Чем объясняется возникновение эдс в термопаре
9.1.1. Возникновение термо-ЭДС (эффект Зеебека)
При наличии разности температур спаев в цепи с термоэлементом появляется термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС), которая состоит из трех составляющих.
Первая составляющая термо-ЭДС обусловлена диффузией носителей заряда от нагретого спая к тепловыделяющему спаю. Диффузия носителей в ветвях может возникать по двум причинам:
во-первых, в ветвях термоэлемента у нагретого спая оказывается большее число ионизированных примесей. При дополнительной ионизации примесей увеличивается концентрация основных носителей заряда на нагретых концах ветвей термоэлемента. Поэтому возникает диффузия основных носителей в каждой ветви термоэлемента из-за градиента концентрации;
во-вторых, если в ветвях термоэлемента все примеси были ионизированы уже при низкой температуре (эта температура выше температуры истощения примесей), то концентрация основных носителей заряда при нагреве практически не увеличится. Но на нагретых концах ветвей термоэлемента носители заряда приобретают большие энер
гии. Поэтому опять происходит диффузия основных носителей от нагретого конца в каждой ветви термоэлемента, связанная с выравниванием средней энергии, приходящейся на один носитель определенного знака.
Диффузия, например, электронов в отрицательной ветви может происходить только от нагретого конца этой ветви вдоль нее и не может происходить в положительную ветвь, так как переходу электронов в положительную ветвь препятствует потенциальный барьер нагретого спая термоэлемента. Аналогично, дырки в положительной ветви могут диффундировать вдоль нее от нагретого конца.
Перемещение носителей заряда, связанное с их диффузией, нарушает электрическую нейтральность в ветвях термоэлемента: на нагретых концах ветвей термоэлемента остаются нескомпенсированные ионы примесей, а на противоположных концах образуется избыток основных носителей заряда. В результате, возникает первая составляющая термо-ЭДС, которую называют диффузионной.
Вторая составляющая термо-ЭДС – это следствие температурной зависимости контактной разности потенциалов. Если оба спая термоэлемента имеют одну и ту же температуру, то контактные разности потенциалов на этих спаях равны, направлены в противоположные стороны и не дают результирующей ЭДС. Если же температуры спаев термоэлемента различны, то значения контактной разности потенциалов на спаях будут также различны. Тогда в цепи термоэлемента появляется вторая составляющая термо-ЭДС с той же полярностью, что и первая составляющая.
Третья составляющая термо-ЭДС возникает в термоэлементе вследствие увлечения носителей заряда квантами тепловой энергии – фононами. Если в ветвях термоэлемента есть градиент температуры, то будет существовать направленное движение фононов от нагретых концов ветвей. В результате столкновений фононов с носителями заряда фононы увлекают за собой электроны в отрицательной ветви и дырки в положительной ветви. Этот эффект может оказаться преобладающим при низких температурах.
Термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС) и ее применение в технике
Термо-ЭДС — электродвижущая сила, возникающая в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных неоднородных проводников.
Простейшая цепь, состоящая из проводника 1 и двух одинаковых проводников 2, контакты между которыми поддерживаются при разных температурах Т1 и Т2, изображена на рисунке.
Из-за разности температур на концах проводника 1 средняя кинетическая энергия носителей заряда вблизи горячего спая оказывается больше, чем вблизи холодного. Носители диффундируют от горячего контакта к холодному и последний приобретает потенциал, знак которого определяется знаком носителей. Аналогичный процесс происходит и в ветвях 2-й части цепи. Разность этих потенциалов и есть термо-ЭДС.
При равной температуре контактирующих в замкнутой цепи металлических проводников, контактная разность потенциалов на границах между ними не создаст в цепи никакого тока, она лишь уравновесит противоположно направленные потоки электронов.
Вычислив алгебраическую сумму разностей потенциалов между контактами, легко понять, что она обращается в ноль. Поэтому в данном случае никакой ЭДС в цепи не будет. Но что если температуры контактов будут различаться? Скажем, контакты C и D окажутся при разных температурах. Что тогда? Прежде предположим, что работа выхода электронов из металла B меньше, чем работа выхода из металла A.
Рассмотрим эту ситуацию. Разогреем контакт D – электроны из металла B станут переходить в металл A, ведь фактически контактная разность потенциалов в месте соединения D увеличится за счет теплового воздействия на него. Это произойдет по той причине, что в металле A возле контакта D стало больше активных электронов, и теперь они устремятся в сторону соединения C.
