Принцип дії і пристрій термопари гранично прості. Це зумовило популярність даного приладу і широке застосування у всіх галузях науки і техніки. Термопара призначається для вимірювання температур у широкому діапазоні - від -270 до 2500 градусів за Цельсієм. Пристрій ось уже не одне десятиліття є незамінним помічником інженерів і вчених. Працює надійно і безвідмовно, а показання температури завжди правдиві. Більш досконалого і точного приладу просто не існує. Всі сучасні пристрої функціонують за принципом термопари. Працюють у важких умовах.
Призначення термопари
Даний пристрій перетворює теплову енергію в електричний струм і дозволяє вимірювати температуру. На відміну від традиційних ртутних градусників, здатне працювати в умовах як екстремально низьких, так і екстремально високих температур. Ця особливість зумовила широке застосування термопари в найрізноманітніших установках: промислові металургійні печі, газові котли, вакуумні камери для хіміко-термічної обробки, духова шафа побутової газової плити. Принцип роботи термопари завжди залишається незмінним і не залежить від того, в якому пристрої вона монтується.
Від надійної та безперебійної роботи термопари залежить робота системи аварійного відключення приладів у разі перевищення допустимих лімітів температур. Тому даний устрій має бути надійним і давати точні свідчення, щоб не піддавати ризику життя людей.
Принцип дії термопари
Термопара має три основні елементи. Це два провідники електрики з різних матеріалів, а також захисна трубка. Два кінці провідників (їх ще називають термоелектродами) спаяні, а два інших підключаються до потенціометра (прилад для вимірювання температури).
Якщо говорити простою мовою, принцип роботи термопари полягає в тому, що спай термоелектродів поміщається в середовище, температуру якого необхідно виміряти. Відповідно до правила Зеєбека, виникає різність потенціалів на провідниках (інакше - термоелектрика). Чим більше температура середовища - тим більш значущою є різниця потенціалів. Відповідно, стрілка приладу відхиляється більше.
У сучасних комплексах вимірювання на зміну механічному пристрою прийшли цифрові індикатори температури. Однак далеко не завжди новий прилад перевершує за своїми характеристиками старі апарати ще радянських часів. У технічних вишах, та й у науково-дослідних установах, і донині користуються потенціометрами 20-30-річної давнини. І вони демонструють вражаючу точність і стабільність вимірювань.
Ефект Зеєбека
На даному фізичному явищі заснований принцип роботи термопари. Суть полягає в наступному: якщо з 'єднати між собою два провідники з різних матеріалів (іноді використовуються напівпровідники), то по такому електричному контуру буде циркулювати струм.
Таким чином, якщо нагрівати і охолоджувати спай провідників, то стрілка потенціометра буде коливатися. Засікти струм також може дозволити і гальванометр, підключений в ланцюг.
У тому випадку, якщо провідники виконані з одного і того ж матеріалу, то електродвижущая сила не буде виникати, відповідно, не можна буде виміряти температуру.
Схема з "єднання термопарів
Найбільш поширеними способами підключення вимірювальних приладів до термопарів є так званий простий спосіб, а також диференційований. Суть першого методу полягає в наступному: прилад (потенціометр або гальванометр) безпосередньо з 'єднується з двома провідниками. При диференційованому методі споюється не одні, а обидва кінці провідників, при цьому один з електродів "розривається" вимірювальним приладом.
Не можна не згадати і про так званий дистанційний спосіб підключення термопари. Принцип роботи залишається незмінним. Різниця лише в тому, що в ланцюг додаються подовжувальні дроти. Для цих цілей не підійде звичайний мідний шнур, так як компенсаційні дроти в обов 'язковому порядку повинні виконуватися з тих же матеріалів, що і провідники термопари.
Матеріали провідників
Принцип дії термопари заснований на виникненні різності потенціалів у провідниках. Тому до підбору матеріалів електродів необхідно підходити дуже відповідально. Відмінність у хімічних і фізичних властивостях металів є основним фактором роботи термопари, пристрій і принцип дії якої засновані на виникненні ЕДС самоіндукції (різності потенціалів) в ланцюгу.
Технічно чисті метали для застосування як термопари не підходять (за винятком АРМКО-заліза). Зазвичай використовуються різні сплави кольорових і благородних металів. Такі матеріали мають стабільні фізико-хімічні характеристики, завдяки чому показання температури завжди будуть точними і об 'єктивними. Стабільність і точність - ключові якості при організації експерименту і виробничого процесу.
В даний час найбільш поширені термопари наступних видів: E, J, K.
Термопара типу E
В якості матеріалів для провідників використовуються константан і хромель. Вироби даного типу добре зарекомендували себе по частині надійності і точності показань. Свідчень тому - численні позитивні відгуки фахівців. Однак цей склад демонструє точність вимірювань лише в позитивному діапазоні температур до 600 градусів за Цельсієм включно.
Термопара типу J
За принципом роботи термопара не відрізняється від попередньої. Однак хромель поступився місцем технічно чистому залізу, що дозволило істотно розширити діапазон робочої температури зі збереженням стабільності показань. Він становить від -100 до 1200 градусів за Цельсієм.
