Термопара

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Схема термопары типа К. При температуре спая проволок из хромеля и алюмеля равной 300 °C и температуре свободных концов 0 °C развивает термо-ЭДС 12,2 мВ.
Фотография термопары

Термопа́ра (термоэлектрический преобразователь) — устройство, применяемое в промышленности, научных исследованиях, медицине, в системах автоматики. Применяется в основном для измерения температуры.

Международный стандарт на термопары МЭК 60584 (п.2.2) даёт следующее определение термопары: Термопара — пара проводников из различных материалов, соединённых на одном конце и формирующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.

Для измерения разности температур зон, ни в одной из которых не находится вторичный преобразователь (измеритель термо-ЭДС), удобно использовать дифференциальную термопару: две одинаковые термопары, соединённые навстречу друг другу. Каждая из них измеряет перепад температур между своим рабочим спаем и условным спаем, образованным концами термопар, подключёнными к клеммам вторичного преобразователя, но вторичный преобразователь измеряет разность их сигналов, таким образом, две термопары вместе измеряют перепад температур между своими рабочими спаями.

Принцип действия[править | править код]

Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Между соединёнными проводниками имеется контактная разность потенциалов; если стыки связанных в кольцо проводников находятся при одинаковой температуре, сумма таких разностей потенциалов равна нулю. Когда же стыки находятся при разных температурах, разность потенциалов между ними зависит от разности температур. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными от нуля коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой Т1, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т2, которое будет пропорционально разности температур Т1 и Т2.

Способы подключения[править | править код]

Наиболее распространены два способа подключения термопары к измерительным преобразователям: простой и дифференциальный. В первом случае измерительный преобразователь подключается напрямую к двум термоэлектродам. Во втором случае используются два проводника с разными коэффициентами термо-ЭДС, спаянные в двух концах, а измерительный преобразователь включается в разрыв одного из проводников.

Для дистанционного подключения термопар используются удлинительные или компенсационные провода. Удлинительные провода изготавливаются из того же материала, что и термоэлектроды, но могут иметь другой диаметр. Компенсационные провода используются в основном с термопарами из благородных металлов и имеют состав, отличный от состава термоэлектродов. Требования к проводам для подключения термопар установлены в стандарте МЭК 60584-3.
Следующие основные рекомендации позволяют повысить точность измерительной системы, включающей термопарный датчик[1]:

— Миниатюрную термопару из очень тонкой проволоки следует подключать только с использованием удлинительных проводов большего диаметра;
— Не допускать по возможности механических натяжений и вибраций термопарной проволоки;
— При использовании длинных удлинительных проводов, во избежание наводок, следует соединить экран провода с экраном вольтметра и тщательно перекручивать провода;
— По возможности избегать резких температурных градиентов по длине термопары;
— Материал защитного чехла не должен загрязнять электроды термопары во всем рабочем диапазоне температур и должен обеспечить надежную защиту термопарной проволоки при работе во вредных условиях;
— Использовать удлинительные провода в их рабочем диапазоне и при минимальных градиентах температур;
— Для дополнительного контроля и диагностики измерений температуры применяют специальные термопары с четырьмя термоэлектродами, которые позволяют проводить дополнительные измерения сопротивления цепи для контроля целостности и надежности термопар.

Применение термопар[править | править код]

Для измерения температуры различных типов объектов и сред, а также в качестве датчика температуры в автоматизированных системах управления. Термопары из вольфрам-рениевого сплава являются самыми высокотемпературными контактными датчиками температуры[2]. Такие термопары незаменимы в металлургии для контроля температуры расплавленных металлов.

Для контроля пламени и защиты от загазованности в газовых котлах и в других газовых приборах (например, бытовые газовые плиты). Ток термопары, нагреваемой пламенем горелки, удерживает в открытом состоянии газовый клапан. В случае пропадания пламени ток термопары снижается и клапан перекрывает подачу газа.

В 1920—1930-х годах термопары использовались для питания простейших радиоприемников и других слаботочных приборов. Вполне возможно использование термогенераторов для подзарядки АКБ современных слаботочных приборов (телефоны, камеры и т. п.) с использованием открытого огня.

Приёмник излучения[править | править код]

Крупный план термобатареи фотоприёмника. Каждый из проволочных уголков представляет собой термопару.

Исторически термопары представляют один из наиболее ранних термоэлектрических приёмников излучения[3]. Упоминания об этом их применении относятся к началу 1830-х годов[4]. В первых приёмниках использовались одиночные проволочные пары (медь — константан, висмут — сурьма), горячий спай находился в контакте с зачернённой золотой пластинкой. В более поздних конструкциях стали применяться полупроводники.

Термопары могут включаться последовательно, одна за другой, образуя термобатарею (англ.). Горячие спаи при этом располагают либо по периметру приёмной площадки, либо равномерно по её поверхности. В первом случае отдельные термопары лежат в одной плоскости, во втором параллельны друг другу[5].

Преимущества термопар[править | править код]

  • Высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01 °С).
  • Большой температурный диапазон измерения: от −250 °C до +2500 °C.
  • Простота.
  • Дешевизна.
  • Надёжность.

Недостатки[править | править код]

  • Для получения высокой точности измерения температуры (до ±0,01 °С) требуется индивидуальная градуировка термопары.
  • На показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового датчика и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.
  • Эффект Пельтье (в момент снятия показаний необходимо исключить протекание тока через термопару, так как ток, протекающий через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный).
  • Зависимость ТЭДС от температуры существенно нелинейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.
  • Возникновение термоэлектрической неоднородности в результате резких перепадов температур, механических напряжений, коррозии и химических процессов в проводниках приводит к изменению градуировочной характеристики и погрешностям до 5 К.
  • На большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.