Возросшая концентрация электронов возле соединения C инициирует их перемещение через контакт С, из металла A – в металл B. Здесь по металлу B электроны двинутся к контакту D. И если температуру соединения D продолжать поддерживать повышенной по отношению к контакту C, то в этой замкнутой цепи будет поддерживаться направленное перемещение электронов против часовой стрелки — возникнет картина наличия ЭДС.
В такой замкнутой цепи, составленной из разнородных металлов, ЭДС, возникающая из-за различия температур контактов, называется термо-ЭДС или термоэлектродвижущей силой.
Термо-ЭДС прямопропорциональна разности температур двух контактов и зависит от рода металлов, составляющих цепь. Электрическая энергия в такой цепи получается, по сути, из внутренней энергии источника тепла, который поддерживает разность температур контактов. Разумеется, получаемая данным путем ЭДС крайне мала, в металлах она измеряется микровольтами, максимум — десятками микровольт, на один градус различия температур контактов.
Для полупроводников термо-ЭДС получается больше, для них она достигает долей вольта на градус разности температур, потому что концентрация электронов в полупроводниках сама по себе существенно зависит от их температуры.
Для электронного измерения температуры применяют термопары (термоэлементы), работающие на принципе измерения термо-ЭДС. Термопара состоит из двух разнородных металлов, концы которых спаяны. Поддерживая разность температур двух контактов (спая и свободных концов), измеряют термо-ЭДС. Свободные концы играют здесь роль второго контакта. К концам присоединена измерительная цепь прибора.
Для различных температурных интервалов подбирают различные металлы термопар, и с их помощью в науке и технике измеряют температуру.
На основе термопар делают сверхточные термометры. С помощью термопар можно измерять как очень низкие, так и достаточно высокие температуры с высокой точностью. Причем точность измерений зависит в конечном итоге от точности вольтметра, измеряющего термо-ЭДС.
На рисунке изображена термопара из двух спаев. Один спай опускается в тающий снег, а температуру другого спая определяют по вольтметру с отградуированной в градусах шкалой. Чтобы повысить чувствительность такого термометра, иногда термопары соединяют в батарею. Так можно измерить даже очень слабые потоки лучистой энергии (например от далекой звезды).
Для практических измерений чаще всего используют пары железо-константан, медь-константан, хромель-алюмель и т. д. Если речь заходит о высоких температурах, то прибегают к парам с платиной и ее сплавами — к тугоплавким материалам.
Применение термопар широко внедрено в системы автоматизированного регулирования температуры на многих современных производствах, так как сигнал термопары является электрическим, и может быть легко интерпретирован электроникой, регулирующей мощность того или иного нагревательного прибора.
Эффект, обратный этому термоэлектрическому эффекту (называется эффектом Зеебека), состоящий в нагреве одного из контактов с одновременным охлаждением другого при пропускании через цепь постоянного электрического тока, называется эффектом Пельтье.
Оба эффекта используются в термоэлектрических генераторах и термоэлектрических холодильниках. Подоробнее об этом смотрите здесь: Термоэлектрические эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона и их применение
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
О термопарах: что это такое, принцип действия, подключение, применение
В автоматизации технологических процессов очень часто приходится снимать показатели о температурных изменениях, для их загрузки в системы управления, с целью дальнейшей обработки. Для этого требуются высокоточные, малоинерционные датчики, способные выдерживать большие температурные нагрузки в определённом диапазоне измерений. В качестве термоэлектрического преобразователя широко используются термопары – дифференциальные устройства, преобразующие тепловую энергию в электрическую.
Устройства также являются простым и удобным датчиком температуры для термоэлектрического термометра, предназначенного для осуществления точных измерений в пределах довольно широких температурных диапазонов. В частности, управляющая автоматика газовых котлов и других отопительных систем срабатывает от электрического сигнала, поступающего от сенсора на базе термопары. Конструкции датчика обеспечивают необходимую точность измерений в выбранном диапазоне температур.
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.
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:
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.
Буквами обозначено:
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.
