Термопара – что это такое?
Содержание
В повседневной жизни каждого человека встречались приборы и устройства, одним из определяющих факторов работы которых была температура. Начиная от температуры в системах отопления и заканчивая промышленными предприятиями, процесс выпуска продукции которых связан со строгим соблюдением температуры, процедура контроля данного параметра очень важна как для жизнедеятельности, так и для энергосбережения. Одним из устройств по контролю температуры является термопара, или термоэлектрический преобразователь. Термопара – что это такое?
![Термопара газового котла](https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/06/kartinka-1-2-600x324.jpg?x44801)
Термопара газового котла
Назначение
Термоэлектрический преобразователь, или термопара, является приспособлением, используемым для контроля температуры на промышленных предприятиях, в процессе научных исследований, при эксплуатации автоматики и в медицинских учреждениях.
Физическая величина, численно определяющая размер энергии тела, получаемой за счет движения молекул веществ, в зависимости от теплоты, называется температурой. Поскольку непосредственно температуру вещества измерить невозможно, то ее величину определяют, благодаря трансформации иных физических параметров вещества. В качестве таких физических параметров могут выступать давление, электрическое сопротивление, объем, интенсивность излучения, температурная электродвижущая сила, коэффициент расширения вещества и ряд других.
Существует два способа контроля температуры:
- При непосредственном контакте с объектом с помощью термопар;
- При отсутствии непосредственного контакта с объектом – пирометрия либо термометрия излучения используется при необходимости измерения очень больших температур.
Принцип действия термопары
Особенностью работы термопары является наличие термоэлектрического эффекта, или эффекта Зеебека, названного в честь ученого, открывшего данное явление в 19 веке. Сущностью такого эффекта является наличие контактной разности потенциалов между разнородными проводниками. Соответственно, принцип работы термопары заключается в следующем.
При скрутке двух концов разнородных проводников или сплавов таким способом, чтобы они представляли собой закольцованную электрическую цепь, и если далее поддерживать противоположные окончания проводов при разной температуре, то в данной цепи сформируется термоэлектродвижущая сила, величина которой будет пропорциональна разности температур между скрутками проводников. Соответственно, цепь, состоящая из двух разнородных проводников либо сплавов, является термопарой, или термоэлементом.
![Эффект термоэлектричества](https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/06/kartinka-2-3-600x330.jpg?x44801)
Эффект термоэлектричества
Величина тока работающих термопар зависит от:
- Материала проводников;
- Разности температур на противоположных спайках.
Проводник термоэлектрического преобразователя, по которому электрический ток направлен от горячей спайки к холодной, является положительным, при обратном направлении электрического тока термоэлектрод является отрицательным. Маркировка термопары осуществляется в следующем порядке:
- Принадлежность самого устройства;
- Материал положительного проводника;
- Материал отрицательного проводника.
Разновидности и конструктивные особенности
![Виды термопар](https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/06/kartinka-3-3-600x176.jpg?x44801)
Виды термопар
Термопары ввиду своих структурных особенностей подразделяются на такие виды:
- По специфике применения:
- Наружное;
- Погружаемое.
- По особенностям предохраняющего кожуха:
- без кожуха;
- со стальным кожухом – устройство эксплуатируется для контроля температур до 600оС;
- со стальным кожухом из специфического сплава – устройство необходимо для измерения температур до 1100оС;
- с кожухом из фарфора – устройство применяется для контроля температур до 1300оС;
- со стальным кожухом из тугоплавких сплавов – устройство эксплуатируется при температурах более 2000оС.
- По методу фиксации термопреобразователей:
- С неподвижным чувствительным элементом;
- С подвижным чувствительным элементом;
- С подвижным креплением.
- По герметичности клемм:
- С простой верхушкой;
- С водонепроницаемой верхушкой;
- Без колпачка, со специфической герметизацией выводных клемм.
