Термопары являются чрезвычайно полезными и широко распространенными инструментами измерения температуры, которые обычно используются в широком спектре научных, промышленных и инженерных сред. Их небольшой размер и быстрое время отклика означают, что их можно использовать в любых опасных и сложных условиях, обеспечивая при этом возможность быстро и точно измерять экстремальные температуры (в диапазоне от 270 до 2500 градусов Цельсия, в зависимости от их типа).
Несмотря на эти впечатляющие возможности, на самом деле термопары - относительно простые инструменты, которые одновременно очень надежны и чрезвычайно экономичны. Различные типы термопар, обычно обозначаемые такими буквами, как J, K, L, N или T, обладают разными крайностями этих ключевых характеристик: некоторые из них разработаны с использованием определенных материалов, способных выдерживать самые высокие температуры и самые сложные условия эксплуатации, в то время как другие менее прочны, дешевле в производстве и предназначены для использования в менее экстремальных условиях. В этой статье мы более подробно рассмотрим различные виды термопар, доступных на современном рынке, и обсудим некоторые из их потенциальных применений.
Что делает термопара?
Как отмечалось выше, термопара — это сенсорный инструмент, который в основном предназначен для измерения неизвестных температур различных физических тел, компонентов или веществ.
Важно отметить, что термопара состоит как минимум из двух проводов из разных металлов, которые при соединении вместе образуют цепь, создавая два отдельных электрических перехода. Один спай расположен там, где необходимо измерить неизвестную температуру («горячий» или измерительный спай), а другой соединен с телом с известной и стабильной температурой («холодный» или эталонный спай).
Разница температур между этими двумя переходами в любой момент времени создает напряжение внутри цепи, и последующий ток можно использовать для измерения температуры в неизвестной или «горячей» точке контакта.
Как работает термопара?
Термопара работает, что, возможно, и неудивительно, на основе термоэлектриков: как отмечалось выше, при изменении температуры горячего спая относительно холодного спая создается изменение напряжения в замкнутой цепи, состоящей из разнородных металлических проводов.
Для очень простого представления этого принципа в действии представьте себе, что вы держите цельную сковороду над газовой горелкой. Хотя довольно быстро станет очевидно, что тепло распространяется вверх по ручке к холодному концу вашей руки, менее очевидно то, что электричество также совершает тот же путь. Это происходит именно из-за разницы в уровнях тепла в двух «переходах» цепи: ток создается электродвижущими силами, создаваемыми разницей температур между каждым спаем, и термопара использует подключенный вольтметр для измерения этого тока. При условии, что термопара уже знает стабильную начальную температуру на холодном конце, термопара может использовать эти показания напряжения для расчета точных показаний температуры на горячем спае.
Стоит также отметить, что если температура на обоих переходах одинакова, электродвижущие силы, генерируемые на каждом переходе, по существу нейтрализуют друг друга - и в результате чистый ток, протекающий через переход, будет равен нулю.
Что такое эффект Зеебека?
Проще говоря, изложенный выше принцип известен как эффект Зеебека, в честь физика Томаса Иоганна Зеебека. Он был первым, кто обнаружил, что соединение двух разных металлов в двух соединениях с разной температурой создает электродвижущую силу, и что эта сила будет разной в зависимости от конкретной комбинации рассматриваемых металлов.
Результаты Зеебека были дополнительно уточнены по крайней мере двумя другими физиками, в том числе Пельтье и Томсоном, до такой степени, что точное значение напряжения, зарегистрированное в цепи из различных металлов, впоследствии могло быть использовано - с применением строгих научных формул - для интерпретации ранее неизвестного значения температуры.
Таким образом, работа современной термопары основана на сочетании как минимум трех наблюдений физиков, все из которых изначально возникли в результате открытия эффекта Зеебека.
Как выглядит термопара?
Физически термопары могут сильно отличаться друг от друга, в зависимости от предполагаемого применения и рабочей среды. Но, как видно на примере схемы термопары выше, все они основаны на одних и тех же основных принципах и системах:
-
Два или более разнородных провода термопары образуют (по крайней мере) два спая внутри цепи, в одном из которых всегда поддерживается постоянная и стабильная температура - обычно ниже, но иногда и выше, чем температура на измерительном («горячем») спае.