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.
| Тип термопары | K | J | N | R | S | B | T | E |
| Материал положительного электрода | Cr—Ni | Fe | Ni—Cr—Si | Pt—Rh (13 % Rh) | Pt—Rh (10 % Rh) | Pt—Rh (30 % Rh) | Cu | Cr—Ni |
| Материал отрицательного электрода | Ni—Al | Cu—Ni | Ni—Si—Mg | Pt | Pt | Pt—Rh (6 % Rh | Cu—Ni | Cu—Ni |
| Температурный коэффициент | 40…41 | 55.2 | 68 | |||||
| Рабочий температурный диапазон, ºC | 0 до +1100 | 0 до +700 | 0 до +1100 | 0 до +1600 | 0 до 1600 | +200 до +1700 | −185 до +300 | 0 до +800 |
| Значения предельных температур, ºС | −180; +1300 | −180; +800 | −270; +1300 | – 50; +1600 | −50; +1750 | 0; +1820 | −250; +400 | −40; +900 |
| Класс точности 1, в соответствующем диапазоне температур, (°C) | ±1,5 от −40 °C до 375 °C | ±1,5 от −40 °C до 375 °C | ±1,5 от −40 °C до 375 °C | ±1,0 от 0 °C до 1100 °C | ±1,0 от 0 °C до 1100 °C | ±0,5 от −40 °C до 125 °C | ±1,5 от −40 °C до 375 °C | |
| ±0,004×T от 375 °C до 1000 °C | ±0,004×T от 375 °C до 750 °C | ±0,004×T от 375 °C до 1000 °C | ±[1 + 0,003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °C | ±[1 + 0,003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 ° | ±0,004×T от 125 °C до 350 °C | ±0,004×T от 375 °C до 800 °C | ||
| Класс точности 2 в соответствующем диапазоне температур, (°C) | ±2,5 от −40 °C до 333 °C | ±2,5 от −40 °C до 333 °C | ±2,5 от −40 °C до 333 °C | ±1,5 от 0 °C до 600 °C | ±1,5 от 0 °C до 600 °C | ±0,0025×T от 600 °C до 1700 °C | ±1,0 от −40 °C до 133 °C | ±2,5 от −40 °C до 333 °C |
| ±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C | ±0, T от 333 °C до 750 °C | ±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C | ±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C | ±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C | ±0,0075×T от 133 °C до 350 °C | ±0,0075×T от 333 °C до 900 °C | ||
| Цветовая маркировка выводов по МЭК | Зелёный — белый | Чёрный — белый | Сиреневый — белый | Оранжевый — белый | Оранжевый — белый | Отсутствует | Коричневый — белый | Фиолетовый — белый |
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.
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.
Преимущества
Недостатки
Недостатками изделий являются факторы:
Благодаря тому, что проблемы связанные с недостатками решаемы, применение термопар более чем оправдано.
Что такое термопара, принцип действия, основные виды и типы
Термопара – это устройство для измерения температур во всех отраслях науки и техники. Данная статья представляет общий обзор термопар с разбором конструкции и принципом действия устройства. Описаны разновидности термопар с их краткой характеристикой, а также дана оценка термопары как измерительного прибора.
Устройство термопары
Принцип работы термопары. Эффект Зеебека
Работа термопары обусловлена возникновением термоэлектрического эффекта, открытым немецким физиком Томасом Зеебеком (Tomas Seebeck) в 1821 г.
Явление основано на возникновении электричества в замкнутом электрическом контуре при воздействии определенной температуры окружающей среды. Электрический ток возникает при наличии разницы температур между двумя проводниками (термоэлектродами) различного состава (разнородных металлов или сплавов) и поддерживается сохранением места их контактов (спаев). Устройство выводит на экран подсоединенного вторичного прибора значение измеряемой температуры.
Выдаваемое напряжение и температура находятся в линейной зависимости. Это означает, что увеличение измеряемой температуры приводит к большему значению милливольт на свободных концах термопары.
Находящийся в точке измерения температуры спай называется «горячим», а место подключения проводов к преобразователю — «холодным».
Компенсация температуры холодного спая (КХС)
Компенсация холодного спая (КХС) – это компенсация, вносимая в виде поправки в итоговые показания при измерении температуры в точке подсоединения свободных концов термопары. Это связано с расхождениями между реальной температурой холодных концов с вычисленными показаниями градуировочной таблицы для температуры холодного спая при 0°С.
КХС является дифференциальным способом, при котором показания абсолютной температуры находятся из известного значения температуры холодного спая (другое название эталонный спай).
Конструкция термопары
При конструировании термопары учитывают влияние таких факторов, как «агрессивность» внешний среды, агрегатное состояние вещества, диапазон измеряемых температур и другие.
Особенности конструкции термопар:
1) Спаи проводников соединяются между собой скруткой или скруткой с дальнейшей электродуговой сваркой (редко пайкой).
ВАЖНО: Не рекомендуется использовать способ скручивания из-за быстрой потери свойств спая.
2) Термоэлектроды должны быть электрически изолированы по всей длине, кроме точки соприкосновения.
3) Способ изоляции подбирается с учетом верхнего температурного предела.
Материал должен быть термически и химически стойким, с хорошей теплопроводностью (металл, керамика). Использование чехла предотвращает коррозию в определенных средах.
