Термопара – что это такое, устройство, принцип действия, виды, применение, плюсы и минусы

Термопара – это специальный преобразователь на основе термоэлектрического эффекта. На основе такого термодатчика функционируют холодильники, газовые отопительные котлы, утюги и прочие бытовые приборы, действие которых связано с контролем уровня нагрева рабочих элементов. Разберем, что собой он представляет, как устроен и работает, на какие виды подразделяется и где применяется, каковы его плюсы и минусы, а также что учесть при его выборе.

Термопара – что это такое, устройство, принцип действия

Термодатчик, в основе которого лежит возникновение электрического тока при нагреве 2-х различных соединенных металлических проводников, называется термопарой. По сути, устройство представляет собой замкнутый электропроводящий контур, включающий следующие рабочие части:

• Пара проводников из различных металлов или сплавов.
• Место стыка, выполненное путем пайки или сварки.
• 2 свободных контакта – противоположные стыку края проводников.
• Изоляционная оболочка, материал которой определяется условиями эксплуатации.
• Приемник сигнала – измерительный прибор или автоматический блок управления.

Принцип работы термопары основан на явлении Зеебека и сводится к следующему алгоритму:

1. Пара электродов из разных материалов соединяется путем скрутки, пайки или сварки.
2. Место контакта помещается в нагреваемую среду.
3. Противоположные края замыкаются, подсоединением к вольтметру.
4. Ввиду разности температур в месте подогрева и измерения возникает электродвижущая сила.
5. Измерительный прибор показывает тем больший вольтаж, чем больше разница температур.

Главное назначение термоэлектрического преобразователя – измерение температуры. Однако применяется он также для автоматизации различных процессов.

Например, термопары эффективно применяются для контроля процесса горения в газовом отопительном агрегате. Пока пламя есть, топливо поступает – как только оно погаснет, датчик охлаждается, ток перестает поступать, и запорный механизм закрывает подачу газа на горелку.

Справка! Отличительная особенность термопар от термодатчиков другого типа, например терморезисторов, это более широкий спектр измеряемых температур.

Классификация

Термоэлектрические преобразователи классифицируются по следующему ряду признаков:

• Условиям и цели применения – наружные и погружаемые в среду.
• Материалу изоляционной оболочки – безоболочечные, со стальным покрытием (600℃), с термостойким чехлом (1000℃), фарфоровой защитой (1350℃), с тугоплавкой поверхностью (2000℃).
• Устройству фиксации по месту монтажа – с подвижным и зафиксированным штуцером, с передвижным фланцем.
• Защите выводов – со стандартной или влагозащищенной головкой, а также без нее, но с особой изоляцией контактных краев.

• Степени защиты от окружающей среды – максимально защищенные, не защищенные для нейтральных веществ.
• Уровню стойкости к давлению и герметичности – открытые, герметичные с возможностью применения при высоком давлении и нагреве.
• Стойкости к физическому воздействию – стандартные, стойкие к удару, виброустойчивые.
• Количеству областей контроля – однозонные и многозонные.
• Величине инерции передачи тепла – ненормированные, с показателем до 3,5 мин., средние до 1 мин. и малые до 40 сек.
• Длине рабочей зоны – от 12 см до 1,5 м для однозонных, до 20 метров для многозонных.

Помимо этого, термопары разделяются в зависимости от типа конфигурации и наличия заземления на колбу на такие модификации:

1. 1-спайные с изоляцией – обозначаются «И».
2. 1-спайные с заземлением – отображаются «Н».
3. 2-спайные, изолированные друг от друга и от колбы – «ИИ».
4. 2-спайные, соединенные между собой, но защищенные от корпуса – «2И».
5. 2-спайные с заземлением одного – «ИН».
6. 2-спайные, соединенные с корпусом и не изолированные – «НН».

Заземление ведет к улучшению быстродействия и точности замера, ввиду снижения инерционности преобразователя.

Разновидности по материалу

В зависимости от состава термопары различаются на следующие разновидности:

• ТХА, тип К.

Технические характеристики:

1. Плюсовой проводник изготовлен из сплава хромеля.
2. Минусовой проводник сделан из сплава алюмеля.
3. В качестве изоляции применяется кварц, фарфор, металлические оксиды.
4. Диапазон рабочих температур от -200℃ до 1300℃.
5. Применяется как в нейтральных, так и кислых средах.
6. Предел чувствительности – 41 мкВ/℃, благодаря чему определяет малейшие колебания температуры.
7. Плюсы – широкая распространенность и доступность по стоимости.

Негативные свойства проявляются в хрупкости и коррозии в присутствии серы и в слабокислой среде. Также возможно нарушение сигнала при нагреве в 350 градусов.

Обратите внимание! Когда требуется провести измерения сразу в нескольких местах, применяются многоточечные термопары. При этом количество точек замера у одной термопары может достигать 60.

• ТХК, тип L.

Термоэлектрический преобразователь на базе сплавов хромеля и копеля отличается такими особенностями:

1. Рабочие температуры – от -253 до 600 ℃, и при непродолжительной работе 800℃.
2. Условия эксплуатации – вакуум, окислительная и инертная среда.
3. Предел чувствительности – 80 мкВ/℃, что относит термодатчик к одному из самых точных.

Недостатки выражаются в возможности повреждения и реагированием компонентов электродов с фтором, серой и хромом.

• ТЖК, тип J.

Термопара на основе технически очищенного железа и сплава константана. Проявляет такой ряд свойств:

1. Применяется при температуре от -203 до 750℃, и при непродолжительном воздействии до 900℃.
2. Предназначен для работы в вакууме, восстановительных и нейтральных средах.
3. Предел чувствительности 65 мкВ/℃.

