Термопара: принцип дії, пристрій

Існує безліч різноманітних пристроїв і механізмів, що дозволяють вимірювати температуру. Деякі з них застосовуються в повсякденному житті, якісь - для різних фізичних досліджень, у виробничих процесах і інших галузях.

Одним з таких пристроїв є термопара. Принцип дії і схему даного пристрою ми розглянемо у наступних розділах.

Фізична основа роботи термопари

Принцип роботи термопари заснований на звичайних фізичних процесах. Вперше ефект, на основі якого працює даний пристрій, був досліджений німецьким вченим Томасом Зєєбеком.

Суть явища, на якому тримається принцип дії термопари, в наступному. У замкнутому електричному контурі, що складається з двох провідників різного виду, при впливі певної температури навколишнього середовища виникає електрику.

Одержуваний електричний потік і температура навколишнього середовища, що впливає на провідники, знаходяться в лінійній залежності. Тобто чим вища температура, тим більший електричний струм виробляється термопарою. На цьому і заснований принцип дії термопари і термометра опору.

При цьому один контакт термопари знаходиться в точці, де необхідно вимірювати температуру, він іменується «гарячим». Другий контакт, іншими словами - «холодний», - в протилежному напрямку. Застосування для вимірювання термопар допускається лише в тому випадку, коли температура повітря в приміщенні менше, ніж у місці вимірювання.

Така коротка схема роботи термопари, принцип дії. Види термопар ми розглянемо в наступному розділі.

Види термопар

В кожній галузі промисловості, де необхідні вимірювання температури, в основному застосовується термопара. Будову та принцип роботи різних видів даного агрегату наведені нижче.

Хромель-алюмінієві термопари

Дані схеми термопар застосовуються в більшості випадків для виробництва різних датчиків і щупів, що дозволяють контролювати температуру в промисловому виробництві.

Їх відмінними рисами можна назвати досить низьку ціну і величезний діапазон вимірюваної температури. Вони дозволяють зафіксувати температуру від -200 до +13000 градусів Цельсія.

Недоцільно застосовувати термопари з подібними сплавами в цехах і на об`єктах з високим вмістом сірки в повітрі, так як цей хімічний елемент негативно впливає як на хром, так і на алюміній, викликаючи порушення у функціонуванні пристрою.

Хромель-копелеві термопари

Принцип дії термопари, контактна група якої складається з цих сплавів, такий же. Але ці пристрої працюють в основному в рідині або газоподібному середовищі, що володіє нейтральними, неагресивними властивостями. Верхній температурний показник не перевищує +8000 градусів Цельсія.

Застосовується подібна термопара, принцип дії якої дозволяє використовувати її для встановлення ступеня нагріву будь-яких поверхонь, наприклад, для визначення температури мартенівських печей яких інших подібних конструкцій.

Залізо-константанові термопари

Дане поєднання контактів в термопарі не таке поширене, як перша з розглянутих різновидів. Принцип роботи термопари такий же, проте подібна комбінація добре показала себе в розрідженій атмосфері. Максимальний рівень заміряє температури не повинен перевищувати +12500 градусів Цельсія.

Однак, якщо температура починає підніматися вище +7000 градусів, існує небезпека порушення точності вимірювань у зв`язку зі зміною фізико-хімічних властивостей заліза. Мають місце навіть випадки корозії залізного контакту термопари при наявності в навколишньому повітрі водних парів.

Платинородій-платинові термопари

Найбільш дорога у виготовленні термопара. Принцип дії такий же, однак відрізняється вона від своїх побратимів дуже стабільними і достовірними свідченнями температури. Має знижену чутливість.

Основна область застосування даних пристроїв - вимірювання високих температур.

Вольфрам-ренієві термопари

Також застосовуються для вимірювання надвисоких температур. Максимальна межа, який можна зафіксувати за допомогою даної схеми, досягає 25 тисяч градусів за шкалою Цельсія.

Їх застосування вимагає дотримання деяких умов. Так, в процесі вимірювання температури потрібно повністю усунути навколишнє атмосферу, яка робить негативний вплив на контакти в результаті процесу окислення.

Для цього вольфрам-ренієві термопари звичайно поміщають в захисні кожухи, заповнені інертним газом, що захищає їх елементи.

Вище була розглянута кожна існуюча термопара, пристрій, принцип роботи її залежно від застосовуваних сплавів. Тепер розглянемо деякі конструктивні особливості.

Конструкції термопар

Існує два основні різновиди конструкцій термопар.

• Із застосуванням ізоляційного шару. Дана конструкція термопари передбачає ізолювання робочого шару пристрої від електричного струму. Подібна схема дозволяє використовувати термопару в технологічному процесі без ізоляції входу від землі.

• Без застосування ізоляційного шару. Такі термопари можуть підключатися лише до вимірювальних схемами, входи яких не мають контакту з землею. Якщо ця умова не дотримується, в пристрої виникне дві незалежних замкнутих схеми, в результаті чого свідчення, отримані за допомогою термопари, не будуть відповідати дійсності.

Біжучий термопара та її застосування

Існує окрема різновид даного пристрою, іменована «біжучим». Принцип дії біжучої термопари ми зараз розглянемо більш докладно.

