играет большую роль. Оно влияет на рабочие параметры элемента и долговечность его эксплуатации. Место соединения и будет той самой рабочей частью, помещаемой в зону открытого огня.

Поскольку для изготовления термоэлементов применяется множество различных пар металлов, не вдаваясь в подробности, отметим, что в термопаре для газового котла используется пара хромель – алюминий. К холодным концам этих металлов приварены проводники, заключенные в защитную оболочку. Второй конец проводников вставляется в соответствующее гнездо автоматики агрегата и закрепляется с помощью зажимной гайки.

В процессе розжига запальника и горелки газового котла для подачи топлива мы открываем электромагнитный клапан вручную, нажимая на его шток. Газ попадает на запальник и поджигается, а термопара находится рядом и нагревается от его пламени. Спустя 10—30 сек кнопку можно отпускать, так как термоэлемент уже начал вырабатывать напряжение, удерживающее шток клапана в открытом состоянии.

Конструкции термопар

Сварка проводов, изготовленных из разных металлов, выполняется таким образом, чтобы получилось небольшое по размеру соединение – спай. Провода можно просто скрутить, однако такое соединение ненадежно и имеет большой уровень шумов. Сварку металлов иногда заменяют пайкой, однако верхний температурный диапазон такой термопары ограничен температуров плавления припоя. При температурах, близких к температуре плавления припоя, контакт разнородных металлов в термопаре может нарушаться. Термопары, изготвленные сваркой, выдерживают более высокие температуры, однако химический состав термопары и структура металла в месте сварки могут нарушаться, что приводит к разбросу температурных коэффициентов термопар. Под действием высоких температур может произойти раскалибровка термопары вследствие изменения диффуции компонентов металла в месте сварки. В таких случаях термопару следует откалибровать заново или заменить.

Промышленностью выпускаются термопары трех различных конструкций: с открытым спаем, с изолированным незаземленным спаем и с заземленным спаем. Термопары с открытым контактом имеют малую постоянную времени, но плохую коррозионную стойкость. Термопары двух других типов применимы для измерения температуры в агрессивных средах. В таблице 3 приведены типы термопар и их маркировка в соответствии со стандартом ANSI.

Таблица 3

Обозначение, ANSI	Тип по ГОСТ Р 8.585-2001	Материал положительного электрода	Материал отрицательного электрода	Максимальная погрешность	Максимальная температура	Температурный коэффициент при 20 град Цельсия	Выходное напряжение при 100 град. Цельсия
J	ТЖК	Железо, Fe	Константан, Cu-Ni	2,2 oС или 0,75%	760	51,45	5,268
K	TXA	Хромель, Cr-Ni	Алюмель, Ni-Al	2,2 oС или 0,75% выше 0 oС, 2,2 oС или 2% ниже	1370	40,28	4,095
T	ТМК	Медь, Cu	Константан, Cu-Ni	1 oС или 0,75% выше 0 oС, 1 oС или 1,5% ниже	400	40,28	4,277
E	ТХКн	Хромель, Cr-Ni	Константан, Cu-Ni	1,7 oС или 0,5% выше 0 oС, 1,7 oС или 1% ниже	1000	60,48	6,317
N	ТНН	Никросил, Ni-Cr-Si	Нисил, Ni-Si-Mg	2,2 oС или 0,75% выше 0 oС, 2,2 oС или 2% ниже	–	–	–
R	ТПП	Платина-Родий (13% Rh)	Платина Pt	1,5 oС или 0,25%	1750	5,8	0,647
S	ТПП	Платина-Родий (10% Rh)	Платина Pt	1,5 oС или 0,25%	1750	5,88	0,645
B	ТПР	Платина-Родий (30% Rh)	Платина-Родий (6% Rh)	0,5% выше +800 oС	1800	–	0,033
L	TXK	Хромель-Копель			900
C	ТВР,A (A-1, A-2, A-3)	Вольфрам-Рений, W-Re (5% Re)	Вольфрам-Рений, W-Re (26% Re)	4,5 oС до _425 oС, 1% до 2320 oС	–	–	–

Особенностью термопар по сравнению с другими типами термодатчиков является то, что температурный коэффициент зависит только от материала, из которого изготовлена термопара и не зависит от ее конструкции (термопары выполняются в форме щупа, проклодки, бронированного зонда, и т.п.). Это делает термопары взаимозаменяемыми без дополнительной подстройки.

При высоких температурах сопротивление материала изоляции термопары уменьшается и токи утечки через изоляцию могут вносить погрешность в результат измерения. Погрешность термопары возрастает также при попадании жидкости внутрь термопары, вследствие чего возникает гальванический эффект.

