Термопара: принцип действия, устройство

Существует множество разнообразных устройств и механизмов, позволяющих измерять температуру. Некоторые из них применяются в повседневной жизни, какие-то - для различных физических исследований, в производственных процессах и других отраслях.

Одним из таких устройств является термопара. Принцип действия и схему данного устройства мы рассмотрим в последующих разделах.

Физическая основа работы термопары

Принцип работы термопары основан на обычных физических процессах. Впервые эффект, на основе которого работает данное устройство, был исследован немецким ученым Томасом Зеебеком.

Суть явления, на котором держится принцип действия термопары, в следующем. В замкнутом электрическом контуре, состоящем из двух проводников различного вида, при воздействии определенной температуры окружающей среды возникает электричество.

Получаемый электрический поток и температура окружающей среды, воздействующая на проводники, находятся в линейной зависимости. То есть чем выше температура, тем больший электрический ток вырабатывается термопарой. На этом и основан принцип действия термопары и термометра сопротивления.

При этом один контакт термопары находится в точке, где необходимо измерять температуру, он именуется «горячим». Второй контакт, другими словами - «холодный», - в противоположном направлении. Применение для измерения термопар допускается лишь в том случае, когда температура воздуха в помещении меньше, чем в месте измерения.

Такова краткая схема работы термопары, принцип действия. Виды термопар мы рассмотрим в следующем разделе.

Виды термопар

В каждой отрасли промышленности, где необходимы измерения температуры, в основном применяется термопара. Устройство и принцип работы различных видов данного агрегата приведены ниже.

Хромель-алюминиевые термопары

Данные схемы термопар применяются в большинстве случаев для производства различных датчиков и щупов, позволяющих контролировать температуру в промышленном производстве.

Их отличительными особенностями можно назвать довольно низкую цену и огромный диапазон измеряемой температуры. Они позволяют зафиксировать температуру от -200 до +13000 градусов Цельсия.

Нецелесообразно применять термопары с подобными сплавами в цехах и на объектах с высоким содержанием серы в воздухе, так как этот химический элемент негативно влияет как на хром, так и на алюминий, вызывая нарушения в функционировании устройства.

Хромель-копелевые термопары

Принцип действия термопары, контактная группа которой состоит из этих сплавов, такой же. Но эти устройства работают в основном в жидкости либо газообразной среде, обладающей нейтральными, неагрессивными свойствами. Верхний температурный показатель не превышает +8000 градусов Цельсия.

Применяется подобная термопара, принцип действия которой позволяет использовать ее для установления степени нагрева каких-либо поверхностей, например, для определения температуры мартеновских печей либо иных подобных конструкций.

Железо-константановые термопары

Данное сочетание контактов в термопаре не настолько распространено, как первая из рассматриваемых разновидностей. Принцип работы термопары такой же, однако подобная комбинация хорошо показала себя в разреженной атмосфере. Максимальный уровень замеряемой температуры не должен превышать +12500 градусов Цельсия.

Однако, если температура начинает подниматься выше +7000 градусов, существует опасность нарушения точности измерений в связи с изменением физико-химических свойств железа. Имеют место даже случаи коррозии железного контакта термопары при наличии в окружающем воздухе водных паров.

Платинородий-платиновые термопары

Наиболее дорогая в изготовлении термопара. Принцип действия такой же, однако отличается она от своих собратьев очень стабильными и достоверными показаниями температуры. Имеет пониженную чувствительность.

Основная область применения данных устройств — измерение высоких температур.

Вольфрам-рениевые термопары

Также применяются для измерения сверхвысоких температур. Максимальный предел, который можно зафиксировать с помощью данной схемы, достигает 25 тысяч градусов по шкале Цельсия.

Их применение требует соблюдения некоторых условий. Так, в процессе измерения температуры нужно полностью устранить окружающую атмосферу, которая оказывает негативное воздействие на контакты в результате процесса окисления.

Для этого вольфрам-рениевые термопары обычно помещают в защитные кожухи, заполненные инертным газом, защищающим их элементы.

Выше была рассмотрена каждая существующая термопара, устройство, принцип работы ее в зависимости от применяемых сплавов. Теперь рассмотрим некоторые конструктивные особенности.

Конструкции термопар

Существует две основные разновидности конструкций термопар.

• С применением изоляционного слоя. Данная конструкция термопары предусматривает изолирование рабочего слоя устройства от электрического тока. Подобная схема позволяет использовать термопару в технологическом процессе без изоляции входа от земли.

• Без применения изоляционного слоя. Такие термопары могут подключаться лишь к измерительным схемам, входы которых не имеют контакта с землей. Если данное условие не соблюдается, в устройстве возникнет две независимых замкнутых схемы, в результате чего показания, полученные с помощью термопары, не будут соответствовать действительности.

Бегущая термопара и ее применение

Существует отдельная разновидность данного устройства, именуемая «бегущей». Принцип действия бегущей термопары мы сейчас рассмотрим более подробно.

