Термопары: принцип действия, разновидности и помощь в выборе

Устройство и принцип действия

Термопара конструктивно состоит из двух проволок, каждая из которых изготовлена из разных сплавов. Концы этих проводников образуют контакт (горячий спай) выполненный путём скручивания, с помощью узкого сварочного шва либо сваркой встык. Свободные концы термопары замыкаются с помощью компенсационных проводов на контакты измерительного прибора или соединяются с автоматическим устройством управления. В точках соединения образуется другой, так называемый, холодный спай. Схематически устройство изображено на рисунке 1.

Рис. 1. Схема строения термопары

Красным цветом выделено зону горячего спая, синим – холодный спай.

Электроды состоят из разных металлов (металл А и металл В), которые на схеме окрашены в разные цвета. С целью защиты термоэлектродов от агрессивной горячей среды их помещают в герметичную капсулу, заполненную инертным газом или жидкостью. Иногда на электроды надевают керамические бусы, как показано на рис. 2).

Рис. 2. Термопара с керамическими бусами

Принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте. При замыкании цепи, например милливольтметром (см. рис. 3) в точках спаек возникает термо-ЭДС. Но если контакты электродов находятся при одинаковой температуре, то эти ЭДС компенсируют друг друга и ток не возникает. Однако, стоит нагреть место горячей спайки горелкой, то согласно эффекту Зеебека возникнет разница потенциалов, поддерживающая существование электрического тока в цепи.

Рис. 3. Измерение напряжения на проводах ТП

Примечательно, что напряжение на холодных концах электродов пропорционально зависит от температуры в области горячей спайки. Другими словами, в определённом диапазоне температур мы наблюдаем линейную термоэлектрическую характеристику, отображающую зависимость напряжения от величины разности температур между точками горячей и холодной спайки. Строго говоря, о линейности показателей можно говорить лишь в том случае, когда температура в области холодной спайки постоянна. Это следует учитывать при выполнении градуировок термопар. Если на холодных концах электродов температура будет изменяться, то погрешность измерения может оказаться довольно значительной.

В тех случаях, когда необходимо добиться высокой точности показателей, холодные спайки измерительных преобразователей помещают даже в специальные камеры, в которых температурная среда поддерживается на одном уровне специальными электронными устройствами, использующими данные термометра сопротивления (схема показана на рис. 4). При таком подходе можно добиться точности измерений с погрешностью до ± 0,01 °С. Правда, такая высокая точность нужна лишь в немногих технологических процессах. В ряде случаев требования не  такие жёсткие и погрешность может быть на порядок ниже.

Рис. 4. Решение вопроса точности показаний термопар

На погрешность влияют не только перепады температуры в среде, окружающей холодную спайку. Точность показаний зависит от типа конструкции, схемы подключения проводников, и некоторых других параметров.

Типы термопар и их характеристики

Различные сплавы, используемые для изготовления термопар, обладают разными коэффициентами термо-ЭДС. В зависимости от того, из каких металлов изготовлены термоэлектроды, различают следующие основные типы термопар:

• ТПП13 – платинородий-платиновые (тип R);
• ТПП10 – платинородий-платиновые (тип S);
• ТПР – платинородий-платинродиевые (тип B);
• ТЖК – железо-константановые (тип J);
• ТМКн – медь-константановые (тип T);
• ТНН – нихросил-нисиловые (тип N);
• ТХА – хромель-алюмелевые (тип K);
• ТХКн – хромель-константановые (тип E);
• ТХК – хромель-копелевые (тип L);
• ТМК – медь-копелевые (тип M);
• ТСС – сильх-силиновые (тип I);
• ТВР – вольфрамрениевые (типы A-1 – A-3).

Технические требования к термопарам задаются параметрами определёнными ГОСТ 6616-94, а их НСХ (номинальные статические характеристики преобразования), оптимальные диапазоны измерений, установленные классы допуска регулируются стандартами МЭК 62460, и определены ГОСТ Р 8.585-2001. Заметим, также, что НСХ в вольфрам-рениевых термопарах отсутствовали в таблицах МЭК до 2008 г. На сегодняшний день указанными стандартами не определены характеристики термопары хромель-копель, но их параметры по прежнему регулируются ГОСТ Р 8.585-2001. Поэтому импортные термопары типа L не являются полным аналогом отечественного изделия ТХК.

