Термоэлектрический преобразователь: как работает и где применяется

Дифференциальную термопару применяют для определения нагрева предметов, сред, жидкостей. Термоэлектрический преобразователь представлен в виде двух разносплавных электродов, объединенных один против другого. Каждый элемент определяет температуру между собственной спайкой и условным спаем между окончаниями термопар, подсоединенными к выводам проводов.

Описание и особенности термопары

Международный евростандарт определяет термопару как два проводника из разных материалов, объединенных на конце. Спаянные электроды формируют измеритель температуры на основе термоэлектрического действия. Термоэлемент находит показатели температуры большого диапазона в разных условиях.

Особенности действия термопар:

• Термо-ЭДС применяемых сплавов для изготовления всегда имеет большие значения, что дает возможность измерить ее точно. Значение термо-ЭДС характеризуется линейной зависимостью от скачков температуры.
• Температура расплавления материалов всегда более граничного температурного показателя термопары. Разница между ними предусмотрена не меньше 50°С.

Сплавы противостоят коррозии в выбранных рабочих условиях, пластичные. Для повышения прочности на термоэлектроды надевают кожухи. Материалы сохраняют термоэлектрические свойства длительно при изготовлении и работе.

Устройство

На конце проводники стыкуют между собой, чтобы получить термоэлектрическое действие для определения температуры. Место соединения — точка измерения. Многие китайские приборы-мультиметры имеют в конструкции такие термические преобразователи, для нахождения температурных значений разных деталей, которые нагреваются.

Особенности устройства:

• внешне выглядит как две тонкие проволоки, сваренные на одном торце, стык имеет форму маленького шара;
• с другого конца расположены выводы или разъемы для подсоединения к измерительному контролеру.

В промышленных датчиках рабочие электроды помещают в стальной корпус в форме зонда. Для изоляции используют керамику, выдерживающую сильное нагревание и агрессивное воздействие среды.

Принцип работы

Когда измерительная точка разогревается, холодная спайка на выводах измеряет напряжение. Полученный вольтаж показывает температурные значения в месте контроля. Такую зависимость называют эффектом Зеебека.

Принцип работы термопары — в особенностях появления ЭДС по причинам:

• разной плотности носителей в двух электродах из разнородных материалов;
• разницы нагрева в месте измерения (горячий спай) и в области клемм (холодная спайка).

Напряжение определяют при разном климате окружающего пространства, поэтому показатели вольтажа будут изменены на значение, соответствующее среде. Абсолютный нагрев контролируемой точки получают с использованием «компенсации холодного спая». Это означает искусственное поддержание значения на выводах, равного 0°С.

Сфера применения

Термоэлектрический прибор используют для нахождения температурных значений разных объектов, часто ставят для измерения показателей в АСУ (автоматизированных схемах управления).

Другие случаи применения:

• в металлургической отрасли для измерения нагрева жидкой стали;
• для координации пламени и степени загазованности в отопительном оборудовании, бытовых плитах;
• в простых радиоприемниках, слаботочных устройствах.

Валера

Голос строительного гуру

Задать вопрос

В газовой плите ток термоэлектрической пары удерживает клапан горелки открытым. При исчезновении пламени ток уменьшается, поэтому автоматический клапан перекрывает поступление газа. Термические преобразователи ставят поодиночке или включают несколько штук последовательно, при этом образуется термобатарея.

Виды термопар

В Международном евростандарте приведены таблицы и характеристики для электротермопар из различных сочетаний металлов. В России похожие стандарты пока не разработаны.

По способу работы выделяют разновидности:

• измеряющие способом погружения;
• работающие поверхностно.

Термоэлементы изготавливают без кожуха, со стальными, жаростойкими, фарфоровыми чехлами, с изоляцией из тугоплавкого металла.

По конструкции выделяют термические приборы:

• с подвижным и неподвижным штуцером и фланцем,
• с обычной, водостойкой головкой;
• с заделкой выводов без головки.

Выпускают термоэлементы защищенные и незащищенные от действия агрессивной среды. Есть разновидности, работающие в высоком давлении и негерметичные, устойчивые к вибрации, ударам, простые.

Хромель-алюмель (ТХА)

Распространенный вариант, используемый в промышленности (печи, нагреватели) и научной деятельности (в лабораторных приборах). Термоизмеритель работает в кислых и инертных условиях, используется для координации в вакуумном пространстве (на короткое время) и в сухом водородном газе.

Характеристики термопары:

• длительно определяет температурные показатели до +1100°С, единовременно — +1300°С;
• применяют для определения низких значений (до -200°С);
• чувствительность около 40 мкВ/°С;
• используют в реакторах при облучении.

Недостаток — сильная чувствительность к механической деформации электродов и нестабильность термо-ЭДС, которая обратима.

Положительный электрод сделан из хромеля, отрицательный — алюмеля.

Хромель-копель (ТХК)

Самые чувствительные термопары, их значение превышает 81 мкВ/°С при температурных показателях больше +200°С. Измеритель имеет высокую термическую стабильность.

Особенности термопары хромель-копель:

• измеряет показатели в кислых и инертных средах;
• эксплуатируется при температуре +800°С постоянно, кратковременно используют при +1100°С;
• нижний предельный показатель — -253°С.

Наибольшую стабильность показывает при значениях не больше +600°С. Термопары часто используют в научных лабораториях, при этом термоэлементы успешно измеряют небольшие разницы температурных показателей.

