- Что собой представляет термопара
- Устройство термопары
- Удлиняющие (компенсационные) провода
- Принцип действия термопары
- Применение
- Преимущества и недостатки использования термопар
- Типы и виды термопар
- Термопара хромель-алюмель (ТХА)
- Термопара хромель-копель (ТХК)
- Термопара железо-константан (ТЖК)
- Термопара вольфрам-рений (ТВР)
- Термопара вольфрам-молибден (ВМ)
- Термопары платинородий-платина (ТПП)
- Термопары платинородий-платинородий (ТПР)
- Таблица сравнения термопар
- Аналоговые и цифровые термометры
- Аналоговые
- Цифровые
- Спай термопары
- Холодный спай термопары
- Рабочий спай термопары (горячий)
- Типы спаев
- Схема подключения термопары
- Стандарты на цвета проводников термопар
- Точность измерения
- Быстродействие измерения
- Проверка работоспособности термопары
В промышленности, медицине, при проведении научно-исследовательских экспериментов, в системах автоматики, в быту требуется измерение температуры. Получить точные данные в указанном температурном диапазоне можно с помощью термопары.
Что собой представляет термопара
Термопара – это два проводника из различных материалов, обеспечивающие преобразование тепловой энергии в электрическую.
Такие устройства устроены таким образом, что они могут быть частью приборов, а также могут входить в автоматизированные измерительные системы.
Устройство термопары
Понять, как работает термопара, поможет изучение ее устройства и разбор принципа действия. Для измерения температуры используется эффект Зеебека.
Суть его состоит в создании цепи, используя термоэлектроды из различных материалов. Возникает электродвижущая сила, вызывающая ток в созданной цепи – ТЭДС.
Конструкция термопары также подразумевает наличие холодного и горячего спая. Температура одного из спаев поддерживается на постоянном уровне. Путем вычисления тока или напряжения в цепи измеряется температурный показатель другого спая.
Этот принцип работы термопары позволяет функционировать устройства при низких и высоких температурах, входить в контакт с пламенем.
Удлиняющие (компенсационные) провода
Схема термопары подразумевает нахождение в непосредственной близости к месту измерения. При этом сам прибор, к которому будет подключено термопару, необходимо удалить от этого места. В таком случае потребуется использовать компенсационные провода.
Удлиняющие элементы могут быть изготовлены из аналогичных материалов и сплавов, но в большинстве случаев это финансово нерационально. В таких случаях можно использовать более дешевые сплавы.
Принцип действия термопары
Сегодня достаточно распространено использование термопары. Принцип работы основан на термоэлектрическом эффекте. Если места холодного и горячего спаев размещены в условиях одинаковой температуры термо-ЭДС будут компенсировать друг друга, ток будет отсутствовать.
Поэтому измерение температуры термопарой возможно только в том случае, если холодные спайки преобразователя находятся в условиях контролируемой температуры. Даже в таких ситуациях возможна погрешность.
Если потребуются наиболее точные показатели, следует эти спайки поместить в специальные камеры, где специальные устройства с помощью показаний термосопротивления будут контролировать температурную среду.
Применение
Термопреобразователи используются как датчики в автоматизированных системах управления, которые часто применяются в технологических системах.
Поскольку такие устройства способны измерять чрезмерно высокие температуры, их применяют при изготовлении газовых колонок, водонагревателей и конвекторов. Такие приборы могут определить температуру газов, металлов, воздуха, твердых тел, двигателей.
В некоторых ситуациях используется дифференциальная термопара – два одинаковых преобразователя, подключенные навстречу друг другу.
Преимущества и недостатки использования термопар
Термоэлектрические преобразователи пользуются популярностью ввиду большого количества преимуществ:
- функционирование в условиях сверхнизких и экстремальных температур.
- невысокая стоимость, за исключением вариантов с использованием благородных металлов.
- неприхотливость в эксплуатации, надежность;
- высокая точность измерений, низкий уровень погрешности;
- простота технологии изготовления и обслуживания.
Не лишены термопреобразователи и недостатков:
- потребность в наличии высокочувствительных устройств для снятия показаний;
- необходимость в экранирующей защите из-за малой величины тока;
- неточность показаний при перепадах температур;
- потребность градуировки каждого прибора при изготовлении;
- возможность появления нелинейной ТЭДС при превышении рабочей температуры.
Несмотря на наличие минусов, преобразователи обладают широким рядом плюсов, расширяющих сферу их использования.
Типы и виды термопар
В каждой сфере применяется различный тип термопары. Характеристики каждой зависят от того, из чего состоит сплав используемых металлов.
