Что такое термопара и как она работает

20.08.2024 Olga 0 Comments

под термопарой обычно понимают два разных проводника (горячих электрода), контактирующих друг с другом как минимум в двух точках с температурами t1 и t2, где t1 не равно t2. Под идеальной термопарой мы подразумеваем такую, в которой длины составляющих ее горячих электродов идеально одинаковы.

Термопары существуют благодаря явлению, называемому контактной разностью потенциалов. Если два разных твердых проводника или полупроводника вступают в тесный контакт друг с другом, вблизи точки их соприкосновения образуются отдельные заряды. В этом случае на внешних концах этих проводников возникнет разность потенциалов. Эта разность потенциалов равна разнице работ выхода каждого металла, деленной на заряд электрона

Очевидно, что если такую пару замкнуть в кольцо, то результирующая ЭДС будет равна нулю, а если одна сторона останется разомкнутой, то будет иметь место реальная ЭДС от одной десятой доли вольта до единицы вольта, в зависимости от случай материала.

Термопара — это датчик температуры, который состоит из двух разных металлических проводников (или полупроводников), соединенных друг с другом. Действие термопары основано на возникновении термоэдс в цепи, состоящей из двух разных металлов, спаи которых нагреты до разных температур. Термоэлектродвижущая сила каждой пары металлов зависит только от температуры в месте соединения.

контактную разность потенциалов, конечно, измерить вольтметром невозможно, но она отразится на вольт-амперных характеристиках, например в транзисторах и диодах на pn-переходе.

Ключ в том, что, например, когда два металла вступают в контакт, система теряет равновесие, поскольку химические потенциалы двух металлов не равны друг другу, и, следовательно, электроны диффундируют, вызывая уменьшение их энергии, что приводит к падению энергия. Это, в свою очередь, вызывает изменение заряда и потенциала контактирующего металла. Итак, в ближней области контакта электрическое поле начинает увеличиваться и в результате мы имеем то, что имеем.

Если теперь снова рассмотреть эти два проводника из разных металлов, замкнутых только в петлю, когда суммарная ЭДС по замкнутой цепи станет равной нулю, то здесь мы получим две точки контакта. Мы называем эти места пересечениями.

Следовательно, имеются две точки соединения двух разных проводников. Что произойдет, если попытаться нагреть один из спаев, а другой оставить при комнатной температуре? Очевидно, что переходы будут испытывать разные отклонения электродвижущей силы при разных температурах из-за разных соединенных металлов и разности контактных потенциалов, присутствующих на каждом переходе.

Эксперименты показали, что разность потенциалов между контактами будет пропорциональна разнице их температур, поэтому можно ввести коэффициент пропорциональности, называемый термоэлектродвижущей силой. Для разных термопар термоэлектродвижущая сила будет разной.

Описанное явление относится к термоэлектрическому явлению, а эффект, на котором действуют все термопары, сам по себе называется эффектом Зеебека, в честь его первооткрывателя Томаса Зеебека.

при неравных температурах t1 и t2 электродвижущая сила термопары, состоящей из горячих электродов А и В, определяется разностью функций, характеризуемых температурами t1 и t2, и не зависит от длины и диаметра горячих электродов и их удельного сопротивления.

Если измерять напряжение на участке такого контура, то в определенном диапазоне температур оно почти строго пропорционально разности температур между спаями. Даже если вы оставите всего один переход (как показано), просто нагреете его и измерите напряжение между двумя концами при одинаковой комнатной температуре, вы все равно сможете обнаружить очень четкую зависимость ЭДС от текущей температуры перехода. Вот как работают термопары.

Поэтому термопары можно использовать как средство измерения температуры. Это простой преобразователь, преобразующий температуру в электрическую энергию (разность потенциалов.

Читайте также статью: Как вывести пень при помощи селитры

Точка контакта горячего электрода (спая термопары), помещенного в измеряемую температуру, называется рабочим концом термопары. Другой спай, где температура остается постоянной, называется свободным концом термопары.

Для измерения термоэдс, создаваемой термопарой, в ее схеме имеется измерительное устройство, позволяющее производить измерения между свободными концами термопары или в зазоре между компонентами одного из термоэлектродов.

Измерительное устройство, включенное в цепь термопары, можно считать третьим проводником. Если на выводах устройства, к которому подключена термопара, обеспечены равные температуры, то измерительный прибор не будет вносить искажений в измеряемую величину термоэдс термопары.

