Термопары и кто такой Томас Зеебек ?

09.11.2020

Термопара – это самый востребованный в промышленной сфере контроллер температуры. Действие данного изделия основывается на эффекте, описанном Томасом Зеебеком почти 200 лет назад. Этот эффект можно описать следующими словами: «Если материал гомогенного типа, имеющий свободные заряды, обладает различной температурой на измерительных выходах, то между этими выходами наблюдается разность потенциалов».

Однако, для многих людей понятным является иное определение данного эффекта – появление тока в цепи замкнутого вида, состоящей из пары разнородных проводников в случае присутствия градиента температурных значений между контактами. Последнее правило вытекает из первого и позволяет объяснять принцип действия и конструктивные особенности термопары. Вместе с тем, именно первое правило является ключом к пониманию принципа появления ТЭДС не в зоне спайки, а на всей поверхности термоэлектрода. Этот факт является невероятно важным для понимания существующих ограничений относительно точности, которые накладываются самым термоэлектричеством.

Какие ключевые достоинства термопар? 

Данные температурные датчики обладают следующими преимуществами:

- легкостью производства, прочной и надежной конструкцией,

- широчайшим диапазоном температур работы (считаются наиболее высокотемпературными среди всех датчиков контактного исполнения),

- возможностью простого заземления спая термопары либо проведения прямого контакта с предметом измерения.

Если ли минусы у устройств измерения температуры?

Среди основных минусов термопар можно выделить следующие факторы:

- необходимость контролирования температурных показателей на холодных спаях. Нынешние системы измеряющих устройств, в которых есть термопары, отличаются использованием принципа измерения температур элемента холодного спая при помощи специального термистора либо полупроводникового сенсорного элемента. Далее происходит корректирование значений, полученных ТЭДС (в автоматическом режиме),

- появление термоэлектрических неоднородностей внутри проводящих компонентов. Состав сплава может видоизменяться из-за коррозийного воздействия и иных химпроцессов. Из-за этого происходит изменение градуировочных показателей. Электроды создаются из материалов, которые не могут похвастаться химической инертностью. Если корпуса термопар будут недостаточно герметичными, то электроды смогут страдать от воздействия агрессивных факторов. На значительной протяженности удлиненных и термопарных проводов может наблюдаться эффект под названием «антенна», который касается присутствующего электромагнитного поля,

- нелинейная зависимость ТЭДС от показателей температур. Данный факт может создавать определенные проблемы во время эксплуатации дополнительных преобразователей сигналов,

- необходимость обеспечения электрической изоляции преобразователей сигналов для недопущения опасностей появления утечек в землю. Рабочие элементы нужно заземлять, когда есть строгие требования, предъявляемые к периоду термической инерции изделия.  

Какие особенности присутствуют у термопар?

Рассматриваемые устройства создаются в соответствии с ГОСТом Р 8.585-2001. Самыми высокоточными являются устройства в основе которых находятся металлы благородного вида:

- платинородий-платиновая разновидность, ПП,

- платинородий-платинородиевый вид, ПР.

Из достоинств данных вариаций стоит выделить значительно меньшую термоэлектрическую неоднородность (если сравнивать с аналогами, производимыми из обычных металлических сплавов). Кроме этого, они отличаются устойчивостью к окислительным воздействиям. Благодаря этой особенности устройства получаются высокостабильными.

Если говорить о положительных свойствах термопар ПР, то здесь тоже стоит выделить получение фактически нулевого выходного сигнала при температурах менее 50 °С. Из-за этого наблюдается отсутствие необходимости термостатирования холодных спаев. Из минусов нужно отметить немалую цену изделий и небольшую чувствительность.

Несмотря на то, что изделия из платинородиевого спала характеризуются большей стабильностью и точностью нежели аналоги из обычных металлов, у них минимальные показатели неопределенности результатов измерений температур до 1100 °С равняются 0,2-0,3 °С. Нестабильность изделий контроля обусловлена загрязнениями, окислениями и испарениями материала электрода. При достижении температур 500-900 °С может формироваться стабильный окисел родия. Из-за недостатка родия меняется состав платино-родиевых термоэлектродов. Этот факт провоцирует изменение зависимости ЭДС от показателей температур, а также появление термоэлектрической неоднородности.

Не так давно иностранные специалисты спроектировали и исследовали термопары, создаваемые из металлов чистого типа. Они создали платино-палладиевые и платино-золотые контроллеры температуры. Исследования показали, что такие устройства отличаются лучшими показателями точности и стабильности (если сравнивать их с платинородий-платиновыми аналогами).

В настоящий период времени термопары, изготавливаемые из неблагородных сплавов, являются востребованными в самых различных сферах промышленности. 

Данные устройства отличаются:

- недорогой стоимостью,

- легкостью эксплуатации,

- устойчивостью к вибрационным воздействиям,

- возможностью создания во взрывозащищенных разновидностей.

Очень удобными в применении считаются термопары кабельного исполнения. Электроды данных устройств располагаются в особом герметичном кабеле (является гибким), который помещен в минеральную изоляцию. Подобное конструктивное исполнение позволяет располагать контроллер в любых элементах механизмов. К достоинствам данных термопар можно отнести их высокую чувствительность. Из минусов можно выделить возможность появления термоэлектрической неоднородности в области наибольшего градиента температурных значений. Это может спровоцировать ошибки в измерениях, превышающие 5 °С. Ввиду этого недостатка возможность периодических проверок изделий в лабораториях приобретает сомнительный вид. Устройства, производимые из неблагородных металлических сплавов, должны проверяться в зоне их работы на объекте. Самые минимальные показатели термоэлеткрической неоднородности характерны для термопар типа N (нихросил/нисил).

Вольфрам-рениевые разновидности термопар используются для измерений температур до 2500 °С. К особенностям применения данных устройств можно отнести необходимость избавления от окислительного воздействия, которое разрушает проволоку. Конструктивное исполнение данных контроллеров предполагает использование специальных герметичных конструкций чехлов, которые имеют внутри инертный газ. Помимо этого, устройства могут дополняться молибденовыми и танталовыми чехлами с изоляционным слоем из оксида магния и оксида бериллия. Стоит выделить важную сферу использования рассматриваемых приборов – ядерную энергетику. Компенсационные, а также удлинительные провода работают вместе с контроллерами температур. Благодаря проводам сигнал может передаваться на большое расстояние к измерительному устройству. При этом потери точности являются минимальными. Данные провода создаются из тех же материалов, что и рабочие термоэлектроды. Однако к материалам проводов предъявляются не настолько высокие требования в отношении качества. Кабеля компенсационного типа производятся из иных сплавов (нежели электроды). Они предназначаются для термопар, создаваемых из благородных металлических сплавов. Если говорить о термопарах ПР, то в качестве компенсационной проволоки их могут дополнять медные кабеля.  

При выборе термопар необходимо, прежде всего, ориентироваться на сферу применения заказываемых устройств и условия их работы. Каждое отдельное устройство предназначается для эксплуатации в заданных температурных режимах. При выходе из данных границ, температурные контроллеры не только не будут правильно выполнять свою основную функцию, но и смогут выйти из строя. Подбирая подходящее устройство для измерения и контроля температуры, стоит обращать внимание и на точность его показаний. Естественно, что изделия с высокой точностью будут стоить значительно больше, нежели менее точные аналоги. Также имеет значение тип материала, температура которого будет измеряться. Если измерения будут выполняться в атмосферах с повышенными внешними воздействиями, то необходимо отдавать предпочтение изделиям с защищенными электродами.