Термопара, датчик температуры: тип и принцип работы.

11 октября 2022

Что такое термопары

Термопара, или термоэлектрический преобразователь, — прибор для измерения температуры, в основе которого лежит термоэлектрический эффект.
В бытовых целях они используются в различных устройствах, от самых простых до технически сложных: от утюгов, паяльников, холодильников до отопительных машин и котлов, в промышленных целях для контроля температуры у трубчатых тэнов и других промышленных нагревателей. Благодаря широкому диапазону измеряемых температур (от -250°С до +2500°С) термопары нашли широкое применение в промышленности, коммунальном хозяйстве, науке и медицине. Термоэлектрические преобразователи также функционируют в составе систем автоматизации и управления, фиксируя и передавая данные об изменении температуры. Такие датчики отличаются надежностью, дешевизной, необходимой точностью и малой инерционностью.
Функционирование термопары основано на свойстве изменения термо-ЭДС (термо-ЭДС) от повышения или понижения температуры. Точность показаний зависит от типа конструкции, выполнения технологических требований и схемы подключения.

Принцип работы термопары

Принцип действия термопары основан на термоэлектрическом эффекте или эффекте Зеебека. Это явление было открыто учеными в 1821 году и заключается в следующем:
Электродвижущая сила (термо-ЭДС) создается в замкнутой цепи двух разных проводников, когда их места соединения или соединения находятся при разных температурах. Этот эффект не возникает при использовании однородных материалов или при одинаковых температурах перехода. Величина термоЭДС зависит от материала проводников и разности температур контактов, направление тока в цепи зависит от того, температура какого перехода выше.

На практике в термопарах используют проводники из различных сплавов, их еще называют термоэлектродами. «Горячее» соединение выполняется сваркой или болтовым соединением и помещается в среду с измеряемой температурой; второй, «холодный», замыкает контакты счетчика или подключается к блоку управления. Современные сложные термопары используют цифровые преобразователи сигналов.

Тепловой РЭМ возникает из-за разности потенциалов между соединениями проводников, когда точка горячего спая значительно нагревается или остывает. Напряжение на холодном спае пропорционально температуре на горячем спае. При этом температура на морозе должна быть постоянной, иначе будет большая погрешность измерения. Для обеспечения высокой точности холодный контакт находится в специальных камерах, в которых температура поддерживается на одном уровне.

Классификация термопар

Принцип работы термопары основан на разности потенциалов в проводниках, поэтому металлы термопары должны различаться по своим химическим и физическим свойствам. Для термопар используются различные сплавы благородных и цветных металлов.
Драгоценные металлы могут значительно повысить точность измерений, что приведет к снижению термоэлектрической неоднородности и стойкости к окислению. Применяются для измерений до 1900°С, при более высоких температурах требуются специальные жаропрочные сплавы. Неблагородные металлы используются до 1400°С.

Все токопроводящие материалы имеют разную плавкость, стойкость к окислению, диапазон рабочих температур. Именно в диапазоне температур, указанном производителем, возможна качественная работа прибора и точные данные измерений.

Три буквы кириллицы используются для классификации групп термопар по российскому ГОСТу: например, нихросил-нисиловая термопара имеет обозначение ТНН, или N; платинородий-платинородиевая — ТПР, тип В.

Другая классификация термопар учитывает типы разъемов, которые можно использовать:

изолированы и соединены с корпусом;
одноэлементные и двухэлементные;
заземленные и незаземленные.

Инерция термопары уменьшается при заземлении на корпус, что увеличивает скорость и точность измерений. Также для уменьшения инерционности на некоторых устройствах разъем оставлен снаружи корпуса.

Хромель+алюмель ТХА (тип K)

Существует множество типов термопар, хромель-алюмель — одна из самых распространенных.

Состав сплава хромель:

90% никеля
10% хрома

Состав сплава алюмель:

95% никеля
2% алюминия
2% никеля
1% кремния

Удобная возможность работы с линейной характеристикой в диапазоне температур от -200°С до +1300°С, подходит для нейтральных и окислительных сред. В восстановительной среде требуется защитная пленка. Диапазон рабочих температур зависит от диаметра электродов и может быть использован для реакторного облучения.
Он обладает высокой чувствительностью (около 41 мВ/°C), а также регистрирует небольшие изменения температуры и широко используется во многих отраслях.
Недостатки и особенности. Никель обладает магнитными свойствами, которые вызывают изменение выходного сигнала при температуре 350°С. В сернистой среде возможен преждевременный выход из строя, и работа нарушается даже при определенных низких концентрациях кислорода.

Железо+константан ТЖК (Тип J)

Надежная и недорогая термопара для промышленности и науки.

Константан обычно состоит из :

55% меди
45% никеля

Он используется в более узком диапазоне температур по сравнению с алюмелем хрома: -200 — +1100 °С, при этом чувствительность выше: 50-60 мкВ/°С.
Подходит для вакуумных сред, измерения также выполняются в окислительных, восстановительных и нейтральных средах. Температура длительного воздействия до +750°С, кратковременного до +1100°С.
Нельзя постоянно эксплуатировать при минусовых температурах из-за коррозии на металлическом выводе, окислительные среды сокращают срок службы. Сера оказывает отрицательное действие при высоких положительных температурах.

Хромель+копель ТХК (тип L).

Копель изготавливается примерно в таких пропорциях:

медь 56%
никель 43%
марганец 1%.

В основном используется для пирометрических измерений различных сред при рабочих температурах 200-600 °С, в промышленных и лабораторных условиях. Максимальный диапазон измеряемых температур: от -250 оС до +1100 оС при кратковременном воздействии.
Одна из самых чувствительных термопар — до 80 мкВ/oC.
Чувствительна к деформации, очень хрупкая.

Какой тип термопар выбрать

В промышленном оборудовании очень часто используются термопары для более точного контроля этапов производства товаров. При рассмотрении вопроса о том, какую термопару выбрать, рекомендуем ориентироваться на следующие особенности:

Диапазон измерения температур
Устойчивость к химическим средам
Стойкость к вибрации и механическим воздействиям
Совместимость с используемым оборудованием