-
Вольтметр, подключенный к цепи, считывает ток, создаваемый электродвижущими силами в результате разницы температур, и затем его можно использовать для точного определения температуры на измерительном спае.
Типы термопар
Как отмечалось ранее, на современном рынке доступны различные типы термопар, все из которых предназначены для различных сценариев применения или экологических проблем, и, в частности, для разных температурных диапазонов. Обычно они различаются буквами: наиболее распространенными марками термопар являются J, K, L, N и T.
Каждая из этих букв обычно обозначает различную комбинацию металлов, используемых в соединениях цепи термопары. Это окажет прямое влияние на температурную чувствительность и безопасный рабочий диапазон устройства в целом.
В этом разделе статьи мы рассмотрим некоторые из этих различных типов и конфигураций термопар, чтобы увидеть, в каких средах и температурных диапазонах они обычно могут использоваться.
Термопары типа К
Наиболее часто используемый тип во многих отраслях и секторах. Устройства типа K изготавливаются из комбинации проволок на основе никеля (обычно хромель/алюмель), что позволяет получить особенно экономичную термопару, которая имеет тенденцию быть точной и надежной в широком диапазоне рабочих температур.
Термопары типа К обычно используются в диапазоне от -200 до +1260 градусов Цельсия и считаются температурными с точностью до стандартного отклонения ±0,75%.
Термопары типа K имеют широкий спектр потенциального применения благодаря тому, что они изготовлены на основе никеля, что означает, что их провода способны работать в особенно широком диапазоне температур и, как правило, демонстрируют надежную устойчивость к коррозии и окислению.
Провод термопары в спецификациях типа K обычно включает положительную часть, состоящую примерно из 90% никеля, 10% хрома, и отрицательную часть, состоящую примерно из 95% никеля, 2% алюминия, 2% марганца и 1% кремния.
Термопары J-типа
Это еще один широко используемый сорт, хотя они, как правило, имеют более узкий температурный диапазон (от -40 до +750 по Цельсию), чем типы K, и имеют более короткий общий срок службы, если регулярно подвергаются чрезмерному воздействию тепла. Положительная часть блока типа J изготовлена из железной проволоки, а отрицательная – из медно-никелевого (константанового) сплава.
Это одна из наименее дорогих разновидностей термопар, которая считается универсальной, особенно хорошо подходит для использования в восстановительной (неокислительной) атмосфере и вакууме, а также идеально подходит для снятия показаний со многих старых типов оборудования, а также с инертных материалов. Однако железные компоненты в устройствах J-типа очень чувствительны к окислению, и их не следует использовать в ситуациях, когда они подвергаются риску воздействия любого рода влаги.
Термопары N-типа
Состоят из проволок, изготовленных из сплавов никросил-нисил (никель, хром и кремний), и обладают многими свойствами, аналогичными свойствам термопар типа К, с рабочими температурами в диапазоне от -270 до +1300 градусов Цельсия.
Однако они немного дороже, чем разновидности K, из-за их более поздней разработки, направленной на преодоление определенных проблем с типами K в определенных средах - в частности, тип N обеспечивает лучшую всестороннюю стабильность в ядерных приложениях и проявляет меньшую восприимчивость к окислению, чем сорта К, при более экстремальных требованиях к жаре.
Термопары Т-типа
Диапазон температур варьируется от -200 до +350 по Цельсию, и он известен своей особенно стабильной конфигурацией термопары, состоящей из проволок из медно-константанового сплава. Это делает его идеально подходящим для различных криогенных и других экстремально низких температур, включая широкий спектр лабораторных и аналогичных условий глубокой заморозки. Он также хорошо работает в окислительной атмосфере и часто используется для дифференциальных измерений из-за того, что только медные провода имеют прямой контакт с датчиками.
Для чего используются термопары?
Как мы уже говорили ранее, термопары различных типов и конфигураций очень широко используются в огромном количестве повседневных бытовых и профессиональных применений, включая бытовую технику, промышленное оборудование, автомобильные механизмы, лабораторные установки и многое другое.
