Типы термопар

Термопа́ра (термоэлектрический преобразователь температуры)
Схема термопары. При температуре спая нихрома и алюминийникеля равной 300 °C термоэдс составляет 12,2 мВ.
Фотография термопары
Термопа́ра (термоэлектрический преобразователь температуры) —
термоэлемент,
применяемый
в
измерительных
и
преобразовательных
устройствах,
а
также
в
системах
автоматизации.
Международный стандарт на термопары МЭК 60584 (п.2.2) дает
следующее определение термопары: Термопара — пара
проводников из различных материалов, соединенных на одном
конце и формирующих часть устройства, использующего
термоэлектрический эффект для измерения температуры.
Для измерения разности температур зон, ни в одной из которых не
находится вторичный преобразователь (измеритель термо-ЭДС),
удобно использовать дифференциальную термопару: две
одинаковых термопары, соединенных навстречу друг другу (см.
рисунок). Каждая из них измеряет перепад температур между
своим рабочим спаем и условным спаем, образованным концами
термопар, подключёнными к клеммам вторичного преобразователя,
но вторичный преобразователь измеряет разность их сигналов,
таким образом, две термопары вместе измеряют перепад
температур между своими рабочими спаями.
Содержани


1 Принцип действия
2 Способы подключения






3 Применение термопар
o 3.1 Преимущества термопар
o 3.2 Недостатки
4 Типы термопар
5 Сравнение термопар
6 Примечания
7 Ссылки
8 См. также
Принцип действия
Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе,
термоэлектрическом эффекте. Когда концы проводника находятся
при разных температурах, между ними возникает разность
потенциалов,
пропорциональная
разности
температур.
Коэффициент пропорциональности называют коэффициентом
термоэдс. У разных металлов коэффициент термоэдс разный и,
соответственно, разность потенциалов, возникающая между
концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из
металлов с отличными коэффициентами термоэдс в среду с
температурой
Т1,
мы
получим
напряжение
между
противоположными контактами, находящимися при другой
температуре Т2, которое будет пропорционально разности
температур Т1 и Т2.
Способы подключения
Наиболее распространены два способа подключения термопары к
измерительным преобразователям: простой и дифференциальный.
В первом случае измерительный преобразователь подключается
напрямую к двум термоэлектродам. Во втором случае
используются два проводника с разными коэффициентами
термоэдс, спаянные в двух концах, а измерительный
преобразователь включается в разрыв одного из проводников.
Для дистанционного подключения термопар используются
удлинительные или компенсационные провода. Удлинительные
провода изготавливаются из того же материала, что и
термоэлектроды,
но
могут
иметь
другой
диаметр.
Компенсационные провода используются в основном с
термопарами из благородных металлов и имеют состав, отличный
от состава термоэлектродов. Требования к проводам для
подключения термопар установлены в стандарте МЭК 60584-3.
Следующие основные рекомендации позволяют повысить точность
измерительной системы, включающей термопарный датчик [1]:
— Миниатюрную термопару из очень тонкой проволоки следует
подключать только с использованием удлинительных проводов
большего
диаметра;
— Не допускать по возможности механических натяжений и
вибраций
термопарной
проволоки;
— При использовании длинных удлинительных проводов, во
избежании наводок, следует соединить экран провода с экраном
вольтметра
и
тщательно
перекручивать
провода;
— По возможности избегать резких температурных градиентов по
длине
термопары;
— Материал защитного чехла не должен загрязнять электроды
термопары во всем рабочем диапазоне температур и должен
обеспечить надежную защиту термопарной проволоки при работе
во
вредных
условиях;
— Использовать удлинительные провода в их рабочем диапазоне и
при
минимальных
градиентах
температур;
— Для дополнительного контроля и диагностики измерений
температуры применяют специальные термопары с четырьмя
термоэлектродами, которые позволяют проводить дополнительные
измерения сопротивления цепи для контроля целостности и
надежности термопар.
Применение термопар
Для измерения температуры различных типов объектов и сред, а
также в автоматизированных системах управления и контроля.
Термопары из вольфрам-рениевого сплава являются самыми
высокотемпературными контактными датчиками температуры.
Такие термопары незаменимы в металлургии для контроля
температуры расплавленных металлов.
Преимущества термопар





Высокая точность измерения значений температуры (вплоть
до ±0,01 °С)
Большой температурный диапазон измерения: от −200 °C до
1800—2500 °C
Простота
Дешевизна
Надежность
Недостатки:






