Термопары и термоэлектрические преобразователи

Содержание страницы

1. Физические основы термоэлектричества
2. Конструкция и принцип действия термоэлектрического термометра
3. Проблема холодного спая и методы компенсации
4. Типы и характеристики промышленных термоэлектрических термометров
5. Инженерно-конструктивные особенности
6. Сравнение преимуществ и недостатков термопар
7. Интересные факты о термоэлектричестве
8. FAQ: Часто задаваемые вопросы

Термопара — это самый распространенный в мире датчик для измерения температуры, представляющий собой два разнородных проводника, соединенных в одной точке. Принцип действия основан на прямом преобразовании тепловой энергии в электрическую (термоэлектрический эффект).

Краткая история: Фундамент технологии был заложен в первой половине XIX века. В 1821 году Томас Иоганн Зеебек обнаружил, что в замкнутой цепи из разных металлов возникает ток при разнице температур. Спустя 13 лет, в 1834 году, Жан Шарль Атаназ Пельтье открыл обратный эффект переноса тепла током, а в 1851 году Уильям Томсон (лорд Кельвин) предсказал и обнаружил эффект выделения тепла в неравномерно нагретом проводнике. Сегодня эти три эффекта составляют основу современной термоэлектричества.

1. Физические основы термоэлектричества

Работа любых термоэлектрических преобразователей базируется на трех фундаментальных квантово-механических и термодинамических явлениях: эффекте Зеебека, эффекте Пельтье и эффекте Томсона. Понимание этих процессов необходимо для правильного выбора и эксплуатации датчиков.

1.1. Эффект Зеебека: Генерация ЭДС

Явлением Зеебека называют возникновение термоэлектродвижущей силы (термо-Э.Д.С., обозначаемой как \(\varepsilon_T\)) в замкнутой электрической цепи, составленной из последовательно соединенных разнородных проводников или полупроводников, при условии, что места их контакта (спаи) поддерживаются при различных температурах (\(T_1 \neq T_2\)).

Рис. 1. Эффект Зеебека: Генерация ЭДС в замкнутой цепи из разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах.

Представьте себе герметичную трубу с газом. Если нагреть один конец трубы, молекулы газа там начнут двигаться быстрее и создадут повышенное давление, стремясь перелететь в холодную часть трубы. В металлах роль «газа» выполняют свободные электроны. При нагреве их кинетическая энергия растет, и они «диффундируют» в холодную зону, создавая разность потенциалов.

На микроскопическом уровне эффект возникновения термо-Э.Д.С. объясняется тем, что концентрация и энергия свободных носителей заряда (электронов или дырок) в разных материалах различна. При соприкосновении двух проводников начинается диффузия носителей заряда из одного проводника в другой с целью выравнивания электрохимических потенциалов (уровней Ферми). Этот процесс зависит от температуры. Если температура спаев одинакова, диффузионные потоки компенсируют друг друга. Однако при наличии градиента температур баланс нарушается, и возникает результирующий электрический ток.

Основное уравнение для дифференциальной термо-Э.Д.С.: \[ \alpha = \frac{d\varepsilon_T}{dT} \] Где \( \alpha \) — коэффициент Зеебека, зависящий от природы материалов.

Именно на этом принципе устроены термоэлектрические преобразователи — термопары. Чувствительным элементом, реагирующим на температуру, является «рабочий спай» (место соединения). Зная закон изменения термо-Э.Д.С. конкретной пары материалов от температуры и измеряя значение напряжения на свободных концах высокоточным милливольтметром, можно с высокой точностью определить искомое значение температуры в точке измерения.

1.2. Эффект Пельтье: Тепловой насос

Это явление, открытое французским физиком Пельтье в 1834 году, носит обратный характер по отношению к эффекту Зеебека. Оно заключается в том, что при принудительном пропускании электрического тока через цепь, составленную из разнородных металлов или полупроводников, в местах контактов происходит энергетический обмен:

В одних спаях происходит выделение теплоты.
В других — поглощение теплоты.

Рис. 2. Эффект Пельтье — Cвойство поглощения или выделения теплоты в местах контактов (спаев) двух разных металлов или полупроводников при прохождении через них постоянного тока.

