Термопара и термоэлектрические явления

Термопара это старейшее устройство для измерения температуры, состоящее из двух разнородных проводников, контактирующих между собой в нескольких или одной точке. Если на одном из этих участков изменяется температура, генерируется небольшое напряжение и ток.

Их используют в промышленности, медицинской технике, научных исследованиях, в системах автоматики и телемеханики.

Принцип действия термопары

Принцип действия всех термоэлектрических преобразователей базируется на эффекте Зеебека еще называемый термоэлектрическим эффектом. Между соединёнными различными проводниками образуется контактная разность потенциалов; если стыки проводников проводников находятся при одинаковой температуре, сумма их разностей потенциалов нулевая. Если стыки оказываются при разных температурных условиях, между ними появляется напряжение зависящее от температурной разности. Коэффициент пропорциональности получил название коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов он различный и, соответствует, разности потенциалов, образующейся между концами различных проводников.

Так например, разместив металлический спай с отличными от нуля коэффициентами термо-ЭДС в определенную среду с температурой Т1, мы получим разность потенциалов между противоположными контактами, находящимися при Т2. При этом образующее напряжение будет прямо пропорционально разности температур Т1 и Т2.

В основном используются два способа подсоединения термопары к измерительным устройствам: простой и дифференциальный. В простом случае измерительный прибор подсоединяется напрямую к двум термоэлектродам. При дифференциальном способе применяются два проводника с различными коэффициентами термо-ЭДС, спаянные в двух концах, а измерительное устройство подключается в разрыв одного из проводников.

Основные плюсы и минусы термопар

Термопары преимущества:

Огромный интервал рабочих температур. Это самый высокотемпературный контактный преобразователь.
Спай термопары может быть заземлен или приведен к прямому контакту с измеряемым объектом
Простота изготовления, прочность и надежность конструкции.

Термопары недостатки:

Требуется контроль температуры холодных спаев. Обычно это осуществляется с помощью полупроводникового сенсора или встроенного термистора и автоматическое введение поправки к измерениям
Термоэлектрическая неоднородность в проводниках и, поэтому, незначительное изменение градуировочной характеристики из-за изменения состава сплава при коррозии и подобных химических процессов.
Материалы электродов не является химически инертными и, при плохой герметичности термопары, могут подвергаться воздействию агрессивных сред.
При больших длинах удлинительных и термопарных проводов может появляться "антенный эффект" для имеющихся электромагнитных полей.
Зависимость от температуры не линейна. Это создает определенные трудности при использовании вторичных преобразователей сигнала.
Необходимость заземления рабочего спайя, для исключения вероятности появления утечек через землю.
Термопары особенности работы и их виды

Наиболее точными являются термопары с электродами сделанными из благородных металлов: платинородий-платинородиевые ПР и платинородий-платиновые ПП. Их главным плюсом является значительно более низкая термоэлектрическая неоднородность, чем у их неблагородных коллег, устойчивость к окислению и отличная стабильность работы. К достоинству типа ПР можно также отнести практически нулевой выходной сигнал при температурах до 50 °С, т.е устраняется необходимость термостатирования холодных спаев. А главным минусом можно считать их огромную цену и достаточно низкую чувствительность (около 10 мкВ/К при 1000 °С), хотя они и превосходят по точности и стабильности неблагородные термопары.

Кроме того иногда используют термопары из чистых металлов: платина-палладиевые и золото-платиновые. Их главное отличие более лучшая стабильность и точность по сравнению с платинородий-платиновыми аналогами.

Старейшие температурные датчики из неблагородных металлов нашли широкое применение в промышленности. Они стоят копейки устойчивы к вибрациям, и просты в использовании, при необходимости могут изготавливаться во взрывозащищенном исполнении. Их главным плюсом является отличная чувствительность. Серьезным минусом можно считать образование термоэлектрической неоднородности в зоне максимума температурного градиента, что может привести к погрешностям в градуировке более чем 5 °С.

Для измерения высоких температурных значений уровнем до 2500 °С применяют вольфрам-рениевые термопары. Их главной особенностью является необходимость устранения окислительной атмосферы, разрушающей металлическую проволоку. Для вольфрам-рениевых изделий применяют специальные герметичные чехлы, заполненные специальным инертным газом, а также молибденовые и танталовые чехлы с неорганической изоляцией из оксидов магния и бериллия.

Главной особенностью работы с термопарами является использование стандартных компенсационных и удлинительных проводов. Благодаря этому можно передавать сигнал даже на сотни метров к измерительному устройству, внося минимальную погрешность измерений. Удлинительные провода делают из того же самого материала, что и термоэлектроды, но с изкими требованиями к качеству используемых материалов.

Компенсационные производят из совершенно других материалов, так например, для типа ПР в роли компенсационной может выступать медный провод.

