Принципы работы термопары

Для произведения температурного контроля на производстве широко применяются термоэлектрические термометры, а их основу составляет термопара. Данный термометр – один из наиболее распространенных способов проверки высоких температурных показателей. И об этом говорит разнообразие термопар по типам, стандартам с определенными характеристиками в зависимости от требований по Госту. Простыми словами, термопара состоит из двух разнородных по составу проволок, спаянных или скрученных между собой на одном конце. Термоэлектрические преобразователи (термопары) в первую очередь разделяют по составу их рабочего тела. Так же конструкция термопар часто дополняется различными типами защит и экранирования.

Применение

Сфера применения большая, от самых сложных приборов до элементарных: термопара содержится в измерительных устройствах для воздуха, воды, других жидкостей и материалов. Границы измеряемых температур могут колебаться от -270оС до +2500Ос, поэтому широко применяются термопары в разного рода промышленных процессах. Благодаря термоэлектрическим преобразователям можно снимать и передавать сведения о температурных колебаниях. Подобные датчики надежные, стоят относительно недорого, прочные и имеют низкий порог инертности. Принцип работы

Ученный по имени Зеебек открыл такое явление как термопара 200 лет назад. И эффект Зеебека толкуется следующим образом: «Замкнутые цепи, где имеется два проводника (разных металлов), образуют термо-ЭДС в качестве электродвижущей силы. Этого эффекта не будет видно, если проводники состоят как из одинаковых металлов, и, если не будет отличий температуры в спае. На термоэлектродвижущую силу оказывает влияние материал проводов, температурная разница на их концах, а также температурные отличия в спае». Более простыми словами – по принципу работы термопара основывается на термоэлектрическом эффекте. В точке спая двух разнородных по составу проволок возникает термо-ЭДС. Возникновение термо-ЭДС возможно, если точка спая и концы проволок находятся в разных температурных зонах (есть разница температуры между точкой спая и концами проволок).

Так же свойства и характеристики термопар напрямую зависят от состава термоэлектродов (двух разнородных проволок из которых состоит термопара). Термоэлектроды – проводники, состоящие из различных металлов и их сплавов, таких как: платина, платинародий, хромель, алюмель, вольфрамрений, медь, константан и многие другие. Есть горячий и холодный спаи: первый спаивается и помещается для измерения показателей в среду. Холодным спаем замыкаются контакты. Для преобразования термо-ЭДС в понятный сигнал, в термопарах сегодня широко применяют цифровой преобразователь сигналов. Проявление термо-ЭДС происходит по причине возникновения разницы потенциалов, когда возникает разные уровни температур между спаем и концами проволок термопары. На концах проволок появляется напряжение, пропорционально зависящее от разниц температуры между концами проволок. Для сохранения эффекта градусы на холодном спае нужно держать стабильными, чтобы не возникало значительных погрешностей. Для достижения высоких точностей холодный контакт переносят в камеру, где придерживается единый температурный уровень. Термоэлектрический преобразователь имеет определенный тип конструкции, зависящий от инерции тепла и уровня чувствительности применяемых элементов, а также ряда условий.

Разновидности термопар

По своим конструкциям термопары разделяются на следующие типа:

• для погружения и для поверхностных замеров;
• имеющие обыкновенную головку, взрывобезопасную, влагозащищенную;
• с защитой от внешнего воздействия и без таковой защиты;
• покрытые герметично и негерметично;
• устойчивые к вибрациям и ударам, а также не устойчивые к ним,
• имеющие ненормированную, среднюю и быструю инертность – момент охлаждения и нагрева;
• зонированные: для нескольких зон определения температуры и для одной;
• с одним или несколькими концами, измеряющими одновременно одну зону;
• портативные и статично установленные.

В зависимости от необходимой граничной измеряемой температуры выделяют: 1. Платина - платинародий – состоит из двух спаянных проволок одна из которых платиновая, а вторая из сплава платина-родий (10% родия). Предназначена для измерения температур до 1300 градусов длительно и до 1600 градусов кратковременно. Так же есть разновидность платина - платнародиевых термопар с содержание родия в одном из электродом 30%, благодаря этому ее возможно использовать при кратковременном измерении температур до 1800 . 2. Вольфрамрений — вольфрамрений – состоит из электродов с различным процентным соотношением вольфрама к рению, благодаря чему возможно добиться измерения в пределах 2300 – 2500 3. Медь-константан (МК) применяется для измерения низких температур -270...0°С. В этих термопарах обязательно используется специальный термопарный константан (Ni 42% + Си 58%). 4. Хромель- алюмель (ТХА) - состоят из термоэлектродных никелевых сплавов хромель и алюмель. С их помощью измеряют температуры в диапазоне: от -200 °С до +1100 (+1300 кратковременно) °С

Преимущества термопар и их недостатки

У термопары длительная и богатая история применения как в быту, так и в производственном процессе. Все это благодаря множеству преимуществ:

• Приспособление к агрессивных средам и температурным разница в несколько тысяч градусов.
• Большая часть моделей имеет невысокую стоимость. Самые дорогие те приборы, где дорогие металлы, дополнительная защита и соединительные элементы.
• Неприхотливость и долговечность: прослужит десятилетиями.
• Точность. При грамотной эксплуатации общая погрешность не превышает 2Ос. В стандартных случаях этого достаточно. Но измерители с большей частотностью имеют точность до 0,01оС.
• Простые в изготовлении, а также обслуживании.

Но имеются и некоторые минусы работы с термопарой:

• Чтобы произвести снятие показаний после измерения, нужны дополнительно высокочувствительные приборы.
• При небольшой величине тока требуется экранирующее защитное дополнение, уменьшающее наводки проводов.
• При длительном температурном перепаде увеличивается процент погрешности.
• Точные измерения требуют градуировки всех заводских приборов;
• Появляется нелинейная зависимость ЭДС, если переходятся ограничения.

За много лет использования термопры, приспособления на их основе достаточно изучены и не возникнет вопросов при решении проблем. Измерительные устройства достаточно точные, четкие и распространены как в быту, так и в науке, сельском хозяйстве, промышленности.