Термопары широко применяют для измерения температуры различных объектов, а также в автоматизированных системах управления и контроля. Измерение температур с помощью термопар получило широкое распространение из-за надежной конструкции датчика, возможности работать в широком диапазоне температур и дешевизны. Широкому применению термопары обязаны в первую очередь своей простоте, удобству монтажа, возможности измерения локальной температуры. Они гораздо более линейны, чем многие другие датчики, а их нелинейность на сегодняшний день хорошо изучена и описана в специальной литературе. К числу достоинств термопар относятся также малая инерционность, возможность измерения малых разностей температур. Термопары незаменимы при измерении высоких температур (вплоть до 2200°С) в агрессивных средах. Термопары могут обеспечивать высокую точность измерения температуры на уровне ±0,01°С. Они вырабатывают на выходе термоЭДС в диапазоне от микровольт до милливольт, однако требуют стабильного усиления для последующей обработки.
Таблица 1
| Тип термо- пары | Букве- нное обозна- чение НСХ* | Материал термоэлектродов | Коэффициент термоЭДС, мкв/°С (в диапазоне температур, °С) | Диапазон рабочих температур, °С | Предельная темпе- ратура при кратко- временном приме- нении, °С | |
| положительного | отрицательного | |||||
| ТЖК | J | Железо (Fe) | Сплав константен (45% Сu + 45% Ni, Mn, Fe) | 50-64 (0-800) | ОТ -200 до +750 | 900 |
| ТХА | К | Сплав хромель (90,5% Ni +9,5% Сr) | Сплав алюмель (94,5% Ni + 5,5% Al, Si, Mn, Co) | 35-42 (0-1300) | от -200 до +1200 | 1300 |
| ТМК | Т | Медь (Сu) | Сплав константан (55% Си + 45% Ni, Mn, Fe) | 40-60 (0-400) | от -200 до +350 | 400 |
| ТХКн | Е | Сплав хромель (90,5% Ni + 9,5% Сr) | Сплав константан (55% Сu + 45% Ni, Mn, Fe) | 59-81 (0-600) | от-200 до+700 | 900 |
| ТХК | L | Сплав хромель (90,5% Ni + 9,5% Сr) | Сплав копель (56% Си + 44% Ni} | 64-88 (0-600) | от -200 до +600 | 800 |
| ТНН | N | Сплав никросил (83,49% Ni +13,7% Сr + 1,2% Si+ 0,15% Fe + 0,05% С + 0,01% Mg) | Сплав нисил (94,98% Ni + 0,02% Сr + 4,2% Si + 0,15% Fe + 0,05% С + 0,05% Mg) | 26-36 (0-1300) | от -270 до +1300 | 1300 |
| ТПП13 | R | Сплав платина-родий (87%Pt + 13%Rh) | платина (Pt) | 10-14 (600-1600) | от 0 до +1300 | 1600 |
| ТПП10 | S | Сплав платина-родий (87% Pt — 13% Rh) | платина (Pt) | 10-14 (600-1600) | от 0 до +1300 | 1600 |
| ТПР | В | Сплав платина-родий (70% Pt - 30% Rh} | Сплав платина-родий (94% Pt-6%Rh) | 10-14(1000-1800) | от 600 до+1700 | 1800 |
| ТВР | А-1 А-2 А-3 | Сплав вольфрам-рений (95% W - 5% Re) | Сплав вольфрам-рений (80% W-20% Re) | 14-7 (1300-2500) | от 0 до +2200 от 0 до +1800 от 0 до +1800 | 2500 |
| ТСС | I | Сплав сильд | Сплав силин | - | от 0 до + 800 | 900 |
Примечание: НСХ — номинальные статические характеристики преобразования по международной классификации ТСС
Термопары относятся к классу термоэлектрических преобразователей, принцип действия которых основан на явлении Зеебека: если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру (Т не равно Т2), то в цепи протекает электрический ток (рис. 1). Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока.
Рис. 1 Явление Зеебека
Под термоэлектрическим эффектом понимается генерирование термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), возникающей из-за разности температур между двумя соединениями различных металлов и сплавов.
Таким образом, термопара может образовывать устройство (или его часть), использующее термоэлектрический эффект для измерения температуры. В сочетании с электроизмерительным прибором термопара образует термоэлектрический термометр. Измерительный прибор или электронную измерительную систему подключают либо к концам термоэлектродов (рис. 2,а), либо в разрыв одного из них (рис. 2,б).
Рис. 2 (а,б) Подключение термопары к измерительному прибору
В местах подключения проводников термопары к измерительной системе возникают дополнительные термоЭДС. В результате их действия на вход измерительной системы фактически поступает сумма сигналов от рабочей термопары и от «термопар», возникших в местах подключения (рис. 3).
Рис. 3 Принцип работы термопары
Существуют различные способы избежать этого эффекта. Самым очевидным из них является поддержание температуры холодного спая постоянной.
На практике при измерении температур широко используется техника «компенсации холодного спая»: температура холодного спая измеряется другим датчиком температуры, а затем величина термоЭДС холодного спая программно или аппаратно вычитается из сигнала термопары (рис. 4). Места подключения термопары к измерительной системе должны иметь одинаковую температуру, то есть находиться в изотермальной зоне. Кроме того, в схеме с компенсацией холодного спая в этой же зоне должен находиться и датчик температуры холодного спая. Разработчик должен учитывать эти требования при конструировании измерительной системы.
Рис. 4 Техника компенсации холодного спая
Основные характеристики выпускаемых промышленностью термопар приведены в табл. 1 (ГОСТ 6616-94 «Преобразователи термоэлектрические»).