Принцип действия термопары

Принцип действия термопары основан на эффекте, который обнаружил в 1821 году немецкий — эстонский физик Томас Иоганн Зеебек. Он заметил, что при соединении двух проводников из разнородных металлов в них возникает напряжение (термоЭДС), величина которого зависит от степени нагрева места соединения. Позднее это явление стали называть термоэлектрическим эффектом или эффект Зеебека.

Фактическое напряжение, генерируемое термопарой зависит от температуры нагрева и от типа используемых металлов. Напряжение это не велико и, как правило, составляет от 1 до 70 мкВ на 1 градус Цельсия.

При подключении термопары к измерительному прибору получается еще один термоэлектрический переход. Таким образом, фактически получается два перехода находящихся в разных температурных режимах, поэтому входной сигнал на измерителе будет пропорционален разности температур между этими двумя переходами.

Для того, чтобы измерить абсолютную температуру, применяют метод известный как «компенсация холодного спая». Его суть заключается в том, что второй переход (который вне зоны измеряемой температуры) помещают при постоянной (образцовой) температуре. Ранее для этого использовали стандартный метод – помещая данный переход в ледяную воду.

На сегодняшний день применяют дополнительный датчик температуры расположенный в непосредственной близости от второго перехода, и по показаниям дополнительного температурного датчика измерительный прибор вносит коррекцию в результат измерения. Это значительно упрощает общую схему измерения, поскольку термопару и измерительный элемент, с элементом температурной компенсацией, можно объединить в единое целое.

Линеаризация температурной зависимости

Температурная зависимость напряжения на выходе термопары является сильно нелинейной. Поэтому для нахождения температуры по измеренному значению напряжения необходимо использовать таблицу или нелинейную функцию, аппроксимирующую табличные данные. Для аналитической апроксимации табличных значений обычно используют полином вида

,       (1)

где V – измеренное напряжение в микровольтах; Т – температура, oС; ao,… an, – коэффициенты полинома, которые индивидуальны для каждого типа термопары. Для ряда стандартных термопар эти коэффициенты установлены стандартом NIST (National Institute of Standards and Technology), опубликованы в монографии  и приведены в табл.1. Эта таблица получена при условии, что холодный спай термопары находится при температуре 0oС.

Таблица 1

Для обратного перехода, от температуры к напряжению, используют аналогичную полиномиальную аппроксимацию

коэффициенты которой приведены в таблице 2. Этой таблицей пользуются для точной компенсации температуры холодного спая.

Таблица 2

Принцип действия термопары

Эти устройства работают согласно правилу Зеебека. Если определенный проводник будет подвергаться воздействию, тогда его сопротивление и напряжение будет изменяться. Чтобы измерить это напряжение необходимо подключить гибкий провод к «горячему» концу термопары. Этот гибкий провод может стать настоящим градиентом температуры и разработать собственное напряжение, которое в дальнейшем будет противостоять текущему напряжению.

Во время использования разнородных сплавов для замыкания цепи, создается новая цепь, в которой два конца смогут генерировать напряжение. В дальнейшем его можно будет измерить. Узнайте, как работает тензодатчик.

Напряжение будет генерироваться не на стыке двух металлов, а вдоль длины двух разнородных металлов. Обе длины термопары будут испытывать одинаковый температурный режим. Конечный результат можно считать результатом разности температур между термопарой и спаем. Если соединение будет выполнено некачественно, тогда соответственно в этом случае может образоваться погрешность. Особенно в высокой точности будет нуждаться мультиметр с термопарой и разнообразные производственные датчики.

Устройство термопары

Принцип работы термопары. Эффект Зеебека

Работа термопары обусловлена возникновением термоэлектрического эффекта, открытым немецким физиком Томасом Зеебеком (Tomas Seebeck) в 1821 г.

Явление основано на возникновении электричества в замкнутом электрическом контуре при воздействии определенной температуры окружающей среды. Электрический ток возникает при наличии разницы температур между двумя проводниками (термоэлектродами) различного состава (разнородных металлов или сплавов) и поддерживается сохранением места их контактов (спаев). Устройство выводит на экран подсоединенного вторичного прибора значение измеряемой температуры.

Выдаваемое напряжение и температура находятся в линейной зависимости. Это означает, что увеличение измеряемой температуры приводит к большему значению милливольт на свободных концах термопары.

Находящийся в точке измерения температуры спай называется «горячим», а место подключения проводов к преобразователю — «холодным».