Классификацию термодатчиков можно провести и по другим признакам: по типу спаев, количеству чувствительных элементов.

Типы спаев

В зависимости от назначения термодатчика спаи термопар могут иметь различную конфигурацию. Существуют одноэлементные и двухэлементные спаи. Они могут быть как заземлёнными на корпус колбы, так и незаземленными. Понять схемы таких конструкций можно из рисунка 5.

Рис. 5. Типы спаев

Буквами обозначено:

• И – один спай, изолированный от корпуса;
• Н – один соединённый с корпусом спай;
• ИИ – два изолированных друг от друга и от корпуса спая;
• 2И – сдвоенный спай, изолированный от корпуса;
• ИН – два спая, один из которых заземлён;
• НН – два неизолированных спая, соединённых с корпусом.

Заземление на корпус снижает инерционность термопары, что, в свою очередь, повышает быстродействие датчика и увеличивает точность измерений в режиме реального времени.

С целью уменьшения инерционности в некоторых моделях термоэлектрических преобразователей оставляют горячий спай снаружи защитной колбы.

Многоточечные термопары

Часто требуется измерение температуры в различных точках одновременно. Многоточечные термопары решают эту проблему: они фиксируют данные о температуре вдоль оси преобразователя. Такая необходимость возникает в химических и нефтехимических отраслях, где требуется получать информацию о распределении температуры в реакторах, колоннах фракционирования и в других ёмкостях, предназначенных для переработки жидкостей химическим способом.

Многоточечные измерительные преобразователи температуры повышают экономичность, не требуют сложного обслуживания. Количество точек сбора данных может достигать до 60. При этом используется только одна колба и одна точка ввода в установку.

Спай термопары

В конструкции большинства термопар предусмотрен только один спай. Однако, когда термопара подсоединяется к электрической цепи, то в точках ее подсоединения может образовываться еще один спай.

Цепь термопары

Цепь, показанная на рисунке, состоит из трех проводов, помеченных как А, В и С. Провода скручены между собой и помечены как D и Е. Спай представляет собой дополнительный спай, который образуется, когда термопара подсоединяется к цепи. Этот спай называется свободным (холодным) спаем термопары. Спай Е — это рабочий (горячий) спай. В цепи находится измерительный прибор, который измеряет разницу величин напряжения на двух спаях.

Два спая соединены таким образом, что их напряжение противодействует друг другу. Таким образом, на обоих спаях генерируется одна и та же величина напряжения и показания прибора будут равны нулю. Так как существует прямо пропорциональная зависимость между температурой и величиной напряжения, генерируемой спаем термопары, то два спая будут генерировать одни и те же величины напряжения, когда температура на них будет одинаковой.

Воздействие нагрева одного спая термопары

Когда спай термопары нагревается, величина напряжения повышается прямо пропорционально. Поток электронов от нагретого спая протекает через другой спай, через измерительный прибор и возвращается обратно на горячий спай. Прибор показывает разницу напряжения между двумя спаями. Разность напряжения между двумя спаями. Разность напряжения, показываемая прибором, преобразуется в температурные показания либо с помощью таблицы, либо прямо отображается на шкале, которая откалибрована в градусах.

Холодный спай термопары

Холодный спай часто представляет собой точку, где свободные концы проводов термопары подсоединяются к измерительному прибору.

В силу того, что измерительный прибор в цепи термопары в действительности измеряет разность напряжения между двумя спаями, то напряжение холодного спая должно поддерживаться на неизменном уровне, насколько это возможно. Поддерживая напряжение на холодном спае на неизменном уровне мы тем самым гарантируем, что отклонение в показаниях измерительного прибора свидетельствует о изменении температуры на рабочем спае.