Термопара хромель-алюмель (ТХА)
- Положительный электрод: сплав 90% никеля и 10% хрома.
- Отрицательный электрод: сплав 95% никеля, по 2% алюминия и марганца, 1% кремния.
- Изоляция: кварц, фарфор и окиси металлов.
- Рабочий диапазон: -200 – 1300°С.
- Рабочая среда: сухой водород, кратковременный вакуум, инертная, окислительная.
- Недостатки: легко деформируется, имеет нестабильную ТЭДС.
Термопара хромель-копель (ТХК)
- Положительный электрод: сплав 90% никеля и 10% хрома.
- Отрицательный электрод: сплав 54,5% меди, 43% никеля, 2% железа, 0,5% марганцы.
- Рабочий диапазон: -40 – 600°С.
- Рабочая среда: кратковременный вакуум, инертная и окислительная.
- Недостатки: легко деформируется, хром испаряется при длительном вакууме.
Термопара железо-константан (ТЖК)
- Положительный электрод: малоуглеродистая сталь (технически чистое железо).
- Отрицательный электрод: сплав 59% меди, 39-41% никеля, 1-2% марганца.
- Рабочий диапазон: -203 – 750°С.
- Рабочая среда: восстановительная, инертная, вакуум.
- Недостатки: легко деформируется, отличается низкой коррозийной устойчивостью.
Термопара вольфрам-рений (ТВР)
- Положительный электрод: сплав 95% вольфрама и 5% родия с кремнещелочной и алюминиевой присадкой или без.
- Отрицательный электрод: сплав 80% вольфрама, по 20% родия.
- Изоляция: керамика из химически чистых окислов металлов.
- Рабочий диапазон: 1300 – 3000°С.
- Рабочая среда: сухой водород, вакуум, инертный газ.
- Недостатки: непостоянная чувствительность, плохая воспроизводимость ТЭДС, нестабильность при облучении.
Термопара вольфрам-молибден (ВМ)
- Положительный электрод: технически чистый вольфрам.
- Отрицательный электрод: технически чистый молибден.
- Изоляция: кварцевые наконечники, глиноземистая керамика.
- Рабочий диапазон: 1400 – 1800°С.
- Рабочая среда: водородная, инертная, вакуумная.
- Недостатки: инверсия полярность, хрупкость при высоких температурах, плохая воспроизводимость и чувствительность ТЭДС.
Термопары платинородий-платина (ТПП)
- Положительный электрод: сплав платина и 10-13% родия.
- Отрицательный электрод: платина.
- Изоляция: кварц, фарфор.
- Рабочий диапазон: до 1400°С, для низких температур не используется.
- Рабочая среда: инертная, окислительная, восстановительная (при наличии защиты).
- Недостатки: высокая цена, чувствительность к загрязнениям, нестабильность при облучении.
Термопары платинородий-платинородий (ТПР)
- Положительный электрод: сплав платина и 30% родия.
- Отрицательный электрод: платина и 6% родия.
- Изоляция: керамика.
- Рабочий диапазон: до 1600°С.
- Рабочая среда: восстановительная, в содержащей пары металла и неметалла среде (при наличии защиты).
- Недостатки: высокая цена, нестабильность при облучении.
Таблица сравнения термопар
| Тип термопары | Материалы термоэлектродов | Диапазон рабочих температур, °С | |
| Положительного | Отрицательного | ||
| ТПП (S) | Платинородий (10%) | Платина | 0-1300 (1600) |
| ТПП (R) | Платинородий (13%) | Платина | 0-1300 (1600) |
| ТПР (B) | Платинородий (30%) | Платинородий (6%) | 600-1700 |
| ТХК (L) | Хромель | Копель | -200-700 (900) |
| ТХА (термопара тип k) | Хромель | Алюмель | -200-1200 (1300) |
| ТЖК (J) | Железо | Константан | -200-750 (900) |
| Термопара ТВР | Вольфрам-рений (5%) | Вольфрам-рений (20%) | 0-2200 (2500) |
Аналоговые и цифровые термометры
Термопара К типа или любого другого может использоваться в качестве элементов аналоговых и цифровых термометров. На рынке представлено большое разнообразие обоих типов.
Аналоговые
Простые в обслуживании устройства, отличающиеся невысокой стоимостью. Аналоговый термометр с термопарой показывает точную температуру, но при малом измерительном диапазоне.
Если температурный интервал широкий, то точность показаний приблизительна.
