3.2. Датчики температуры. Термоэлектрические преобразователи (термопары)

Для измерения температуры широкое применение находят термоэлектрические преобразователи температуры.

Термопары относятся к генераторным типам датчиков, т. е. датчиков, которые в процессе измерения некоторой физической величины (например, температуры) вырабатывают (генерируют) ЭДС, функционально связанную с измеряемой температурой.

С конструктивной точки зрения, термопара представляет собой два электрода, спаянных в одной точке, изолированных друг от друга и помещенных в защитный корпус (металлический или керамический).

Различают три основных типа горячего спая термопар (рис. 1): с открытым контактом, изолированным незаземленным контактом, заземленным контактом.

Термопара Термопара с изолированным Термопара

с открытым контактом незаземленным контактом с заземленным контактом

Рис. 1.Типы горячего спая термопар

Термопары с открытым контактом имеют малую коррозионную стойкость и малую постоянную времени (обладают высоким быстродействием) и пригодны для измерения температуры жидкости и газа в потоке, а также температуры твердых тел. Два других типа термопар пригодны для измерений в агрессивных средах.

В зависимости от того, какой материал пошел на изготовление проводниковых термопар, они получают свое наименование.

Электроды термопар выполняют из разнородных материалов. Например, термопара хромель-алюмелевая (ТХА) – электроды выполнены из специальных сплавов: хромель (один электрод) и алюмель (второй электрод).

Наименования, типы и краткая характеристика наиболее распространенных термопар приведены в табл. 1.

Таблица 1

Характеристики современных термопар, выпускаемых отечественной промышленностью

Тип термопары	Обозна-чение МЭК	Буквен-ное обозна-чение НСХ	Пределы измеряемых температур, ºС			Максималь- ная погрешность
			ниж-ний	верх-ний	кратко-временно
Медь-константановая ТМКн	Cu-CuNi	T	-200	350	400	1 ºС или 0,75 % выше 0 ºС 1 ºС или 1,5 % ниже
Медь-копелевая ТХК	-	L	-200	600	800
Хромель- константановая ТХКн	NiCr-CuNi	E	-200	700	900	1,7 ºС или 0,5 % выше 0 ºС 1,7 ºС или 1 % ниже
Железо- константановая ТЖК	Fe-CuNi	J	-200	750	900	2,2 ºС или 0,75 %

Окончание таблицы 1

Тип термопары	Обозна-чение МЭК	Буквен-ное обозна-чение НСХ	Пределы измеряемых температур, ºС			Максимальная погрешность
			ниж-ний	верх-ний	кратко-временно
Хромель-алюмелевая ТХА	NiCr- -NiAl	K	-200	1200	1300	2,2 ºС или 0,75 % выше 0 ºС 2,2 ºС или 2 % ниже
Нихросил-нисиловая ТНН	NiCrSi-NiSi	N	-270	1200	1300	2,2 ºС или 0,75 % выше 0 ºС 2,2 ºС или 2 % ниже
Платинородий-платиновые ТПП 13, ТПП 10	-	R S	0	1300	1600	1,5 ºС или 0,25 %
Платинородий-платинородиевая	-	B	600	1700	-	0,5 % свыше +800 ºС
Вольфрамрений-вольфрамрениевые (А-1, А-2, А-3)	-	-	0	2200	2500	4,5 ºС до +425 ºС 1 % до +2320 ºС

Примечание. Указанные буквенные обозначения номинальной статической характеристики (НСХ) термопар соответствуют обозначениям стандарта МЭК 584-1, кроме термопары хромель - копель (L), не нормируемой данным стандартом.

Рассмотрим кратко принцип работы термоэлектрических преобразователей (термопар). Для корректного изложения этого вопроса дадим определение физической величины – температуры.

Температура – это физическая величина, количественно характеризующая меру средней кинетической энергии и теплового движения молекул какого-либо тела или вещества.

Из этого определения следует, что температуру как физическую величину непосредственно измерить невозможно. Ее (температуру) можно измерить только по ее проявлению при изменении других физических свойств тел или веществ. Например, изменение объема, давления, электрического сопротивления, термоЭДС, интенсивности излучения.

В настоящее время широко используют в практике измерения температуры две группы методов: контактные (термометрия) и бесконтактные (пирометрия).

Бесконтактные методы (пирометры различного принципа действий и различного назначения) применяют в основном для измерения очень высоких температур, 1500 ºС и выше. Например, температура агломерата на ленте агломерационной машины; температура в топке барабана сушилки и др. В работе рассматриваем контактные методы измерения.

Принцип действия термопар основан на явлении термоэлектричества. Явление термоэлектричества было открыто немецким ученым – физиком Т. Зеебеком (Т. Seebeck) в 1821 г. и состоит в следующем.