Железо-констатан (ТЖК)

Применяют в промышленности в восстановительных и окислительных средах, вакууме, рекомендуют для координации одновременно отрицательных и положительных температур.

Свойства термопары железо-констатан:

• измеряет значения в промежутке -203° — +1100°С (кратковременно), +750°С (длительно);
• не применяют для контроля только отрицательных температур;
• чувствительность — на уровне 50 – 65 мкВ/°С.

Недостаток в том, что термопара показывает неправильные значения при деформации проводников. Железные электроды имеют малую стойкость против коррозии.

Материалом положительных термоэлементов служит малоуглеродистое железо, а отрицательных — констатан (сплав никеля и меди).

Вольфрам-рений (ТВР)

Термоэлемент признают лучшим вариантом для промышленного использования при температуре больше +1800°С. Работает в гелиевой, водородной, азотной среде или без газов (в вакууме). Хорошо зарекомендовали себя при сильном нагреве, резких температурных переменах.

Характеристики пар вольфрам-рений:

• измеряют показатели в диапазоне -1300° — +3000°С;
• термо-ЭДС — в пределах 22 – 34 мВ для электродов из различных сплавов;
• чувствительность 4 – 10 мкВ/°С.

Элементы прочные, успешно справляются со знакопеременными нагрузками, не загрязняются. Недостаток — чувствительность к облучению, ее снижение при показателях свыше +2400°С.

Вольфрам-молибден (ТВМ)

Измерения проводят в вакууме, водородной или инертной среде без окисляющих примесей. Термопара стоит дешевле всех других вариантов термодатчиков для определения высоких температур.

Особенности пары вольфрам-молибден:

• постоянно работает при -1400° — +1800°С, кратковременно используют при +2400°С;
• чувствительность — 6,5 мкВ/°С в этих температурных диапазонах.

Прочные термоэлектроды инертны к химическому воздействию.

Недостаток — слабое воспроизводство термо-ЭДС, инверсия полярности. При сильном продолжительном нагреве наблюдается хрупкость, т. к. происходит окисление.

При керамической защите электродов и наличии колпаков функционирует в кислой среде и жидких металлах.

Платинородий-платина (ТПП)

Термопары изготавливают из сплава платины с родием (10 или 13%) и платины. Применяют для контроля в инертных и кислых условиях. Характеризуются точными значениями, высокой воспроизводимостью и постоянной термо-ЭДС.

Свойства термопары ПП:

• абочая температура постоянных измерений — -600° — +1400°С, кратковременно используют при +1600°С;
• показывают чувствительность на уровне 10 – 12 мкВ/°С при 10% родия, 11 – 14 мкВ/°С (13%).

Недостатки проявляются в переменности точности при высокой степени облучения, кроме того такие элементы имеют высокую стоимость. Термопары нужно защищать от металлической и химической грязи при изготовлении и эксплуатации.

Платинородий-платинородий (ТПР)

Термоэлемент используют для нахождения температуры в нейтральной и кислой среде, а также в вакууме. Пара монтируется без длинных проводников т. к. имеет малую чувствительность при показателях 0° — 100°С.

Особенности и характеристики термопары ПР:

• работает при нагревании до +1600°С (постоянно), до +1800°С (кратковременно);
• чувствительность 10,5 – 11,5 мкВ/°С при показателях свыше +1200°С.

Термоэлемент показывает большую прочность и стабильность при больших температурах, электроды не подвержены зернистости, хрупкости при температурных скачках, не склонны к накапливанию грязи на поверхности. Применяют в стеклоплавильном, цементном деле, в металлургии, изготовлении огнеупорных материалов.

Схема подключения

Для подсоединения на дистанции используют провода компенсационные и удлинительные. Последние выбирают того же материала, что и электроды термопары, но допускается другой диаметр. Компенсационные, наоборот, делают из сплавов, противоположных по свойствам.

Подключают термо-измерители двумя методами:

• простой — преобразователь соединяют к электродам напрямую;
• дифференциальный — применяют 2 проводника с разной ЭДС, сваренные на концах, при этом преобразователь ставят в разрыв одного проводника.

Монтируют так, чтобы не было пространственного натяжения проводников и вибрации.

Точность и скорость измерений

Размер погрешности работы термоэлементов зависит от строения, свойств сплавов, условий эксплуатации и среды задействования.

Причины неточностей:

• неоднородность изоляции (химическая, присутствие включений, наплывов, есть внутренние напряжения);
• деформации электродных элементов при изготовлении и при работе.

По скорости реакции на вольтаж различают виды термопар:

• большой инерционности — 210 секунд;
• средней инерции — до 60 секунд;
• малой —до 40 секунд.

Как проверить работоспособность

Используют вольтметр или мультиметр, который выставляют на мВ. На соединении убирают гайку, прижимающую термопару к гнезду электромагнитного клапана, снимают рабочее устройство преобразователя. Рабочий участок пары нагревают, чтобы в нем возникло напряжение. При нагреве пламя обволакивает проводники, для этого подойдет свеча или огонь газовой горелки.

Держат в пламени 30 – 50 сек, затем первый щуп тестера прикладывают к коробке термопары, второй — к контакту на выходе. Измеряют по времени 40 – 60 сек, не переставая подогревать рабочую спайку. Работоспособный элемент выдает напряжение выше 20 мВ или 0,02 В, отдельные образцы показывают 50 – 55 мВ. Если показания в этих пределах, термопара годится к применению.