Если температура вокруг холодного спая меняется, то величина напряжения на холодном спае также изменится. В результате изменится напряжение на холодном спае. И как следствие разница в напряжении на двух спаях тоже изменится, что в конечном итоге приведет к неточным показаниям температуры.

Для того, чтобы сохранить температуру на холодном спае на неизменном уровне во многих термопарах используются компенсирующие резисторы. Резистор находится в том же месте, что и холодный спай, так что температура воздействует на спай и резистор одновременно.

Цепь термопары с компенсирующим резистором

Рабочий спай термопары (горячий)

Рабочий спай — это спай, который подвержен воздействию технологического процесса, чья температура измеряется. Ввиду того, что напряжение, генерируемое термопарой прямо пропорционально ее температуре, то при нагревании рабочего спая, он генерирует больше напряжения, а при охлаждении — меньше.

Рабочий спай и холодный спай

Таблица сравнения термопар

Выше мы рассмотрели типы термоэлектрических преобразователей. У читателя, скорее всего, резонно возник вопрос: Почему так много типов термопар существует?

Дело в том, что заявленная производителем точность измерений возможна только в определённом интервале температур. Именно в этом диапазоне производитель гарантирует линейную характеристику своего изделия. В других диапазонах зависимость напряжения от температуры может быть нелинейной, а это обязательно отобразится на точности. Следует учитывать, что материалы обладают разной степенью плавкости, поэтому для них существует предельное значение рабочих температур.

Для сравнения термопар составлены таблицы, в которых отображены основные параметры измерительных преобразователей. В качестве примера приводим один из вариантов таблицы для сравнения распространённых термопар.

Таблица 1.

Способы подключения

Каждая новая точка соединения проводов из разнородных металлов образует холодный спай, что может повлиять на точность показаний. Поэтому подключения термопары выполняют, по возможности, проводами из того же материала, что и электроды. Обычно производители поставляют изделия с подсоединёнными компенсационными проводами.

Некоторые измерительные приборы содержат схемы корректировки показаний на основе встроенного термистора. К таким приборам просто подключаются провода, соблюдая их полярность (см. рис. 6).

Рис. 6. Компенсационные провода

Часто используют схему подключения «на разрыв». Измерительный прибор, подключают через проводник того же типа что и клеммы (чаще всего медь). Таким образом, в местах соединения отсутствует холодный спай. Он образуется лишь в одном месте: в точке присоединения провода к электроду термопары. На рисунке 7 показана схема такого подключения.

Рис. 7. Схема подключения на разрыв

При подключении термопары следует как можно ближе размещать измерительные системы, чтобы избежать использования слишком длинных проводов. Во всяком проводе возможны помехи, которые усиливаются с увеличением длины проволоки. Если от радиопомех можно избавиться путём экранирования проводки, то бороться с токами наводки гораздо сложнее.

В некоторых схемах используют компенсирующий терморезистор между контактом измерительного прибора и точкой холодного спая. Поскольку внешняя температура одинаково влияет на резистор и на свободный спай, то данный элемент будет корректировать такие воздействия.

И напоследок: подключив термопару к измерительному прибору, необходимо, пользуясь градуировочными таблицами, выполнить процедуру калибровки.

Стандарты на цвета проводников термопар

Цветная изоляция проводников помогает отличить термоэлектроды друг от друга для правильного подключения к клеммам. Стандарты отличаются по странам, нет конкретных цветовых обозначений для проводников.

ВАЖНО: Необходимо узнать используемый стандарт на предприятии для предотвращения ошибок.

Точность измерения

Точность зависит от вида термопары, диапазона измеряемых температур, чистоты материала, электрических шумов, коррозии, свойств спая и процесса изготовления.

Термопарам присуждается класс допуска (стандартный или специальный), устанавливающий доверительный интервал измерений.

ВАЖНО: Характеристики на момент изготовления меняются в период эксплуатации.

Быстродействие измерения

Быстродействие обуславливается способностью первичного преобразователя быстро реагировать на скачки температуры и следующим за ними потоком входных сигналов измерительного прибора.

