Термопара: что это, устройство, виды и принцип работы

Термопара – это термоэлектрический преобразователь температуры, в котором измерительный сигнал возникает из-за зависимости термо-ЭДС от температурного состояния цепи из разнородных проводников. Простыми словами, термопара преобразует температурное воздействие в небольшой электрический сигнал, который затем измеряет и интерпретирует подключенный прибор.

Сама термопара не показывает температуру и не формирует готовое цифровое значение. Чтобы получить температуру измерительного спая, измерительный прибор должен измерить термо-ЭДС, учесть температуру опорной точки и использовать характеристику соответствующего типа термопары.

Что такое термопара и для чего она нужна

Термопара служит для измерения температуры в составе измерительной системы. Ее чувствительная цепь образована двумя термоэлектродами из разных материалов. При различии температур измерительного спая и опорной области в термоэлектрической цепи возникает термо-ЭДС.

Именно термо-ЭДС является электрическим выходным сигналом термопары. Ее зависимость от температуры определяется сочетанием материалов термоэлектродов. Для стандартизованных типов используются соответствующие температурно-ЭДС характеристики.

Измерительная цепочка выглядит так:

температура объекта → температура измерительного спая → термо-ЭДС → измерение сигнала → учет температуры опорной точки → вычисленное или отображаемое значение температуры.

Последние этапы выполняет измерительный прибор, контроллер, преобразователь или другой совместимый вход. Поэтому одного чувствительного элемента недостаточно для непосредственного отображения температуры.

Термопары распространены благодаря широкому диапазону применений по температуре, сравнительно простой чувствительной части, возможности работы при высоких температурах и разнообразию конструктивных исполнений. При этом возможности конкретного датчика определяются не только типом термопары, но и его конструкцией и условиями эксплуатации.

Основные элементы промышленной термопары и расположение измерительного спая.

Устройство термопары

В простейшем виде термопара представляет собой два разнородных термоэлектрода, образующих измерительный спай. В промышленном датчике чувствительная цепь обычно дополняется элементами изоляции, защиты, монтажа и подключения.

Из чего состоит термопара

Типовая промышленная конструкция может включать:

• два термоэлектрода из разных материалов;
• рабочий, или измерительный, спай;
• электрическую изоляцию термоэлектродов, если она предусмотрена конструкцией;
• защитную арматуру или оболочку;
• выводы для подключения;
• клеммную головку, разъем либо кабель – в зависимости от исполнения.

Сочетание материалов термоэлектродов определяет тип термопары и ее температурно-ЭДС характеристику. Измерительный спай размещают так, чтобы его температура была связана с температурой контролируемого объекта или среды.

Защитная оболочка или арматура выполняет конструктивную функцию: защищает чувствительную часть и позволяет адаптировать датчик к условиям процесса. Ее материал не определяет тип термопары.

Конструкция зависит от исполнения датчика, поэтому перечисленные элементы присутствуют не во всех изделиях в одинаковом виде. Например, кабельное исполнение может не иметь традиционной клеммной головки.

Рабочий и опорный спай

Рабочим, или измерительным, называют спай термоэлектродов, температура которого связана с измеряемым объектом. Для преобразования термо-ЭДС в температуру необходимо также знать температуру опорной области измерительной цепи.

Термин «холодный спай» исторически используют для опорного соединения. В современной системе это не обязательно отдельный физический спай, поддерживаемый при фиксированной температуре. Практически важна температура области перехода от термопарных или соответствующих компенсационных проводников к материалам входной цепи прибора.

Современный измерительный прибор часто измеряет температуру этой области встроенным датчиком и выполняет компенсацию холодного спая автоматически. Поэтому термопарное измерение следует рассматривать как работу всей измерительной цепи, а не только измерительного спая.

Как выглядит термопара

Единого внешнего вида у термопары нет. Конструкция зависит от способа монтажа, рабочей среды, требуемой механической защиты и особенностей оборудования.

В промышленности встречаются:

• термопары в металлической защитной арматуре;
• исполнения с клеммной головкой;
• кабельные исполнения с выводным проводом;
• компактные и игольчатые исполнения;
• исполнения для измерения температуры поверхности.

Две термопары могут выглядеть совершенно по-разному, но использовать один и тот же тип термоэлектродов и одну стандартную характеристику. И наоборот, внешне похожие датчики могут относиться к разным типам термопар.

Внешний вид термопары зависит от конструкции и условий ее применения.

Принцип работы термопары

Работа термопары основана на термоэлектрическом эффекте. В электрической цепи из разнородных проводников при наличии температурного градиента формируется термо-ЭДС. Для определения температуры измерительного спая прибору необходимо учитывать тип термопары и температуру опорной области.

Термоэлектрический эффект

Эффект Зеебека описывает возникновение термоэлектрического напряжения при наличии температурного градиента. В термопаре два разных термоэлектрода имеют разные термоэлектрические свойства, поэтому в измерительной цепи возникает результирующая термо-ЭДС, связанная с температурными условиями вдоль проводников.

Формулировка «термопара вырабатывает напряжение, пропорциональное температуре» является чрезмерным упрощением. Сигнал связан прежде всего с температурной разностью между измерительной и опорной областями, а зависимость термо-ЭДС от температуры в общем случае нелинейна.

От температуры до измерительного сигнала

Полная последовательность преобразования:

температура объекта → изменение температуры измерительного спая → изменение термо-ЭДС → измерение сигнала прибором → учет температуры холодного спая → преобразование в значение температуры.

