Існує величезна кількість різних пристроїв і пристроїв, що дозволяють визначати температуру. Деякі з них використовуються в повсякденному житті, якісь - для різних фізичних дослідних робіт, в виробничих процесах і інших галузях.
Одним з таких пристроїв є термопара. Принцип дії і схему даного пристрою ми розглянемо в наступних розділах.
Фізична база роботи термопари
Механізм роботи термопари заснований на звичайних фізичних процесах. У перший раз ефект, на базі якого працює даний пристрій, був вивчений німецьким вченим Томасом Зєєбеком.
Сутність явища, на якому тримається принцип дії термопари, в подальшому. У замкнутому електронному контурі, що складається з 2-ух провідників різного виду, при впливі певної температури середовища з'являється електрику.
Одержуваний електронний потік і температура середовища, що впливає на провідники, знаходяться в лінійній залежності. Іншими словами чим вище температура, тим більший електричний струм виробляється термопарою. На цьому і заснований принцип дії термопари і термометра опору.
При цьому один контакт термопари знаходиться в точці, де потрібно визначати температуру, він називається «жарким». 2-ий контакт, іншими словами - «прохолодний», - в зворотному напрямку. Застосування для вимірювання термопар допускається тільки в цьому випадку, коли температура повітря в приміщенні менше, ніж в місці вимірювання.
Така коротка схема роботи термопари, принцип дії. Види термопар ми розглянемо в наступному розділі.
види термопар
У кожній галузі промисловості, де потрібні вимірювання температури, в головному застосовується термопара. Пристрій і принцип роботи різних видів даного агрегату наведені нижче.
Хромель-алюмінієві термопари
Дані схеми термопар використовуються в більшості випадків для виробництва різних датчиків і щупів, що дозволяють тримати під контролем температуру в промисловому виробництві.
Їх відмітними особливостями можна назвати досить низьку ціну і великий спектр вимірюваної температури. Вони дозволяють зафіксувати температуру від -200 до +13000 градусів Цельсія.
Хромель-копелеві термопари
Залізо-константанові термопари
Дане поєднання контактів в термопарі не так поширене, як 1-ша з розглянутих різновидів. Механізм роботи термопари такий же, але схожа композиція відмінно показала себе в розрідженій атмосфері. Найбільший рівень заміряє температури не повинен перевершувати +12500 градусів Цельсія.
Але, якщо температура починає підніматися вище +7000 градусів, існує небезпека порушення точності вимірювань в зв'язку зі зміною фізико-хімічних властивостей заліза. Мають місце навіть випадки корозії сталевого контакту термопари при наявності в навколишньому повітрі аква парів.
Платинородій-платинові термопари
Дорожча у виготовленні термопара. Принцип дії такий же, але відрізняється вона від своїх побратимів дуже спокійними і достовірними свідченнями температури. Має знижену чутливість.
Основна область застосування даних пристроїв - вимір високих температур.
Вольфрам-ренієві термопари
Також використовуються для вимірювання надвисоких температур. Найбільша границя, який можна зафіксувати за допомогою даної схеми, досягає 25 тисяч градусів за шкалою Цельсія.
Їх застосування вимагає дотримання деяких умов. Так, в процесі вимірювання температури необхідно цілком прибрати навколишню атмосферу, яка робить негативний вплив на контакти в результаті процесу окислення.
Для цього вольфрам-ренієві термопари зазвичай поміщають в захисні кожухи, заповнені інертним газом, що захищає їх елементи.
Вище піддалася розгляду будь-яка існуюча термопара, пристрій, принцип роботи її залежно від використовуваних сплавів. Зараз розглянемо деякі конструктивні особливості.
конструкції термопар
Існує два основні різновиди конструкцій термопар.
Із застосуванням ізоляційного шару. Дана конструкція термопари передбачає ізолювання робочого шару пристрою від електричного струму. Схожа схема дозволяє використовувати термопару в технологічному процесі без ізоляції входу від землі.
Без впровадження ізоляційного шару. Такі термопари можуть підключатися тільки до вимірювальних схем, входи яких не мають контакту з землею. Якщо ця умова не дотримується, в пристрої виникне дві незалежних замкнутих схеми, в результаті чого свідчення, отримані за допомогою термопари, не відповідатимуть дійсності.
Та, що біжить термопара і її застосування
Існує окрема різновид даного пристрою, звана «біжить». Принцип дії біжить термопари ми на даний момент розглянемо більш ретельно.
Ця конструкція застосовується в основному для визначення температури металевої заготовки при її обробці на токарних, фрезерних та інших схожих верстатах.
Необхідно підкреслити, що в цьому випадку можливе використання і звичайної термопари, але, якщо процес виробництва вимагає високої точності температурного режиму, що біжить термопару важко переоцінити.
