Термопары. Виды и состав. Устройство и принцип действия

Автоматизация производства, технологических процессов, работа бытовых и прочих приборов часто связаны с мониторингом температурных изменений, там применяют высокоточные датчики с малой инерционностью — термопары (ТП). Отличия от других измерителей температуры, например, от терморезисторов: принцип основывается на возникновения тока при нагревании спаянных электродов, температурный диапазон намного шире. Есть и минусы: потребность в усилителях, преобразователях, иногда нужны определенные условия для уменьшения погрешностей. С мультиметром ТП применяется для исследования нагрева электроники и прочих объектов. Рассмотрим что такое термопара, достоинства и недостатки, особенности, типы. Опишем, где термоэлектрические преобразователи более уместные, как их собрать самому.

Понятие термопары

Термопары (преобразователи термоэлектрические, ТП) — это сенсоры для измерения t°, базирующиеся на принципе трансформации тепла в электропроцессы.

Сама по себе термоэлектрический преобразователь не обрабатывает показания, а передает их на отдельный узел для этого, на микросхему приложения (обслуживаемого или специального измерительного оборудования).

Датчик-термопреобразователь обладает достаточной точностью, малой инерционностью. Диапазон рабочих температур шире, чем у сенсоров-термисторов, а также лучшая стойкость к механическим и прочим нагрузкам (это главные плюсы).

Где используются термопары

ТП чаще, чем другие датчики применяют для оборудования, связанного с высокими плюсовыми температурами: топливные котлы и плиты, иное оснащение с горелками, бойлеры, паяльники, пирометры, печи, металлургия.

Термин «термоэлектрический преобразователь» отображает природу сенсора — дифференциальный измеритель, который делает замеры, преобразовывая тепло в электричество.

Термопары — это простые и эффективные сенсоры для высокоточных термоэлектрических термометров, работающих в повышенных температурных рамках.

Яркий пример применения: в составах автоматики топливных котлов и отопления. Сработка оснащения инициируется электросигналом от сенсорного узла с ТП.

Термопары наряду с NTC и PTC термисторами — самые популярные измерители температуры для оборудования, последние имеют свои достоинства (считаются более точными в своих диапазонах), но не охватывают настолько широкие температурные рамки, как ТП.

Что такое термопара, ее устройство

ТП регламентируются ГОСТами 6616, Р 8.585 и МЭК 62460, 60584. Пункт 2.2 последнего дает определение сенсора: пара разносплавных проводников с соединением (спайкой) на одном конце для инициирования термоэлектрического эффекта для замеров t° этим сегментом. ТП измеряет точкой соединения (головкой) своих электродов, так называемой «горячей спайкой».

Надо понимать, что устройство термопары может представлять собой неприглядные отрезки спаянных на одном их окончании тоненьких проводков, но, несмотря на это, сенсор чрезвычайно эффективный. Часто содержит драгметаллы.

Устройство:

два проводника, с одного конца спаянные, реже — скрученные. Это горячий спай, чувствительный сегмент, проводящий замеры;
другие концы — место, где нет нагрева, соединения с удлиняющими проводками, холодный спай. Они подсоединяются на приемник показателей.

Создается замкнутая цепь, если в ее разрыв подсоединить гальванометр, микровольтметр, мультиметр, то они покажут возникшую там термоЭДС в несколько мили-, микровольт. Значение зависит от степени нагрева на соединении проволоки и от показателя температуры, на сегменте, где такового нет.

То есть величина ЭДС зависит от разности t° между спаями — холодным и горячим и от термоэлектросвойств сплавов самих проводников.

Если горячую точку соединения подогреть, то между их несоединенными (холодными) концами появится разность потенциалов.

Далее, преобразователь отдельный или на блоке контроля обслуживаемого приборе исчисляет температуру, так как сила ЭДС и она взаимозависимые, затем переводит полученные данные в цифры и/или в команды для управления.

Принцип работы

Работа любой термопары основывается на термоэлектрическом эффекте, который был открыт Т.И. Зеебеком в далёком 1821 году. Данный эффект заключается в том, что если последовательно соединить друг с другом два разнородных металлических проводника, образуя таким образом замкнутую электрическую цепь, и в одном месте соединения проводников произвести нагрев, то в цепи возникает электродвижущая сила (ЭДС). Данную электродвижущую силу называют термо-ЭДС. Под действием термо-ЭДС в замкнутой цепи начинает протекать электрический ток.

Как работает термопара.

Место нагрева обычно называют горячим спаем. Место, где нет нагрева – холодный спай. Если в разрыв цепи подключить гальванометр или микровольтметр, то можно измерить величину термо-ЭДС, которая будет составлять несколько мили- или микровольт. Значение термо-ЭДС будет зависеть от величины нагрева в месте соединения проводников и от величины температуры в месте соединения проводников, где нагрев не происходит. Т.е. значение термо-ЭДС зависит от разности температур между холодным и горячим спаем. Также термо-ЭДС зависит и от рода самих проводников.

