Термопара – это приспособление или устройство измерения температуры в промышленности, лабораторных условиях и других. Они также используются в медицинской промышленности, научных экспериментах, а также в некоторых бытовых приборах. Таким образом, можно сказать что сфера использования термопары очень обширна. Термопара может измерять температуру в самых различных сферах – воздух, жидкости, смазочные материалы и другие.
Подробнее об устройстве термопары, из чего она состоит и как работает будет рассказано в данной статье. В качестве дополнительной информации, статья содержит в себе несколько видеороликов и схем устройства.
Что такое термопара
Термопары существуют благодаря такому явлению, как контактная разность потенциалов. Если два разных твердых проводника или полупроводника привести в плотный контакт друг с другом, то в окрестности места их соприкосновения образуются разделенные электрические заряды. При этом на внешних концах данных проводников возникнет разность потенциалов. Эта разность потенциалов окажется равна разности работ выхода для каждого металла, поделенной на заряд электрона.
Понятно, что если сомкнуть такую пару в кольцо, то результирующая ЭДС будет равна нулю, а если с одной стороны ее все же оставить разомкнутой, то будет иметь место реальная ЭДС, величиной от десятых долей вольта до единиц вольт, в зависимости от того, что это за материалы.
Дополнительный материал: Как смастерить лабораторный блок питания самостоятельно.
Суть в том, что при соприкосновении, к примеру, двух металлов, система выходит из равновесия потому что химические потенциалы этих двух металлов не равны друг другу, в результате происходит диффузия электронов в сторону уменьшения их энергии, что в свою очередь приводит к изменению заряда и электрического потенциала приведенных в контакт металлов. Так в приконтактной области начинается рост электрического поля, и как следствие мы имеем то, что имеем.
Если теперь снова рассмотреть два этих проводника из разных металлов, только замкнутых в кольцо, когда суммарная ЭДС по замкнутому контуру станет равна нулю, то здесь получится два контактных места. Назовем эти места спаями. Итак, есть два спая двух разных проводников. Что если попробовать подогреть один из спаев, а второй оставить при комнатной температуре? Очевидно, что поскольку соединенные металлы разные, и в каждом спае присутствует контактная разность потенциалов, то спаи будут испытывать разное отклонение ЭДС, находясь при разных температурах.
Эксперимент доказывает, что разность потенциалов между спаями будет пропорциональна разности их температур, так что можно ввести коэффициент пропорциональности, который называют термо-ЭДС. Для различных термопар термо-ЭДС будет разной. Если в разрезе такого кольца измерить напряжение, то в определенном интервале температур оно окажется почти строго пропорционально разности температур спаев. И даже если оставить только один спай (как на рисунке), и лишь его подогревать, а напряжение измерять между двумя концами, находящимися при одной и той же комнатной температуре, то все равно можно обнаружить очень четкую зависимость ЭДС от текущей температуры спая.
Так и работают термопары. Описанное явление относится к термоэлектрическим, а сам эффект, на базе которого работают все термопары, называется эффектом Зеебека, в честь его первооткрывателя — Томаса Зеебека. Сегодня можно встретить промышленные термопары, у которых, в зависимости от требуемого измеряемого диапазона температур, электроды изготавливают из специально подобранных сплавов.
[stextbox id=’alert’]К примеру термопары из сплавов хромель и алюмель имеют коэффициент термо-ЭДС, равный 40 микровольт на °C, и предназначены для измерения температур в диапазоне от 0 до +1100°C. А пара медь-константан, столь популярная в качестве демонстрационного пособия, позволяет измерять температуры от -185 до +300°C.[/stextbox]
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Плюсы и минусы устройства
Термопара – старейший и до сих пор наиболее распространенный в промышленности температурный датчик. Действие термопары основано на эффекте, который впервые был открыт и описан Томасом Зеебеком в 1821 г. – возникновении тока в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при наличии градиента температур между спаями.
Поскольку генерирование Термо-ЭДС происходит по длине термоэлектрода, то показания термопары зависят от состояния термоэлектродов в зоне максимального температурного градиента. Поэтому поверку термопар следует проводить при той же глубине погружения в среду, что и на рабочем объекте. Учёт термоэлектрической неоднородности особенно важен для рабочих термопар из неблагородных металлов.