При застосуванні даного способу в заготовку завчасно запаюють її контактні елементи. Потім, в процесі обробки болванки, дані контакти постійно піддаються впливу різця або іншого робочого інструменту верстата, в результаті чого спай (який є основним елементом при знятті температурних характеристик) начебто «біжить» по контактам.
Цей ефект всюди застосовується в металообробній промисловості.
Технологічні особливості конструкцій термопар
При виготовленні робочої схеми термопари робиться спайка 2-ух залізних контактів, які, як відомо, зроблені з різних матеріалів. Місце з'єднання носить назву «спай».
Необхідно підкреслити, що робити це з'єднання за допомогою спайки необов'язково. Досить легко скрутити спільно два контакти. Але такий метод виробництва не буде володіти достатнім рівнем надійності, також може давати похибки при знятті температурних характеристик.
Якщо потрібно вимір високих температур, спайка металів замінюється на їх зварювання. Це пов'язано з тим, що майже завжди припій, який використовується при з'єднанні, має низьку температуру плавлення і руйнується при перевищенні її рівня.
Схеми, при виготовленні яких була використана зварювання, витримують ширший спектр температури. Та й цей метод з'єднання має свої недоліки. Внутрішня структура металу при впливі високої температури в процесі зварювання може помінятися, що впливає на якість одержуваних даних.
Крім того, слід тримати під контролем стан контактів термопари в процесі її експлуатації. Так, може бути зміна характеристик металів в схемі внаслідок впливу агресивного середовища. Може статися окислення або обопільна дифузія матеріалів. У подібній ситуації слід поміняти робочу схему термопари.
Різновиди спаев термопар
Сучасна промисловість виробляє кілька конструкцій, які використовуються при виготовленні термопар:
з відкритим спаєм;
з ізольованим спаєм;
з заземленим спаєм.
Особливістю термопар з відкритим спаєм є погана опірність зовнішньому впливу.
Наступні два типи конструкції можуть застосовуватися при вимірюванні температур в брутальних середовищах, що надають руйнівну дію на контактну пару.
Крім того, в даний час індустрія освоює схеми виробництва термопар по напівпровідникових технологій.
похибка вимірювань
Коректність температурних характеристик, одержуваних за допомогою термопари, знаходиться в залежності від матеріалу контактної групи, також зовнішніх причин. До останніх можна віднести тиск, радіаційний фон або інші передумови, здатні впливати на фізико-хімічні властивості металів, з яких зроблені контакти.
Похибка вимірювань складається з наступних складових частин:
випадкова похибка, викликана особливостями виробництва термопари;
похибка, викликана порушенням температурного режиму «прохолодного» контакту;
похибка, причиною якої послужили зовнішні перешкоди;
похибка контрольної апаратури.
Переваги використання термопар
До переваг використання подібних пристроїв для контролю температури, незалежно від галузі впровадження, можна віднести:
великий проміжок характеристик, які здатні бути зафіксовані за допомогою термопари;
спайку термопари, яка бере безпосередню участь у знятті показань, можна розташувати в безпосередньому контакті з точкою вимірювання;
легкий процес виробництва термопар, їх міцність і довговічність експлуатації.
Недоліки вимірювання температури за допомогою термопари
До недоліків впровадження термопари слід віднести:
Необхідність в незмінному контролі температури «прохолодного» контакту термопари. Це відмінна риса конструкції вимірювальних пристроїв, в основі яких лежить термопара. Принцип дії цієї схеми звужує область її впровадження. Вони можуть бути застосовані виключно в тому випадку, якщо температура навколишнього повітря нижче температури в точці вимірювання.
Порушення внутрішньої структури металів, використовуваних при виготовленні термопари. Справа в тому, що в результаті впливу зовнішнього середовища контакти втрачають свою однорідність, що викликає похибки в одержуваних температурних показниках.
Існує небезпека впливу електричних хвиль на термопару, конструкція якої передбачає довгу контактну групу. Це також може позначитися на результатах вимірювань.
У деяких випадках зустрічається порушення лінійної залежності між електричним струмом, що виникають в термопарі, і температурою в місці вимірювання. Схожа ситуація вимагає калібрування контрольної апаратури.
висновок
Незважаючи на наявні недоліки, спосіб вимірювання температури за допомогою термопар, який був в перший раз придуманий і випробуваний ще в 19 столітті, знайшов своє широке застосування у всіх галузях сучасної індустрії.
Крім того, є такі галузі впровадження, де впровадження термопар є єдиним методом отримання температурних даних. А ознайомившись з даним матеріалом, ви досить багато розібралися в головних принципах їх роботи.