Будет интересно➡ Что такое анод и катод, в чем их практическое применение

Таким образом, если место соединения разнородных проводников термопары нагреть, то между несоединёнными (свободными) концами проводников возникнет разность потенциалов, которую можно измерить электроизмерительным прибором. Благодаря современным преобразователям возникающую разность потенциалов можно преобразовать в определённое цифровое значение, т.е. вполне реально узнать значение температуры нагрева в месте соединения проводников термопары. Для того чтобы измерения были точными, температура холодного спая должна быть неизменной. Т.к. это не всегда возможно, используются специальные компенсационные схемы для компенсации температуры холодного спая.

Устройство термопары.

Конструкция устройства

Современные термопары изготавливаются различной формы и длины. По конструктивному исполнению их можно разделить на две группы:

бескорпусные термопары;
термопары с защитным кожухом.

Первые представляют собой изделие, у которого место соединения двух проводников не закрыто и не защищено от внешних воздействий. Такое исполнение позволяет достичь быстрого времени измерения температуры и низкой инертности. Второй тип термопары выпускается в виде зонда. Зонд представляет собой металлическую трубку с внутренним изолятором, выдерживающим высокую температуру. Внутрь зонда помещается термоэлектрический элемент термопары. Благодаря такой конструкции термоэлемент защищён от влияния агрессивных сред различных технологических процессов.

Термопара типа J.

Холодный спай

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.

Термопара газовой плиты.

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.

Из чего состоит термопара.

Что такое КХС

Для особой точности замеров температура на холодном сегменте должна быть неизменной, но этого достичь в обычных условиях сложно, поэтому применяют спецсхемы компенсации. Напряжение, фиксируемое на указанном участке ТП зависит от разницы t° на нем же и на горячем сегменте. Поэтому надо знать уровень нагрева первого для исчисления такового на втором. Такие расчеты именуются компенсацией холодного спая — КХС и он часто применяется для аварийных отключений или для управления другими узлами формирования импульсов.

КХС всегда стремятся измерять (исчислять) ближе к точке предполагаемых замеров термопарой, так как удлиненные провода сенситивные к электропомехам (ухудшается сигнал). Данное обстоятельство значимо для производителей при конструировании термодатчиков.

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.

Вам это будет интересно Принцип работы, назначение и сферы применения триггеров

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

Если кратко, то ТП состоит из проводков из 2 разных сплавов со своими электрохарактеристиками при термических влияниях: создается определенная разность потенциалов и слабый ток, что фиксирует приемник таких показаний.

Но если углубиться в изучение термопары, то надо сказать о значительных особых нюансах как она работает.

Принцип работы термопары использует термоэлектрическое реагирование, впервые описанной ученым Т. Зеебеком. Соединенные проводники имеют контактную разность потенциалов. Конструктивно сенсор состоит из 2 жил из разных сплавов.

Концы образуют головку — контакт, так называемый горячий спай (красный на схеме ниже), созданный скручиванием, а чаще сваркой (швом, встык). Свободные окончания идут на обрабатывающие данные, управляющие узлы обслуживаемого оснащения, они замкнутые компенсационными проводками на контакты таких приборов, а в точках соединения с ТП находится холодный спай (синий на рис. ниже).

Электроды из разных металлов, условно А и B, на чертеже выше тоже изображены разными оттенками. Они защищены герметичной капсулой (может быть с инертным газом, жидкостью), керамическими цилиндриками (на изобр. ниже).

Что такое термопара

Термопары существуют благодаря такому явлению, как контактная разность потенциалов. Если два разных твердых проводника или полупроводника привести в плотный контакт друг с другом, то в окрестности места их соприкосновения образуются разделенные электрические заряды. При этом на внешних концах данных проводников возникнет разность потенциалов. Эта разность потенциалов окажется равна разности работ выхода для каждого металла, поделенной на заряд электрона.

Вопрос эксперту

Зачем нужен вольтметр при подборе термопары?

Вольтметром измерить контактную разность потенциалов не удастся, однако на вольт-амперной характеристике она себя проявит, так например она проявляет себя в транзисторе и в диоде на p-n переходе.

Понятно, что если сомкнуть такую пару в кольцо, то результирующая ЭДС будет равна нулю, а если с одной стороны ее все же оставить разомкнутой, то будет иметь место реальная ЭДС, величиной от десятых долей вольта до единиц вольт, в зависимости от того, что это за материалы.

Дополнительный материал: Как смастерить лабораторный блок питания самостоятельно.