В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового сенсора и автоматическое введение поправки к измеренной Термо-ЭДС. Возникновение термоэлектрической неоднородности в проводниках и, как следствие, изменение градуировочной характеристики из-за изменения состава сплава в результате коррозии и других химических процессов.
Материал электродов не является химически инертным и, при недостаточной герметичности корпуса термопары, может подвергаться влиянию агрессивных сред, атмосферы и т.д. Когда жесткие требования выдвигаются ко времени термической инерции термопары и необходимо заземлять рабочий спай, то следует обеспечить электрическую изоляцию преобразователя сигнала для устранения опасности возникновения утечек через землю.
В зависимости от материалов термоэлектродов различают термопары из благородных и неблагородных металлов. К первым относятся термопреобразователи платиновой группы (ТПП, ТПР). К неблагородным – ТВР, ТХА, ТХК, ТМК, ТНН, ТЖК и др. из серийно выпускаемых.
Особенности применения наиболее распространённых термопар
Технические характеристики зависят напрямую от материалов, из которых они произведены.
Тип J (железо-константановая термопара)
- Не рекомендуется использовать ниже 0°С, т.к. конденсация влаги на железном выводе приводит к образованию ржавчины.
- Наиболее подходящий тип для разряженной атмосферы.
- Максимальная температура применения – 500°С, т.к. выше этой температуры происходит быстрое окисление выводов. Оба вывода быстро разрушаются в атмосфере серы.
- Показания повышаются после термического старения.
- Преимуществом является также невысокая стоимость.
Тип Е (хромель-константановая термопара)
- Преимуществом является высокая чувствительность.
- Термоэлектрическая однородность материалов электродов.
- Подходит для использования при низких температурах.
Тип Т (медь-константановая термопара)
- Может использоваться ниже 0°С.
- Может использоваться в атмосфере с небольшим избытком или недостатком кислорода.
- Не рекомендуется использование при температурах выше 400°С.
- Не чувствительна к повышенной влажности.
- Оба вывода могут быть отожжены для удаления материалов, вызывающих термоэлекрическую неоднородность.
Тип К (хромель-алюмелевая термопара)
- Широко используются в различных областях от -100°С до +1000°С (рекомендуемый предел, зависящий от диаметра термоэлектрода).
- В диапазоне от 200 до 500°С возникает эффект гистерезиса, т.е показания при нагреве и охлаждении могут различаться. Иногда разница достигает 5°С.
- Используется в нейтральной атмосфере или атмосфере с избытком кислорода.
- После термического старения показания снижаются.
- Не рекомендуется использовать в разряженной атмосфере, т.к. хром может выделяться из Ni-Cr вывода (так называемая миграция), термопара при этом изменяет ТЭДС и показывает заниженную температуру.
- Атмосфера серы вредна для термопары, т.к. воздействует на оба электрода.
Тип N (нихросил-нисиловая термопара)
- Это относительно новый тип термопары, разработанный на основе термопары типа К. Термопара типа К может легко загрязняться примесями при высоких температурах. Сплавляя оба электрода с кремнием, можно тем самым загрязнить термопару заранее, и таким образом снизить риск дальнейшего загрязнения во время работы.
- Рекомендуемая рабочая температура до 1200°С (зависит от диаметра проволоки).
- Кратковременная работа возможна при 1250°С.
- Высокая стабильность при температурах от 200 до 500°С (значительно меньший гистерезис, чем для термопары типа К).
- Считается самой точной термопарой из неблагородных металлов.
Общие советы по выбору термопар из неблагородных металлов
- Температура применения ниже нуля – тип Е, Т
- Комнатные температуры применения – тип К, Е, Т
- Температура применения до 300°С – тип К
- Температура применения от 300 до 600°С – тип N
- Температура применения выше 600°С – тип К или N
Термопары из благородных металлов
- Рекомендуемая максимальная рабочая температура 1350°С.
- Кратковременное применение возможно при 1600°С.