Когда температура измерительного спая изменяется относительно опорной области, изменяется термо-ЭДС. Прибор измеряет этот сигнал и по характеристике выбранного типа термопары определяет температуру.

Поэтому одно значение напряжения нельзя корректно интерпретировать без знания типа термопары и опорной температуры.

Почему характеристика термопары нелинейна

Зависимость термо-ЭДС от температуры в общем случае нелинейна, а форма характеристики различается для разных сочетаний термоэлектродных материалов. Для стандартизованных типов применяются отдельные справочные функции и таблицы.

Измерительный прибор должен быть настроен на соответствующий тип термопары и использовать его характеристику для преобразования сигнала в температуру. Универсальная линейная формула для всех типов и всего диапазона измерения некорректна.

Компенсация холодного спая

Компенсация холодного спая нужна потому, что термо-ЭДС зависит не только от температуры измерительного спая, но и от температуры опорной области. Если температура в месте подключения изменяется и прибор ее не учитывает, возникает дополнительная ошибка в вычисленном значении температуры.

В современных приборах компенсация часто выполняется автоматически: температура области входных клемм измеряется дополнительным датчиком и учитывается при преобразовании термо-ЭДС. Конкретный способ зависит от прибора, а измерительный вход должен быть настроен на соответствующий тип термопары.

Измерительный прибор преобразует термо-ЭДС термопары в значение температуры с учетом температуры холодного спая.

Виды и типы термопар

Термопары классифицируют по разным признакам. Тип термопары определяется сочетанием термоэлектродных материалов и соответствующей температурно-ЭДС характеристикой. Конструктивное исполнение описывает устройство датчика, способ монтажа и защиту чувствительной части. Эти классификации не следует смешивать.

Типы по материалам термоэлектродов

К распространенным стандартизованным типам относятся K, J, T, E, N, R, S и B. Типы E, J, K, N и T относятся к термопарам из неблагородных металлов и сплавов, а B, R и S – к благороднометаллическим. Для этих восьми типов NIST приводит отдельные температурно-ЭДС справочные функции.

Справочные температурно-ЭДС функции для этих типов стандартизованы. Однако диапазон справочной функции нельзя автоматически считать допустимым рабочим диапазоном любого готового датчика соответствующего типа. Например, NIST приводит диапазоны именно для reference functions и отдельно отмечает, что практические возможности конкретной термопары зависят от типа и исполнения.

Рабочий диапазон конкретного изделия определяется одновременно типом термопары, конструкцией, диаметром и состоянием термоэлектродов, материалом оболочки или защитной арматуры, условиями среды, способом монтажа и документацией производителя.

Виды по конструктивному исполнению

По конструкции и способу установки можно выделить:

• погружные – чувствительная часть вводится в контролируемую среду или оборудование;
• поверхностные – предназначены для контроля температуры поверхности;
• кабельные – имеют конструкцию и выводную часть, соответствующие условиям монтажа;
• с защитной арматурой – чувствительная часть защищена от механического и другого воздействия среды;
• с клеммной головкой – внешнее подключение выполняется в головке датчика.

Один и тот же тип термопары может выпускаться в разных конструктивных исполнениях. Поэтому обозначение, например, типа K не определяет автоматически материал защитной арматуры, способ монтажа или допустимые условия эксплуатации.

Где применяются термопары

Термопары применяют для контроля температуры в технологических процессах и оборудовании, где нужен электрический сигнал для измерительного прибора или системы автоматизации и можно подобрать подходящее конструктивное исполнение датчика.

Основные задачи применения:

• промышленные печи и термическое оборудование – контроль температуры при нагреве и термообработке;
• технологические установки – измерение температуры оборудования, рабочих сред и процессов;
• трубопроводы и резервуары – контроль температуры среды в составе технологической системы;
• энергетическое оборудование – температурный контроль узлов и процессов;
• машиностроение – контроль нагрева оборудования, деталей и технологических операций;
• системы автоматического регулирования – передача информации о температуре регулятору, контроллеру или другому устройству управления.

Термопары особенно востребованы в задачах с высокими температурами и там, где требуется подобрать чувствительный элемент и защитную конструкцию под условия процесса. Пригодность конкретного изделия определяют по документации производителя, а не только по буквенному типу термопары.

Преимущества и ограничения термопар

Термопару нельзя универсально назвать более точной или менее точной, чем другие датчики температуры. Итоговые метрологические характеристики зависят от типа, допуска термоэлектродных материалов, конструкции, состояния датчика, условий эксплуатации и характеристик измерительного тракта.

Термопара и термосопротивление: в чем отличие

Термопара и термосопротивление применяются для измерения температуры, но основаны на разных физических принципах и требуют разного способа обработки электрического сигнала.

Выбор между технологиями зависит от диапазона температур, условий процесса, требований к точности и динамике, способа монтажа и возможностей измерительного оборудования. Подробный выбор датчика температуры лучше рассматривать в отдельном материале.

Подключение и проверка термопары

При подключении термопары имеют значение соответствие измерительного входа ее типу, правильная полярность, настройка прибора и применение подходящего компенсационного или удлинительного провода, если он предусмотрен для конкретной измерительной цепи. Подробнее читайте в статье «Подключение термопары: схемы и способы подключения».

Работоспособность термопары оценивают с учетом изменения выходного сигнала при изменении температуры и состояния всей измерительной цепи. Проверка только электрической целостности не подтверждает автоматически правильность температурного измерения.

Порядок диагностики следует вынести в отдельный материал «Проверка термопары мультиметром».