На рис. 5 представлены зависимости ЭДС от температуры наиболее распространенных типов термопар, у которых температура холодного спая поддерживается равной 0°С. Из него видно, что термопары типа Е наиболее чувствительны и развивают наибольшее выходное напряжение при одном и том же изменении температуры, чем другие. С другой стороны, термопары типа S являются наименее чувствительными. К сожалению, у большинства термопар эти зависимости в некоторых диапазонах температур носит нелинейный характер.
Рис. 5 Зависимости ЭДС от температуры наиболее распространенных типов термопар
При выборе термопары для производства замеров температуры в некотором диапазоне следует выбирать ту термопару, коэффициент линейности которой изменяется менее других в рамках этого диапазона. Для достижения высокой точности измерений термопарного термометра во всем диапазоне рабочих температур необходима его калибровка. В ГОСТ 50431-92 «Термопары» приведены вид и порядок полинома, а также коэффициенты полиноминальной аппроксимации зависимости выходного напряжения термопар от температуры, которые определяются по градуировоч-ным таблицам для каждого типа термопар.
В табл. 2 приведены особенности и области применения некоторых типов термопар.
Таблица 2
| Тип термопары | Особенности применения |
| ТХА | Обладают: — наиболее близкой к прямой характеристикой. Предназначены для работы в окислительных и инертных средах |
| ТХК | Обладают: — наибольшей чувствительностью; — высокой термоэлектрической стабильностью при температурах до 600°С. Предназначены для работы в окислительных и инертных средах. Недостаток: высокая чувствительность к деформациям |
| ТПП | Обладают: — хорошей устойчивостью к газовой коррозии, особенно на воздухе при высоких температурах; — высокой надежностью при работе в вакууме (но менее стабильны в нейтральных средах). Предназначены для длительной эксплуатации в окислительных средах. Недостаток: высокая чувствительность термоэлектродов к любым загрязнениям, появившимся при изготовлении, монтаже или эксплуатации термопар |
| ТВР | Обладают: — возможностью длительного применения при температурах до 22О0°С в неокислительных средах; — устойчивостью в аргоне, гелии, сухом водороде и азоте. Термопары с термоэлектродами из сплава платины с 10% родия относительно электрода из чистой платины могут использоваться как стандартные для установления номинальных статических характеристик термопар методом сравнения. Недостаток - плохая воспроизводимость термоЭДС, вынуждающая группировать термоэлектродные пары по группам с номинальными статическими характеристиками А-1, А-2, А-3 |
| ТНН | Обладают: — высокой стабильностью термоЭДС (по сравнению с термопарами ТХА, ТПП, ТПР); — высокой радиационной стойкостью; — высокой стойкостью к окислению электродов. Предназначены в качестве универсального средства измерения температур в диапазоне температур 0-1230°С |
В зависимости от конструкции и назначения различают термопары погружаемые и поверхностные; с обыкновенной, взрывобезопасной, влагонепроницаемой или иной оболочкой (герметичной или негерметичной), а также без оболочки; обыкновенные, вибротряскоустойчивые и ударопрочные; стационарные и переносные и т.д. Внешний вид некоторых конструкций термопар представлен на рис. 6.
Основное применение термопары — электронные термометры.
Отечественная промышленность выпускает электронные термометры для измерения температуры контактным способом. Так, например, одно из отечественных предприятий наладило производство серии измерителей температуры, каждый из которых состоит из электронного блока и набора сменных датчиков температуры, представляющих собой стандартные хромель-алюмелевые термопары (тип К) в различных конструктивных исполнениях. Серия состоит из трех приборов: ETI-2OO1, ETI-2OO2 и ETI-2OO3 (табл. 3). Прибор ETI-2001 имеет 2 диапазона температур, переключение между которыми выполняется кнопками на лицевой панели. Узкий диапазон температур характеризуется более высоким разрешением и точностью. Приборы ETI-2OO2 и ETI-2OO3 имеют только по одному диапазону. Приборы имеют кнопку HOLD, с помощью которой можно зафиксировать измеренное значение температуры на индикаторе.
Рис. 6 Внешний вид некоторых конструкций термопар
Таблица 3
| Тип прибора | ETI-2001 | ETI-2002 | ETI-2003 |
| Число диапазонов | 2 | 1 | 1 |
| Диапазон измерений,°С | -49,9...199,9(1) -50...1000(2) | -49,9...199,9 | -50...1000 |
| Разрешение | 0,1°C(1) | 0,1°С | 1°С |
| Точность | ±0,5°С+1%(1)) ±1°С ±0,5%(2) | ±0,5°С ±1% | ±1°С ±0,5% |
| Питание | батарейка 9 В («Крона») | ||
| Срок работы батареи | 150 часов | 175 часов | 175 часов |
| Тип сенсора | ТХА термопара (К тип) | ||
| Тип индикатора | ЖК, высота знака 13 мм | ||
| Размеры | 141x73x35 мм | ||
| Вес | 220 г | 210 г | 210 г |
На рис. 7 показан внешний вид контактного термометра ЕТ1-2001, в комплект поставки которого входят термопары: поверхностная (для измерения температуры поверхности твердых тел - tmax = 1000°C, погружная (для измерения температуры в объеме сыпучих и жидких веществ — tmax = 25О°С и бескорпусная (для измерения температуры воздуха и других газов — tmax = 250°С.
Рис. 7 Внешний вид контактного термометра ЕТ1-2001
На рис. 8 показан внешний вид миниатюрного термометра (Thermapen™) широкого применения. Высоконадежный и удобный в обращении. Оснащен встроенным складывающимся зондом. Диапазоны измерения температуры: ~49,9...199,9°С. Существуют не только специализированные приборы с термодатчиками для измерения температуры, но и универсальные мультиметры с функцией измерения температуры.
Рис. 8 Внешний вид миниатюрного термометра (Thermapen™)