Минусы выражаются в невозможности постоянной эксплуатации только при отрицательных температурах из-за развивающейся коррозии на железном выводе. К тому же в присутствии окислителя и при высокой температуре сокращается срок службы из-за разрушения.

• ТВР, тип A-1 – A-3.

Термопреобразователь изготовлен на базе сплавов вольфрама и рения. Оснащен защитной оболочкой из очищенных металлических окислов. Характеризуется такими качествами, как:

1. Износостойкость.
2. Термостойкость.
3. Минимальная чувствительность к грязи.
4. Доступность производства.
5. Порог измерений – 4-10 мкВ/℃.
6. Предел рабочей температуры – 3000℃, минимум – 1300℃.
7. Среда эксплуатации – вакуум, инертные газы, водород.

Недостатки выражаются в нестабильности электродвижущей силы, непостоянстве чувствительности в измеряемом диапазоне температур.

• ВМ.

Термопара на базе технически очищенных молибдена и вольфрама. Обладает керамическим покрытием и защитными кварцевыми наконечниками. Характеризуется такими параметрами:

1. Рабочий спектр температур – 1400-1800℃, максимум – 2400℃.
2. Эксплуатационная среда – вакуум, водород, инертный газ.
3. Порог чувствительности – 6,5 мкВ/℃.

Минусы – снижение прочности при высоких температурах, малая величина электродвижущей силы, инверсия полярности.

• ТПП, тип S.

Термопреобразователь из сплава платина-родий и платины. Отличается такими особенностями:

1. Предельный нагрев в продолжительном режиме эксплуатации 1400℃, в краткосрочном – 1600℃.
2. Защитная оболочка из фарфора и керамики на базе оксида алюминия.
3. Рабочая среда – инертная, окислительная и восстановительная в защите.
4. Порог чувствительности – 10-14 мкВ/℃.

Недостатки выражаются в высокой стоимости, чувствительности платинового проводника к загрязнению и нестабильности в условия облучения.

Важно! Термопарами оснащаются бытовые газовые приборы. Менять их приходится по причине прогорания наконечника. В газовых плитах они могут прослужить до 30 лет, в котлах и колонках значительно меньше.

• ТПР, тип B.

Термопара на базе сплавов платина-родий. Характеризуется следующими свойствами:

1. Оптимальная рабочая температура 1600℃, предельная 1800℃.
2. Защитная оболочка из оксида алюминия высокой степени очистки.
3. Рабочая среда – вакуум, окислительная и восстановительная.
4. Предел чувствительности – 11 мкВ/℃.

Отличается лучшей стойкостью к агрессивным средам по сравнению с ТПП-вариантом.

Применение

Широкая распространенность применения термопар обусловлена простейшим их принципом действия, универсальностью и большим разнообразием. На бытовом уровне это, прежде всего, такие области:

• Газовое оборудование – котлы, плиты, бойлеры, колонки. Используется в качестве аварийного отключения подачи газа.
• Холодильники. Термодатчик включает/отключает реле для контроля заданного температурного режима.
• Измерительные инструменты – мультиметры, градусники, метеостанции.
• Компьютеры. В зависимости от уровня нагрева процесса и других важных компонентов термодатчик посылает сигнал на снижение или повышение производительности.
• Автотехника. Управление работой вентилятора.

Термоэлектрические преобразователи еще более широко применяются в различных областях науки и техники.

Плюсы и минусы

Термопары отличаются таким рядом плюсов:

1. Максимальная измерительная точность – погрешность не более 0,01℃.
2. Надежность.
3. Широкий спектр измерений.
4. Доступная стоимость.
5. Простое управление.
6. Применимость в агрессивных средах.
7. Универсальность.

Недостатки проявляются такие:

• Влияние спаев на результат измерений.
• Ухудшение характеристик в условиях эксплуатации при перепадах температур.
• Необходимость индивидуальной градуировки при достижении точных измерений.

Кроме того, при наличии наводящих токов, ввиду малой величины рабочей электродвижущей силы, проводникам требуется надежная внешняя защита.

Правила выбора

Чтобы правильно подобрать термопару, следует учитывать такие характеристики:

1. Спектр рабочих температур.
2. Степень химической стойкости, особенности среды.
3. Устойчивость к механическим нагрузкам.
4. Возможность совмещения с применяемым оборудованием.

Совет! При подключении термопар действуют специальные стандарты на цвета проводников. Безошибочную расшифровку маркировки может дать только у производитель.

Коротко о главном

Термопара представляет собой датчик на базе 2-х различных по составу проводников. При нагревании места их спая возникает электродвижущая сила. Использовать ее можно как для измерения температуры, так и автоматизации различных процессов.

Принцип работы термоэлектрического преобразователя основан на эффекте Зеебека. Классифицируется устройство по ряду признаков – условиям применения, материалу защиты, типу фиксации, защите выводов, степени защиты, стойкости к давлению и физических воздействиям, числу областей контроля, степени инерции тепла и длине рабочей области.

По составу электродов термопары разделяются на такие виды:

• ТХА.
• ТХК.
• ТЖК.
• ТВР.
• ВМ.
• ТПП.
• ТПР.

Применяются термодатчики в холодильниках, автотехнике, газовом оборудовании, измерителях, компьютерах и других различных областях. Главные плюсы проявляются в точности, надежности, универсальности, широком диапазоне измерений, минусы – нестабильности при термоперепадах, необходимости градуировки, влиянии спаев на результат.

Чтобы правильно подобрать термопару, следует учесть ряд характеристик – рабочие температуры, степень химической стойкости, стойкость к нагрузкам и совместимость с оборудованием.