Термопары : принцип действия

В рамках данной статьи мы рассмотрим принцип действия, недостатки, преимущества и особенности термопары – температурного датчика, широко используемого в промышленности.

Принцип действия, преимущества и особенности термопары

В основе принципа работы термопары лежит явление, описанное Томасом Зеебеком в далеком 1822 году: при разности температур на измерительных контактах, расположенных на гомогенном материале, обладающем свободными зарядами, возникает разность потенциалов, или же напряжение.

Иными словами, вышеописанные условия приводят к возникновению термоэлектродвижущей силы (ТЭДС). Стоит отметить, что ТЭДС генерируется по всем длине термоэлектрода, а не в месте спая, что дает возможность понять соответствующие ограничения по точности, установленные самой природой процесса.

Как уже был сказано выше, ТЭДС возникает по всей длине электрода, а потому показания термопары определяются состоянием электродов в зоне с максимальным температурным градиентом. Исходя из этого, проверка термопар проводится при том же состоянии среды, как и на рабочем объекте.

Преимущества термопары

• Простота изготовления, прочность конструкции и надежность.
• Возможность использования в широком температурном диапазоне. Термопара является наиболее высокотемпературным из всех существующих контактных датчиков.
• Возможности приведения спая термопары в прямой контакт с объектом измерения и непосредственного заземления.

Недостатки термопары

• Термоэлектрическая неоднородность в проводниках, приводящая к изменению градуировочной характеристики. Вследствие термоэлектрической неоднородности возникают различные химические процессы (коррозия и т.д.), изменяющие состав сплава термопары.
• Контроль температуры холодных спаев. Как правило, все современные измерительные конструкции на основе термопар имеют полупроводниковый сенсор или встроенный тиристор для внесения корректировок в измененную ТЭДС в автоматическом режиме.
• Подверженность электродов воздействию агрессивных сред, в случае если корпус термопары недостаточно герметичен.
• Вероятность возникновения эффекта «антенны» при большой длине проводов термопары.
• Нелинейная зависимость ТЭДС от температуры, что усложняет разработку вторичных преобразователей сигнала.
• Необходимость обеспечения электрической изоляции преобразователя сигнала при повышенных требованиях к времени термической инерции термопары.

Термопары и их особенности

• Термопары из неблагородных металлов.
• Термопары из благородных металлов.

- Хромель-алюмель – тип «К». Является наиболее распространенной среди термопар. Позволяет измерять температуры и диапазоне от -200 °С до +1350°С, может использоваться в атмосфере с избытком кислорода, не может использоваться в атмосфере серы.

- Хромель-копаль – тип L. Температурный диапазон: -200 °С до +800 °С.

- Хромель-константан – тип Е (от -40 °С до +900 °С). Главные преимущества – термоэлектрически однородный материал электродов и высокая чувствительность.

- Медь-константан – тип Т (от -250°С до +300 °С). Влагостойкая термопара, которая может использоваться при недостатке или же избытке кислорода.

- Железо-константан – тип J (от -40 °С до +750 °С). Рекомендуется в разряженной атмосфере.

- Платинородий-платинородиевая – тип B (до +1500 °С). Может использоваться в окислительной среде.

- Платинородий-платиновая – тип S и тип R (до +1350 °С)

Работа термопары предопределяется ее типом и характеристиками. При выборе термопары обязательно учитывайте свои потребности и возможности конкретной модели.