Если соединить два проводника (термоэлектрода) из разнородных металлов или сплавов таким образом, чтобы они образовали замкнутую электрическую цепь (рис. 2), а затем поддерживать места контактов (спаи) при различной температуре, то в цепи будет протекать постоянный ток.

Рис. 2. К пояснению эффекта Зеебека

Говорят, что термоэлектрод А положителен по отношению к В, если ток течет от А к В в более холодном из двух контактов. Электродвижущая сила, вызывающая этот ток, называется термоЭДС Зеебека и зависит только от материала термоэлектродов и разности температур спаев

Е = α ( Т₂ - Т₁ ),

где α – коэффициент пропорциональности (коэффициент Зеебека).

Таким образом, зная температуру одного спая (обычно ее поддерживают постоянной, например, равной 0 ºС) и, измеряя этот ток или напряжение, можно однозначно определить неизвестную температуру другого спая.

Возникновение термоЭДС объясняется диффузией имеющихся в металле свободных электронов из металла, где плотность свободных электронов больше, в металл, где плотность свободных электронов меньше. В месте соприкосновения двух разнородных металлов будет возникать электрическое поле, которое будет препятствовать этой диффузии. Когда скорость диффузионного перехода электронов станет равна скорости их обратного перехода под влиянием установившегося электрического поля, наступит состояние подвижного равновесия. При таком равновесии между металлами А и В возникает некоторая разность потенциалов. Допустим, что температура в местах спая проводников (рис. 3, а) в точках А и В различна.

а б в

1 t₀

t₀

t₀ t^/₀ t₁

А В A B

t^/₁

t

2 t₁

Рис. 3. К пояснению принципа действия термопар

Электроны из более нагретых частей проводников будут диффундировать с большей интенсивностью, чем в обратном направлении. В таком проводнике появляется термоЭДС и на концах его возникает разность потенциалов. С учетом сказанного, термоЭДС в цепи, изображенной на рис. 3, а будет:

Е_АВ(t, t₀) = e_AB(t) + e_BА(t₀), (1)

где Е_АВ(t, t₀) – суммарная термоЭДС, определяемая действием обоих факторов;

e_AB(t) и e_BА(t₀) – термоЭДС, обусловленные контактной разностью потенциалов и разностью температур концов проводников А и В.

Порядок индексов при е указывает, при переходе от какого проводника к какому учитывается ЭДС. Если температура спаев одинакова, то термоЭДС в цепи равна нулю, так как в обоих спаях возникают термоЭДС, равные по величине и направленные навстречу друг другу. Таким образом, при t = t₀ имеем

Е_АВ(t₀) = e_AB(t₀) + e_BА(t₀) = 0; (2)

e_BА(t₀) = - e_AB(t₀). (3)

Подставив (3) в (1), получим:

Е_АВ(t, t₀) = e_AB(t) - e_АВ(t₀) (4)

Из уравнения (4) видно, что термоЭДС в цепи представляет собой сложную функцию двух переменных t и t₀ , т.е. температур обоих спаев. Поддерживая температуру одного из спаев постоянной, t₀ = const, получим:

Е_АВ(t, t₀) = f(t) (5)

Выражение (5) показывает, что если для термопары экспериментально, т.е. путем градуировки, найдена зависимость между термоЭДС и температурой спая, измерение температуры сводится к решению обратной задачи: измеряя термоЭДС термопары, определяют по ней температуру в интересующем нас месте в объекте контроля. Для того, чтобы элемент, изображенный на рисунке 3, а мог быть использован для измерения температуры, в его цепь необходимо включить какой-либо измерительный прибор (гальванометр, прибор компенсационного типа). Для этих целей эту цепь разрывают, например, в одном из спаев или в одном из электродов (рис. 3, б, 3, в). Доказано, что, включение в цепь термопары третьего проводника с измерительным прибором на величину термоЭДС влияния не оказывает. Необходимо при этом соблюдать условие, чтобы температуры разведенных (свободных) концов t₀ и t^/₀^́ или t₁ и t^/₁^́ были равны.

Спаянный конец термопары, помещаемый в зону контроля, называют горячим или рабочим спаем. Свободные концы электродов термопары, находящиеся вне зоны контролируемой температуры, называются холодными концами термопары.

Зависимость термоЭДС е термопары от температуры горячего спая при температуре t₀ = 0 холодного спая называется статической характеристикой термопары.

Статическая характеристика термопары может быть получена по данным градуировочных таблиц и по таблицам величин термоЭДС.