Факторы, увеличивающие быстродействие:

1. Правильная установка и расчет длины первичного преобразователя;
2. При использовании преобразователя с защитной гильзой необходимо уменьшить массу узла, подобрав меньший диаметр гильз;
3. Сведение к минимуму воздушного зазора между первичным преобразователем и защитной гильзой;
4. Использование подпружиненного первичного преобразователя и заполнения пустот в гильзе теплопроводящим наполнителем;
5. Быстро движущаяся среда или среда с большей плотностью (жидкость).

Проверка работоспособности термопары

Для проверки работоспособности подключают специальный измерительный прибор (тестер, гальванометр или потенциометр) или измеряют напряжение на выходе милливольтметром. При наличии колебаний стрелки или цифрового индикатора термопара является исправной, в противном случае устройство подлежит замене.

Причины выхода из строя термопары:

1. Неиспользование защитного экранирующего устройства;
2. Изменение химического состава электродов;
3. Окислительные процессы, развивающиеся при высоких температурах;
4. Поломка контрольно-измерительного прибора и т.д.

Проверка работы термопары

В случае выхода из строя термопары не подлежит ремонту. Теоретически можно, конечно, ее починить, но вот будет ли прибор после этого показывать точную температуру – это большой вопрос.

Иногда неисправность термопары не является явной и очевидной. В частности, это касается газовых колонок. Принцип работы термопары все тот же. Однако она выполняет несколько иную роль и предназначается не для визуализации температурных показаний, а для работы клапанов. Поэтому, чтобы выявить неисправность такой термопары, необходимо подключить к ней измерительный прибор (тестер, гальванометр или потенциометр) и нагреть спай термопары. Для этого не обязательно держать ее над открытым огнем. Достаточно лишь зажать его в кулак и посмотреть, будет ли отклоняться стрелка прибора.

Причины выхода из строя термопар могут быть разными. Так, если не надеть специальное экранирующее устройство на термопару, помещенную в вакуумную камеру установки ионно-плазменного азотирования, то с течением времени она будет становиться все более хрупкой до тех пор, пока не переломается один из проводников. Кроме того, не исключается и вероятность неправильной работы термопары из-за изменения химического состава электродов. Ведь нарушаются основополагающие принципы работы термопары.

Газовая аппаратура (котлы, колонки) также оснащается термопарами. Основной причиной выхода из строя электродов являются окислительные процессы, которые развиваются при высоких температурах.

В том случае, когда показания прибора являются заведомо ложными, а при внешнем осмотре не были обнаружены слабые зажимы, то причина, скорее всего, кроется в выходе из строя контрольно-измерительного прибора. В этом случае его необходимо отдать в ремонт. Если имеется соответствующая квалификация, то можно попытаться устранить неполадки самостоятельно.

Да и вообще, если стрелка потенциометра или цифровой индикатор показывают хоть какие-то «признаки жизни», то термопара является исправной. В таком случае проблема, совершенно очевидно, кроется в чем-то другом. И соответственно, если прибор никак не реагирует на явные изменения температурного режима, то можно смело менять термопару.

Однако прежде чем демонтировать термопару и ставить новую, нужно полностью убедиться в ее неисправности. Для этого достаточно прозвонить термопару обычным тестером, а еще лучше – померить напряжение на выходе. Только обычный вольтметр здесь вряд ли поможет. Понадобится милливольтметр или тестер с возможностью подбора шкалы измерения. Ведь разность потенциалов является очень маленькой величиной. И стандартный прибор ее даже не почувствует и не зафиксирует.

Преимущества термопары

Почему за столь долгую историю эксплуатации термопары не были вытеснены более совершенными и современными датчиками измерения температуры? Да по той простой причине, что до сих пор ей не может составить конкуренцию ни один другой прибор.

Во-первых, термопары стоят относительно дешево. Хотя цены могут колебаться в широком диапазоне в результате применения тех или иных защитных элементов и поверхностей, соединителей и разъемов.

Во-вторых, термопары отличаются неприхотливостью и надежностью, что позволяет успешно эксплуатировать их в агрессивных температурных и химических средах. Такие устройства устанавливаются даже в газовые котлы. Принцип работы термопары всегда остается неизменным, вне зависимости от условий эксплуатации. Далеко не каждый датчик другого типа сможет выдержать подобное воздействие.