Цифровые
Цифровой датчик, где используется термопара, обладают следующими особенностями:
- наличие термометра сопротивления (или другого чувствительного элемента);
- элемент питания;
- оборудованы дисплеем;
- имеют вводы-выводы сигналов;
- оснащены аналогово-цифровым преобразователем.
Такие термометры имеют широкую интервальную шкалу, отличаются высокой точностью измерений. При этом стоимость таких устройств выше, по сравнению с аналоговыми.
Спай термопары
Каждая термопара – система, состоящая из проводников, холодного и горячего спаев. Что это такое станет понятно, если тщательно разобрать устройство.
Холодный спай термопары
Холодный спай – это точка свободных концов, которую имеет каждая термопара. Подключение к измерительному прибору осуществляется именно в этой точке. Присутствующее в цепи измерительное устройство определяет разницу напряжения, поэтому данное место должно находиться в неизменных условиях.
Если температура холодного спая изменится, это повлияет на показатель напряжения, что впоследствии приведет к неточностям в измерениях. Исключить подобную ситуацию поможет установка компенсирующего резистора.
Рабочий спай термопары (горячий)
Горячий спай – рабочий элемент, который взаимодействует со средой, где осуществляются измерения.
При повышении температуры, увеличивается напряжения, соответственно, при понижении показателя – уменьшается.
Типы спаев
Термопреобразователи имеют различные виды спаев. Они отличаются по конфигурации:
- одноэлементные и двухэлементные;
- с заземлением и без;
- изолированные и соединенные с корпусом.
Наличие заземления снижает инерционность, что повышает точность полученных показаний. Схема термопары обычно указывает основные конфигурации.
Схема подключения термопары
Существует несколько вариантов, как подключить преобразователь:
- Подсоединение гальванометра или потенциометра напрямую к проводникам.
- Подключение через удлиняющие провода (часто производители вкладывают их в комплект с термопреобразователем).
- Соединение с помощью медных проводов преобразователя, имеющего унифицированный выход.
Схематическое обозначение обычно отображает способ подсоединения.
Стандарты на цвета проводников термопар
Цветное окрашивание позволяет упростить процедуру подключения, помогает не перепутать подключенный к клеммам проводник.
При этом определенного стандарта окрашивания нет, поэтому важно узнать, какой именно стандарт использует завод изготовитель.
Точность измерения
Точность полученных показаний зависит от определенных факторов:
- типа преобразователя;
- диапазона рабочих температур;
- свойств спаев;
- коррозионной устойчивости;
- чистоты используемых материалов;
- электрических шумов;
- соблюдения технологического процесса при производстве.
Каждому преобразователю присуждается стандартный или специальный класс допуска. При этом следует учитывать, что при длительной эксплуатации точность измерений ухудшается.
Быстродействие измерения
Быстродействие – величина, которая зависит от нескольких факторов:
- Правильной установке и расчете длины первичного преобразователя.
- Минимизация зазора между термопреобразователем и гильзой (если она имеется).
- Подбор гильз минимального диаметра.
- Заполнение гильз теплопроводящим материалом.
- Измерение в жидкости или быстродвижущейся среде.
При соблюдении перечисленных материалов удастся добиться повышения чувствительности прибора к температурным перепадам.
Проверка работоспособности термопары
Тестер используют для проверки работоспособности термопреобразователя. Могут применяться другие датчики: гальванометр или потенциометр. Также возможно использование на выходе милливольтметра для измерения напряжения.
На устройстве должна колебаться стрелка или меняться цифровой индикатор. Если изменений нет, то устройство считается испорченным.
Чаще всего проблемы заключаются в следующем:
- поломка измерительного аппарата;
- изменение состава электродов в процессе эксплуатации;
- окислительные процессы, вызываемые воздействием высоких температур;
- отсутствие защитного экранирующего устройства.
Правильно подобранный и подключенный термопреобразователь – практичное, функциональное устройство для измерения температуры.
Термопара представляет собой измерительный прибор, замкнутый с двух сторон отрезками проводников из различных металлов или сплавов. Если сравнивать ее с термометром сопротивления, то термопары имеют более длительный срок службы и применяются для измерения от экстремально низких до чрезмерно высоких температур.
С их помощью в промышленных и бытовых условиях вычисляются температурные показатели газов, жидкостей, газов и других материалов.
В зависимости от материала изготовления пары электродов выделяют различные термопары: хромель-алюмель, хромель-копель, вольфрам молибден и др.
Большинство термопар имеет один рабочий спай – горячий, который используется для измерений. Чтобы подключить преобразователь к измерительному устройству, необходим свободный спай – холодный.