Эта теплота называется теплотой Пельтье и она является избыточной над теплотой Джоуля-Ленца (которая всегда выделяется при прохождении тока и зависит от сопротивления). Количество перенесенного тепла \(Q_{\Pi}\) прямо пропорционально силе тока \(I\) и времени \(t\):

Q_{\Pi} = \Pi \cdot I \cdot t

Где \(\Pi\) — коэффициент Пельтье. Важно отметить, что если изменить направление тока, то процессы выделения и поглощения тепла в спаях поменяются местами. Явление Пельтье широко используется для создания компактных твердотельных холодильных установок (элементы Пельтье) и систем термостатирования, но в измерительных термопарах оно является паразитным эффектом, хотя его влияние обычно пренебрежимо мало из-за малых токов измерения.

1.3. Эффект Томсона: Объемный нагрев

Явлением Томсона называют выделение (или поглощение) теплоты в объеме проводника, избыточной над джоулевой, при прохождении постоянного электрического тока по неравномерно нагретому однородному проводнику. Если вдоль проводника, по которому течет ток, существует градиент температуры, то носители заряда, перемещаясь из горячей точки в холодную (или наоборот), либо отдают энергию решетке, либо забирают ее.

Рис. 3. Эффект Томсона — дополнительное выделение или поглощение тепла в объёме проводника при прохождении тока через проводник с градиентом температуры

Эффект Томсона занимает особую нишу среди термоэлектрических явлений. В отличие от эффектов Пельтье и Зеебека, которые проявляются на стыке разнородных материалов, эффект Томсона наблюдается внутри однородного проводника, вдоль которого существует градиент температур.

Несмотря на то, что данное явление не получило массового внедрения в промышленности, оно играет ключевую роль в диагностике: с его помощью определяют тип примесной проводимости полупроводников и проводят фундаментальные исследования термоэлектрических свойств материалов.

2. Конструкция и принцип действия термоэлектрического термометра

Классический термоэлектрический термометр — это надежная конструкция, состоящая из двух спаянных на одном конце и изолированных по всей длине термоэлектродов, помещенных в защитный чехол. На противоположном конце располагается коммутационная головка с зажимами для подключения к внешней измерительной линии.

Существует огромное количество пар материалов для термоэлектродов. По своим термоэлектрическим свойствам (знаку коэффициента термо-Э.Д.С. относительно эталона — обычно платины) все материалы подразделяются на положительные и отрицательные. Измерение генерируемой термо-Э.Д.С. осуществляют при помощи высокоомных вольтметров, потенциометров или современных цифровых преобразователей, шкала которых сразу отградуирована в градусах Цельсия или Кельвина.

Рис. 4. Физическая модель термопары. Горячий спай находится в зоне нагрева \(T_1\). Роль «холодного спая 2» выполняют контакты подключения к измерительному прибору в холодной зоне \(T_2\).

Пояснение: Где на рисунке второй спай?
В учебниках (и в нашем теоретическом описании выше) часто говорится о «спае 2» как о физической скрутке проводов. Однако на практике (как показано на рис. 4) холодным спаем являются точки присоединения термоэлектродов к медным проводам вольтметра. Если температура этих двух точек одинакова (\(T_2\)), то физически они работают абсолютно так же, как один «спаянный» конец. Вольтметр измеряет разность потенциалов, возникающую на длине проводников из-за разницы температур \(\Delta T = T_1 — T_2\).

Рассмотрим фундаментальный принцип на примере цепи (рис. 1), составленной из двух различных термоэлектрически однородных по длине проводников А и В.

При подогреве спая 1 в цепи появится электрический ток. Направление этого тока зависит от материалов: в более нагретом спае 1 он направлен от проводника В к проводнику А, а в холодном спае 2 — от B к A (для условной пары материалов). Если же мы начнем подогревать спай 2, делая его горячее первого, ток изменит направление на противоположное.

Такие токи называются термоэлектрическими. Электродвижущая сила, которая заставляет их течь и которая обусловлена исключительно разницей температур мест соединения 1 и 2, называется термоэлектродвижущей силой (ТЭДС). Устройство, создающее эту ЭДС, именуется термоэлектрическим первичным преобразователем или просто термопарой.
Терминология спаев:

Рабочий (горячий) спай: Место соединения, погружаемое непосредственно в измеряемую среду.
Свободный (холодный) спай: Место подключения термопары к измерительному прибору или медным проводам, находящееся при известной (опорной) температуре.