Для получения высокой точности измерения температуры (до
±0,01 °С) требуется индивидуальная градуировка термопары.
На показания влияет температура свободных концов, на
которую необходимо вносить поправку. В современных
конструкциях измерителей на основе термопар используется
измерение температуры блока холодных спаев с помощью
встроенного термистора или полупроводникового сенсора и
автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.
Эффект Пельтье (в момент снятия показаний, необходимо
исключить протекание тока через термопару, так как ток,
протекающий через неё, охлаждает горячий спай и
разогревает холодный)
зависимость ТЭДС от температуры существенно не линейна.
Это создает трудности при разработке вторичных
преобразователей сигнала.
возникновение термоэлектрической неоднородности в
результате резких перепадов температур, механических
напряжений, коррозии и химических процессов в проводниках
приводит к изменению градуировочной характеристики и
погрешностям до 5 К.
на большой длине термопарных и удлинительных проводов
может возникать эффект «антенны» для существующих
электромагнитных полей.
Типы термопар:
Технические требования к термопарам определяются ГОСТ 661694.Стандартные таблицы для термоэлектрических термометров
(НСХ), классы допуска и диапазоны измерений приведены в
стандарте МЭК 60584-1,2 и в ГОСТ Р 8.585-2001.












платинородий-платиновые — ТПП13 — Тип R
платинородий-платиновые — ТПП10 — Тип S
платинородий-платинородиевые — ТПР — Тип B
железо-константановые (железо-медьникелевые) ТЖК Тип J
медь-константановые (медь-медьникелевые) ТМКн — Тип Т
нихросил-нисиловые (никельхромникель-никелькремниевые)
ТНН — Тип N.
хромель-алюмелевые — ТХА — Тип K
хромель-константановые ТХКн — Тип E
хромель-копелевые — ТХК — Тип L
медь-копелевые — ТМК — Тип М
сильх-силиновые — ТСС — Тип I
вольфрам и рений — вольфрамрениевые — ТВР — Тип А-1,
А-2, А-3
Точный состав сплава термоэлектродов для термопар из
неблагородных металлов в МЭК 60584-1 не приводится. НСХ для
хромель-копелевых термопар ТХК и вольфрам-рениевых термопар
определены только в ГОСТ Р 8.585-2001. В стандарте МЭК данные
термопары отсутствуют. Тип L установлен только в немецком
стандарте DIN 43710 и стандартные таблицы отличаются от таблиц
для
термопар
ТХК.
В настоящее время стандарт МЭК 60584 пересматривается.
Планируется введение в стандарт вольфрам-рениевых термопар
типа А-1, НСХ для которых будет соответствовать российскому
[2]
стандарту,
и
типа
С
по
стандарту
АСТМ
.
В 2008 г. МЭК ввел два новых типа термопар: золото-платиновые и
платино-палладиевые. Новый стандарт МЭК 62460 устанавливает
стандартные таблицы для этих термопар из чистых металлов.
Аналогичный Российский стандарт пока отсутствует.
Сравнение термопар:
Таблица ниже описывает свойства нескольких различных типов
термопары. В пределах колонок точности, T представляет
температуру горячего спая, в градусах Цельсия. Например,
термопара с точностью В±0.0025Г—T имела бы точность В±2.5
В°C в 1000 В°C.
Температурн
Температур
Класс
IEC
Тип
ый диапазон
Класс
ный
точнос
Цветовая
термопа
°C
точност
диапазон °C
ти
1
маркиров
ры МЭК
(кратковреме
и 2 (°C)
(длительно)
(°C)
ка
нно)
±1.5 от ±2.5 от
−40 °C −40 °C
до
до
375 °C 333 °C
K
0 до +1100
−180 до +1300 ±0.004× ±0.0075
T
от ×T
от
375 °C 333 °C
до
до
1000 °C 1200 °C
±1.5 от ±2.5 от
−40 °C −40 °C
до
до
375 °C 333 °C
J
0 до +700
−180 to +800 ±0.004× ±0.0075
T
от ×T
от
375 °C 333 °C
до
до
750 °C 750 °C
±1.5 от ±2.5 от
−40 °C −40 °C
до
до
375 °C 333 °C
N
0 до +1100
−270 to +1300
±0.004× ±0.0075
T
от ×T
от
375 °C 333 °C
до
до
R
0 до +1600
−50 to +1700
S
0 до 1600
−50 до +1750
B
+200
+1700
T
−185 до +300 −250 до +400
E
0 до +800
до
0 до +1820
−40 до +900
1000 °C 1200 °C
±1.0 от
0 °C до
±1.5 от
1100 °C
0 °C до
±[1 +
600 °C
0.003×(
±0.0025
T
−
×T
от
1100)]
600 °C
от
до
1100 °C
1600 °C
до
1600 °C
±1.0 от
0 °C до
±1.5 от
1100 °C
0 °C до
±[1 +
600 °C
0.003×(
±0.0025
T
−
×T
от
1100)]
600 °C
от
до
1100 °C
1600 °C
до
1600 °C
±0.0025
×T
от
600 °C
до
1700 °C
±0.5 от ±1.0 от
−40 °C −40 °C
до
до
125 °C 133 °C
±0.004× ±0.0075
T
от ×T
от
125 °C 133 °C
до
до
350 °C 350 °C
±1.5 от ±2.5 от
−40 °C −40 °C
до
до
375 °C 333 °C
±0.004× ±0.0075
T
от ×T
от
375 °C 333 °C
до
до
800 °C 900 °C
Примечания
1. ↑ Источники погрешности термопары
2. ↑ Пересмотр стандарта МЭК 60584
Ссылки











