Термопары представляют собой устройства, используемые для измерения температуры, основанные на принципе термоэлектрического эффекта. Это одни из самых распространённых датчиков температуры, которые находят широкое применение в самых разных областях, от промышленности до лабораторий. В этой статье рассмотрим, что такое термопара, как она работает, её подключение, а также области применения.

Что такое термопара?

Термопара — это датчик, состоящий из двух проводников, сделанных из разных металлов или сплавов, которые соединены в одной точке, называемой «контактной» или «точкой измерения». Когда температура изменяется, в месте соединения этих проводников возникает термоэлектрический потенциал (или ЭДС), который может быть измерен и преобразован в температуру.

Суть работы термопары заключается в том, что два различных материала, соединённые в одной точке, создают разницу потенциалов, пропорциональную температуре. Эти материалы имеют разные термоэлектрические свойства, и изменение температуры приводит к изменению напряжения в проводниках, что и позволяет измерять температуру.

Важно отметить, что термопары являются пассивными датчиками: они не требуют внешнего источника питания для своей работы, а лишь используют разницу температур для создания ЭДС.

Принцип действия термопары

Принцип работы термопары основывается на термоэлектрическом эффекте, который был открыт в XIX веке физиками Томасом Севериным и Иоганном Вильгельмом Гёлем. Основной идеей этого эффекта является то, что два разных материала, соединённые в одной точке, образуют электрическое напряжение при изменении температуры.

В термопаре есть два проводника: один называется «горячим», а другой — «холодным». Когда горячий конец термопары подвергается воздействию тепла (или повышенной температуры), возникает потенциал между горячим и холодным концами, который зависит от разницы температур. Этот потенциал и служит измеряемым сигналом. Напряжение, которое возникает в термопаре, пропорционально разнице температур на её концах.

Этот эффект реализуется благодаря тому, что металлы и сплавы имеют разные электрохимические свойства, которые изменяются с температурой. Таким образом, электрический сигнал, возникающий в термопаре, зависит от температуры в месте её соединения.

Термопары могут быть изготовлены из разных материалов, что даёт возможность создавать датчики, подходящие для различных температурных диапазонов.

Типы термопар

Существует множество типов термопар, которые классифицируются в зависимости от материалов, из которых они изготовлены. Наиболее распространённые из них включают:

• Тип K (никель-хром/никель-алюминий). Это одна из самых популярных и универсальных термопар, которая может работать в широком диапазоне температур от -200 до +1372 градусов Цельсия.
• Тип J (железо/медь-никель). Этот тип термопары используется в меньших диапазонах температур и подходит для измерений от -40 до +750 градусов Цельсия.
• Тип T (медь/медь-никель). Эти термопары идеально подходят для измерений в низких температурах (от -200 до +350 градусов Цельсия).
• Тип S (платина/платина-родий). Это термопары, предназначенные для высокоточных измерений на высоких температурах, они могут работать до 1600 градусов Цельсия.

Каждый тип термопары обладает своими уникальными характеристиками, которые делают его подходящим для конкретных условий эксплуатации.

Как подключаются термопары?

Подключение термопары обычно не вызывает особых сложностей, однако важно понимать, что существует несколько факторов, которые необходимо учитывать при подключении и использовании этих устройств.

1. Место подключения. Термопара должна быть подключена таким образом, чтобы измерять температуру в нужной точке. Один конец соединяется с объектом, температуру которого нужно измерить, а другой конец (холодный) обычно подключается к измерительному прибору, который будет интерпретировать напряжение и преобразовывать его в температуру.
2. Использование компенсированного проводника. Один из принципиальных моментов заключается в том, что «холодный» конец термопары, соединённый с измерительным прибором, также должен быть правильно компенсирован. Обычно для этого используют компенсированные проводники, чтобы компенсировать температурное влияние на проводники, соединяющие термопару и прибор.
3. Термический контакт. Для точности измерений важно, чтобы места контакта термопары с объектом измерения и прибором были надёжно зафиксированы и обеспечивали хороший теплопередачу.
4. Использование преобразователя. В случае с промышленными системами термопара часто подключается к преобразователю, который преобразует малое напряжение термопары в цифровое значение, понятное для контроллера или компьютера.

Применение термопар

Термопары нашли своё применение в самых различных областях и отраслях благодаря своей надёжности, долговечности и способности работать в экстремальных условиях. Рассмотрим несколько примеров их использования.

Применение в промышленности

Термопары активно используются в различных промышленных процессах для мониторинга и управления температурой. Это могут быть как высокотемпературные печи, так и системы охлаждения. Благодаря своей устойчивости к высокому давлению, вибрациям и химическим воздействиям термопары часто используются в нефтехимической и энергетической отраслях.

Применение в автомобилях

Термопары также широко используются в автомобильной промышленности, например, для измерения температуры в выхлопных газах или в системах охлаждения двигателя. Эти датчики помогают обеспечивать правильную работу автомобилей и их двигателей, что особенно важно для повышения эффективности и снижения вредных выбросов.

Научные исследования

В научных лабораториях термопары применяются для точных измерений температуры при проведении опытов, где температура имеет важное значение для результатов. Это могут быть химические эксперименты, исследования материалов или процессы в вакууме.

Электроника и бытовая техника

В устройствах, таких как холодильники, кондиционеры или плиты, термопары также могут использоваться для контроля температуры и регулирования работы этих устройств. В некоторых случаях они используются для защиты от перегрева, автоматически отключая устройство при достижении критической температуры.

Заключение

Термопары являются универсальными и надёжными датчиками температуры, которые широко применяются в различных областях. Благодаря своей простоте, устойчивости к экстремальным условиям и разнообразию типов, они позволяют эффективно измерять температуру в самых разных ситуациях, от промышленности до научных исследований.