Термопара, термоэлемент. Принцип работы термопары

Общие сведения

Термопарой, или термоэлектрическим преобразователем, называют устройство для измерения температуры, основой работы которого является термоэлектрический эффект.

Принцип действия термопары

Принцип действия термопары основан на возникновении разности потенциалов в проводниках, так называемом термоэлектрическом эффекте (или эффекте Зеебека). Он состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает термо-ЭДС, если места контактов имеют разные температуры (холодный и горячий контакт). Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо-ЭДС. Цепь, которая состоит только из двух разнородных проводников, называется термоэлементом или термопарой. Точность показаний зависит от типа конструкции, схемы подключения проводников, и некоторых других параметров.

Устройство термопары

Термопара состоит из двух проводников (термоэлектродов), каждый из которых изготовлен из разнородных сплавов. Для применения в термопарах используются различные сплавы цветных и благородных металлов. Благородные металлы позволяют существенно повысить точность измерений, сказывается меньшая термоэлектрическая неоднородность и стойкость к окислению. Они используются для измерений до 1900°С, при более высоких температурах необходимы специальные жаростойкие сплавы. Неблагородные металлы применяются до 1400°С.

Концы термоэлектродов образуют контакт (горячий спай) выполненный путём скручивания или с помощью узкого сварочного шва либо сваркой встык. «Горячий» спай помещают в среду с измеряемой температурой. Свободные концы термопары замыкаются с помощью компенсационных проводов на контакты измерительного прибора или соединяются с автоматическим устройством управления. В точках соединения образуется другой, так называемый, холодный спай.

Термо-ЭДС возникает за счет разницы потенциалов между соединениями проводников при интенсивном нагреве или охлаждении горячего спая. Напряжение на холодном спае пропорционально зависит от температуры на горячем.

Для защиты термоэлектродов от агрессивной горячей среды их помещают в герметичную капсулу, заполненную инертным газом или жидкостью. Иногда на электроды надевают керамические бусы. С целью уменьшения инерционности в некоторых моделях термоэлектрических преобразователей оставляют горячий спай снаружи защитной колбы.

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.

Виды термопар

Технические требования к термопарам определяются ГОСТ 6616-94. Стандартные таблицы для термоэлектрических термометров — номинальные статические характеристики преобразования (НСХ), классы допуска и диапазоны измерений приведены в стандарте МЭК 60584-1,2 и в ГОСТ Р 8.585-2001.

платинородий-платиновые — ТПП13 — Тип R;
платинородий-платиновые — ТПП10 — Тип S;
платинородий-платинородиевые — ТПР — Тип B;
железо-константановые (железо-медьникелевые) ТЖК — Тип J;
медь-константановые (медь-медьникелевые) ТМКн — Тип Т;
нихросил-нисиловые (никельхромкремний-никелькремниевые) ТНН — Тип N;
хромель-алюмелевые — ТХА — Тип K;
хромель-константановые ТХКн — Тип E;
хромель-копелевые — ТХК — Тип L;
медь-копелевые — ТМК — Тип М;
сильх-силиновые — ТСС — Тип I;
вольфрам и рений — вольфрамрениевые — ТВР — Тип А-1, А-2, А-3.

Термопары типа К работают в нейтральной атмосфере или атмосфере с избытком кислорода. Не рекомендуется использовать в атмосфере с содержанием серы, так как сера воздействует на оба электрода и вредна для термопары.

В отечественной практике наиболее часто для термопар применяются следующие сплавы:
копель (56 % Сu и 44 % Ni)
алюмель (95 %, остальные Al, Si, Mn)
хромель (90 % Ni и 10% Cr)
константан (40% Ni, 1,5% Mn, остальное - Cu)
платинородий (90 %Pt и 10 % Rh)

Конструкция термопары и материалы проводников зависят ее назначения: различные комбинации металлов предназначены для различных сред и диапазонов температур.

Таблица сравнения термопар

Тип термопары	K	J	N	R	S	B	T	E
Материал положительного электрода	Cr—Ni	Fe	Ni—Cr—Si	Pt—Rh (13 % Rh)	Pt—Rh (10 % Rh)	Pt—Rh (30 % Rh)	Cu	Cr—Ni
Материал отрицательного электрода	Ni—Al	Cu—Ni	Ni—Si—Mg	Pt	Pt	Pt—Rh (6 % Rh	Cu—Ni	Cu—Ni
Температурный коэффициент	40…41	55.2						68
Рабочий температурный диапазон, ?C	0 до +1100	0 до +700	0 до +1100	0 до +1600	0 до 1600	+200 до +1700	-185 до +300	0 до +800
Значения предельных температур, °C	-180; +1300	-180; +800	-270; +1300	–50; +1600	-50; +1750	0; +1820	-250; +400	-40; +900
Класс точности 1, в соответствующем диапазоне температур, (°C)	±1,5 от ?40 °C до 375 °C	±1,5 от ?40 °C до 375 °C	±1,5 от ?40 °C до 375 °C	±1,0 от 0 °C до 1100 °C	±1,0 от 0 °C до 1100 °C		±0,5 от ?40 °C до 125 °C	±1,5 от ?40 °C до 375 °C
	±0,004?T от 375 °C до 1000 °C	±0,004?T от 375 °C до 750 °C	±0,004?T от 375 °C до 1000 °C	±[1 + 0,003?(T ? 1100)] от 1100 °C до 1600 °C	±[1 + 0,003?(T ? 1100)] от 1100 °C до 1600 °		±0,004?T от 125 °C до 350 °C	±0,004?T от 375 °C до 800 °C
Класс точности 2 в соответствующем диапазоне температур, (°C)	±2,5 от ?40 °C до 333 °C	±2,5 от ?40 °C до 333 °C	±2,5 от ?40 °C до 333 °C	±1,5 от 0 °C до 600 °C	±1,5 от 0 °C до 600 °C	±0,0025?T от 600 °C до 1700 °C	±1,0 от ?40 °C до 133 °C	±2,5 от ?40 °C до 333 °C
	±0,0075?T от 333 °C до 1200 °C	±0, T от 333 °C до 750 °C	±0,0075?T от 333 °C до 1200 °C	±0,0025?T от 600 °C до 1600 °C	±0,0025?T от 600 °C до 1600 °C		±0,0075?T от 133 °C до 350 °C	±0,0075?T от 333 °C до 900 °C
Цветовая маркировка выводов по МЭК	Зелёный - белый	Чёрный - белый	Сиреневый - белый	Оранжевый - белый	Оранжевый - белый	Отсутствует	Коричневый - белый	Фиолетовый - белый