Компенсация температуры холодного спая (КХС)

Компенсация холодного спая (КХС) – это компенсация, вносимая в виде поправки в итоговые показания при измерении температуры в точке подсоединения свободных концов термопары. Это связано с расхождениями между реальной температурой холодных концов с вычисленными показаниями градуировочной таблицы для температуры холодного спая при 0°С.

КХС является дифференциальным способом, при котором показания абсолютной температуры находятся из известного значения температуры холодного спая (другое название эталонный спай).

Конструкция термопары

При конструировании термопары учитывают влияние таких факторов, как «агрессивность» внешний среды, агрегатное состояние вещества, диапазон измеряемых температур и другие.

Особенности конструкции термопар:

1) Спаи проводников соединяются между собой скруткой или скруткой с дальнейшей электродуговой сваркой (редко пайкой).

2) Термоэлектроды должны быть электрически изолированы по всей длине, кроме точки соприкосновения.

3) Способ изоляции подбирается с учетом верхнего температурного предела.

• До 100-120°С – любая изоляция;
• До 1300°С – фарфоровые трубки или бусы;
• До 1950°С – трубки из Al₂O₃;
• Свыше 2000°С – трубки из MgO, BeO, ThO₂, ZrO₂.

4) Защитный чехол.

Материал должен быть термически и химически стойким, с хорошей теплопроводностью (металл, керамика). Использование чехла предотвращает коррозию в определенных средах.

Удлиняющие (компенсационные) провода

Данный вид проводов необходим для удлинения концов термопары до вторичного прибора или барьера. Провода не используются в случае наличия у термопары встроенного преобразователя с унифицированным выходным сигналом. Наиболее широкое применение получил нормирующий преобразователь, размещенный в стандартной клеммной головке датчика с унифицированным сигналом 4-20мА, так называемая «таблетка».

Материал проводов может совпадать с материалом термоэлектродов, но чаще всего заменяется на более дешевый с учетом условий, предотвращающих образования паразитных (наведенных) термо-ЭДС. Применение удлиняющих проводов также позволяет оптимизировать производство.

Схема подключения термопары

Наиболее распространенными способами подключения измерительных приборов к термопарам являются так называемый простой способ, а также дифференцированный. Суть первого метода заключается в следующем: прибор (потенциометр или гальванометр) напрямую соединяется с двумя проводниками. При дифференцированном методе спаивается не одни, а оба конца проводников, при этом один из электродов «разрывается» измерительным прибором.

Нельзя не упомянуть и о так называемом дистанционном способе подключения термопары. Принцип работы остается неизменным. Разница лишь в том, что в цепь добавляются удлинительные провода. Для этих целей не подойдет обычный медный шнур, так как компенсационные провода в обязательном порядке должны выполняться из тех же материалов, что и проводники термопары.

Быстродействие измерения

Быстродействие обуславливается способностью первичного преобразователя быстро реагировать на скачки температуры и следующим за ними потоком входных сигналов измерительного прибора.

Факторы, увеличивающие быстродействие:

1. Правильная установка и расчет длины первичного преобразователя;
2. При использовании преобразователя с защитной гильзой необходимо уменьшить массу узла, подобрав меньший диаметр гильз;
3. Сведение к минимуму воздушного зазора между первичным преобразователем и защитной гильзой;
4. Использование подпружиненного первичного преобразователя и заполнения пустот в гильзе теплопроводящим наполнителем;
5. Быстро движущаяся среда или среда с большей плотностью (жидкость).

Физическая база работы термопары

Механизм работы термопары основан на обыденных физических процессах. В первый раз эффект, на базе которого работает данное устройство, был изучен германским ученым Томасом Зеебеком.

Сущность явления, на котором держится принцип деяния термопары, в последующем. В замкнутом электронном контуре, состоящем из 2-ух проводников различного вида, при воздействии определенной температуры среды появляется электричество.

Получаемый электронный поток и температура среды, воздействующая на проводники, находятся в линейной зависимости. Другими словами чем выше температура, тем больший электронный ток вырабатывается термопарой. На этом и основан принцип деяния термопары и указателя температуры сопротивления.

При всем этом один контакт термопары находится в точке, где нужно определять температуру, он называется «жарким». 2-ой контакт, другими словами — «прохладный», — в обратном направлении. Применение для измерения термопар допускается только в этом случае, когда температура воздуха в помещении меньше, чем в месте измерения.

Такая короткая схема работы термопары, принцип деяния. Виды термопар мы разглядим в последующем разделе.