Суммарную электродвижущую силу замкнутой цепи из проводников А и В, спаи которой нагреты до температур \(t\) и \(t_0\), можно выразить фундаментальным уравнением: \[ E_{AB}(t, t_0) = e_{AB}(t) — e_{AB}(t_0) \] где: \(E_{AB}(t, t_0)\) — суммарная термо-Э.Д.С. термопары; \(e_{AB}(t)\) и \(e_{BA}(t_0)\) — контактные потенциалы, возникающие в местах соприкосновения проводников при соответствующих температурах.

Индексы при \(E\) и \(e\) указывают направление термо-Э.Д.С.: от А к В или от В к А.

Правило третьего проводника: При введении в цепь термопары третьего (или четвертого) проводника, если оба конца этого проводника имеют одинаковую температуру, результирующая термо-Э.Д.С. термопары не изменяется. Это критически важное свойство. Благодаря ему мы можем смело включать в цепь термопары медные соединительные провода, клеммы из латуни, припой, измерительные приборы и подгоночные сопротивления, не боясь исказить результат, при условии, что места подключений изотермичны.

3. Проблема холодного спая и методы компенсации

Термопара — это дифференциальный прибор. Она не измеряет абсолютную температуру горячего конца \(t_p\), она измеряет разницу температур между горячим \(t_p\) и холодным \(t_{св}\) концами. Следовательно, чтобы точно узнать \(t_p\), необходимо либо поддерживать \(t_{св}\) равным строго 0°С, либо точно знать текущую температуру \(t_{св}\) и вносить математическую поправку.

3.1. Классический метод (0°С)

В лабораторных условиях температуру свободных концов термопары поддерживают равной 0°С, помещая их в ванну с тающим льдом (сосуд Дьюара со смесью дистиллированной воды и льда). В этом случае измеряемая ЭДС напрямую соответствует градуировочной таблице.

Рис. 5. Схема компенсации температуры холодных спаев

3.2. Промышленная компенсация

На практике (на заводах, в котельных, в двигателях) поддерживать 0°С невозможно. Температура свободных концов (обычно это клеммная коробка на стене или вход контроллера) может колебаться от +10°С зимой до +50°С летом.

Свободные концы термопары соединяются с медными монтажными проводами, образуя так называемую «дополнительную термопару», в которой также возникает паразитная термо-Э.Д.С. Если эту поправку не учитывать, возникнет грубейшая погрешность измерения температуры \(\Delta t\), равная температуре окружающей среды.

Для автоматического устранения этой погрешности вводится поправка на температуру свободных концов термоэлектрического термометра. Исторически и схемотехнически это реализуется с использованием неуравновешенной мостовой схемы, приведенной на рис. 6.

Рис. 6. Схема введения поправки температуры холодных спаев (мостовая компенсация)

Суть метода заключается в том, что в одно из плеч моста включается терморезистор \(R_t\) (обычно медный или никелевый), находящийся при той же температуре, что и свободные концы термопары. При изменении температуры окружающей среды сопротивление \(R_t\) меняется, разбалансируя мост. Напряжение разбаланса добавляется к сигналу термопары, компенсируя падение ЭДС из-за нагрева холодных концов.

При этом статическая характеристика смещается вертикально вверх или вниз относительно номинальной, что математически описывается уравнением:

E(t, 0^\circ\text{C}) = E(t, t_0) \pm E(t_0, 0^\circ\text{C})

Расшифровка формулы:

\(E(t, 0^\circ\text{C})\) — искомая номинальная термо-Э.Д.С., которая развивалась бы термопарой, если бы холодный спай был при 0°С (значение из таблицы ГОСТ).

\(E(t, t_0)\) — реально измеренная прибором термо-Э.Д.С. при текущих температурах рабочего спая \(t\) и холодного спая \(t_0\).

\(E(t_0, 0^\circ\text{C})\) — поправочная термо-Э.Д.С., которую развивала бы данная термопара, если бы ее рабочий спай был нагрет до температуры свободных концов \(t_0\), а холодный был при 0°С.

Поправка \(E(t_0, 0^\circ\text{C})\) имеет знак «плюс» в случае, когда температура холодных концов \(t_0 > 0^\circ\text{C}\) (обычный случай), и знак «минус» — в случае, когда \(t_0 < 0^\circ\text{C}\).