Технология изготовления и производства термопар является простой и легко реализуется на практике. Грубо говоря – достаточно лишь скрутить или сварить концы проволок из разных металлических материалов.

Еще одна положительная характеристика – точность проводимых измерений и мизерная погрешность (всего 1 градус). Данной точности более чем достаточно для нужд промышленного производства, да и для научных исследований.

Недостатки термопары

Недостатков у термопары не так много, в особенности если сравнивать с ближайшими конкурентами (температурными датчиками других типов), но все же они есть, и было бы несправедливо о них умолчать.

Так, разность потенциала измеряется в милливольтах. Поэтому необходимо применять весьма чувствительные потенциометры. А если учесть, что не всегда приборы учета можно разместить в непосредственной близости от места сбора экспериментальных данных, то приходится применять некие усилители. Это доставляет ряд неудобств и приводит к лишним затратам при организации и подготовке производства.

Применение

Термопары используются везде, где требуется измерение температуры в технологической среде. Они применяются в автоматизированных системах управления в качестве датчиков температуры. Термопары типа ТВР, у которых внушительный диаметр термоэлектрода, незаменимы там, где требуется получать данные о слишком высокой температуре, в частности в металлургии.

Газовые котлы, конвекторы, водонагревательные колонки также оборудованы термоэлектрическими преобразователями.

Описание и характеристики

Термопара — это прибор, состоящий из двух различных проводников, которые соединяются в одной или нескольких точках компенсационными проводами. Когда на одном конце провода происходит измерение температуры, на другом создается напряжение определенного значения и силы. Это устройство используется для контроля температуры, а также для преобразования температуры в электрический ток.

Стоит термодатчик совсем недорого. Этот прибор вполне стандартный и измеряет большой диапазон температур. Единственным минусом в работе элемента является неточность, которая может составлять до 1 °C, а это немало для таких значений.

Сделать термопару в домашних условиях не составит труда. Необходимо только помнить, что эти устройства создаются из специальных сплавов, поэтому прослеживается предсказуемая и стойкая зависимость между напряжением и температурой.

Датчики бывают разных типов. Они классифицируются по типу используемых металлов для сплава:

1. хромель — алюмелевые;
2. платинородий — платиновые.

От состава зависит и среда применения, ведь такие контроллеры используют как в науке и промышленности, так и в домашних условиях — для котлов, колонок, духовых шкафов.

Принцип работы

Термопара — это самый популярный термодатчик, который был открыт в 1822 году немецким физиком Томасом Зеебеком. Именно поэтому принцип работы такого элемента часто называют эффектом Зеебека.

В книгах и учебниках этот эффект описывают так: если спаи проводников имеют неидентичные температуры, то между ними образовывается электрическая сила (термоэдс), значение которой пропорционально разности температур спаев.

Здесь нужно подчеркнуть, что принимать во внимание стоит именно разность температур, а не какой-либо показатель вообще. Кроме того, если оба спая имеют равнозначную температуру, то термоэдс в цепи не возникнет.

Перед тем как приступить к изготовлению термодатчика, нужно подготовить все материалы и инструменты. Электроды термопары состоят из разнородных материалов, для выбора которых нужно определиться с типом изделия и сферой использования.

Типы термодатчиков обозначаются буквами латинского алфавита и имеют свои характеристики. Например, популярная модель TYPE K состоит из сплава хромель-алюмель, а диапазон ее измерений — 200−1200 °C. Произведя несложные расчеты, можно говорить о нелинейности (термоэдс -35 — 32 мкВ/°C), в то время как нелинейность характеристики должна быть наименьшей. В этом случае погрешность при измерениях будет совсем небольшой.

Термопара может располагаться на удаленном расстоянии от самого оборудования. Для этого ее подключают с помощью специального кабеля. Сам кабель делают из тех же материалов, что и термопару. Разница только в диаметре.

