Термопара. Принцип работы

Полное название устройства – термоэлектрический преобразователь. Упрощенно его называют термопарой. Прибор используется для температурных замеров в тех или иных отраслях промышленности и производства, медицины, автоматизированных системах.

Для чего нужны термопары

Назначением всех термопар является измерение температур. Во внимание принимаются такие параметры измеряемого объекта, как его объем и давление внутри, электросопротивление, показатели термоэлектродвижущих сил, интенсивность излучений и пр.

Исходя из того, в каком диапазоне необходимо проводить замеры температуры, прибегают к двум разновидностям замеров:

• контактный – так называемая термометрия;
• бесконтактный – на основе анализа теплового излучения.

Что касается второго вида измерения, к нему прибегают при необходимости замерить очень горячие среды, либо если нет возможности получить прямой доступ к объекту. Измерения посредством термопар проводятся методом прямого контакта.

Плюсы данного способа именно по отношению к термопарам заключаются в:

• повышенной степени точности проводимых замеров;
• существенных температурных разбросах, доступных для измерения;
• простоте использования и надежности прибора.

Принцип функционирования термопары

Любая термопара состоит из двух проводов, которые спаяны между собой и при этом произведены из различающихся по своим физическим параметрам металлов. Провода скрепляются посредством так называемого спая. При воздействии на спай измененных температур термопара начинает реагировать на это и генерировать электрическое напряжение, которое всегда находится в прямо пропорциональной зависимости от величины колебания температуры.

При присоединении термопары к электроцепи величина сгенерированного напряжения отображается на специальной шкале прибора. Затем эти показания преобразуются в температурные – либо непосредственно внутри самого прибора, либо согласно откалиброванной выносной шкале.

Спаи на термопарах и требования к ним

Как правило, конструкция термопары подразумевает наличие лишь одного спая. Иногда предусматривается и еще один – если термопару необходимо подсоединить к электроцепи (непосредственно в точках присоединения).

На схеме цепь включает в себя три проводка – A, B, C. Скрученные провода имеют обозначения D и E. Спай же представлен в виде дополнительного, образующегося при соединении термопары к электроцепи. В приведенном случае спай носит название холодного (свободного), а спай, обозначенный литерой Е – горячего (рабочего).

Поскольку имеет место прямо пропорциональная зависимость между температурными показателями и напряжением, которое генерирует термопара, оба спая генерируют одну и ту же величину напряжения – если температурные показатели на них будут одинаковыми.

Если же спай на термопаре подвергнуть нагреву, то значение напряжения начинает возрастать в прямой соразмерной зависимости. Соответственно, поток отрицательно заряженных частиц от разогретого спая перетекает сквозь второй спай, проходит сквозь измерительное устройство и переходит назад на горячий спай. Соответственно, прибором начинает фиксироваться и демонстрироваться разница напряжений на этих спаях. Эту разницу может преобразовать как оператор через специальные таблицы в соответствующие температурные значения, так и сам прибор – смотря какой модели термопарный измеритель был задействован.

Требования к материалам для изготовления термопар и спаев для них являются строгими, поскольку эксплуатация данных приборов предполагается в жестких средах:

1. Показатели термоэлектродвижущей силы для сплавов в термопарах обязаны быть большими с целью обеспечения необходимой точности проводимых замеров. Производители подбирают материалы таким образом, чтобы величины термоэлектродвижущих сил находились в линейной зависимости от температурных величин.
2. Температурные показатели плавления веществ должны быть значительно выше замеряемых температурных значений. Разница составляет при этом как минимум 50 градусов Цельсия.
3. Сплавы должны быть устойчивыми к коррозии. Если данное требование невозможно выполнить по тем или иным причинам, то прибегают к защите при помощи чехлов.
4. Материалы не должны изменять свои физические параметры.
5. Они должны иметь хорошие показатели пластичности и прочности.
6. Наконец, материалы должны иметь низкую цену для возможности изготовления термопар в промышленных масштабах.

Холодные спаи для термопар

Холодные спаи – точки, в которые свободные концы провода термопары присоединяются к прибору для измерения. Так как прибор проводит замеры разности напряжений на спаях, то и напряжение на холодном спае должно быть поддержано на постоянном уровне. Таким образом, гарантирована максимальная точность замеров в разных эксплуатационных условиях.

Горячие (рабочие) спаи в термопарах

Имеется также так называемый рабочий (он же горячий) спай, подвергаемый влиянию технологического процесса. Его температура будет изменяться. Так как напряжение, которое генерирует термопара, прямо пропорционально ее температурным показателям, то во время нагрева горячего спая будет сгенерировано больше напряжения и, наоборот – во время охлаждения меньше.

Разновидности термопар

Производители предлагают потребителям разные виды термопар, которые различаются по диапазонам замеряемых температур, их колебаниям. Изготавливают термопары из самых разных металлов и их вариаций. От того, в какой комбинации были использованы те или иные металлы, будет зависеть и измеряемый температурный диапазон.

Соответственно, производителями была введена специальная маркировка, которая обозначает типы термопар:

Когда термопару подключают к электроцепи, она не будет функционировать в нормальном режиме до тех пор, пока не будут соблюдены правила полярностей.

Так, провода положительного полюса нужно соединить вместе и подсоединить к плюсовым выводам в электроцепи, а минусовые – к минусовым. Если не соблюсти данное правило, то горячий спай и холодный не окажутся в необходимой противофазе, следовательно, температурные показания окажутся неточными.

В термопарах могут использоваться удлинительные провода. Цвет на внешней изоляции проводов соединительного типа может быть произвольным – в зависимости от того или иного изготовителя устройства, но первичная изоляция должна соответствовать кодам из таблицы:

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.

Возможные погрешности в замерах при помощи термопар

Если термопара начала выдавать погрешности при измерениях, которые находятся далеко за пределами допустимых, то следует выявить их причину.

Точность замеров может пострадать из-за влияния сопротивления изоляционных материалов на термоэлектродах. При воздействии на них высоких температур сопротивление может снизиться, что, соответственно, отразится и на точности результатов замеров.

Еще одна причина появления погрешности при замерах – изменения температурных показателей на свободных концах термопары. Во время проведения замеров температура может колебаться и отличаться от температурных показателей на свободных концах устройства во время его градуирования.

Погрешности возможны и в силу того, что термопарные электроды обладают различными значениями в плане термо ЭДС по своей длине. Этот эффект хорошо изучен и даже получил название «термоэлектрическая неоднородность термоэлектродных сплавов». Причина его возникновения – неоднородные физические свойства металла или металлического сплава, из которых изготовлены элементы термопары. В разных участках элементов могут наблюдаться разные параметры плотности металлов и сплавов, неоднородность структуры. Соответственно, производители стараются изготавливать термопары с максимально однородными характеристиками металлов.

Для повышения точности проводимых замеров желательно исключать внешние воздействия – электромагнитные и радиационные поля, химические посторонние реакции и т.д

Если прибор был проградуирован с нарушениями процедуры, то это также будет служить причиной проявления погрешностей.