Принцип роботи термопари: опис, пристрій, схема

Принцип дії і пристрій термопари гранично прості. Це зумовило популярність даного приладу і широке застосування у всіх галузях науки і техніки. Термопара призначається для вимірювання температур в широкому діапазоні – від -270 до 2500 градусів за Цельсієм. Пристрій ось вже не одне десятиліття є незамінним помічником інженерів і вчених. Працює надійно і безвідмовно, а показання температури завжди правдиві. Більш досконалого та точного приладу просто не існує. Всі сучасні пристрої функціонують за принципом термопари. Працюють у важких умовах.

Призначення термопари

Даний пристрій перетворює теплову енергію в електричний струм і дозволяє вимірювати температуру. На відміну від традиційних ртутних градусників, здатне працювати в умовах екстремально низьких, так і екстремально високих температур. Ця особливість зумовила широке застосування термопари в найрізноманітніших установках: промислові металургійні печі, газові котли, вакуумні камери для хіміко-термічної обробки, духова шафа побутової газової плити. Принцип роботи термопари завжди залишається незмінним і не залежить від того, в якому пристрої вона монтується. Від надійної і безперебійної роботи термопари залежить робота системи аварійного відключення приладів у разі перевищення допустимих лімітів температур. Тому даний пристрій повинен бути надійним і давати точні свідчення, щоб не піддавати ризику життя людей.

Принцип дії термопари

Термопара має три основних елемента. Це два провідники електрики з різних матеріалів, а також захисна трубка. Два кінця провідників (їх ще називають термоэлектродами) спаяні, а два інших підключаються до потенциометру (прилад для вимірювання температури). Якщо говорити простою мовою, принцип роботи термопари полягає в тому, що спай термоэлектродов поміщається в середовище, температуру якого треба виміряти. У відповідності з правилом Зеєбека, виникає різниця потенціалів на провідниках (інакше – термоелектрика). Чим більше температура середовища, тим більш значущою є різниця потенціалів. Відповідно, стрілка приладу відхиляється більше.

В сучасних комплексах вимірювання на зміну механічного пристрою прийшли цифрові індикатори температури. Однак далеко не завжди новий прилад перевершує за своїми характеристиками старі апарати ще радянських часів. У технічних вузах, так і в науково-дослідних установах, і донині користуються потенціометрами 20-30-річної давності. І вони демонструють разючу точність і стабільність вимірювань.

Ефект Зеєбека

На даному фізичному явищі ґрунтується принцип роботи термопари. Суть полягає в наступному: якщо з'єднати між собою два провідники з різних матеріалів (іноді використовуються напівпровідники), то по такому електричного контуру буде циркулювати струм. Таким чином, якщо нагрівати і охолоджувати спай провідників, то стрілка потенціометра буде коливатися. Засікти струм також може дозволити і гальванометр, підключений в ланцюг. У тому випадку, якщо провідники виконані з одного і того ж матеріалу, то електрорушійна сила не буде виникати, відповідно, не можна буде виміряти температуру.

Схема підключення термопари

Найбільш поширеними способами підключення вимірювальних приладів до термопарах є так званий простий спосіб, а також диференційований. Суть першого методу полягає в наступному: прилад (потенціометр або гальванометр) безпосередньо з'єднується з двома провідниками. При диференційованому методі спаюється не одні, а обидва кінці провідників, при цьому один з електродів «розривається» вимірювальним приладом. Не можна не згадати і про так званий дистанційному способі підключення термопари. Принцип роботи залишається незмінним. Різниця лише в те, що в ланцюг додаються подовжувальні дроти. Для цих цілей не підійде звичайний мідний шнур, так як компенсаційні проводи в обов'язковому порядку повинні виконуватися з тих же матеріалів, що і провідники термопари.

Матеріали провідників

Принцип дії термопари заснований на виникненні різниці потенціалів в провідниках. Тому до підбору матеріалів електродів необхідно підходити дуже відповідально. Розходження в хімічних і фізичних властивостях металів є основним фактором роботи термопари, пристрій і принцип дії якого засновано на виникненні ЕРС самоіндукції (різниці потенціалів) в ланцюзі. Технічно чисті метали для застосування в якості термопари не підходять (за винятком АРМКО-заліза). Зазвичай використовуються різні сплави кольорових і благородних металів. Такі матеріали мають стабільні фізико-хімічні характеристики, завдяки чому показання температури завжди будуть точними та об'єктивними. Стабільність і точність – ключові якості при організації експерименту і виробничого процесу.
В даний час найбільш поширені термопари наступних видів: E, J, K.

Термопара типу E

В якості матеріалів для провідників використовуються константан і хромель. Вироби цього типу добре зарекомендували себе по частині надійності і точності показань. Свідчень тому – численні позитивні відгуки фахівців. Однак даний склад демонструє точність вимірювань лише в позитивному діапазоні температур до 600 градусів за Цельсієм включно.

Термопара типу J

За принципом роботи термопара не відрізняється від попередньої. Однак хромель поступився місцем технічно чистого заліза, що дозволило істотно розширити діапазон робочої температури із збереженням стабільності показань. Він становить від -100 до 1200 градусів за Цельсієм.