Изготовление термодатчика

Для изготовления термопары своими руками необходимо приобрести проволоку из подходящих материалов. Здесь важное значение имеет диаметр, так как от него зависит погрешность при измерении температуры. Рекомендуется брать проволоку меньшего диаметра, особенно если исследоваться будут объекты небольших размеров.

Материал зависит от диапазона температур, с которым предполагается работа. Наиболее распространенные варианты: хромель-алюмель, медь-константан. Само изготовление заключается в создании соединения, сплава двух проволок. Зачастую для этого используется какой-то источник напряжения (к примеру, автомобильный аккумулятор или трансформатор).

Дальнейшие этапы работы таковы:

1. свободные концы скрученной проволоки подключают к одному из полюсов источника напряжения;
2. вывод подсоединяется к другому из полюсов, который дополнительно соединен еще и с графитным карандашом.

При возникновении электрической дуги возникает соединение проволок термопары. При этом напряжение для соединения проводов подбирается путем эксперимента. Как правило, оптимальное значение 40−50 В, но оно может быть меньше, так как зависит от материалов и длины изделия.

Еще один главный момент — соблюдение техники безопасности. Очень важно не использовать слишком высокое напряжение и не касаться оголенных проводов. Лучше заизолировать их специальной лентой или закрыть керамической трубкой.

Это самый простой и доступный способ изготовления термопары для мультиметра своими руками. Иногда проволоки для термопар спаивают с помощью паяльника. Но тогда придется дополнительно приобрести специальный припой и придерживаться определенных температур в работе.

Термопара

Термопара – это датчик, состоящий из двух разных по свойствам токопроводящих проводников, спаянных между собой. Измерение происходит за счет образования термической электродвижущей силы (напряжения), образованной между проводниками. В зависимости от холодного или горячего источника ток на датчике будет менять свое направление между положительным или отрицательным значением. Особых настроек датчик не требует, нужно лишь сверить показания с эталонным устройством.

Диапазон измерения датчика варьируется от -270 до 2500 градусов и зависит от применяемых внутри сплавов проводников. Например, вольфрам-рениевый сплав в термопаре способен измерить температуру до 2500 градусов Цельсия.
К недостатку датчика можно отнести маленький выходной сигнал, который требует обязательного наличия электронного усилителя и преобразователя сигналов. Точность измерения зависит от размеров устройства, при неправильном выборе погрешность температуры достигает 2.5-4 градусов Цельсия.

Термопара широко применяется в следующих отраслях:

• в научных исследованиях и медицине;
• в промышленности (изготовление металлопродукции);
• в автоматизированных системах управления (ЧПУ станки).

Терморезистор

Терморезистор является полупроводниковым прибором, работающим по принципу переменного сопротивления.

При изменении температуры его внутреннее сопротивление меняется в зависимости от выбранного типа датчика. Существуют две разновидности данного электрического полупроводника:

• NTC-терморезистор (сопротивление падает при увеличении температуры);
• PTC-терморезистор (сопротивление увеличивается с ростом температуры).

Из особенностей датчика можно выделить его точность к измеряемой температуре. Погрешность терморезистора составляет всего 0.05 градусов Цельсия.
Диапазон измерения: от -50о до +300 градусов на любом замеряемом промежутке.

Недостатки датчика:

• с повышением температуры срок эксплуатации сокращается. Производитель дает гарантию до 1000 часов работы;
• для точного показания требуется калибровка с эталонным измерителем.

Подведение итогов

Точность показания температур безусловно выше у терморезисторых датчиков, однако термопары могут похвастаться большим диапазоном измерения. Материал, из которого сделан терморезистор, со временем деградирует, тогда как термопары живут гораздо дольше.
Методы определения температур у датчиков отличаются. Для каждого типа нужен свой прибор или контроллер, позволяющий контролировать показания.
Главным критерием выбора можно считать диапазон измерения. Если температура превышает порог в 300 градусов, следует применять термопару. В противном случае нет смысла переплачивать, можно обойтись недорогими термосопротивлениями, поскольку термопара стоит на порядок дороже.

Смотрите видео по теме