Термопара – это электротехническое изделие, предназначенное для измерения температуры на производстве, в лабораторных и научных исследованиях, а также в бытовых условиях. На сегодняшний день термопары очень распространены и применяются практически везде. Их используют для измерения температуры воды, воздуха, различных газов, для измерения температуры смазочных материалов в механизмах и т.д.
Простейшая термопара представляет собой два разнородных электропроводящих элемента, соединённых друг с другом в одной точке. Соединение может быть выполнено в виде скрутки, пайки или сварки. В качестве проводящих электричество элементов в основном используются металлические проводники, реже полупроводниковые элементы.
В зависимости от используемых проводниковых материалов в термопаре, можно измерять температуры в различных числовых диапазонах. Благодаря использованию термопар появилась возможность производить измерения температур примерно от -250?C до 2000?C и более.
Принцип работы и схема
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
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.
Типы термопар - таблица
Термопары отличаются друг от друга материалом используемых проводников и в зависимости от этого делятся на определённые типы. Вот некоторые из них:
- Тип В. Платина-родий. Диапазон измеряемых температур у термопары составляет от +600 до +1700?C. Данный тип желательно использовать при измерении температур выше +600?C.
- Тип E. Хромель-константан. Термопара, у которой диапазон измеряемых температур в пределах от -200 до +700?C.
- Тип J. Железо-константан. Диапазон измеряемых температур от -200 до +750?C.
- Тип K. Хромель-алюмель. С помощью этой термопары можно производить измерения температур в районе от -200 до +1200?C. Это термопара общего применения. Она недорогая, поэтому очень широко используется.
- Тип N. Нихросил-нисил. Диапазон измеряемых температур от -270 до +1200?C.
- Тип R. Платина-родий. Диапазон измеряемых температур от 0 до +1300?C. Термопара используется при измерении высоких температур, однако её практическое использование весьма ограниченно ввиду большой стоимости и низкой чувствительности.
- Тип S. Платина-родий. Диапазон измеряемых температур от 0 до +1300?C. Эту термопару можно использовать в качестве замены предыдущей.
- Тип T. Медь-константан. Диапазон измеряемых температур от -200 до +350?C. Термопары типа T используют обычно в устройствах магнитного типа, т.к. медь и константан не магнитные металлы.
У каждого соединения двух определённых сплавов есть своя постоянная зависимость между измеряемой температурой и напряжением на выходе термопары.
Для выбора типа термопары, необходимо знать диапазон температур технологического процесса.
Подключение
Для того чтобы производить измерение температуры при помощи термопар, их подключают к специальным измерительным преобразователям. Подключение выполняется либо напрямую, либо дифференциально (в разрыв проводников с различными коэффициентами термо-ЭДС).
Если термопара находится на довольно длинном расстоянии от измерительного прибора, используют специальные удлинительные провода и так называемые компенсационные провода.
Плюсы
У термопар есть масса преимуществ по сравнению с другими датчиками температуры. К плюсам можно отнести:
? простота конструкции;
? прочность;
? надёжность;
? универсальность;
? невысокая стоимость (хотя зависит от дополнительных элементов, таких как соединительные провода, защита в виде зонда, дополнительные разъёмы);
? возможность использовать в экстремальных условиях и достаточно агрессивных средах;
? большой диапазон измеряемых температур;
? определённая точность измерений;
? широкая сфера применения.
Недостатки
Как и у любого изделия, у термопар имеются и недостатки. К ним относятся:
? низкое выходное напряжение (на один градус по Цельсию всего несколько микровольт);
? нелинейность.