Термопара типу K

Це, мабуть, найпоширеніший і застосовується всюди тип термопари. Пара хромель - алюміній відмінно працює при температурах від -200 до 1350 градусів за Цельсієм. Даний тип термопари відрізняється великою чутливістю і фіксує навіть незначний стрибок температури. Завдяки такому набору параметрів, термопара застосовується і на виробництві, і для наукових досліджень. Але є у неї і істотний недолік – вплив складу робочої атмосфери. Так, якщо даний вид термопари буде працювати у середовищі CO 2 , то термопара буде давати хибні свідчення. Дана особливість обмежує застосування пристроїв такого типу. Схема і принцип роботи термопари залишаються незмінними. Різниця лише в хімічному складі електродів.

Перевірка роботи термопари

У разі виходу з ладу термопари не підлягає ремонту. Теоретично можна, звичайно, її полагодити, але от чи прилад після цього показувати точну температуру – це велике питання. Іноді несправність термопари не є явною і очевидною. Зокрема, це стосується газових колонок. Принцип роботи термопари все той же. Однак вона виконує дещо іншу роль і призначається не для візуалізації температурних показань, а для роботи клапанів. Тому, щоб виявити несправність такий термопари, необхідно підключити до неї вимірювальний прилад (тестер, гальванометр або потенціометр) і нагріти спай термопари. Для цього не обов'язково тримати її над відкритим вогнем. Достатньо лише затиснути його в кулак і подивитися, чи буде відхилятися стрілка приладу.
Причини виходу з ладу термопар можуть бути різними. Так, якщо не надіти спеціальне экранирующее пристрій на термопару, вміщену у вакуумну камеру установки іонно-плазмового азотування, то з плином часу вона буде ставати все більш крихкою до тих пір, поки не переломается один з провідників. Крім того, не виключається і ймовірність неправильної роботи термопари з-за зміни хімічного складу електродів. Адже порушуються основоположні принципи роботи термопари. Газова апаратура (котли, колонки) також оснащується термопарами. Основною причиною виходу з ладу електродів є окислювальні процеси, які розвиваються при високих температурах. У тому разі, коли свідчення приладу є завідомо неправдивими, а при зовнішньому огляді не були виявлені слабкі затискачі, то причина, швидше за все, криється у виході з ладу контрольно-вимірювального приладу. В цьому випадку його необхідно віддати в ремонт. Якщо є відповідна кваліфікація, то можна спробувати вирішити проблему самостійно. Та й взагалі, якщо стрілка потенціометра або цифровий індикатор показують хоч якісь ознаки життя», то термопара є справною. В такому випадку проблема, цілком очевидно, криється в чомусь іншому. І відповідно, якщо прилад ніяк не реагує на явні зміни температурного режиму, то можна сміливо міняти термопару. Однак перш ніж демонтувати термопару і ставити нову, потрібно повністю переконатися в її несправності. Для цього достатньо продзвонити термопару звичайним тестером, а ще краще – поміряти напругу на виході. Тільки звичайний вольтметр тут навряд чи допоможе. Знадобиться милливольтметр або тестер з можливістю підбору шкали вимірювання. Адже різниця потенціалів є дуже малою величиною. І стандартний прилад її навіть не відчує і не зафіксує.

Переваги термопари

Чому за таку довгу історію експлуатації термопари не були витіснені більш досконалими і сучасними датчиками вимірювання температури? Та з тієї простої причини, що досі їй не може скласти конкуренцію жоден інший прилад. По-перше, термопари коштують відносно дешево. Хоча ціни можуть коливатися в широкому діапазоні в результаті застосування тих чи інших захисних елементів і поверхонь, з'єднувачів і роз'ємів. По-друге, термопари відрізняються невибагливістю і надійністю, що дозволяє успішно експлуатувати їх в агресивних температурних і хімічних середовищах. Такі пристрої встановлюються навіть у газові котли. Принцип роботи термопари завжди залишається незмінним, незалежно від умов експлуатації. Далеко не кожен датчик іншого типу зможе витримати подібний вплив. Технологія виготовлення і виробництва термопар є простою і легко реалізується на практиці. Грубо кажучи – достатньо лише скрутити або зварити кінці дротів з різних металевих матеріалів. Ще одна позитивна характеристика – точність проведених вимірювань і мізерна похибка (всього 1 градус). Даної точності більш ніж достатньо для потреб промислового виробництва, так і для наукових досліджень.

Недоліки термопари

Недоліків у термопари не так багато, особливо якщо порівнювати з найближчими конкурентами (температурними датчиками інших типів), але все ж вони є, і було б несправедливо про них промовчати. Так, різниця потенціалу вимірюється в милливольтах. Тому необхідно застосовувати дуже чутливі потенціометри. А якщо врахувати, що не завжди прилади обліку можна розмістити в безпосередній близькості від місця збору експериментальних даних, то доводиться застосовувати якісь підсилювачі. Це доставляє безліч незручностей і призводить до зайвих витрат при організації і підготовці виробництва.