Устройство термопары, ее виды и принцип работы

Термоэлектрический преобразователь, или термопара, представляет собой устройство, используемое в промышленности и медицине при проведении научных экспериментов, а также в системах автоматики. С помощью этого прибора проводятся замеры температуры. Для определения разности температурных показателей зон применяются дифференциальные устройства, которые представляют собой две термопары, соединенные навстречу друг другу.

Конструктивные особенности

Если относиться более скрупулезно к процессу замера температуры, то эта процедура осуществляется с помощью термоэлектрического термометра. Основным чувствительным элементом этого прибора считается термопара.

Сам процесс измерения происходит за счет создания в термопаре электродвижущей силы. Существуют некоторые особенности устройства термопары:

• Электроды соединяются в термопарах для измерения высоких температур в одной точке с помощью электрической дуговой сварки. При замере небольших показателей такой контакт выполняется с помощью пайки. Особенные соединения в вольфрам-рениевых и вольфрамо-молибденовых устройствах проводятся с помощью плотных скруток без дополнительной обработки.
• Соединение элементов проводится только в рабочей зоне, а по остальной длине они изолированы друг от друга.
• Метод изоляции осуществляется в зависимости от верхнего значения температуры. При диапазоне величины от 100 до 120 °C используется любой тип изоляции, в том числе и воздушный. При температуре до 1300 °C применяются трубки или бусы из фарфора. Если величина достигает до 2000 °C, то применяется изоляционный материал из оксида алюминия, магния, бериллия и циркония.
• В зависимости от среды использования датчика, в которой происходит замер температуры, применяется наружный защитный чехол. Выполняется он в виде трубки из металла или керамики. Такая защита обеспечивает гидроизоляцию и поверхностное предохранение термопары от механических воздействий. Материал наружного чехла должен выдерживать высокую температуру воздействия и обладать отличной теплопроводностью.

Конструкция датчика во многом зависит от условий его применения. При создании термопары во внимание принимается диапазон измеряемых температур, состояние внешней среды, тепловая инерционность и т. д.

Принцип действия

Работа термопары основана на принципе термоэлектрического эффекта. Это явление было открыто физиком из Германии Т. Зеебеком в начале XIX века. Его суть состоит в следующем:

• Если соединить два термоэлектрода из разных металлов или сплавов в замкнутую электрическую цепь, а их рабочую поверхность подвергнуть воздействию разных температур, то по ней начнет протекать электрический ток.
• Цепь, состоящая только из двух разных электродов, называется термоэлементом.
• Работает термопара за счет электродвижущей силы, которая вызывает ток в цепи и зависит от материала элементов и разности температуры их соединения.
• Элемент, из которого поступает ток от горячего соединения к холодному, считается положительным электродом, а от холодного к горячему — отрицательным.
• Если говорить простым языком, то зная температуру одного соединения, которая поддерживается обычно постоянной, в результате измерения значения тока можно узнать величину нагрева другого соединения.

Термопара ПП расшифровывается как платинородий-платиновый, где первым идет обозначение положительного электрода, а вторым — отрицательного. Величина электродвижущей силы составляет небольшую величину, которая измеряется милливольтами при разнице температуры в 100 К (173,15 °C).

Виды устройств

Каждый вид термопар имеет свое обозначение, и разделены они согласно общепринятому стандарту. Каждый тип электродов имеет свое сокращение: ТХА, ТХК, ТВР и т. д. Распределяются преобразователи соответственно классификации:

• Тип E — представляет собой сплав хромеля и константана. Характеристикой этого устройства считается высокая чувствительность и производительность. Особенно это подходит для использования при крайне низких температурах.
• J — относится к сплаву железа и константана. Отличается высокой чувствительностью, которая может достигать до 50 мкВ/ °C.
• Вид K — считается самым популярным устройством, состоящим из сплава хромеля и алюминия. Эти термопары могут определить температуру в диапазоне от -200 °C до +1350 °C. Приборы используются в схемах, расположенных в неокисляющих и инертных условиях без признаков старения. При применении устройств в довольно кислой среде хромель быстро разъедается и приходит в негодность для измерения температуры термопарой.
• Тип M — представляет сплавы никеля с молибденом или кобальтом. Устройства могут выдерживать до 1400 °C и применяются в установках, работающих по принципу вакуумных печей.
• Вид N — нихросил-нисиловые устройства, отличием которых считается устойчивость к окислению. Используются они для измерения температур в диапазоне от -270 до +1300 °C.

Существуют термопары, выполненные из сплавов родия и платины. Относятся они к типам B, S, R и считаются самыми стабильными устройствами. К минусам этих преобразователей относится высокая цена и низкая чувствительность.

При высоких температурах широко используются устройства из сплавов рения и вольфрама. Кроме того, по назначению и условиям эксплуатации термопары могут бывать погружаемыми и поверхностными.

По конструкции крепления устройства обладают статическим и подвижным штуцером или фланцем. Широкое применение термоэлектрические преобразователи нашли в устройстве компьютеров, которые обычно подсоединяются через COM порт и предназначены для измерения температуры внутри корпуса.

Компенсационные провода

В состав термопар входят компенсационные провода, которые выглядят как удлинители для подсоединения устройств к измерительному прибору. Если устроить свободные концы в головке термоэлектрического преобразователя, то практически его подсоединение выполнить нельзя, так как прибор работает при очень высоких температурах.

Кроме того, не всегда прибор, на который поступают данные, можно расположить недалеко от датчиков. Поэтому часто требуется подсоединение измерительного прибора на расстоянии от места, где установлены датчики. Эту задачу с успехом решают компенсационные провода. Обычно их изготавливают из того же материала, что и термоэлектрические датчики.

Удлинительные провода находятся на участках с более низкими температурами, поэтому существует возможность изготавливать их из более дешевого материала. При использовании компенсационных проводов необходимо учитывать возможность появления паразитных электродвижущих сил. Провода должны обеспечить отведение свободных концов от термопары в зону с пониженной и постоянной температурой.

Источники погрешностей измерений

На выполнение правильного процесса измерения влияют внешние источники, техническое состояние средств измерения и другие условия. На точность измерения с использованием термоэлектрического преобразователя влияет изменение электродвижущей силы.

Это явление называется термоэлектрической нестабильностью используемых сплавов. В процессе эксплуатации стало известно, что сплавы электродов изменяют свою ЭДС, которая приводит к искажению показаний.

Во время длительной эксплуатации при высоких температурах такие ошибки могут достигать больших величин, что приводит к снижению точности измерений.

Основными причинами нестабильности измерений считаются:

• взаимодействие термоэлектродов с внешней средой;
• влияние на датчики изолирующих и защитных устройств;
• взаимодействие электродов друг с другом;
• внутренние процессы, которые возникают при изменении температуры;
• влияние радиации, электромагнитных полей и перепадов давления.

Под воздействием высокой температуры происходит снижение сопротивления изоляции датчиков, которое приводит к искажению измерений. Часто источником возникновения ошибок при замерах становится неправильный выбор термоэлектрода, так как его сопротивление не совпадает с показаниями электрической цепи. Изменение электродвижущей силы по длине термоэлектрического преобразователя тоже приводит к возникновению ошибок при получении показателей.