Типы спая термопары

Существует три типа спая термопар: изолированный, неизолированный или открытый.

На конце датчика с неизолированным переходом провода термопары прикреплены к стенке датчика с внутренней стороны. Благодаря этому достигается хорошая теплопередача снаружи через стенку оболочки к спаю термопары. В изолированном типе спай термопары отделен от стенки оболочки. Время отклика меньше, чем у неизолированного типа, но изолированный обеспечивает гальваническую развязку.

Термопара в виде открытого спая выступает из конца оболочки и подвержена воздействию среды которая ее окружает. Этот тип обеспечивает лучшее время отклика, но его можно эксплуатировать только для некоррозионных и негерметичных случаев.

Неизолированный спай используют для замера температур агрессивных сред, или же для областей применения где характерно высокое давление. Спай неизолированной термопары приварен к защитной оболочке, благодаря чему достигается более быстрый отклик, чем при эксплуатации спая изолированного типа.

Изолированный спай отлично себя показывает в измерениях температур в агрессивных средах, где рекомендуется иметь термопару, которая электрически изолирована от оболочки и экранированную ею. Термопара из сварной проволоки физически изолирована от оболочки термопары порошком MgO (оксид магния).

Открытый переход рекомендуется для измерения статических или текущих температур некоррозионных газов, где понадобится быстрое время отклика. Соединение выходит за пределы защитной оболочки из металла, в следствии чего получается более точный и быстрый отклик. Изоляция оболочки герметична в соединительных местах, благодаря чему исключается любое проникновение влаги или газа, которое могло бы привести к ошибкам.

Применение термопар

Термопары - это высокоточные, малоинерционные датчики, способные выдерживать большие температурные нагрузки в определённом диапазоне измерений. Область применения термопар огромна, в первую очередь, благодаря широкому измерительному диапазону температур: от сверхнизких до экстремально высоких. Широкое распространение эти устройства получили также из-за стабильности и точности измерений.

В бытовых целях используются в различных приборах, в самых простых и технически сложных: от утюгов, паяльников, холодильников до автомобилей и отопительных котлов. Благодаря большому диапазону измеряемых температур (от -250°С до +2500°С) широкое применение термопары нашли в промышленности, коммунальном хозяйстве, науке и медицине. Также термоэлектрические преобразователи работают как часть систем автоматики и управления, снимая и передавая данные об изменениях температуры. Такие датчики отличаются надежностью, невысокой стоимостью, необходимой точностью и низкой инертностью. Применение определяется их техническими характеристиками и особенностями, а для некоторых систем термопары - единственно возможный вариант.

Преимущества и недостатки термопар

Достоинства

Большой температурный диапазон измерений от -250°С до +2500°С
Работа в агрессивных средах
Высокая точность. Погрешность составляет до 1-2°С в стандартных приборах, что по большей части достаточно для промышленных и бытовых нужд. Более высокоточные приборы имеют показатель 0,01°С.
Простота технологии изготовления и обслуживания и высокая надежность
Низкая цена для большинства моделей

Недостатки

• Осуществление постоянного контроля холодного спая, поверки и калибровки контрольной аппаратуры
• Структурные изменения металлов при изготовлении прибора • На показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку
• Зависимость от состава атмосферы, затраты на герметизацию
• Погрешность измерений из-за воздействия электромагнитных волн. Малая величина токов требует экранирующей защиты проводов для уменьшения наводки. На большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.
• Необходимость применения высокочувствительных приборов для снятия результатов измерений
• Ухудшение показателей при длительном использовании в условиях перепадов температур
• Появление нелинейной зависимости термо-ЭДС, в случае превышения рабочих температур
• Точность более 1°C труднодостижима, необходимо использовать термометры сопротивления или термисторы
• Эффект Пельтье (в момент снятия показаний, необходимо исключить протекание тока через термопару, так как ток, протекающий через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный

Связянные статьи: Компаратор - это..., Транзистор - это..., Триггер - это..., Диод - это..., Твердотельное реле (Solid State Relay),

Инструкции по эксплуатации

	Инструкции по эксплуатации термометров Инструкции по эксплуатации термомертов
	Инструкции по эксплуатации климатического оборудования Инструкции по эксплуатации обогревателей, кондиционеров, приборов контроля климата
	Инструкции контроллеров Инструкции по эксплуатации промышленных контроллеров
	Инструкции по эксплуатации терморегуляторов Инструкции по эксплуатации терморегуляторов и термостатов, термоголовок, приборов контроля климата