Суть в том, что при соприкосновении, к примеру, двух металлов, система выходит из равновесия потому что химические потенциалы этих двух металлов не равны друг другу, в результате происходит диффузия электронов в сторону уменьшения их энергии, что в свою очередь приводит к изменению заряда и электрического потенциала приведенных в контакт металлов. Так в приконтактной области начинается рост электрического поля, и как следствие мы имеем то, что имеем.

Если теперь снова рассмотреть два этих проводника из разных металлов, только замкнутых в кольцо, когда суммарная ЭДС по замкнутому контуру станет равна нулю, то здесь получится два контактных места. Назовем эти места спаями. Итак, есть два спая двух разных проводников. Что если попробовать подогреть один из спаев, а второй оставить при комнатной температуре? Очевидно, что поскольку соединенные металлы разные, и в каждом спае присутствует контактная разность потенциалов, то спаи будут испытывать разное отклонение ЭДС, находясь при разных температурах.

Принцип работы термопары.

Эксперимент доказывает, что разность потенциалов между спаями будет пропорциональна разности их температур, так что можно ввести коэффициент пропорциональности, который называют термо-ЭДС. Для различных термопар термо-ЭДС будет разной. Если в разрезе такого кольца измерить напряжение, то в определенном интервале температур оно окажется почти строго пропорционально разности температур спаев. И даже если оставить только один спай (как на рисунке), и лишь его подогревать, а напряжение измерять между двумя концами, находящимися при одной и той же комнатной температуре, то все равно можно обнаружить очень четкую зависимость ЭДС от текущей температуры спая.

Чем отличаются параллельное и последовательное соединение конденсаторов.

Металлоискатель пират своими руками подробная инструкция.

Что такое подстроечный резистор: описание устройства и область его применения.

Так и работают термопары. Описанное явление относится к термоэлектрическим, а сам эффект, на базе которого работают все термопары, называется эффектом Зеебека, в честь его первооткрывателя — Томаса Зеебека. Сегодня можно встретить промышленные термопары, у которых, в зависимости от требуемого измеряемого диапазона температур, электроды изготавливают из специально подобранных сплавов.

К примеру термопары из сплавов хромель и алюмель имеют коэффициент термо-ЭДС, равный 40 микровольт на °C, и предназначены для измерения температур в диапазоне от 0 до +1100°C. А пара медь-константан, столь популярная в качестве демонстрационного пособия, позволяет измерять температуры от -185 до +300°C.

Особенности, нюансы по точности

Напряжение на холодных кончиках пропорционально зависимое от t° в районе горячей спайки. В определенном температурном диапазоне наблюдается линейное термоэлектрическое свойство, показывающее собой зависимость напряжения от уровня разности t° между точками теплым и холодным элементом ТП. Линейность условная — о ней можно говорить, лишь когда t° на последнем постоянная. Данный нюанс надо учитывать, если делается градуировка: при изменении нагрева на холодных окончаниях есть вероятность значительной погрешности

Когда требуется высокая точность замеров, холодные концы помещают в специальные капсулы, где стабильность одного выбранного уровня температуры поддерживается специальными электронными приборами, обрабатывающими показатели термометра сопротивления. При таком подходе добиваются точности до ±0.01. Но это затребовано лишь для немногих технологических процессов. В большинстве случаев, например, при работе термопары в холодильниках, водонагревателях и прочих бытовых приборах требования менее жесткие, допускают отклонения на порядок ниже.

Отличия термопар от терморезисторов (NTC PTC)

Отличия термоэлектрических преобразователей от термисторов (датчиков сопротивления):

принцип работы. На термопаре возникает малый ток, меняющийся при разном нагреве ее головки, а терморезистор (полупроводниковый) реагирует на такие процессы изменением своего сопротивления;
конструктивные. Конструкция термопары: два спаянных проводника (ток идет от них) из разных сплавов в защитном кожухе и с компенсационными проводами, термистор — цельный кусок полупроводника с жилами (ток идет на него), сопротивление которого чувствительное к температуре.

Термопара имеет такие преимущества:

диапазон раб. t° намного выше: типичный достигает +600…+800° C, у термисторов стандартный максимальный плюсовой предел около +200…+600° C. Есть термопары из особых сплавов, которые работают при +2500° C, что для них нельзя назвать чем-то выдающимся, это, в общем, обычные параметры. Но и у термических датчиков есть специальные семейства высокотемпературных моделей. Но это более особенные приборы, и все же их диапазон меньший;
термисторы более точные, но с некоторыми оговорками. При высоких температурах, погрешности, а также деградация, раскалибровка у них может быть выше, чем у ТП. То есть при особо значительных температурах термопары могут быть точнее. Данный минус для них также нивелируется, если есть преобразователь, исчисляющий погрешности;
часто требуется нормирующий усилитель, который нужен для термопары, чтобы повысить чувствительность, чтобы ее сигнал был сильнее для лучшей работы приемника, обрабатывающего информацию, чтобы он «увидел» ее;
термистор дешевый из-за того что не требует указанных дополнительных узлов. Для ТП такие устройства зачастую требуются, поэтому в итоге стоимость их использования выше;
стойкость к механическим влияниям, вибрациям у термопар лучше, они имеют надежные защитные кожухи;
скорость реакции у ТП выше, чем у термисторов;
при работе с повышенными температурами термисторы больше подвержены износу и раскалибровке. Но этот минус относительный — такой сенсор часто просто выбрасывают и покупают новый, так как изделие дешевое;
термисторы со временем деградируют быстрее. Обычно производители дают гарантию всего 1000 часов для таких детекторов. Термопары более живучие.

Итак, измерение температуры терморезистором и термопарой отличается основательно, хоть и в обоих случаях базируется на электропараметрах: вторая создает и меняет ЭДС, первый — свое сопротивление.

Есть правило: если t° выше +300° C, то следует применять термопару. На более простых и дешевых приборах чаще встречается терморезисторы. На дорогом и сложном оборудовании — термопары, они же более распространенные при работе с высокими температурами. У термисторов в таких условиях погрешности могут быть такие же, как у ТП, но в типичных диапазонах (−50…+300° C) они имеют превосходство по точности.

Если говорить о специальных узконаправленных сферах — лаборатории, специсследования, промышленность — то там чаще используют ТП.

Подытожим:

преимущества термопары: диапазон рабочих температур намного шире, реакция быстрее, срок эксплуатации намного превышает таковой у термисторов, ТП меньше подвержены раскалибровке, деградации, механическим повреждениям. При диапазоне t° от +300° C именно термопары часто незаменимые;
минусы: особенности применения ТП повышают затраты (частично нивелируется живучестью), а также принято считать, что точность термопар немного хуже, чем у терморезисторов.

Отдельно выделим безусловный плюс: только термопары используются как измерители температуры исследуемых объектов (радиодеталей и пр.) вместе с мультиметром. Также надо сказать, что неподходящие диапазоны t° всегда повышают погрешности и вероятность отказа, но ТП стойче к таким условиям.

Плюсы и минусы устройства

Термопара – старейший и до сих пор наиболее распространенный в промышленности температурный датчик. Действие термопары основано на эффекте, который впервые был открыт и описан Томасом Зеебеком в 1821 г. – возникновении тока в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при наличии градиента температур между спаями.

Поскольку генерирование Термо-ЭДС происходит по длине термоэлектрода, то показания термопары зависят от состояния термоэлектродов в зоне максимального температурного градиента. Поэтому поверку термопар следует проводить при той же глубине погружения в среду, что и на рабочем объекте. Учёт термоэлектрической неоднородности особенно важен для рабочих термопар из неблагородных металлов.

Плюсы и минусы термопары

Широкий диапазон рабочих температур, они являются самыми высокотемпературными из контактных датчиков.

Спай термопары может быть непосредственно заземлён или приведён в прямой контакт с измеряемым объектом.

Простота изготовления, надёжность и прочность конструкции.

Необходимость контроля температуры холодных спаев.

На большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.

Зависимость Термо-ЭДС от температуры существенно не линейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.

В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового сенсора и автоматическое введение поправки к измеренной Термо-ЭДС. Возникновение термоэлектрической неоднородности в проводниках и, как следствие, изменение градуировочной характеристики из-за изменения состава сплава в результате коррозии и других химических процессов.

Будет интересно➡ Закон Джоуля Ленца — самая полная теория

Материал электродов не является химически инертным и, при недостаточной герметичности корпуса термопары, может подвергаться влиянию агрессивных сред, атмосферы и т.д. Когда жесткие требования выдвигаются ко времени термической инерции термопары и необходимо заземлять рабочий спай, то следует обеспечить электрическую изоляцию преобразователя сигнала для устранения опасности возникновения утечек через землю.

В зависимости от материалов термоэлектродов различают термопары из благородных и неблагородных металлов. К первым относятся термопреобразователи платиновой группы (ТПП, ТПР). К неблагородным – ТВР, ТХА, ТХК, ТМК, ТНН, ТЖК и др. из серийно выпускаемых.

Разновидности преобразователей термоэлектрического типа

Виды термопар чрезвычайно обширные. Есть два основных фактора разделения: по разновидности сплавов и по варианту спайки. А также отдельным типом являются многоточечные ТП.

Тип электропар в зависимости от сплавов проводников

Термопара создает ЭДС, принцип всегда аналогичный, но сплавы нагреваются по-разному, поэтому рабочие диапазоны, скорость срабатывания, погрешности могут колебаться.