Примеры могут включать, например:
-
Термопары для термостатов
Термостаты во многих устройствах очень часто включают термопары в качестве ключевых компонентов для их правильного и эффективного функционирования. Часто возникает некоторая путаница в отношении точных различий между одним и другим из-за их частой близости, тесно связанных (но различных) функций и схожих названий. Чтобы избежать этой путаницы, нужно помнить, что термопара — это датчик температуры и существует для получения показаний. С другой стороны, термостат — это часть устройства, которая фактически автоматически включает и выключает устройства на основе этих показаний. Таким образом, термопара часто является компонентом, используемым в термостате, показания которого запускают термостат для выполнения действия включения/выключения. -
Термопары для медицинских термометров
В больничных термометрах и других медицинских приборах для обнаружения, диагностики и лечения часто используется термопара. Они часто имеют специализированную или миниатюрную версию, предназначенную для более быстрого и точного измерения температуры как пациентов, так и критически важных машин и процессов. Приложения могут включать в себя что угодно: от кожных датчиков и подкожного введения до обнаружения опухолей и исследований ДНК, измерения потока, связанного с температурой, и катетерных зондов. Многие типы медицинских термометров основаны на технологиях термопар для чрезвычайно точного измерения с использованием очень тонких проводов. -
Термопары для диагностики автомобилей
Термопары широко используются в автомобильной и аэрокосмической промышленности, помогая контролировать и управлять широким диапазоном важных температур, охватывая все: от диагностики до улучшения характеристик двигателя и безопасности транспортных средств. Данные, считываемые термопарами двигателя и другими автомобильными датчиками, можно использовать для мониторинга и корректировки таких факторов, как показания выхлопных газов, работа головки блока цилиндров и свечей зажигания, характеристики дисковых тормозов, состояние аккумулятора и изменения внешней среды. -
Термопары для котлов, датчиков отопления и духовок
Термопары для котлов, систем горячего водоснабжения, датчиков отопления и духовок работают почти так же, как и термостат, как описано выше. Газовые разновидности этих приборов, в частности, часто включают термопары в качестве средств безопасности, предотвращающих открытие газовых клапанов, если тепло от зажженной контрольной лампы не создает необходимое напряжение в цепи термопары. В котлах и системах горячего водоснабжения термопары часто называют синонимами термисторов, хотя это не совсем точно. Хотя оба они используются для измерения температуры, термистор — это немного другой компонент, который работает по основному принципу, согласно которому электрическое сопротивление внутри материалов изменяется при повышении и понижении температуры. В отличие от термопары, термистор котла фактически не генерирует напряжение. -
Термопары для пищевых термометров, промышленных зондов и датчиков
Пищевые термометры очень часто используют технологию термопар, обеспечивающую очень быстрое и точное измерение температуры как на этапах производства и подготовки пищевых ингредиентов, так и цельных блюд. В отличие от традиционного термометра для общественного питания, термопары не предназначены для того, чтобы оставлять их в пище во время ее приготовления. Быстрое время отклика термопары, скажем, в цифровом пищевом термометре, означает, что ее можно использовать для быстрого и точного измерения точных температур в нескольких местах на более крупных продуктах, таких как мясо и птица, без необходимости ждать, пока сам термометр зарегистрирует данные.
Кроме того, тот факт, что технология может быть уменьшена до очень маленьких и точных проводных соединений, также позволяет получать точные показания на более тонких или более деликатных предметах, которые не выдерживают стандартного пищевого термометра более толстого калибра.
Те же принципы применимы к целому ряду датчиков и зондов промышленного класса, используемых во многих различных видах производства и других производственных процессах, критичных к температуре. Многие из этих термопар, предназначенных для заводских, механических или лабораторных применений, также будут включать в себя такие функции, как магнитные зонды и более надежные термодатчики, чтобы хорошо работать в гораздо более сложных условиях, чем обычно требуется для большинства бытовых применений.
Как и в случае со всеми типами датчиков и преобразователей, лучший выбор термопары для конкретных нужд поставленной вами задачи будет во многом зависеть от разнообразия доступных форматов, материалов, конфигураций и связанных с ними затрат на термопары, доступных на сегодняшнем рынке. Если вам нужна термопара или у вас есть вопросы – звоните нам по телефону или оставляйте свои контакты в форме заказа.