- По изолированности:
- Изолированные от влияния активных или неагрессивных сред;
- Не изолированные.
- По герметизации от большого давления:
- Не герметичные;
- Герметичные.
- По стойкости к механическому влиянию:
- Устойчивые к вибрации;
- Ударостойкие;
- Простые.
- По количеству контролируемых зон:
- Рассчитанные на одну зону;
- Рассчитанные на несколько зон.
- По скорости реакции на изменение температуры:
- С высокой инерционностью. Скорость реагирования составляет до 210 секунд;
- С посредственной собственной инерцией. Скорость реакции составляет до 60 секунд;
- С малой инерционностью. Скорость реакции составляет до 40 секунд;
- С ненормированной скоростью реакции.
- По длине функционирующей части:
- Длиной от 120 мм до 1580 мм. Находят свое применение в однозонных термопарах;
- Длиной до 20000 мм. Используются в многозонных термопарах.
К конструктивным особенностям термопар относятся:
- Рабочий спай двух проводников в основном образовывается путем электродуговой сварки предварительно скрученных термоэлектродов. Одним из способов соединения является пайка, однако подключение термопары вольфрам-рениевой или вольфрам-молибденовой обходится обычным скручиванием без дополнительной сварки;
- Проводники соединяются только в активной части. Остальная часть проводов строго изолируется;
- Изоляционным материалом может быть любой источник, вплоть до воздуха, однако температура измеряемой среды должна быть ниже 120оС. При температурах вещества до 1300оС применяются фарфоровые изоляторы. Поскольку при t> 2000оС фарфор теряет свои физические свойства и размягчается, то применяются трубки из окиси алюминия, магния, бериллия, тория, циркония;
- Для предотвращения механического влияния на термопару ее помещают в предохранительную трубку-кожух с герметизированным концом. Этот кожух должен обеспечивать изоляцию от внешней среды, предотвращать механические натяжения и обеспечивать хорошую теплопроводность. Выдерживание предельной температуры термопары в течение длительного времени и стойкость к активной среде контролируемого вещества являются основополагающими требованиями к трубке-кожуху.
Типы термопар и их характеристики
Термопара хромель-алюмель (ТХА)
Термоэлектрический преобразователь хромель-алюмель предназначен для эксплуатации в агрессивных и благородных средах, а также допускается использовать в сухом водороде и вакууме, однако на короткое время. Отличительной особенностью ТХА является максимальная устойчивость к облучению внутри ядерного реактора. К недостаткам устройства относятся сравнительно высокая восприимчивость к механическим воздействиям и непостоянство температурной электродвижущей силы. Такие типы термопар применимы для измерения температуры вещества от -200оС до 1100оС и эксплуатируются в основном в сталеварных печах, энергосиловой аппаратуре, отопительных приборах и научной работе.
В качестве положительного электрода выступает проводник никелевого сплава хромель НХ9,5, а роль отрицательного электрода занимает проволока никелевого сплава алюмель НМцАК2-2-1.
Термопара хромель-копель (ТХК)
![Термопара хромель-копель ТХК 1199](https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/06/kartinka-5-2-600x250.jpg?x44801)
Термопара хромель-копель ТХК 1199
Основными областями по применению термопар хромель-копель являются промышленные, производственные предприятия и сфера научных исследований. Наряду с остальными термопарами, устройство работает в основном для длительных измерений температуры до 600оС, хотя граничные пределы по температуре составляют от -253оС до 1100оС. Имеется максимальная восприимчивость из всех выпускаемых термопар, также присутствует паразитная большая восприимчивость к механическому воздействию на термодатчик. В качестве проводника для позитивного щупа используется никелевый сплав хромель НХ9,5, проволокой же для негативного щупа является медно-никелевый сплав копель МНМц43-0,5.