Разные сочетания металлов обладают своими параметрами, определяющими выходной импульс напряжения, но главное — температурный диапазон, в котором допускается использовать ту или иную разновидность сенсора

При росте амплитуды выходного напряжения улучшается разрешение измерений. Растет повторяемость, соответственно, и точность.

Есть разные соотношения разрешения и диапазона t° у конкретных типов ТП, что делает их подходящими для определенных условий.

Есть 9 типов термопар по составу сплавов проводников:

Разновидности обозначаются буквами. (J, K, T, E, N, R, S, B, C).

Для нас важна термопара типа К (другое обозначение — ТХА): она наиболее распространенная, подходит для применения в бытовых, других приборах и для задач, не имеющих каких-либо особых требований.

Традиционно ТХА рекомендована всегда, если только нет обоснований для использования иных видов. Ниже приведем описание термопары типа К из узкопрофилированного сайта по электронике:

Типы и виды термопар

Многообразие термопар объясняется различными сочетаниями используемых сплавов металлов. Подбор термопары осуществляется в зависимости от отрасли производства и необходимого температурного диапазона.

Термопара хромель-алюмель (ТХА)

Положительный электрод: сплав хромель (90% Ni, 10% Cr). Отрицательный электрод: сплав алюмель (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).

Изоляционный материал: фарфор, кварц, окиси металлов и т.д.

Диапазон температур от -200°С до 1300°С кратковременного и 1100°С длительного нагрева.

Рабочая среда: инертная, окислительная (O2=2-3% или полностью исключено), сухой водород, кратковременный вакуум. В восстановительной или окислительно-восстановительной атмосфере в присутствии защитного чехла.

Недостатки: легкость в деформировании, обратимая нестабильность термо-ЭДС.

Возможны случаи коррозии и охрупчивания алюмеля в присутствии следов серы в атмосфере и хромеля в слабоокислительной а).

Термопара хромель-копель (ТХК)

Положительный электрод: сплав хромель (90% Ni, 10% Cr). Отрицательный электрод: сплав копель (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).

Диапазон температур от -253°С до 800°С длительного и 1100°С кратковременного нагрева.

Рабочая среда: инертная и окислительная, кратковременный вакуум.

Недостатки: деформирование термоэлектрода.

Возможно испарение хрома при длительном вакууме; реагирование с атмосферой, содержащей серу, хром, фтор.

Термопара железо-константан (ТЖК)

Положительный электрод: технически чистое железо (малоуглеродистая сталь). Отрицательный электрод: сплав константан (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).

Варианты спаев

Спаи создаются с разными определёнными конфигурациями под конкретные назначения термопар. Есть 1 и 2-элементные варианты, с заземлением на корпус защитной капсулы или без такового.

Заземление на корпус (не всегда оно есть) уменьшает инерционность термопары, а это улучшает быстродействие сенсора и точность в реальном времени. Также для достижения лучшей эффективности некоторые модели имеют горячий спай снаружи защитной колбы (кожуха, корпуса).

Многоточечные термоэлектрические преобразователи

Иногда требуется замерить t° на разных точках одновременно. Решает данную проблему многоточечный тип термопары. Такие сенсоры фиксируют данные вдоль оси преобразователя. Для стандартных, бытовых задач подобные изделия редкость — они применяются в химической, нефтехимической отраслях, где надо исследовать, как распределена температура в емкостях, реакторах и пр. Количество точек может достигать 60. Такая термопара не требует сложного обслуживания, используется одна капсула и один ввод в установку.

Другие варианты по конструкции

Разные конструктивные решения отображены ниже:

Ниже несколько вариантов термопреобразователей с кабельными выводами:

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.

Вам это будет интересно Киловатт — производная единица измерения мощности

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.

Роль удлиняющих (компенсационных) проводов

Удлиняющий, он же компенсационный провод или кабель для термопары нужен, чтобы она могла соединяться с отдаленными микросхемами оборудования, с вторичным или обслуживаемым прибором, приемником, обрабатывающим данные, а также для исследования удаленных областей.

Любые провода для удлинения не используют (исключение укажем ниже). Это еще одно отличие от термисторов. Надо применять тот же материал, что и в термопаре. Например, для сенсора типа К с жилами из хромель-алюмеля берут такие же проводки с маркировкой ХА.

Компенсационный кабель можно не применять, только когда у ТП есть преобразователь, который вычисляет и удаляет погрешность. Наиболее распространенная форма такового — «таблетка» внутри клеммного сегмента детектора с сигналом 4–20 мА унифицированного типа.