Удлиняющие (компенсационные) провода
Данный вид проводов необходим для удлинения концов термопары до вторичного прибора или барьера. Провода не используются в случае наличия у термопары встроенного преобразователя с унифицированным выходным сигналом. Наиболее широкое применение получил нормирующий преобразователь, размещенный в стандартной клеммной головке датчика с унифицированным сигналом 4-20мА, так называемая «таблетка».
Материал проводов может совпадать с материалом термоэлектродов, но чаще всего заменяется на более дешевый с учетом условий, предотвращающих образования паразитных (наведенных) термо-ЭДС. Применение удлиняющих проводов также позволяет оптимизировать производство.
Лайфхак! Для правильного определения полярности компенсационных проводов и их подключения к термопаре запомните мнемоническое правило ММ — минус магнитится. То есть берём любой магнит и минус у компенсации будет магнитится, в отличии от плюса.
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.
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 атмосфере («зеленая глинь»).
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).
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).
Применение складывается на совместном измерении положительных и отрицательных температур. Невыгодно использовать только для отрицательных температур.
Недостатки: деформирование термоэлектрода, низкая коррозийная стойкость.
Изменение физико-химических свойств железа около 700°С и 900 °С. Взаимодействует с серой и водными парами с образованием коррозии.
Термопара вольфрам-рений (ТВР)
Положительный электрод: сплавы ВР5 (95% W, 5% Rh)/ВАР5 (BP5 с кремнещелочной и алюминиевой присадкой)/ВР10 (90% W, 10% Rh).
Отрицательный электрод: сплавы ВР20 (80% W, 20% Rh).
Изоляция: керамика из химически чистых окислов металлов.
Отмечается механическая прочность, термостойкость, малая чувствительность к загрязнениям, легкость изготовления.
Измерение температур от 1800°С до 3000°С, нижний предел – 1300°С. Измерения проводятся в среде инертного газа, сухого водорода или вакуума. В окислительных средах только для измерения в быстротекущих процессах.
Недостатки: плохая воспроизводимость термо-ЭДС, ее нестабильность при облучении, непостоянная чувствительность в температурном диапазоне.
Термопара вольфрам-молибден (ВМ)
Положительный электрод: вольфрам (технически чистый).
Отрицательный электрод: молибден (технически чистый).
Изоляция: глиноземистая керамика, защита кварцевыми наконечниками.
Инертная, водородная или вакуумная среда. Возможно проведение кратковременных измерений в окислительных средах в присутствии изоляции. Диапазон измеряемых температур составляет 1400-1800°С, предельная рабочая температура порядка 2400°С.
Недостатки: плохая воспроизводимость и чувствительность термо-ЭДС, инверсия полярности, охрупчивание при высоких температурах.
Термопары платинородий-платина (ТПП)
Положительный электрод: платинородий (Pt c 10% или 13% Rh).
Отрицательный электрод: платина.
Изоляция: кварц, фарфор (обычный и огнеупорный). До 1400°С — керамика с повышенным содержанием Al2O3, свыше 1400°С — керамику из химически чистого Al2O3.
Предельная рабочая температура 1400°С длительно, 1600°С кратковременно. Измерение низких температур обычно не производят.
Рабочая среда: окислительная и инертная, восстановительная в присутствии защиты.
Недостатки: высокая стоимость, нестабильность при облучении, высокая чувствительность к загрязнениям (особенно платиновый электрод), рост зерен металла при высоких температурах.
Термопары платинородий-платинородий (ТПР)
Положительный электрод: сплав Pt c 30% Rh.
Отрицательный электрод: сплав Pt c 6% Rh.
Среда: окислительная, нейтральная и вакуум. Использование в восстановительных и содержащих пары металлов или неметаллов средах в присутствии защиты.
Максимальная рабочая температура 1600°С длительно, 1800°С кратковременно.
Изоляция: керамика из Al2O3 высокой чистоты.
Менее подвержены химическим загрязнениям и росту зерна, чем термопара платинородий-платина.
Схема подключения термопары
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:
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:
Преимущества и недостатки использования термопар
Достоинствами использования данного устройства можно назвать:
К недостаткам следует отнести:
Термометр сопротивления — датчик для измерения температуры: что это такое, описание и виды
Что такое тензодатчик, типы тензометрических датчиков, схема подключения и их применение
Что такое люминесцентная лампа и как она работает?
Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы
Трансформаторы тока: устройство, принцип действия и типы
Как устроен электрический аккумулятор, его принцип работы, виды, назначение и основные характеристики