Типы термопар[править | править код]

Технические требования к термопарам определяются ГОСТ 6616-94. Стандартные таблицы для термоэлектрических термометров — номинальные статические характеристики преобразования (НСХ), классы допуска и диапазоны измерений приведены в стандарте МЭК 60584-1,2 и в ГОСТ Р 8.585-2001.


Точный состав сплава термоэлектродов для термопар из неблагородных металлов в МЭК 60584-1 не приводится. НСХ для хромель-копелевых термопар ТХК и вольфрам-рениевых термопар определены только в ГОСТ Р 8.585-2001. В стандарте МЭК данные термопары отсутствуют. По этой причине характеристики импортных датчиков из этих металлов могут существенно отличаться от отечественных, например импортный Тип L и отечественный ТХК не взаимозаменяемы. При этом, как правило, импортное оборудование не рассчитано на отечественный стандарт.

В настоящее время стандарт МЭК 60584 пересматривается. Планируется введение в стандарт вольфрам-рениевых термопар типа А-1, НСХ для которых будет соответствовать российскому стандарту, и типа С по стандарту АСТМ[6].

В 2008 г. МЭК ввел два новых типа термопар: золото-платиновые и платино-палладиевые. Новый стандарт МЭК 62460 устанавливает стандартные таблицы для этих термопар из чистых металлов. Аналогичный Российский стандарт пока отсутствует.

Сравнение термопар[править | править код]

Таблица ниже описывает свойства нескольких различных типов термопар[7]. В пределах колонок точности, T представляет температуру горячего спая, в градусах Цельсия. Например, термопара с точностью В±0,0025 Г—T имела бы точность В±2,5 В°C в 1000 В°C.

Тип термопары IEC (МЭК) Материал положительного электрода Материал отрицательного электрода Темп. коэффициент, μV/°C Температурный диапазон °C (длительно) Температурный диапазон °C (кратковременно) Класс точности 1 (°C) Класс точности 2 (°C) IEC (МЭК)

Цветовая маркировка

K Хромель

Cr—Ni

Алюмель

Ni—Al

40…41 0 до +1100 −180 до +1300 ±1,5 от −40 °C до 375 °C
±0,004×T от 375 °C до 1000 °C
±2,5 от −40 °C до 333 °C
±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C
Зелёный-белый
J Железо

Fe

Константан

Cu—Ni

55.2 0 до +700 −180 до +800 ±1,5 от −40 °C до 375 °C
±0,004×T от 375 °C до 750 °C
±2,5 от −40 °C до 333 °C
±0,T от 333 °C до 750 °C
Чёрный-белый
N Никросил

Ni—Cr—Si

Нисил

Ni—Si—Mg

0 до +1100 −270 до +1300 ±1,5 от −40 °C до 375 °C
±0,004×T от 375 °C до 1000 °C
±2,5 от −40 °C до 333 °C
±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C
Сиреневый-белый
R Платинородий

Pt—Rh

(13 % Rh)

Платина

Pt

0 до +1600 −50 до +1700 ±1,0 от 0 °C до 1100 °C
±[1 + 0,003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °C
±1,5 от 0 °C до 600 °C
±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C
Оранжевый-белый
S Платинородий

Pt—Rh (10 % Rh)

Платина

Pt

0 до 1600 −50 до +1750 ±1,0 от 0 °C до 1100 °C
±[1 + 0,003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °C
±1,5 от 0 °C до 600 °C
±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C
Оранжевый-белый
B Платинородий

Pt—Rh (30 % Rh)

Платинородий

Pt—Rh (6 % Rh)

+200 до +1700 0 до +1820 ±0,0025×T от 600 °C до 1700 °C Отсутствует
T Медь

Cu

Константан

Cu—Ni

−185 до +300 −250 до +400 ±0,5 от −40 °C до 125 °C
±0,004×T от 125 °C до 350 °C
±1,0 от −40 °C до 133 °C
±0,0075×T от 133 °C до 350 °C
Коричневый-белый
E Хромель

Cr—Ni

Константан

Cu—Ni

68 0 до +800 −40 до +900 ±1,5 от −40 °C до 375 °C
±0,004×T от 375 °C до 800 °C
±2,5 от −40 °C до 333 °C
±0,0075×T от 333 °C до 900 °C
Фиолетовый-белый

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

Киес Р. Дж., Крузе П. В., Патли Э. Г., Лонг Д., Цвиккер Г. Р., Милтон А. Ф., Тейч М. К. § 3.2. Термопара // Фотоприёмники видимого и ИК диапазонов = Optical and Infrared Detectors / пер. с англ. под ред. В. И. Стафеева. — М.: Радио и связь, 1985. — 328 с.

H. Melloni Ueber den Durchgang der Wärmestrahlen durch verschiedene Körper (нем.) // Annalen der Physik und Chemie : журнал. — Leipzig: Verlag von Johann Ambrosius Barth, 1833. — Bd. 28. — S. 371—378.

Грунин В. К. § 2.3.4. Термоэлектрические приёмники излучения // Источники и приёмники излучения: учебное пособие. — СПб.: Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2015. — 167 с. — ISBN 978-5-7629-1616-5.

Ссылки[править | править код]