Ремонт термоэлектрических преобразователей
[http://www.radioradar.net/hand_book/documentation/terpara.html
Термопары и их п
См. также
Термометр сопротивления
Термистор
Биметаллическая пластина
Манометрический термометр
Пирометр
Термопары относятся к классу термоэлектрических
преобразователей, принцип действия которых основан на
явлении Зеебека: если спаи двух разнородных металлов,
образующих замкнутую электрическую цепь, имеют
неодинаковую температуру (Т не равно Т2), то в цепи
протекает электрический ток (рис. 1). Изменение знака у
разности температур спаев сопровождается изменением
направления тока.
Рис. 1 Явление Зеебека









Под
термоэлектрическим
эффектом
понимается
генерирование термоэлектродвижущей силы (термоЭДС),
возникающей из-за разности температур между двумя
соединениями различных металлов и сплавов.
Таким образом, термопара может образовывать устройство
(или его часть), использующее термоэлектрический эффект
для
измерения
температуры.
В
сочетании
с
электроизмерительным прибором термопара образует
термоэлектрический термометр. Измерительный прибор или
электронную измерительную систему подключают либо к
концам термоэлектродов (рис. 2,а), либо в разрыв одного из
них (рис. 2,б).
Рис. 2 (а,б) Подключение термопары к измерительному
прибору
В местах подключения проводников термопары к
измерительной
системе
возникают
дополнительные
термоЭДС. В результате их действия на вход измерительной
системы фактически поступает сумма сигналов от рабочей
термопары и от «термопар», возникших в местах
подключения (рис. 3).
Рис. 3 Принцип работы термопары
Существуют различные способы избежать этого эффекта.
Самым очевидным из них является поддержание температуры
холодного спая постоянной.
На практике при измерении температур широко
используется техника «компенсации холодного спая»:
температура холодного спая измеряется другим датчиком
температуры, а затем величина термоЭДС холодного спая
программно или аппаратно вычитается из сигнала термопары
(рис. 4). Места подключения термопары к измерительной
системе должны иметь одинаковую температуру, то есть
находиться в изотермальной зоне. Кроме того, в схеме с
компенсацией холодного спая в этой же зоне должен
находиться и датчик температуры холодного спая.
Разработчик должен учитывать эти требования при
конструировании измерительной системы.




Рис. 4 Техника компенсации холодного спая
Основные характеристики выпускаемых промышленностью
термопар приведены в табл. 1 (ГОСТ 6616-94
«Преобразователи термоэлектрические»).
На рис. 5 представлены зависимости ЭДС от температуры
наиболее распространенных типов термопар, у которых
температура холодного спая поддерживается равной 0°С. Из
него видно, что термопары типа Е наиболее чувствительны и
развивают наибольшее выходное напряжение при одном и
том же изменении температуры, чем другие. С другой
стороны,
термопары
типа
S
являются
наименее
чувствительными. К сожалению, у большинства термопар эти
зависимости в некоторых диапазонах температур носит
нелинейный характер.





