Термопары. Главное, что нужно о них знать

Термопара – один из наиболее распространенных датчиков для измерения температуры в промышленных и лабораторных условиях. Несмотря на кажущуюся простоту устройства – две проволоки из различных металлов и спай между ними – существует множество разновидностей термопар, каждая из которых имеет свои особенности.

История появления термопар

Принцип действия термопары, открытый Томасом Зеебеком в XIX веке, основан на термоэлектрическом эффекте и заключается в возникновении термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) в электрической цепи, состоящей из двух разнородных проводников. Величина ТЭДС зависит исключительно от разницы температур между «горячим» спаем, помещенным в измеряемую среду, и «холодным» спаем, находящимся при известной опорной температуре: при исследовании ученый использовал лед.

В современных условиях поддерживать «холодный» спай при 0 °C не нужно. Все вторичные приборы, такие как терморегуляторы, модули ввода и контроллеры автоматически корректируют температуру «холодного» спая и преобразуют милливольты в градусы Цельсия. Спай термопары мы видим только один – «горячий».

Виды термопар: выбираем правильно

По каким критериям выбирали материалы для термоэлектродов термопар? В результате научных поисков, экспериментов и практических работ во всем мире распространение получили только около двух десятков металлов и сплавов, наилучшим образом подходящих на роль проводников-термоэлектродов. Они были попарно скомпонованы в «нерушимые» связки, называемые типами термопар или номинально-статическими характеристиками (НСХ): хромель-алюмель ХА (К), хромель-копель ХК (L), нихросил-нисил НН (N), железо-константан ЖК (J), платинородий-платина ПП (S, R), медь-константан МК (Т) и др. Они отличаются друг от друга вырабатываемой ТЭДС, температурами применения, чувствительностью, особенностями эксплуатации. Рассмотрим наиболее распространенные из них.

Типы термопар

• Хромель-алюмель (K)
  Широко применяется практически во всех отраслях промышленности для измерения температур от -40 до 1100 °C.Термопара устойчива к деформации, чувствительная, недорогая. Однако со временем может возникать«дрейф ТЭДС», что увеличивает погрешность измерения.

• Хромель-копель (L)
  Данная термопара популярна на территории России и стран СНГ, советское наследие. Ее достоинства – высокая чувствительность и стабильность. В отличие от хромель-алюмелевой верхний предел измеряемой температуры (+600 °С) у нее выше, но при этом «дрейф ТЭДС» во время эксплуатации минимален.
• Железо-константан (J)
  Этот тип термопары подходит для измерения не очень высоких температур (до +750 °C). Главная особенность, которая отличает ее от других типов термопар – максимально стабильная работа в восстановительной среде (СО и H2).
• Нихросил-нисил (N)
  Это улучшенная версия термопары ХА. Она выдерживает температуру до 1250 °C, при этом «дрейф ТЭДС» у нее гораздо слабее, что позволяет использовать ее как более дешевую замену термопарам из благородных металлов, например, платинородий-платиновой (S).
• Термопары из благородных металлов (S, R, B)
  К ним относятся платинородий-платина и платинородий-платинородий. Они незаменимы для измерения высоких температур (1300–1600 °C) и широко распространены в мире. Эти термопары очень точны, стабильны и устойчивы к коррозии в окислительных и нейтральных средах. Но, как любые изделия из драгоценных металлов, стоят недешево.

Ниже представлена инфографика с НСХ термопар и их верхними пределами измерения.

НСХ термопар и их верхние пределы измерения

Конструктивные решения

Сами по себе две проволоки, сваренные между собой, чаще всего не являются полноценным датчиком. Их нужно защитить по длине термопары от замыкания, механических повреждений и агрессивных сред. Именно поэтому производители предлагают множество конструктивных исполнений. Для защиты используют различные материалы:

• кремнеземная нить и керамические «бусы» для самых бюджетных исполнений – бескорпусных термопар;
• латунь до 300 °C и нержавеющая сталь для температур до 900 °C;
• жаростойкие стали и керамические чехлы для температур выше 1000 °C;
• для расплавов металлов и солей – толстостенные чехлы из чугуна, нитрида и карбида кремния;
• для морской воды, растворов кислот и других агрессивных сред – чехлы из нержавеющей химстойкой стали AISI 316 Ti.

По типу подключения термопары делятся на два основных класса:

• С кабельными выводами

Их можно сразу подключать к приборам без дополнительных затрат времени и сил на коммутацию термопарных кабелей и датчиков. Такие термопары имеют малые габариты. В основном применяются при температурах до 800–900 °C.

• С коммутационными головками

Подходят для более высоких температур (до 1300 °C) и агрессивных сред, а также в случаях, когда расстояние между датчиком и прибором еще неизвестно. Кабель для подключения термопары ко вторичному прибору приобретается отдельно.

Что касается кабеля для подключения термопар – настоятельно рекомендуется использовать только термопарный или компенсационный кабель, соответствующий по характеристике вашей термопаре. Использование медных или алюминиевых проводов приводит к «плавающей» ошибке измерения, что может повлечь за собой брак продукции и другие проблемы.

Другие варианты конструктивных исполнений термопар

Самый простой и бюджетный вариант – это бескорпусные датчики. Их конструкция предельно проста. Например, метровые термопары ДТПК011 представляют собой две проволоки в изоляции из кремнеземной нити. Гибкость, малые габариты и невысокая цена делают их идеальными выбором для бюджетных решений по контролю температуры и даже одноразового использования в некоторых процессах.

Термопары со встроенным нормирующим преобразователем – с унифицированным выходным сигналом 4...20 мА. Это термопары с коммутационными головками, которые можно подключать медным кабелем ко вторичным приборам. При этом длина линии связи может составлять сотни метров. Хорошо подойдут там, где нужна повышенная помехозащищенность и экономия на соединительных линиях.

И, наконец, самые помехозащищенные и «дальнобойные» – термопары с интерфейсом RS-485. Длина линии связи между такими датчиками и ПЛК может быть до 1200 метров без повторителя, а в качестве кабеля используется тонкая медная «витая» пара.

Для каждого применения нужна своя термопара. Выбирайте нужную, а ОВЕН всегда готов помочь с выбором!