Термопара железо-константан (ТЖК)
![Термопара железо-константан](https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/06/kartinka-6-600x522.jpg?x44801)
Термопара железо-константан
Термоэлемент ЖК нашел применение в научных испытаниях и производственных предприятиях в агрессивных, благородных, восстановительных веществах и вакууме при -203оС<t<1100оС. Кроме высокой восприимчивости, к достоинствам ТЖК относится низкая себестоимость. Большая восприимчивость к механическому воздействию на электроды и маленькая коррозийная устойчивость металлического щупа являются негативными сторонами ТЖК. Сырьем для позитивного электрода термопары является малоуглеродистая сталь, отрицательный электрод состоит из медно-никелевого сплава константан МНМц40-1,5.
Термопара вольфрам-рений (ТВР)
![Термопара вольфрам-рений](https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/06/kartinka-7-600x439.jpg?x44801)
Термопара вольфрам-рений
В производстве керамики, тугоплавких металлов, твердых сплавов, разливке стали, контроле температуры газовых потоков, низкотемпературной плазмы применяется термопара вольфрам-рений. Эти типы термопар считаются наилучшими термопарами в промышленности с рабочей t>1800оС. Веществами, с которыми эксплуатируется термопара, являются сухой водород, азот, гелий, аргон и вакуум при температуре 1300оС<t<3000оС.
К достоинствам прибора ВР относятся:
- Наилучшая механическая устойчивость при высоких температурах;
- Стабильная работа при знакочередующихся нагрузках;
- Устойчивость к многократным и стремительным теплосменам.
- Простота в производстве и не восприимчивость к загрязнениям.
Отрицательными свойствами являются недостаточная воспроизводимость температурной электродвижущей силы, нестабильность работы при облучении.
Материалами позитивного и негативного проводников, соответственно, являются:
- ВР5 и ВР20;
- ВАР5 и ВР20;
- ВР10 и ВР20.
Термопара вольфрам-молибден (ТВМ)
Будучи очень дешевыми термопарами, эти типы термопар массово эксплуатируются для
измерения температуры в благородных средах, водороде, вакууме, при 1400оС<t<1800оС. К дополнительным преимуществам относятся большая механическая устойчивость и отсутствие суровых правил к химической чистоте от момента производства до установки и работы. Недостатками являются хрупкость элемента при больших температурах, низкое значение электродвижущей силы и восприимчивости, смена полюсов при t>1400оС.
Позитивные и негативные электроды изготавливаются из вольфрамовой и молибденовой проволоки, которые являются металлами технической чистоты.
Термопара платинородий-платина (ТПП)
![Термопара платинородий-платина](https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/06/kartinka-8-600x189.jpg?x44801)
Термопара платинородий-платина
Функциональность ТПП характеризуется максимальной достоверностью и устойчивостью, потому широко применяется в научных опытах и технике. Также за счет своих физических особенностей ТПП стала эталоном температурной шкалы МПТШ-68. Комфортный температурный диапазон – до 1600оС. Слабой стороной ТПП является повышенная восприимчивость к загрязнениям, очень высокая цена, нестабильная работа при облучении. В качестве материалов щупов выступают сплавы платинородия ПР10 или ПР13 для позитивного щупа и платина для негативного щупа.
Термопара платинородий-платинородий (ТПР)
Эти типы термопар, прежде всего, эксплуатируются при производстве цемента, стали и стекла, огнеупоров, ввиду возможности длительное время контролировать температуру более 1400оС. Помимо возможности применения в вакуумной среде, к дополнительным преимуществам ТПР относятся сравнительно большая устойчивость при очень больших температурах, лучшая механическая прочность, практически отсутствие хрупкости и минимальная восприимчивость к загрязнению. Проводник электропозитивного щупа изготовлен из платинородия ПР30, негативный щуп выполнен на платинородия ПР6.
Изложенный материал объясняет, что такое термопара, их разнообразие, специфические особенности и сферы использования. Становится понятен физический смысл и порядок определения температуры в той или иной среде.