Возможные неисправности в термопарах

Несмотря на то, что термопары относятся к достаточно надежным устройствам, и они могут выходить из строя и выдавать погрешности в замерах. Прежде всего, в этом случае нужно проверить устройство на предмет наличия ослабленного соединения. Если все плотно соединено, то, возможно, проблема кроется в приборе регистрации, либо непосредственно в термопаре.

Примечательно, что в случае неправильных показаний причина почти всегда в приборе регистрации. Ведь, если неисправна сама термопара, то прибор не будет демонстрировать вообще никаких показаний.

Если есть подозрения на выход из строя термопары, то нужно для начала проверить ее сигналы на выходе при помощи потенциометра.

Как подключаются термоэлектрические преобразователи

На каждой новой отметке соединения разносплавных жил образуется холодный спай, а это, как мы уж описали, влияет на корректность замеров. Подключение желательно делать проводами по составу аналогичными с электродами.

Как правило, производители изначально комплектуют сенсоры такими компенсационными кабелями, их также можно докупить в спецмагазинах. Но, как мы отметили выше, это не актуально, если есть нормирующий преобразователь, схема корректировки, базирующаяся на термисторе. Провода ТП просто втыкаются в гнезда таких узлов согласно полярности.

Измерительные системы желательно размещать ближе при подключении ТП, чтобы длину кабеля сократить до самого возможного минимума. На любом проводе есть риск возникновения помех, а чем он длиннее, тем значительнее отклонения. Если радиопомехи можно устранить экранированием, наводки нивелировать сложнее.

Схема подключения термопары может включать терморезистор компенсации между контактами приемника и точкой холодного сегмента. Внешняя t° на эти элементы влияет аналогично, поэтому такая деталь будет исправлять погрешности:

Подключив ТП к измерителю, надо выполнить градуировку, в сети есть специальные таблицы.

Обозначение термопар на схемах:

Обозначения из ГОСТов:

Пример:

Изготовление термопары для мультиметра самостоятельно

Термопара, созданная своими руками, это сенсор в своей основе конструктивно аналогичный заводскому: два спаянные разные по составу электроды.

Перечень материалов, инструментов:

константин. Есть в старых советских низкоомных керамических резисторах ПЭВ-10 или подобных им;
проволока, медь;
зажигалки: турбо («печка») и обычная.

Приемником данных может быть любой цифровой или аналоговый тестер. С помощью такой ТП для мультиметра можно замерять температуру исследуемых объектов.

Где взять проволоку

Чем меньше сечение проволоки, тем ниже погрешности ТП, поскольку понижается само влияние массива жил на теплообмен.

В нашем примере взяты 2 проводка из таких сплавов:

константиновый. Берем из старого керамического резистора ПЭВ-10. Сплав также содержит зарубежный аналог 1R00JSMT и подобные типы радиодеталей. Некоторые такие радиодетали с нихромом — он не подойдет;
медный проводок: из обмотки б/у трансформаторов от бытовых приборов, из кабелей, например, витой пары.

Скрутка, сварка

Делаем скрутку из 2 проводков. Затем свариваем этот конец: так как жилы тонкие, то подойдет зажигалка турбо, в народе «печка». Должна получиться круглая головка-капелька. Оставшиеся витки затем надо раскрутить, чтобы не было замыкания.

Принцип работы мы уже описали: при нагревании в месте горячего спая, то есть головки-капельки возникает разница потенциалов, инициирующая малый ток, который будет течь по проводкам к приемнику (мультиметру). Значения такого электричества будут характеризовать определенную температуру.

Другие способы сварки

Спаять проводки можно и кустарной сваркой, например, применив лабораторные автотрансформаторы, автомобильный аккумулятор. К одному полюсу («+») такого источника подсоединяем оба конца термопары, скрученные или соединенные механически проволокой. К другому подключаем вывод («−»), присоединенный к куску графита. Возникнет электродуга, произойдет сварка.

Напряжение для сварки подбирают экспериментально: начинают с малых значений 3–5 В и постепенно увеличивают до нужного результата. Оптимальное значение зависит от металла проволоки, ее сечения, длины — оно обычно не превышает 40–50 В. Соблюдают безопасность: не касаются к оголенным участкам, не подают слишком большое напряжение. Для удобства опасные сегменты изолируют изолентой, кембриком, керамическими трубками.

Хорошее соединение получают, разогревая проводки дуговым разрядом, зажигая его между ними и крепким (ропа) раствором поваренной соли.

Другие сплавы для электродов

Выше мы показали пример с электродами константин-медь. Термопара для измерения температуры своими руками может быть создана и с проволоки с иных материалов (сплавы см. выше в табл.). Такие материалы продаются на узкоспециализированных торговых площадках, но все-таки достать их сложнее, наиболее доступный из них хромель и алюмель.

