Термоэлектрические преобразователи (термопары)

Термоэлектрические преобразователи (термопары) используются для измерения температуры в самых различных областях.

В основе работы ТП лежит термоэлектрический эффект, суть которого заключается в следующем. Если два проводника из различных металлов соединены в замкнутую цепь, и температура одного спая отличается от температуры другого, то возникает термоЭДС Е_т и в цепи протекает ток. Значение термоЭДС зависит от разности температур спаев и характеристик материалов проводников. Если разъединить один из спаев и в разрыв включить вольтметр V, то его показания будут определяться разницей температур (θ₁ – θ₂) (рис. 8.5, а).

Диапазон температур, измеряемых с помощью ТП: от – 200 до +2000 °С. Измерители на основе ТП отличаются высокой точностью, хорошей повторяемостью характеристики преобразования, малой инерционностью. Обычный диапазон выходных напряжений составляет 0...50 мВ (в зависимости от используемых в ТП материалов), типичный температурный коэффициент преобразования (чувствительность ТП) лежит в диапазоне 10... 50 мкВ/°С.

Зависимость термоЭДС от разности температур спаев нелинейна, но для небольших диапазонов температур, при невысоких требованиях к точности ее можно считать линейной. Тогда значение термоЭДС термопары E_т определяется следующим образом:

Е_т = S_т(θ₁ – θ₂),

где S_т – чувствительность ТП (коэффициент преобразования); θ₁ –температура рабочего спая; θ₂ – температура свободных концов.

Рис. 8.5. Термоэлектрические преобразователи: а – возникновение термоЭДС;

б – термобатарея; в – дифференциальная термопара

Для обеспечения однозначной зависимости термоЭДС от температуры θ₁, необходимо поддерживать постоянной и известной температуру θ₂. Обычно это 0 или +20 °С. Таким образом, зная значение S_т и измерив значение термоЭДС термопары, можно определить температуру θ₁. Для работы в широком диапазоне температур необходимо пользоваться более точными выражениями – полиномиальными аппроксимациями нелинейной зависимости Е_т от разности температур. В современных цифровых термометрах применяется автоматическая линеаризация характеристик преобразования ТП. Вместо поддержания постоянной температуры θ₂, как правило, применяется автоматическая компенсация влияния температуры окружающей среды на свободные концы ТП.

Для повышения чувствительности иногда объединяют последовательно несколько термопар в термобатарею (рис. 8.5, б). При этом рабочие концы всех термопар находятся при температуре исследуемого объекта θ₁ а свободные – при постоянной (или известной) температуре θ₂. Суммарная выходная термоЭДС будет равна сумме термоЭДС отдельных термопар.

Для нахождения разности температур двух объектов применяются дифференциальные термопары, которые состоят из двух встречно включенных термопар ТП (рис. 8.5, в). Рабочие концы ТП имеют разные температуры (θ_А и θ_Б), а свободные – одинаковую θ₂. В результате выходное напряжение пропорционально разности температур.

В соответствии с общепринятой международной классификацией термопары разделяются на несколько типов в зависимости от применяемых материалов и характеристик. Характеристики некоторых основных типов ТП приведены в табл. 8.1.

Таблица 2 – Основные характеристики некоторых типов термопар

При практическом применении термопары (ТП), как правило, подключаются к вторичным измерительным преобразователям, осуществляющим усиление сигнала, подавление помех, компенсацию влияния изменений температуры свободных концов, а в ряде случаев и индикацию температуры.