Україна, м. Тернопіль, вул. Подільська, 46
Статті

ТЕРМОПАРА ТА ПРИНЦИПИ ЇЇ ЗАСТОСУВАННЯ

23.03.2014

 

Термопара (термоелектричний перетворювач температури) — термоелемент, застосовуваний у вимірювальних і перетворювальних пристроях, а також в системах автоматизації.

 

Міжнародний стандарт на термопари МЕК 60584 (п.2.2) дає наступне визначення термопари:

Термопара — пара провідників з різних матеріалів, з'єднаних на одному кінці і формують частину пристрою, що використовує термоелектричний ефект для вимірювання температури.

 

Для вимірювання різниці температур зон, в одній з яких не знаходиться вторинний перетворювач (вимірювач термо-ЕРС), зручно використовувати диференціальну термопару: дві однакових термопари, сполучених назустріч один одному (див. малюнок). Кожна з них вимірює перепад температур між своїм робочим спаем і умовним спаем, утвореним кінцями термопар, підключеними до клем вторинного перетворювача, але вторинний перетворювач вимірює різницю їх сигналів, таким чином, дві термопари разом вимірюють перепад температур між своїми робітниками спаями.

 

 

ПРИНЦИПИ ДІЇ

Принцип дії заснований на ефекті Зеєбека або, інакше, термоелектричному ефекті. Коли кінці провідника знаходяться при різних температурах, між ними виникає різниця потенціалів, пропорційна різниці температур. Коефіцієнт пропорційності називають коефіцієнтом термо-ЕРС. У різних металів коефіцієнт термо-ЕРС різний і, відповідно, різниця потенціалів, що виникає між кінцями різних провідників, буде різна. Поміщаючи спай з металів з відмінними коефіцієнтами термоерс в середовище з температурою Т1, ми отримаємо напругу між протилежними контактами, які перебувають при іншій температурі Т2, яке буде пропорційно різниці температур Т1 і Т2.

 

Принципова схема включення двох термопар

 

СПОСОБИ ПІДКЛЮЧЕННЯ

Найбільш поширені два способи підключення термопари до вимірювальних перетворювачів: простий і диференціальний. У першому випадку вимірювальний перетворювач підключається безпосередньо до двох термоэлектродам. У другому випадку використовуються два провідника з різними коефіцієнтами термо-ЕРС, спаяні в двох кінцях, а вимірювальний перетворювач включається в розрив одного з провідників.

 

 

Для дистанційного підключення термопар використовуються подовжувальні або компенсаційні проводи. Подовжувальні дроти виготовляються з того ж матеріалу, що і термоэлектроды, але можуть мати інший діаметр. Компенсаційні проводи використовуються в основному з термопарами з благородних металів і мають склад, відмінний від складу термоэлектродов. Вимоги до проводів для підключення термопар встановлені у стандарті МЕК 60584-3.

 

Подані нижче основні рекомендації дозволяють підвищити точність вимірювальної системи, що включає термопарный датчик :

  • Мініатюрну термопару з дуже тонкого дроту слід підключати тільки із застосуванням подовжувальних проводів більшого діаметра;
  • Не допускати по можливості механічних натягів і вібрацій термопарной дроту;
  • При використанні довгих подовжувальних проводів, для уникнення наводок, слід з'єднати екран дроти з екраном вольтметра і ретельно перекручувати проводу;
  • По можливості уникати різких температурних градієнтів по довжині термопари;
  • Матеріал захисного чохла не повинен забруднювати електроди термопари у всьому робочому діапазоні температур і повинен забезпечити надійний захист термопарной дроту при роботі в шкідливих умовах;
  • Використовувати подовжувальні дроти в їх робочому діапазоні і при мінімальних градієнтах температур;
  • Для додаткового контролю і діагностики вимірювань температури застосовують спеціальні термопари з чотирма термоэлектродами, які дозволяють проводити додаткові вимірювання опору ланцюга для контролю цілісності і надійності термопар.

 

ЗАСТОСУВАННЯ ТЕРМОПАР

 

Для вимірювання температури різних типів об'єктів і середовищ, а так само в автоматизованих системах управління і контролю. Термопари із вольфрам-ренієвого сплаву є найбільш високотемпературними контактними датчиками температури. Такі термопари незамінні в металургії для контролю температури розплавлених металів.

 

ПЕРЕВАГИ ТЕРМОПАР

  • Великий температурний діапазон вимірювання: від 200 °C до 1800—2500 °C
  • Простота
  • Дешевизна
  • Надійність

НЕДОЛІКИ

  • Точність понад 1°C досягти буде важко, необхідно використовувати термометри опору або термістором.
  • На показники впливає температура вільних кінців, на яку необхідно вносити поправку. У сучасних конструкціях вимірників на основі термопар використовується вимірювання температури блоку холодних спаїв за допомогою вбудованого термістора або напівпровідникового сенсора і автоматичне введення поправки до виміряної ТЕДС.
  • Ефект Пельтьє - в момент зняття показників, необхідно виключити проходження струму через термопару, так як струм, що проходить через неї, охолоджує гарячий спай і розігріває холодний
  • Залежність ТЕДС від температури істотно не лінійна. Це створює труднощі при розробці вторинних перетворювачів сигналу.
  • Виникнення термоелектричної неоднорідності в результаті різких перепадів температур, механічних напруг, корозії і хімічних процесів в провідниках призводить до зміни градуювальної характеристики і похибок до 5 К.
  • На великій довжині термопарних і подовжувальних проводів для існуючих електромагнітних полів може виникати ефект «антени».

 

ТИПИ ТЕРМОПАР

Технічні вимоги до термопар визначаються ще ГОСТ 6616-94.Стандартні таблиці для термоелектричних термометрів (НСХ), класи допуску та діапазони вимірювань наведені в стандарті МЕК 60584-1,2 і в ГОСТ Р 8.585-2001.

  1. платинородій-платинові - ТПП13 - Тип R
  2. платинородій-платинові - ТПП10 - Тип S
  3. платинородій-платинородієві - ТПР - Тип B
  4. залізо-константанові (залізо-медьнікелевие) ТЖК - Тип J
  5. мідь-константанові (мідь-медьнікелевие) ТМКн - Тип Т ніхросил-нісилові (нікельхромнікель-нікелькремніевие) ТНН - Тип N.
  6. хромель-алюмелеві - ТХА - Тип K
  7. хромель-константанові ТХКн - Тип E
  8. хромель-копелеві - ТХК - Тип L
  9. мідь-копелеві - ТМК - Тип М
  10. сільх-сіліновие - ТСС - Тип I
  11. вольфрам і реній - вольфрамренієвих - ТВР - Тип А-1, А-2, А-3

Точний склад сплаву термоелектродів для термопар з неблагородних металів в МЕК 60584-1 не наводиться. НСХ для хромель-копелевих термопар ТХК і вольфрам-ренієвих термопар визначені тільки в ГОСТ Р 8.585-2001.

 

У стандарті МЕК дані термопари відсутні. Тип L встановлений тільки в німецькому стандарті DIN, а  стандартні таблиці відрізняються від таблиць для термопар ТХК. В даний час стандарт МЕК 60584 підлягає перегляду. Планується введення в стандарт вольфрам-ренієві термопари типу А-1, НСХ яких будуть відповідати вітчизняним стандартам і типу С за стандартом ASTM International - (American Society for Testing and Materials).