Ця конструкція застосовується в основному для визначення температури сталевої заготовки при її обробці на токарних, фрезерних та інших подібних верстатах.

Слід зазначити, що в даному випадку можливе використання і звичайною термопари, однак, якщо процес виготовлення вимагає високої точності температурного режиму, що біжить термопару важко переоцінити.

При застосуванні даного методу в заготовку заздалегідь запаюють її контактні елементи. Потім, в процесі обробки болванки, дані контакти постійно піддаються впливу різця чи іншого робочого інструмента верстата, в результаті чого спай (який є головним елементом при знятті температурних показників) як би «біжить» по контактам.

Цей ефект повсюдно застосовується в металообробній промисловості.

Технологічні особливості конструкцій термопар

При виготовленні робочої схеми термопари проводиться спайка двох металевих контактів, які, як відомо, виготовлені з різних матеріалів. Місце з`єднання носить назву «спай».

Слід зазначити, що робити дане з`єднання за допомогою спайки необов`язково. Досить просто скрутити разом два контакти. Але такий спосіб виробництва не володітиме достатнім рівнем надійності, а також може давати похибки при знятті температурних показників.

Якщо необхідно вимір високих температур, спайка металів замінюється на їх зварювання. Це пов`язано з тим, що в більшості випадків припій, застосовуваний при з`єднанні, має низьку температуру плавлення і руйнується при перевищенні її рівня.

Схеми, при виготовленні яких була застосована зварювання, витримують більш широкий діапазон температури. Але і цей спосіб з`єднання має свої недоліки. Внутрішня структура металу при дії високої температури в процесі зварювання може змінитися, що вплине на якість отримуваних даних.

Крім того, слід контролювати стан контактів термопари в процесі її експлуатації. Так, можлива зміна характеристик металів у схемі внаслідок впливу агресивного навколишнього середовища. Може статися окислення або взаємна дифузія матеріалів. У подібній ситуації слід замінити робочу схему термопари.

Різновиди спаїв термопар

Сучасна індустрія виробляє кілька конструкцій, які застосовуються при виготовленні термопар:

• з відкритим спаем-

• з ізольованим спаем-

• із заземленим спаєм.

Особливістю термопар з відкритим спаєм є погана опірність зовнішньому впливу.

Наступні два типи конструкції можуть застосовуватися при вимірюванні температур в агресивних середовищах, що надають руйнівний вплив на контактну пару.

Крім того, в даний час промисловість освоює схеми виробництва термопар по напівпровідникових технологій.

Похибка вимірювань

Правильність температурних показників, одержуваних за допомогою термопари, залежить від матеріалу контактної групи, а також зовнішніх факторів. До останніх можна віднести тиск, радіаційний фон або інші причини, здатні вплинути на фізико-хімічні показники металів, з яких виготовлені контакти.

Похибка вимірювань складається з наступних складових частин:

• випадкова похибка, викликана особливостями виготовлення термопари-

• похибка, викликана порушенням температурного режиму «холодного» контакта-

• похибка, причиною якої послужили зовнішні помехі-

• похибка контрольної апаратури.

Переваги використання термопар

До переваг використання подібних пристроїв для контролю температури, незалежно від галузі застосування, можна віднести:

• великий проміжок показників, які здатні бути зафіксовані за допомогою термопари-

• спайку термопари, яка безпосередньо бере участь у знятті показань, можна розташувати в безпосередньому контакті з точкою ізмеренія-

• нескладний процес виготовлення термопар, їх міцність і довговічність експлуатації.

Недоліки вимірювання температури за допомогою термопари

До недоліків застосування термопари слід віднести:

• Необхідність в постійному контролі температури «холодного» контакту термопари. Це відмінна особливість конструкції вимірювальних приладів, в основі яких лежить термопара. Принцип дії даної схеми звужує сферу її застосування. Вони можуть бути використані тільки в тому випадку, якщо температура навколишнього повітря нижче температури в точці вимірювання.

• Порушення внутрішньої структури металів, що застосовуються при виготовленні термопари. Справа в тому, що в результаті впливу зовнішнього навколишнього середовища контакти втрачають свою однорідність, що викликає похибки в одержуваних температурних показниках.

• У процесі вимірювання контактна група термопари зазвичай схильна до негативного впливу навколишнього середовища, що викликає порушення в процесі роботи. Це знову ж вимагає герметизації контактів, що викликає додаткові витрати на обслуговування подібних датчиків.

• Існує небезпека впливу електромагнітних хвиль на термопару, конструкція якої передбачає довгу контактну групу. Це також може позначитися на результатах вимірювань.

• У деяких випадках зустрічається порушення лінійної залежності між електричним струмом, що виникають в термопарі, і температурою в місці вимірювання. Подібна ситуація вимагає калібрування контрольної апаратури.

Висновок

Незважаючи на наявні недоліки, метод вимірювання температури за допомогою термопар, який був вперше винайдений і випробуваний ще в 19 столітті, знайшов своє широке застосування у всіх галузях сучасної промисловості.

Крім того, існують такі області застосування, де використання термопар є єдиним способом отримання температурних даних. А ознайомившись з даним матеріалом, ви досить повно розібралися в основних принципах їх роботи.