поэтому для измерения термоэдс необходимо подключить к цепи термопары через соединительные и компенсационные провода чувствительный электроизмерительный прибор с калибровкой в мВ, мкВ или градусах.

Компенсационный провод, входящий в комплект термоэлектрического пирометра, служит для перевода свободного конца термопары в область известной или постоянной температуры.

К каждому свободному концу термопары подключаются соответствующие компенсационные провода (положительный к положительному горячему электроду и отрицательный к отрицательному горячему электроду).

Эти два компенсационных провода выбраны таким образом, чтобы при температуре рабочего конца термопары, из которой они состоят, 100°C, а свободного конца — 0°C, создаваемая термоэлектродвижущая сила была близка к термоэлектродвижущей силе термопары который вводит эти компенсационные провода в свою цепь.

Кроме того, электрический контакт между горячими электродами (термоспаями) термопары может быть достигнут не только сваркой концов горячих электродов, но и пайкой. В последнем случае появление третьего слоя металла (припоя) между горячими электродами не вызывает ошибок измерения, поскольку температура припоя на границе с горячими электродами практически одинакова.

По этой же причине допускается применять термопару с небольшим отрезком легкоплавкой проволоки, приваренной между горячими электродами на ее рабочем конце. В термопарах этого типа при достижении экстремального значения температуры (температуры плавления металла с низкой температурой плавления) цепь размыкается, что используется в качестве импульса для сигнала тревоги.

Термопары с такими плавкими вставками следует устанавливать в местах, где температурное поле достаточно однородно. В противном случае разница температур по «вставке» может привести к ошибкам в измерениях температуры.

Реальные термопары, используемые в практике измерения температуры, соответствуют всем теоретическим принципам, изложенным в этой статье, так что паразитной термоэлектродвижущей силой, возникающей в любой цепи термопары из-за неоднородности каждого термоэлектрода, можно пренебречь.

Видео: Почему тухнет котел из за термопары? Как я раньше до этого не додумался!!!

Сегодня можно встретить промышленные термопары, в которых электроды изготовлены из специально подобранных сплавов в соответствии с необходимым диапазоном температур измерения.

Например, термопары из сплавов нихрома и алюминия имеют коэффициент термоэдс 40 микровольт/°С и предназначены для измерения температур в диапазоне от 0 до +1100°С. Пара медь-константан очень популярна как демонстрационное средство, позволяющее измерять температуры от -185 до +300°С.

Его термоэлектродвижущая сила сильно зависит от конкретной разности температур, поэтому для оценки ее параметров удобно пользоваться таблицами, например, при температуре холодного спая 0°С и разнице температур 100 градусов разность потенциалов для меди -константановая пара примерно равна 4,25 мВ.

Дополнительно предоставлю справочные данные по термопарам.

Наиболее широко используемые термопары:

(10% родий)-платина, предел измерения при длительном использовании может достигать 1300°C, а предел измерения при кратковременном использовании может достигать 1600°C;
Платинородий (30% родия) — Платинородий (6% родия), предел измерения при длительном применении 300 — 1600°С, кратковременном применении — до 1800°С;
Вольфрам-ренией – Вольфрам-рениев имеет предел измерения 2300 – 2500 в вакууме и нейтральных средах;
Графит — карбид титана — до 2500°С в вакууме, нейтральных и восстановительных средах;
Графит – борид циркония – в вакууме и нейтральной среде может достигать 2000°С, в расплавленном металле – 1700°С;
Хромникель – Алюминийникель – до 1300°С;
Инконель – Копер – до 800°С;
медь – копель – от -260° до 500°С;
Железо – Константан – от -200° до 800°С;
Медь – Константан – от 260° до 500°С.

Для измерения температуры расплавленного металла до 1800°С применяют молибден-вольфрамовые, вольфрам-графитовые и графит-графитовые.

В зависимости от конструкции и применения термопары имеют следующие характеристики:

Погружной и надводный монтаж;
По сравнению с обычным типом и взрывозащищенным типом,
С влагозащищенной головкой или без нее (выходной конец имеет специальное уплотнение);
Не подвержен влиянию и защищен от тестируемой среды;
утечки и уплотнения;
Нормальный, устойчивый к вибрации и ударам (до 3,5 мин.),
Выпускаются со средней инерцией (до 1 минуты) и малой инерцией (до 40 секунд), а также с ненормированной инерцией;
Однозонные и многозонные (в зависимости от количества зон измерения температуры) ;
Одинарные, двойные (по числу рабочих концов, измеренных на площади);
Стационарный и портативный.