Проверка самодельной термопары для мультиметра

Электроды собранного датчика подсоединяем к мультиметру аналогично как щупы. Затем измеряете среду: нагреваете головку зажигалкой, наблюдаете табло тестера. В нашем случае мультиметр показал напряжение 50 мВ и ток в 5 мкА, это максимальное значение для данной самоделки.

Калибровка

Откалибровать самодельную термопару и создать базу данных какое значение какой температуре соответствует, можно, опуская ТП в жидкость с заранее известной температурой (надо будет значительно ее нагреть). Останется сопоставить t° с показаниями мультиметра и записать цифровые соответствия.

Явление Зеебека

Состоит в следующем. Если в замкнутом контуре из двух разнородных проводников, а лучше полупроводников так, как эффект сильнее выражен для полупроводников, поддерживать места соединения этих проводников, обще принято называть, спаи, при разных температурах, то в такой цепи пойдет ток. Направление тока зависит от того какая из температур, какого спая выше. При одной разности в одном направлении, при другой разности в другом.

Это устройство, будучи разрезанным в одном из мест используется в качестве термопары, датчика температуры. В схеме 2, далее, будет показано спай 1, мы будем нагревать или охлаждать, а другой спай внутри гальванометра, который находится при комнатной температуре. В зависимости от того какая будет температура спая Т1 выше комнатной или ниже, стрелка гальванометра, будет отклоняться либо в одну, либо в другую сторону.

Если в цепи термопары обе проволоки из одного материала то ничего происходить не будет. Проверить это очень просто, возьмите две медные проволоки с изоляцией, меры безопасности никто не отменял, подсоедините их одними концами к гальванометру, а другими скрутите вместе (но лучше спаять), и начните нагревать, так же можно опустить в воду с кусочками льда. Если вы взяли одинаковые проволоки, то стрелка прибора останется на нуле. Но если вы возьмете разные проволоки и точно так же подсоедините их к прибору, а другие концы скрутите. И после этого будете нагревать или охлаждать, оголенные концы проводов, то вы сможете наблюдать, как и в какую сторону будет отклоняться стрелка гальванометра.

Другие самоделки

Нами описан способ создания «голого» датчика, обрабатывающее устройство было уже готово — мультиметр. Своими руками для такой термопары можно создать и иные приемники на микроконтроллерах Arduino, ATmega, а также, и усилители на подобных микросхемах — они потребуются, так как ЭДС очень низкая.

Для самоделок популярный усилитель микроконтроллер для термопары LM358P/LM358D для диапазона 0…+70° C.

В сети есть много чертежей, как сделать термопару для различных задач с микроконтроллерами Arduino, ATmega и с цифровым дисплеем.

Проверка, ремонт и замена термопары

Рассмотрим неисправности на примере термопары датчика газового котла, в таких приборах она также называется сенсором пламени. По ходу раскроем некоторые нюансы по эксплуатации термоэлектрических детекторов, как они устроены, из чего состоит такой прибор.

Признаки поломки:

затухание фитиля, в момент, когда одновременно отпускают кнопку зажигания;
огонек остается, но после розжига главной горелки подача топлива снова перекрывается, котел гаснет вообще.

Причины:

электроды, горячий спай покрылись сажей, прогреваются не достаточно. Поэтому напряжение на цепи падает ниже критического минимума, нужного для сработки прибора;
прогар защитной капсулы ТП;
нарушены контакты на точке спаев, обрыв проволоки;
отошли крепежные гайки;
перекос рабочего стержня и, как следствие, плохой прогрев запальником;
сломался датчик тяги или его электроцепь оборвана.

Починка, восстановление

Термопары чувствительные к любым повреждениям и загрязнениям: эти факторы могут уменьшить выдаваемое датчиком напряжение ниже критической границы. Характерная частая причина плохой работы — нагар, сажа на рабочем (нагреваемом) сегменте. Для восстановления достаточно произвести чистку мягкой щеткой, ваткой со спиртом. Важно не допустить царапин, механических повреждений. После очистки надо провести проверку мультиметром.

Часто причиной неисправностей являются окислившиеся контакты, их можно зачистить мелкозернистой (нулевкой) наждачкой, но без чрезмерных усилий

Таким образом, если есть нагар, сажа, окисления, отошедшие или оборванные контакты, крепежи и подобное, то ТП возможно отремонтировать. Но если обнаружены глубокие черные вмятины, прогары (дыры), то такой элемент обычно не восстанавливается. Теоретически можно соорудить новый защитный кожух, попробовать наново спаять концы, если они разошлись, но нет гарантии, что такая починка будет качественная. А от неэффективной работы есть риск значительного ухудшения ресурса обслуживаемого прибора, вероятность аварийных ситуаций увеличивается. Почти всегда сенсоры с такими критическими перечисленными поломками заменяют на новые без раздумий.