- Загрязняется при температурах выше 900°С водородом, углеродом, металлическими примесями из меди и железа. При содержании железа в платиновом электроде на уровне 0,1%, ТЭДС изменяется более, чем на 1 мВ (100°С) при 1200°С и 1,5 мВ (160°С) при 1600°С. Такая же картина наблюдается при загрязнении медью. Таким образом, термопары нельзя армировать стальной трубкой, или следует изолировать электроды от трубки газонепроницаемой керамикой.
- Может применяться в окислительной атмосфере.
- При температуре выше 1000°С термопара может загрязняться кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных керамических материалов. Важно использовать керамические трубки, состоящие из высокочистого оксида алюминия.
- Не рекомендуется применять ниже 400°С, т.к ТЭДС в этой области мала и крайне нелинейна.
Тип R (платнородий-платиновая)
Свойства те же, что и у термопар типа S.
Тип В (платнородий-платинородиевая)
- Рекомендуемая максимальная температура рабочего диапазона 1500°С (зависит от диаметра проволоки).
- Кратковременное применение возможно до 1750°С.
- Может загрязняться при температурах выше 900°С водородом, кремнием, парами меди и железа, но эффект меньше, чем для термопар типа S и R.
- При температуре выше 1000°С термопара может загрязняться кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных керамических материалов. Важно использовать керамические трубки, состоящие из высокочистого оксида алюминия.
- Может использоваться в окислительной среде.
- Не рекомендуется применение при температуре ниже 600°С, где ТЭДС очень мала и нелинейна.
Рекомендации по эксплуатации
Точность и целостность системы измерений на основе термопарного датчика может быть увеличена, если соблюдать определенные условия. Не допускать вибраций и механических натяжений термопарных проводников. При применении миниатюрной термопары из тонкой проволоки. Необходимо применять ее только в контролируемом месте, а за этим местом следует применять удлинительные проводники. Рекомендуется применять проволоку большого диаметра, не изменяющую температуру измеряемого объекта. Использовать термодатчик только в интервале рабочих температур.
Избегать резких перепадов температуры по длине термодатчика. При работе с длинными термодатчиками и удлинительными проводниками, необходимо соединить экран вольтметра с экраном провода. Для вспомогательного контроля и температурной диагностики используют специальные температурные датчики с 4-мя термоэлектродами, позволяющими выполнять вспомогательные температурные измерения, сопротивления, напряжения, помех для проверки надежности и целостности термопар.
Проводить электронную запись событий и постоянно контролировать величину сопротивления термоэлектродов. Применять удлиняющие проводники в рабочем интервале и при наименьших перепадах температур. Применять качественный защитный чехол для защиты термопарных проводников от вредных условий.
Устранения неисправностей
Если термопара выдает неточные показания температуры, и было проверено, что нет ослабленных соединений, то причина может крыться либо в регистрирующем приборе, либо в самой термопаре, первым обычно проверяется регистрирующий прибор, так как приборы чаще выходят из строя, чем термопары. Более того, если прибор показывает хоть какие-нибудь показания, пусть даже неточные, то, скорей всего, дело не в термопаре.
Если термопара неисправна, то обычно она не выдает вообще никакого напряжения, и прибор не будет выдавать никаких показаний. Если показаний на приборе нет совсем, то вероятно дело в термопаре. Если термопара вышла из строя, то проверьте ее сигнал на выходе с помощью прибора, который называется милливольтный потенциометр, который используется для измерения малых величин напряжения.
Заключение
Для проверки работоспособности подключают специальный измерительный прибор (тестер, гальванометр или потенциометр) или измеряют напряжение на выходе милливольтметром. При наличии колебаний стрелки или цифрового индикатора термопара является исправной, в противном случае устройство подлежит замене.
Дополнительную информацию по данной теме можно узнать из файла «Термопары: устройство, характеристики, производство, применение.». А также в нашей группе ВК публикуются интересные материалы, с которыми вы можете познакомиться первыми. Для этого приглашаем читателей подписаться и вступить в группу. В завершение хочу выразить благодарность источникам, откуда почерпнут материал для подготовки статьи:
www.electrik.info
www.kipiavp.ru
www.aquagroup.ru
www.3450303.ru
www.electrosam.ru
www.odinelectric.ru
Предыдущая
