Датчик-термопара

АВТОР: Тютенков Евгений Петрович/Технический консультант Овен Комплект Автоматика

ДАТА: 01.05.2023 г.

Что такое термопара

Термопара – это температурный датчик, использующийся в промышленности, технике, где требуется обеспечить высокую точность измеряемых показателей температуры или же когда замер выполняется в условиях агрессивной среды. В быту применяются в отопительных котлах, холодильниках, автомобилях (в системе охлаждения ДВС). Термопары сейчас устанавливаются в том числе в каждый смартфон, ноутбук и компьютер для контроля нагрева процессоров, микроконтроллеров, аккумуляторной батареи.

Устройство термопары, принцип работы

Принцип работы датчика температуры основан на таком физическом явлении, как электродвижущая сила (ЭДС, открыта Томасом Зеебеком в 1821 году). Суть явления: в замкнутой цепи между двумя проводниками (электродами) разного типа (например, медью и железом) возникает ток. Единственное требование – это наличие разницы температур в местах контактов (спаев). И чем выше эта разница, тем выше напряжение генерируемого в цепи тока.

Место спайки, где выполняется замер температуры (конец термопары), принято называть «измерительным» спаем (иногда называют «горячим»). Место, где задается первоначальный уровень температуры, называют «эталонным» спаем (или «холодным»). К его же выводам (свободные концы термопары) подключают измерительный прибор, регистрирующий изменение значения ЭДС (мультиметр, автоматический контроллер).

Измеряемая же температура рассчитывается на основании двух значений:

• уровень изменения ЭДС;
• поправка КХС (компенсация холодного спая).

Значение КХС – это условный коэффициент изменения ЭДС, рассчитываемый при температуре холодного спая в 0 градусов по Цельсию. Его определяют лабораторным методом, то есть подключая термопару к измерительному прибору и постепенно меняя значения горячего спая.

Главное: изменение ЭДС при повышении/снижении температуры на горячем спае происходит линейно. Только благодаря этому подобный метод позволяет рассчитать значение температуры, зная только значение ЭДС.

Типы и виды термопар

Термопары, в зависимости от используемых сплавов проводников, разделяют на:

• хромель-алюмелевые (ТХА), диапазон измерения от -270 до 1372 градусов, погрешность до 0,75%;
• железо-константановые (ТЖК), диапазон от -210 до 1200 градусов, погрешность 0,75%;
• платинородий-платинородиевые (ТПР), диапазон от 0 до 1820 градусов, погрешность – 0,5% (только свыше 800 градусов);
• медь-константановые (ТМКн), диапазон от -270 до 400 градусов, погрешность 0,75% при температуре выше нуля, 1,5% - ниже нуля;
• платинородий-платиновые (ТПП 10), диапазон от -50 до 1768 градусов, погрешность 0,25%;
• вольфрамрениевые (ТФР), диапазон от 0 до 2320 градусов, погрешность – 1% (если свыше 425 градусов).

В теории сделать термопару можно из любых двух проводников. Но вышеуказанные комбинации дают самые точные значения, а некоторые (ТХА, ТПП, ТПР, ТВР) – внесены в ГОСТ для использования в промышленных масштабах.

Различаются термопары и по типу конфигурации проводников. Бывают одноэлементные, двухэлементные, с заземлением на корпус и незаземленные. Точная конфигурация подбирается в зависимости от назначения.

Также существуют многоточечные термопары. Они используются, когда необходимо измерить разницу температур в нескольких измеряемых точках. Допустимое количество точек замера – 60. Чаще многоточечные термопары применяются в нефтепромышленности.

Дополнительно их различают по типу используемой колбы (где и располагаются проводники). Например, для измерения в условиях свыше 1000 градусов требуется использовать керамический «наконечник». А в химических реактивах, которые разъедают материал проводников, используется колба из устойчивого к кислотам или щелочам материала.

Ещё используется классифицирование по инерционности, то есть по скорости получения итогового значения ЭДС. Как правило, общий диапазон – от 40 секунд до 3,5 минут. Существуют датчики и с ненормированной инерционностью. Именно они преимущественно используются в быту, хоть и погрешность в их замерах высокая (для того же холодильника это не критично, так как отклонение результата не превышает 1,5%).

