Типы термопар и сферы их применения

Термопара — это температурный датчик, использующийся в промышленности, медицине и быту для обеспечения высокой точности измерения температуры. Ее особенность — преобразование тепловой энергии в электрическую без использования внешнего источника питания. Конструктивные особенности позволяют использовать устройство для работы в нейтральных, восстановительных и агрессивных средах.

Технические требования

Термопары должны соответствовать стандартам ГОСТ Р 8.585-2001, ГОСТ 6616-94 и МЭК 62460. При несоответствии с указанными ГОСТами и международным стандартом, устройства не подойдут для использования при высоких температурных режимах и в агрессивных средах.

К общим требованиям можно отнести:

1. Химическая совместимость спаев друг с другом и с окружающей средой. Поможет избежать образования нежелательных соединений или реакций, влияющих на характеристики термопары.
2. Хорошая электропроводность. Это обеспечивает высокое качество сигнала и точность измерения. Особенно важно для высокотемпературных термопар, где сопротивление материалов может значительно влиять на показатели.
3. Устойчивость к окислению и коррозии при высоких температурах. При несоблюдении условий может привести к изменению характеристик термопары и искажению результатов измерения.
4. Длина провода. Чем он длиннее, тем больше будет помех.
5. Температурная стабильность. Материалы должны сохранять свои свойства при высоких температурах. Для высоких температур часто используют сплавы никеля, а для низких – железо-константан или никель-константан.
6. Устойчивость к механическим воздействиям. Это важно при эксплуатации в тяжелых условиях.
7. Отсутствие в составе вредных примесей или загрязнений. При их наличии ухудшаются свойства термопары и снижается качество измерения температуры.

Конструктивные особенности

Термопара состоит из двух проводников из разных сплавов, которые соединены между собой в точке, называемой «горячим» спаем. Именно эта точка нагревается и проводит измерения.

Другие концы, задающие первоначальный уровень температуры, называют «холодным» спаем. К ним подключается измерительный прибор (контроллер, мультиметр и др.), который будет замерять значения электродвижущей силы (ЭДС).

Для защиты от агрессивной среды термопара помещается в стальной кожух. Внутри него спаи могут быть изолированы или сдвоены между собой. Встречаются также термопары, у которых спаи присоединены к корпусу без изоляции.

Принцип действия термопары

Основная задача устройства — измерение температуры в окислительно-восстановительной или нейтральной среде. Для этого создается закрытая цепь, с помощью которой можно определить уровень разности потенциалов. Такое явление называют эффектом Зеебека. Величина ЭДС зависит от разности температур и характеристик металлов, используемых в термопаре.

Различные металлы имеют разные температурные коэффициенты сопротивления и при изменении температуры они расширяются или сжимаются по-разному. Именно это и вызывает возникновение ЭДС. Если не использовать проводники из разных сплавов, то термоэлектрический эффект не возникнет и измерения провести не получится.

Когда у «горячего спая» происходит охлаждение или нагрев, между концами термопары и точкой соединения проводников возникает разница температур. Это приводит к появлению ЭДС.

Типы термопар

Производители ввели специальную маркировку, обозначающую определенный тип термопар. Технически они обозначаются буквами, каждая из которых определяет используемую комбинацию металлов.

К наиболее распространенным относятся:

• N-типа. Состоят из сплавов нихросил-нисила (кремний, никель и хром). Отличаются хорошей стабильностью, рабочая температура — от -270 до +1300 °C. Применяются в промышленных печах, литейном производстве.
• T-типа. Проводники состоят из медно-константанового сплава. Конфигурация стабильная, температурный диапазон — от -200 до +350 °C. Также термопара этого типа может работать в агрессивной среде, поэтому она подходит для использования в различных отраслях промышленности.
• J-типа. Один из универсальных вариантов, использующийся в сочетании с инертными материалами, а также для снятия показаний у старого оборудования и восстановительной атмосфере. Отрицательная часть проволоки состоит из константана (сплав никеля и меди), а положительная — из железа. Относительно стабильны, но имеют более узкий рабочий диапазон — от -40 до +750 °C. Из-за регулярного воздействия тепла отличаются коротким сроком службы. Кроме этого, могут окисляться из-за железа в составе.
• K-типа. Изготавливается из сплава хромеля или алюмеля, имеет широкий температурный диапазон — от -200 до +1260 °C. Используется в кислых и нейтральных средах, отлично выдерживает вибрации и удары. Также устойчива к окружающей среде с агрессивными химическими веществами, поэтому подходит для использования в экстремальных условиях. Другим преимуществом этого типа термопары является высокая точность измерений.

Сферы применения

Устройства широко применяются в различных областях и сферах. Рассмотрим самые распространенные:

• термостаты — интегрируются для измерения температуры внутри какого-то устройства. Они сообщают информацию о текущих показателях термостату, который затем анализирует эти данные и регулирует нагревательные или охлаждающие системы, чтобы поддерживать заданную температуру. Могут быть установлены внутри холодильников, печей, труб или других объектов, где необходимо вести контроль за температурным режимом.
• диагностика автомобилей — используются для определения рабочей температуры двигателя, обнаружения неисправностей в системе охлаждения (перегрев или недостаточное охлаждение), проверки эффективности системы впрыска топлива и анализа состава выхлопных газов.
• медицинские термометры — для измерения температуры тела и окружающей среды.
• смартфоны, ноутбуки — снижает напряжение процессора при превышении заданного уровня.
• датчики отопления — помогают поддерживать стабильную температуру в помещении. Срабатывают, когда температура достигает заданного уровня.
• духовки — измеряют температуру внутри духовки и регулируют нагревательный элемент, чтобы поддерживать заданный уровень. Если она становится слишком высокой, датчик отключает нагревательный элемент для предотвращения перегрева или пожара.
• газовые котлы, колонки, плиты — контролируют температуру горячей воды. Они обнаруживают перегрев, и при достижении определенной температуры приводят к автоматическому отключению системы, предотвращая поломку или опасные ситуации.

Термопары также распространены в области науки и промышленности, включая сферу металлургии, где требуется измерение температуры жидких металлов.