Рис. 5 Зависимости ЭДС от температуры наиболее
распространенных типов термопар
При выборе термопары для производства замеров
температуры в некотором диапазоне следует выбирать ту
термопару, коэффициент линейности которой изменяется
менее других в рамках этого диапазона. Для достижения
высокой точности измерений термопарного термометра во
всем диапазоне рабочих температур необходима его
калибровка. В ГОСТ 50431-92 «Термопары» приведены вид и
порядок полинома, а также коэффициенты полиноминальной
аппроксимации зависимости выходного напряжения термопар
от температуры, которые определяются по градуировоч-ным
таблицам для каждого типа термопар.
В табл. 2 приведены особенности и области применения
некоторых типов термопар.
Таблица 2
Тип
Особенности применения
термопары
ТХА
Обладают: — наиболее близкой к прямой
характеристикой. Предназначены для работы в
окислительных и инертных средах
ТХК
Обладают: — наибольшей чувствительностью;
— высокой термоэлектрической стабильностью при
температурах
до
600°С.
Предназначены для работы в окислительных и
инертных
средах.
Недостаток:
высокая
чувствительность
к
деформациям
ТПП
Обладают: — хорошей устойчивостью к газовой
коррозии, особенно на воздухе при высоких
температурах;
— высокой надежностью при работе в вакууме (но
менее
стабильны
в
нейтральных
средах).
Предназначены для длительной эксплуатации в
окислительных
средах.
Недостаток:
высокая
чувствительность
термоэлектродов
к
любым
загрязнениям,
появившимся при изготовлении, монтаже или
эксплуатации термопар
ТВР
Обладают: — возможностью длительного применения
при температурах до 22О0°С в неокислительных
средах;
— устойчивостью в аргоне, гелии, сухом водороде и
азоте.
Термопары с термоэлектродами из сплава платины с
10% родия относительно электрода из чистой платины
могут
использоваться
как
стандартные
для
установления
номинальных
статических
характеристик
термопар
методом
сравнения.
Недостаток - плохая воспроизводимость термоЭДС,
вынуждающая группировать термоэлектродные пары
по
группам
с
номинальными
статическими
характеристиками А-1, А-2, А-3
ТНН
Обладают: — высокой стабильностью термоЭДС (по
сравнению с термопарами ТХА, ТПП, ТПР);
—
высокой
радиационной
стойкостью;
— высокой стойкостью к окислению электродов.
Предназначены в качестве универсального средства
измерения температур в диапазоне температур 01230°С

В зависимости от конструкции и назначения различают
термопары погружаемые и поверхностные; с обыкновенной,
взрывобезопасной, влагонепроницаемой или иной оболочкой
(герметичной или негерметичной), а также без оболочки;





обыкновенные, вибротряскоустойчивые и ударопрочные;
стационарные и переносные и т.д. Внешний вид некоторых
конструкций термопар представлен на рис. 6.
Основное применение термопары — электронные
термометры.
Отечественная промышленность выпускает электронные
термометры для измерения температуры контактным
способом. Так, например, одно из отечественных предприятий
наладило производство серии измерителей температуры,
каждый из которых состоит из электронного блока и набора
сменных датчиков температуры, представляющих собой
стандартные хромель-алюмелевые термопары (тип К) в
различных конструктивных исполнениях. Серия состоит из
трех приборов: ETI-2OO1, ETI-2OO2 и ETI-2OO3 (табл. 3).
Прибор ETI-2001 имеет 2 диапазона температур,
переключение между которыми выполняется кнопками на
лицевой панели. Узкий диапазон температур характеризуется
более высоким разрешением и точностью. Приборы ETI2OO2 и ETI-2OO3 имеют только по одному диапазону.
Приборы имеют кнопку HOLD, с помощью которой можно
зафиксировать измеренное значение температуры на
индикаторе.
Рис. 6 Внешний вид некоторых конструкций термопар
Таблица 3
Тип прибора
ETI-2001
ETI-2002
ETI-2003
Число диапазонов
2
1
1
Диапазон
измерений,°С
-49,9...199,9(1)
-50...1000(2)
-50...1000
49,9...199,9
Разрешение
0,1°C(1)
0,1°С
Точность
±0,5°С+1%(1))
±0,5%(2)
Питание
батарейка 9 В («Крона»)
Срок
батареи
работы
150 часов
±1°С
±1°С
±0,5 С ±1%
±0,5%
°
175 часов
Тип сенсора
ТХА термопара (К тип)
Тип индикатора
ЖК, высота знака 13 мм
Размеры
141x73x35 мм
Вес
220 г



1°С
210 г
175 часов
210 г
На рис. 7 показан внешний вид контактного термометра
ЕТ1-2001, в комплект поставки которого входят термопары:
поверхностная (для измерения температуры поверхности
твердых тел - tmax = 1000°C, погружная (для измерения
температуры в объеме сыпучих и жидких веществ — tmax =
25О°С и бескорпусная (для измерения температуры воздуха и
других газов — tmax = 250°С.
Рис. 7 Внешний вид контактного термометра ЕТ1-2001



На рис. 8 показан внешний вид миниатюрного термометра
(Thermapen™) широкого применения. Высоконадежный и
удобный
в
обращении.
Оснащен
встроенным
складывающимся
зондом.
Диапазоны
измерения
температуры: ~49,9...199,9°С. Существуют не только
специализированные приборы с термодатчиками для
измерения температуры, но и универсальные мультиметры с
функцией измерения температуры.
Рис. 8 Внешний вид миниатюрного термометра (Thermapen™)