Подключение термопары

Проводники датчиков температуры (термопар) к измерительному прибору (который регистрирует ЭДС) подключаются через компенсационные провода. Как правило, изготавливают их из тех же материалов, что и сами проводники термопары. Их главное назначение – минимально изменять значение ЭДС, обеспечивая тем самым минимальную погрешность измерения. По этой причине термодатчики производителями могут поставляться сразу с компенсационными проводами. Вместо них ещё могут применяться термисторы, которые вырабатывают ток компенсации для холодного спая. В плане конструкции такие датчики проще, но погрешность у них на порядок больше.

Ещё один вариант подключения – «на разрыв». Это когда в качестве компенсационных проводов используются проводники из того же материала, что и клеммы измерительного прибора. Но не для всех типов термопар это подходит, так как медь (которая используется в клеммах измерительных приборов) допускается паять не ко всем сплавам. И в таких датчиках место холодного спая – это концы проводников термопары. Если между холодным и горячим спаями расстояние малое, то и погрешность при измерении высоких температур получится большой.

Где используются?

Сейчас они являются самым распространенным вариантом температурных датчиков. Используются как в бытовых приборах, так и в промышленности (в том числе в металлургии, где измеряются температуры жидких металлов). Можно упомянуть следующие варианты применения термопар:

1. В холодильниках. Термодатчик включает реле при повышении температуры внутри холодильной камеры, отключает – при её снижении до требуемого уровня.
2. В газовых котлах. Термодатчик отключает подачу газа, если внутри камеры сгорания температура падает ниже заданного значения. Таким образом работает аварийная система отключения котла при затухании горелки (форсунки).
3. В автомобилях. Датчик устанавливается в системе охлаждения (в некоторых марках авто и в воздуховоде, в топливном насосе) для контроля температурного режима, автоматического включения и отключения вентилятора.
4. В компьютерной технике (ноутбуки, смартфоны). Датчик замеряет температуру процессора, микроконтроллеров, GPU-адаптера и при превышении заданного значения – снижает подаваемое напряжение (это называется «троттлинг», то есть принудительное снижение производительности).
5. В цифровых градусниках и термометрах, метеостанциях.
6. В бытовых мультиметрах.

Как выбрать?

Первое, на чем следует акцентировать внимание: показания термодатчика зависят от типа используемого измерительного прибора. Поэтому, покупая термопару, нелишним будет поинтересоваться у производителя, с какими измерителями она совместима. Именно по этой причине в автомобиль можно ставить только определенные датчики: блок управления «не умеет» работать с другими (имеется в виду, с иными типами используемых проводников).

Основной критерий – это диапазон измеряемых температур. От этого значения зависит выбор сплава проводников, их конфигурация. В дополнение к этому у продавца следует уточнить наличие сертификата и паспорта датчика (при производстве их обязательно проверяют на соответствие характеристикам, сведения о проверке и дате ее выполнения указываются в паспорте).

Преимущества и недостатки

Ключевыми преимуществами термопар можно назвать следующие:

• простота конструкции;
• низкая себестоимость изготовления;
• широкий диапазон измеряемых температур (от абсолютного нуля и свыше 2000 градусов по Цельсию);
• надежность (разрешено использовать в условиях агрессивной среды, в химических растворах);
• высокая точность измерения, при правильной градации можно делать замеры с шагом вплоть до 0,01 градуса;
• малый размер капсулы датчика (в цифровой электронике используются модели, размером с микротранзистор).

Из недостатков стоит упомянуть:

• необходимость в определении точного значения коэффициента компенсации (так как замеры производятся не только при нулевой температуре), для каждого отдельного вида термопары это проводится индивидуально;
• наличие диапазона, при котором изменение ЭДС происходит нелинейно (для каждого типа проводника он свой), что не позволяет использовать датчик за его пределами;
• погрешность измеряемых значений термопары ухудшается со временем за счет снижения градуировочных значений (регулярные перепады температур буквально «изнашивают» датчик);
• необходимость использовать только совместимые измерительные приборы (или задействовать компенсационные провода).

Итого, датчик температуры – один из самых простых, точных и дешевых термодатчиков, принцип работы которого заключен в измерении значения электродвижущей силы (указывается в Вольтах, но не следует путать с напряжением).