Таблица 2

Статические характеристики промышленных термопар

Темпера- тура рабочего конца, 0С	Термо- ЭДС, мВ	Темпера- тура рабочего конца, 0С	Термо- ЭДС, мВ	Темпера- тура рабочего конца, 0С	Термо- ЭДС, мВ	Темпера- тура рабочего конца, 0С	Термо- ЭДС, мВ
Преобразователь типа ТХА, характеристика преобразования ХА (К) (диапазон температур от -200 до +1300 0С)
-200	-5,892	500	20,640	780	32,455	1060	43,585
-150	-4,914	520	21,493	800	33,277	1080	44,349
-100	-3,553	540	22,346	820	34,095	1100	45,108
-50	-1,889	560	23,198	840	34,909	1120	45,863
-0	0,000	580	24,050	860	35,718	1140	46,612
50	2,022	600	24,902	880	36,524	1160	47,356
100	4,095	620	25,751	900	37,325	1180	48,095
150	6,136	640	26,599	920	38,122	1200	48,828
200	8,137	660	27,445	940	38,915	1220	49,555
250	10,151	680	28,288	960	39,703	1240	50,276
300	12,207	700	29,128	980	40,488	1260	50,990
350	14,292	720	29,965	1000	41,269	1280	51,697
400	16,395	740	30,799	1020	42,045	1300	52,398
450	18,513	760	31,629	1040	42,817	-	-

Окончание табл. 2

Темпера- тура рабочего конца, 0С	Термо- ЭДС, мВ		Темпера- тура рабочего конца, 0С			Термо- ЭДС, мВ	Темпера- тура рабочего конца, 0С			Термо- ЭДС, мВ	Темпера- тура рабочего конца, 0С			Термо- ЭДС, мВ
Преобразователь типа ТХК, характеристика преобразования ХК (L) (диапазон температур от -200 до +800 0С)
-200		-9,488		60	3,989			320	24,518			580	47,339
-190		-9,202		70	4,689			330	25,380			590	48,216
-180		-8,894		80	5,398			340	26,244			600	49,094
-170		-8,502		90	6,116			350	27,111			610	49,971
-160		-8,207		100	6,842			360	27,981			620	50,847
-150		-7,831		110	7,576			380	28,853			630	51,724
-140		-7,433		120	8,318			390	30,604			640	52,600
-130		-7,014		130	9,069			400	31,482			650	53,477
-120		-6,575		140	9,826			410	32,361			660	54,353
-110		-6,117		150	10,591			420	33,241			670	55,229
-90		-5,146		160	11,363			430	34,122			680	56,106
-80		-4,634		170	12,142			440	35,004			690	56,981
-70		-4,106		180	12,928			450	35,886			700	57,857
-60		-3,502		190	13,720			460	36,769			710	58,732
-50		-3,003		200	14,519			470	37,652			720	59,606
-40		-2,429		210	15,323			480	38,534			730	60,478
-30		-1,841		220	16,134			490	39,417			740	61,348
-20		-1,240		230	16,950			500	40,299			750	62,215
-10		-0,626		240	17,772			510	41,181			760	63,079
0		0		250	18,599			520	42,062			770	63,937
10		0,638		260	19,431			530	42,943			780	64,789
20		1,287		270	20,268			540	43,823			790	65,634
30		1,947		280	21,110			550	44,703			800	66,469
40		2,618		300	22,806			560	45,582			-	-
50		3,299		310	23,661			570	46,461			-	-

В табл. 3 приведены наиболее распространенные варианты конструктивного исполнения термопар и области их применения.

Таблица 3 Основные варианты конструктивного исполнения термопар		В металлическом корпусе с встроен-ными клеммами, для установки в гильзу	До 1150 0С	Высокая корро-зионная стойкость в промышленных условиях, возмож-ность установки в гильзу	Измерение в тяже-лых промышленных условиях, исполь-зование с гильзами различных типов
		Изолированная в керамической оболочке	До 1100 0С	Гибкая конструк-ция, стойкость к истиранию, рабо-та при высоких температурах	Печи,, термошкафы, станкостроение
		Изолированная на самоклеющейся основе	От – 60 0С до + 175 0С	Малая постоянная вре-мени, малая тепловая инерция, удобная самоклеящаяся основа	Измерение температуры поверхностей, легко сни-мается и устанавливается
		Изолированная с открытым контактом	До 500 0С	Ограниченная длина проводов для уменьшения ошибок, малая постоянная времени	Измерение темпера-тур газов и поверх-ностей. Изоляцион-ная оболочка из тефлона или стекла обеспечивает хим-ииическую и терми-ческую стойкость
		Неизолированная тонкопроволочная с открытым контактом	До 2300 0С	Малые размеры, малая постоянная времени, возможность точечного измерения, не отводит тепло от измеряемого объекта	Биофизика, медицина, криогенная техника, из-мерение быстро изме-няяющихся температур. Не подходит для ис-пользования в жид-костях и агрессивных средах
		Конструкция термопары	Допустимая рабочая температура	Основные достоинства	Приложения