Эта конструкция применяется в основном для определения температуры стальной заготовки при ее обработке на токарных, фрезерных и иных подобных станках.

Следует отметить, что в данном случае возможно использование и обычной термопары, однако, если процесс изготовления требует высокой точности температурного режима, бегущую термопару трудно переоценить.

При применении данного метода в заготовку заранее запаивают ее контактные элементы. Затем, в процессе обработки болванки, данные контакты постоянно подвергаются воздействию резца или иного рабочего инструмента станка, в результате чего спай (который является главным элементом при снятии температурных показателей) как бы «бежит» по контактам.

Этот эффект повсеместно применяется в металлообрабатывающей промышленности.

Технологические особенности конструкций термопар

При изготовлении рабочей схемы термопары производится спайка двух металлических контактов, которые, как известно, изготовлены из разных материалов. Место соединения носит название «спай».

Следует отметить, что делать данное соединение с помощью спайки необязательно. Достаточно просто скрутить вместе два контакта. Но такой способ производства не будет обладать достаточным уровнем надежности, а также может давать погрешности при снятии температурных показателей.

Если необходимо измерение высоких температур, спайка металлов заменяется на их сварку. Это связано с тем, что в большинстве случаев припой, применяемый при соединении, имеет низкую температуру плавления и разрушается при превышении ее уровня.

Схемы, при изготовлении которых была применена сварка, выдерживают более широкий диапазон температуры. Но и этот способ соединения имеет свои недостатки. Внутренняя структура металла при воздействии высокой температуры в процессе сваривания может измениться, что повлияет на качество получаемых данных.

Кроме того, следует контролировать состояние контактов термопары в процессе ее эксплуатации. Так, возможно изменение характеристик металлов в схеме вследствие воздействия агрессивной окружающей среды. Может произойти окисление либо взаимная диффузия материалов. В подобной ситуации следует заменить рабочую схему термопары.

Разновидности спаев термопар

Современная индустрия производит несколько конструкций, которые применяются при изготовлении термопар:

• с открытым спаем;

• с изолированным спаем;

• с заземленным спаем.

Особенностью термопар с открытым спаем является плохая сопротивляемость внешнему воздействию.

Следующие два типа конструкции могут применяться при измерении температур в агрессивных средах, оказывающих разрушительное влияние на контактную пару.

Кроме того, в настоящее время промышленность осваивает схемы производства термопар по полупроводниковым технологиям.

Погрешность измерений

Правильность температурных показателей, получаемых с помощью термопары, зависит от материала контактной группы, а также внешних факторов. К последним можно отнести давление, радиационный фон либо иные причины, способные повлиять на физико-химические показатели металлов, из которых изготовлены контакты.

Погрешность измерений состоит из следующих составных частей:

• случайная погрешность, вызванная особенностями изготовления термопары;

• погрешность, вызванная нарушением температурного режима «холодного» контакта;

• погрешность, причиной которой послужили внешние помехи;

• погрешность контрольной аппаратуры.

Преимущества использования термопар

К преимуществам использования подобных устройств для контроля температуры, независимо от области применения, можно отнести:

• большой промежуток показателей, которые способны быть зафиксированы с помощью термопары;

• спайку термопары, которая непосредственно участвует в снятии показаний, можно расположить в непосредственном контакте с точкой измерения;

• несложный процесс изготовления термопар, их прочность и долговечность эксплуатации.

Недостатки измерения температуры с помощью термопары

К недостаткам применения термопары следует отнести:

• Необходимость в постоянном контроле температуры «холодного» контакта термопары. Это отличительная особенность конструкции измерительных приборов, в основе которых лежит термопара. Принцип действия данной схемы сужает область ее применения. Они могут быть использованы только в том случае, если температура окружающего воздуха ниже температуры в точке измерения.

• Нарушение внутренней структуры металлов, применяемых при изготовлении термопары. Дело в том, что в результате воздействия внешней окружающей среды контакты теряют свою однородность, что вызывает погрешности в получаемых температурных показателях.

• В процессе измерения контактная группа термопары обычно подвержена негативному влиянию окружающей среды, что вызывает нарушения в процессе работы. Это опять же требует герметизации контактов, что вызывает дополнительные затраты на обслуживание подобных датчиков.

• Существует опасность воздействия электромагнитных волн на термопару, конструкция которой предусматривает длинную контактную группу. Это также может сказаться на результатах измерений.

• В некоторых случаях встречается нарушение линейной зависимости между электрическим током, возникающим в термопаре, и температурой в месте измерения. Подобная ситуация требует калибровки контрольной аппаратуры.

Заключение

Несмотря на имеющиеся недостатки, метод измерения температуры с помощью термопар, который был впервые изобретен и опробован еще в 19 веке, нашел свое широкое применение во всех отраслях современной промышленности.

Кроме того, существуют такие области применения, где использование термопар является единственным способом получения температурных данных. А ознакомившись с данным материалом, вы достаточно полно разобрались в основных принципах их работы.