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 ввозникновении 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) унее 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 иприбором 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 внекоторых процессах.

Термопары со встроенным нормирующим преобразователем – с унифицированным выходным сигналом 4...20 мА. Это термопары скоммутационными 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!