Термопара — принцип работы

Температура является главной и одной из основных физических величин в автоматике. Для ее измерения в промышленных условиях используется, как правило, термопары и резистивные датчики температуры.

Измерительный диапазон, точность и эксплуатация этих датчиков температуры существенно отличаются, поэтому при выборе следует руководствоваться, главным образом, областью применения и диапазоном измеряемых температур.

В данной статье описан принцип работы термопары и детали, касающиеся измерения температуры с их помощью.

Термопара — описание

Термопара — это наиболее часто используемый датчики для измерения температуры. Ее используют в промышленности, лабораториях, на транспорте. Термопара используется в очень многих системах сбора данных, в многоканальных устройствах, в системах мониторинга данных и управления промышленными процессами.

Несмотря на ее широкое распространение, принцип работы термопары, на первый взгляд кажется менее понятным, чем работа иных датчиков температуры. Существует множество различных видов термопар и для получения с их помощью точных результатов измерения необходим правильный подбор пар металлов, устранения существующих ограничений и соответствующая обработка измерительных данных.

Преимущества термопары

Термопары имеют много преимуществ по сравнению с другими типами температурных датчиков. Основное преимущество — термопара не дорогая, хотя защитное покрытие, соединительные провода и разъемы могут существенно повлиять на общую стоимость измерительной системы, особенно, когда измеряемая среда является экстремальной.

Термопары являются также устройствами, механически простыми, прочными и надежными. Свойства типичных металлов, используемых в термопарах, дают предсказуемое выходное напряжения. Это позволяет использовать термопары во многих устройствах, в том числе в химически агрессивных средах.

Физическая конструкция термопары проста – все, что нужно для ее изготовления, — это скрученные вместе и спаянные провода соответствующих сплавов.

Промышленные термопары изготавливаются с помощью сварки, скручивания или пайки. Термопары покрывают широкий диапазон измеряемых температур: от -100°C и до 2500°C. Типичная точность измерения составляет ±1-2°C, что превышает требуемую точность в большинстве промышленных процессов.

Недостатки термопар

Несмотря на то, что термопары имеют относительно мало недостатков, но они значительно влияют на их применение и на оборудование, которое необходимо для их работы. К недостаткам следует отнести то, что выходное напряжение термопары составляет порядка нескольких микровольт на градус Цельсия, и что эти элементы, как правило, размещены вдали от устройств сбора и обработки данных.

Чтобы компенсировать влияние этих негативных факторов используют дифференциальный режим измерений, схемы с высоким коэффициентом усиления, фильтрацию и другие методы улучшения качества сигнала, призванные получить максимальный сигнал и минимальный шум.

И все это приводит к тому, что получается низкая скорость измерений, как правило, нескольких сотен замеров в секунду. Кроме того, выход с термопары является нелинейным, поэтому в оборудование или программное обеспечение, должна быть использована функция линеаризации, применяемая для преобразования напряжения термопары в значения температуры. Это касается в основном бытовых программ, так как коммерческая программа обычно включает в себя процедуры линеаризации.

Принцип действия термопары

В начале XIX века немецкий физик Томас Иоганн Зее

бек, обнаружил, что контакт между двумя металлами генерирует напряжение, являющееся функцией температуры.

Термопара — это практическое применение явления Зеебека. Это датчик температуры, состоящий из двух проволок разных металлов, соединенных вместе с одного конца. Эти металлы на рисунке 1 обозначены как „линия 1” и „линия 2” образуют контакты J1 и J4.

Рис. 1. Принцип действия термопары

Исторически сложилось так, что результат измерения температуры сопоставлялось с температурой второй термопары, предназначенной для измерения известной эталонной температуры. Самым простым и наиболее точным способом получения эталонной температуры было погружение стыка термопары в ледяную ванну, что стало причиной присвоения ему имени „холодный спай”.

Величина генерируемого таким образом, напряжения теперь зависит от разницы температур между контактами J1 и J4, а также от типов металлов, используемых в линии 1 и линии 2.

Этот результат можно описать следующим уравнением:

V=α(T неизвестная — T эталонная) , где α-коэффициент Зеебека.

Различные термопары имеют разные коэффициенты, значения которых указывается на каждой термопаре. При такой конфигурации достаточно только измерить напряжение, затем найти соответствующую ему температуру, в таблице для данного сплава 1/сплава 2 термопары в зависимости от температуры 0°C.

Обратите внимание, что подключение термопары к вольтметру создает дополнительные потенциально нежелательные контакты J2 и J3. В результате эти контакты также являются термопарой, но они имеют похожий состав и противоположную полярность.

Если температура контактов J2 и J3 одинакова (условие, которое может быть достигнуто довольно легко с помощью соответствующей проектировки оборудования), то эти контакты не будут влиять на измерение.

Таким образом, мы получили базовую модель, которая может быть использована для разработки более сложной системы работы термопары.