Запасные элементы продаются в спецмагазинах, точках сервисного обслуживания. Подобрать не составит труда — достаточно выбрать аналогичный или подходящий по параметрам детектор для конкретной модели оборудования. Замена элементарная — отщелкнуть старую ТП и подключить (воткнуть) в посадочные места новую.

Сложность может быть лишь в том, что прибор придется разбирать, снимать крышки, узлы с горелками и так далее.

Томас Зеебек и термоэлектрический эффект

Предположим, вы воткнете железный пруток в огонь. Вы поймете, что нужно отпустить его довольно быстро, потому что тепло будет подниматься по металлу от огня к вашим пальцам. Но знаете ли вы, что электричество тоже идет по нагретому прутку? Первым, кто правильно подхватил эту идею, был немецкий физик Томас Зеебек (1770–1831), который обнаружил, что если два конца металла будут иметь разную температуру, через них будет протекать электрический ток. Это один из способов обозначить то, что сейчас известно как эффект Зеебека или термоэлектрический эффект. По мере дальнейшего исследования Зеебек обнаружил, что все еще интереснее. Если он соединял два конца металла вместе, ток не протекал; аналогично, если два конца металла имели одинаковую температуру, ток не протекал.

Основная идея термопары: два разнородных металла (серые кривые) соединены на двух концах. Если один конец термопары поместить на что-то горячее (горячий спай), а другой конец на что-то холодное (холодный спай), возникает напряжение (разность потенциалов). Вы можете измерить его, поместив вольтметр (V) через два соединения.

Зеебек повторил эксперимент с другими металлами, а затем попытался использовать вместе два разных металла. Теперь, если способ протекания электричества или тепла через металл зависит от внутренней структуры материала, вы, вероятно, можете увидеть, что два разных металла будут производить разное количество электричества, когда они нагреваются до одной температуры. Так что, если вы возьмете полосу одинаковой длины из двух разных металлов и соедините их вместе двумя концами, чтобы получилась петля. Затем окуните один конец (одно из двух стыков) во что-нибудь горячее (например, стакан с кипящей водой), а другой конец (другой стык) во что-то холодное. Тогда вы обнаружите, что электрический ток течет через петлю (которая фактически представляет собой электрическую цепь), и величина этого тока напрямую связана с разницей в температуре между двумя переходами.

Ключевой момент, который следует помнить об эффекте Зеебека, заключается в том, что величина создаваемого напряжения или тока зависит только от типа металла (или металлов), а также от разницы температур. Для создания эффекта Зеебека не нужно соединение между разными металлами: только разница температур. Однако на практике в термопарах используются металлические переходы.

Какой термометр выбрать: с термопарой или с терморезистором

Устройство и принцип действия термопары в термоэлектрическом измерителе и терморезистора в термометре сопротивления:

Нельзя однозначно для всех ситуаций рекомендовать, какие детекторы лучшие: термометр с термопарой или с термистором (ТС, он же термометр сопротивления), так как надо учитывать среду и сопоставлять со свойствами этих типов термодатчиков — каждый имеет свои плюсы и минусы. Подробно мы их рассмотрели. Теперь опишем пример выбора.

Первым делом сравнивают характеристики, сопоставляют:

с требуемой точностью. Для не особо требовательных целей отклонение на 1–2 градуса не будет критичным. Но для приборов требовательных к точности данный параметр важен. В большинстве случаев корректнее термисторы, но также данный параметр у разных моделей сенсоров может быть равным, что мы видим в таблице;
с рабочим температурным диапазоном. Тут ТП, безусловно, лучше, охватывает рамки t° намного шире;
скорость реакции лучше у термопар, но это общее правило. Данный параметр может также сравниваться (см. табл.);
термоэлектрический преобразователь лучше выдерживают вибрации, механические нагрузки, агрессивные среды.

Определить лучший вариант прибора надо с учетом всех нюансов и поставленных целей. Опишем это в примере:

обслуживаемая зона — сегмент трубопровода с изменяющимися постоянно условиями, с вибрациями. Температура −200…+300° C;
цель — максимальная точность, и это самое важное условие;
можно подобрать термодатчики обоих типов. На первый взгляд ТП более подходящая, так как устойчивее к нагрузкам, вибрации;
в итоге выбран термисторный прибор, так как цель — точность, а у этого типа сенсоров она выше. Кроме того, применили именно тонкопленочный термистор, этот вариант сенсора более стойкий к вибрациям нагрузкам.

Второй пример:

среда — реактор, +550…+900° C, уровень вибрации низкий;
цель — точность ±5° C;
ТС выдают стабильно точные измерения, особенно при невысоких вибрациях, но не надо забывать о диапазоне t°. Термисторы не стоит применять при выше + 850° C. Поскольку наша среда имеет от +900, выбран термометр с термопарой.