Термопара типу K
Це, мабуть, найбільш поширений і застосовуваний всюди тип термопари. Пара хромель - алюміній відмінно працює при температурах від -200 до 1350 градусів за Цельсієм. Цей тип термопари відрізняється великою чутливістю і фіксує навіть незначний стрибок температури. Завдяки такому набору параметрів, термопара застосовується і на виробництві, і для наукових досліджень. Але є у неї і істотний недолік - вплив складу робочої атмосфери. Так, якщо даний вид термопари буде працювати в середовищі CO2, то термопара буде давати некоректні показання. Ця особливість обмежує застосування пристроїв такого типу. Схема і принцип роботи термопари залишаються незмінними. Різниця лише в хімічному складі електродів.
Перевірка роботи термопари
У разі виходу з ладу термопари не підлягає ремонту. Теоретично можна, звичайно, її полагодити, але от чи буде прилад після цього показувати точну температуру - це велике питання.
Іноді несправність термопари не є явною і очевидною. Зокрема, це стосується газових колонок. Принцип роботи термопари все той же. Однак вона виконує дещо іншу роль і призначається не для візуалізації температурних показань, а для роботи клапанів. Тому, щоб виявити несправність такої термопари, необхідно підключити до неї вимірювальний прилад (тестер, гальванометр або потенціометр) і нагріти спай термопари. Для цього не обов 'язково тримати її над відкритим вогнем. Достатньо лише затиснути його в кулак і подивитися, чи буде відхилятися стрілка приладу.
Причини виходу з ладу термопар можуть бути різними. Так, якщо не надіти спеціальний екрануючий пристрій на термопару, поміщену у вакуумну камеру установки іонно-плазмового азотування, то з плином часу вона ставатиме все більш крихкою до тих пір, поки не переламається один з провідників. Крім того, не виключається і ймовірність неправильної роботи термопари через зміну хімічного складу електродів. Адже порушуються основоположні принципи роботи термопари.
Газова апаратура (котли, колонки) також оснащується термопарами. Основною причиною виходу з ладу електродів є окислювальні процеси, які розвиваються при високих температурах.
У тому випадку, коли показання приладу є свідомо неправдивими, а при зовнішньому огляді не були виявлені слабкі затиснуті, то причина, швидше за все, криється у виході з ладу контрольно-вимірювального приладу. У цьому випадку його необхідно віддати в ремонт. Якщо є відповідна кваліфікація, то можна спробувати усунути неполадки самостійно.
Та й взагалі, якщо стрілка потенціометра або цифровий індикатор показують хоч якісь "ознаки життя", то термопара є справною. У такому випадку проблема, цілком очевидно, криється в чомусь іншому. І відповідно, якщо прилад ніяк не реагує на явні зміни температурного режиму, то можна сміливо міняти термопару.
Однак перш ніж демонтувати термопару і ставити нову, потрібно повністю переконатися в її несправності. Для цього достатньо продзвонити термопару звичайним тестером, а ще краще - поміряти напругу на виході. Тільки звичайний вольтметр тут навряд чи допоможе. Знадобиться мілівольтметр або тестер з можливістю підбору шкали вимірювання. Адже різність потенціалів є дуже маленькою величиною. І стандартний прилад її навіть не відчує і не зафіксує.
Переваги термопари
Чому за таку довгу історію експлуатації термопари не були витіснені більш досконалими і сучасними датчиками вимірювання температури? Та з тієї простої причини, що досі їй не може скласти конкуренцію жоден інший прилад.
По-перше, термопари коштують відносно дешево. Хоча ціни можуть коливатися в широкому діапазоні в результаті застосування тих чи інших захисних елементів і поверхонь, сполучників і роз 'ємів.
По-друге, термопари відрізняються невибагливістю і надійністю, що дозволяє успішно експлуатувати їх в агресивних температурних і хімічних середовищах. Такі пристрої встановлюються навіть у газові котли. Принцип роботи термопари завжди залишається незмінним, незалежно від умов експлуатації. Далеко не кожен датчик іншого типу зможе витримати подібний вплив.
Технологія виготовлення і виробництва термопар є простою і легко реалізується на практиці. Грубо кажучи - достатньо лише скрутити або зварити кінці дроту з різних металевих матеріалів.
Ще одна позитивна характеристика - точність проведених вимірювань і мізерна похибка (всього 1 градус). Даної точності більш ніж достатньо для потреб промислового виробництва, та й для наукових досліджень.
Недоліки термопари
Недоліків у термопари не так багато, особливо якщо порівнювати з найближчими конкурентами (температурними датчиками інших типів), але все ж вони є, і було б несправедливо про них промовчати.
Так, різність потенціалу вимірюється в мілівольтах. Тому необхідно застосовувати досить чутливі потенціометри. А якщо врахувати, що не завжди прилади обліку можна розмістити в безпосередній близькості від місця збору експериментальних даних, то доводиться застосовувати якісь підсилювачі. Це доставляє ряд незручностей і призводить до зайвих витрат при організації та підготовці виробництва.