Термопары из неблагородных металлов
Термопары тип J (железо-константановая)
Не рекомендуется применять при температурах ниже 0 °С, т.к. конденсация влаги на железном выводе обязательно образует ржавчину;
Тип J максимально подходит тип для разряженной атмосферы; Температурный максимум – 500 °С, т.к выше этой температуры начинается процесс очень быстрого окисления контактов.
После термического старения показания могут увеличиваться
Тип Е (хромель-константановая термопара)
Высокая чувствительность, термоэлектрическая однородность, отлично работают в условиях низких температур.
Тип Т (медь-константановая термопара)
Можно использовать при температурах ниже 0 °С и в в атмосфере с небольшим избытком или недостатком кислорода. Практически не чувствительна к повышенной влажности
Не желательно применять при температурах выше 400 °С;
Термопары тип К (хромель-алюмелевая термопара)
Нашла применение в различных областях при температурах от – 100 °С до +1000 °С
В температурном интервале от 200 до 500 °С появляется эффект гистерезиса, т.е показания при нагреве и охлаждении могут существенно различаться. Иногда разница доходит до 5 °С;
Применяется в нейтральной атмосфере или с сильным избытком кислорода
После термического старения показания падают
Серная атмосфера сильно вредна для термопары
Тип N (нихросил-нисиловая термопара)
Разработанна на базе термопары типа К, рекомендуемая рабочая температура до 1200 °С в зависимости от диаметра применяемой проволоки)
Высокая стабильность в температурном диапазоне от 200 до 500 °С (значительно более низкий гистерезис, чем у типа К); На данный момент считается самой точной термопарой из неблагородных металлов.

Термопары из благородных металлов
Тип S (платнородий-платиновая) и Тип R (платинородий-платинородиевые термопары)
Максимальная рабочая температура 1350 °С, Кратковременная до 1600 °С;
Может использоваться в окислительной атмосфере
Не рекомендовано применение при температурах ниже 400 °С, т.к ТЭДС в этом интервале крайне мал и сильно не линеен.
Тип В (платнородий-платинородиевая термопара)
Рекомендуемый максимум температур - 1500 °С, кратковременное использование до 1750 °С;
Способна загрезняться при температурах более 900 °С кремнием, водородом, парами железа меди и, но эффект этот ниже, чем для типа S и R;
Возможно применение в окислительной среде

Не рекомендуется использование при температурах ниже 600 °С.
Источники погрешности термопар

Особенности преобразования и передачи сигнала в термопарах приводят к следующим вероятным проблемам при их работе, вызывая погрешность в определении температуры

Дефекты формирования рабочего спая;
Возникновение термоэлектрической неоднородности по длине электродов и изменение градуировочной характеристики
Электрическое шунтирование проводников изоляцией и возможное появление гальванического эффекта
Тепловое шунтирование
Электрические шумы и различные утечки.

Формирование спая имеется много различных вариантов формирования рабочего спая термопары: пайка, механическое скручивание, сварка и т.п. При сварке в спай попадает третий метал, но т.к. температуры проводников, исходящих из спая одинаковы, это не должно привести к погрешности. Проблема состоит в том, что третий метал, обычно, имеет более низкую температуру плавления и при высоких температурах из-за этого спай может разорваться. Кроме того, идет загрязнение электродов чужеродным испаряющимся металлом. Поэтому необходимо осуществлять сварку рабочего спая. Однако процесс такой сварки тоже требует пристального внимания, т.к. перегрев может испортить термопарную проволоку и газ. Дефектная сварка со временем приведет к разрыву спая при эксплуатации. В программном коде современной измерительной технике должен быть специальный тест на разрыв спая.

Образование термоэлектрической неоднородности. Искажение градуировочной характеристики это наиболее существенный и плохо диагностируемый источник погрешности, т.к. результат отсчета ТЭДС может показаться вполне приемлемым и в то же время быть не правильным. Термоэлектрическая неоднородность может возникать из-за диффузии примесей из окружающей атмосферы при больших температурах. Она может появляться из-за протягивания электродов, вибраций и ударов, вызывающих напряжения в проволоке. Изменение состава сплава может возникнуть на небольшом участке проволоки, находящимся длительное время в зоне резкого градиента температур. Один из действенных способов снижения данной погрешности – сделать более плавным изменение температуры на длине термоэлектрода, например, применяя металлические чехлы и рукава.

Сопротивление изоляции электродов термопары снижается с ростом температуры в соответствии с экспоненциальным закоомну. При значительной температуре, в отдельных моментах, этот эффект может образовать «виртуальный» спай, т.е. фактическое замыкания термоэлектродов в средней точке. Поэтому, такой термодатчик будет измерять температуру не в области рабочего спая, а лишь температуру в средней области. При более высоких температурах необходимо также тщательно подобрать материал для изоляции, т.к. химические вещества и примеси изоляции могут попасть в электроды и изменить их характеристики.

Некоторые вещества, используемые в некоторых видах изоляции, могут вызвать появление электролита при попадании воды. Это может привести в гальваническому эффекту, который по силе даже превышает эффект Зеебека. Поэтому необходимо всегда принять меры для защиты термопарной проволоки от вредной атмосферы и проникновения жидкостей.

Тепловое шунтирование. Термопара при введении в объект измерения меняет также и его температуру. Поэтому, если объект измерения мал, термопара тоже должна иметь небольшие размеры