3.3. Компенсационные провода

Часто измерительный прибор находится в сотнях метров от печи или реактора. Тянуть дорогие термоэлектродные провода (особенно из платины) на такое расстояние экономически нецелесообразно. Для удлинения выводов термопар используют специальные термоэлектродные компенсационные провода.

Они состоят из двух жил, изготовленных из более дешевых металлов или сплавов, но подобранных так, что в диапазоне температур от 0 до 100°С (или до 200°С для некоторых марок) они имеют идентичные термоэлектрические свойства с основными термоэлектродами термометра. Это позволяет «перенести» холодный спай от горячей головки датчика в более комфортные условия щитовой, где стоит вторичный прибор.

4. Типы и характеристики промышленных термоэлектрических термометров

Термоэлектрические термометры, получившие широкое практическое применение, классифицируются по материалу термоэлектродов на две большие группы: из благородных (драгоценных) и неблагородных металлов. Также они различаются по чувствительности и стойкости к агрессивным средам.

Общее правило выбора:

1. Для измерения температур до 1100°С используют в основном экономичные термопары из неблагородных металлов.

2. Для температур выше 1100°С и до 1600°С — термопары из благородных металлов платиновой группы.

3. Для экстремальных температур более 1600°С — термопары из тугоплавких металлов (вольфрам-рений).

4.1. Анализ популярных типов

Термопара Хромель – Алюмель (ТХА / Тип K)

Особенно широко применяется в промышленности. Это «рабочая лошадка» термометрии. Хромель (сплав Ni-Cr) и алюмель (сплав Ni-Al) образуют пару, которая хорошо работает в окислительной среде (воздух). Это возможно благодаря возникновению при нагреве тонкой, но плотной защитной пленки окислов, препятствующей проникновению кислорода вглубь металла.

Недостаток: Восстановительная среда (например, водород, угарный газ) вредно действует на эту термопару, разрушая защитную пленку и вызывая так называемую «зеленую гниль» хрома, что приводит к дрейфу показаний.

Термопара Хромель – Копель (ТХК / Тип L)

Химически стойка в окислительной среде и несколько менее стойка в восстановительной (до 600°С).

Следует особо отметить уникально высокую термо-Э.Д.С., развиваемую этой парой (наивысшая чувствительность среди промышленных датчиков). Однако ее термоэлектрическая характеристика отличается значительно большей нелинейностью по сравнению с хромель-алюмелевой, что требовало специальных шкал в аналоговых приборах.

Правило полярности: При наименовании термометров первым обычно указывается положительный термоэлектрод. Положительным называют тот термоэлектрод, по направлению к которому ток идет через рабочий спай. Например, в паре Хромель-Алюмель, Хромель — это «плюс».

4.2. Сводная таблица 1. Стандартные промышленные термопары (согласно ГОСТ 6616 и ГОСТ Р 8.585)

Тип (ГОСТ)	Материалы электродов (+ / -)	Обозначение НСХ	Чувствительность (мВ на 100°С)	Рабочий диапазон (длительно), °С	Предельный диапазон (кратковременно), °С
ТХК	Хромель — Копель	L (ХК)	6,95	-200 … +600	800
ТХА	Хромель — Алюмель	K (ХА)	4,10	-200 … +1000	1300
ТЖК	Железо — Константан	J	5,27	-40 … +750	1000
ТПП	Платинородий (10% Rh) — Платина	S (ПП)	0,643	0 … +1300	1600
ТПР	Платинородий (30% Rh) — Платинородий (6% Rh)	B (ПР30/6)	около 0 (при 20°С)*	+300 … +1600	1800
ТВР	Вольфрамрений (5%) — Вольфрамрений (20%)	A-1 (ВР5/20)	1,33 (при 1000°С)	0 … +2200	2500

* Примечание: Термопары ТПР практически не генерируют ЭДС при комнатной температуре, поэтому для них не требуются компенсационные провода при температурах холодного спая до 50°С.

5. Инженерно-конструктивные особенности

Конструктивно промышленный термоэлектрический термометр представляет собой две проволоки из разнородных материалов, нагреваемые концы которых скручиваются, а затем надежно свариваются (аргонодуговая сварка) или спаиваются. Простота конструкции обманчива: главная сложность — защита от внешней среды.

5.1. Защитная арматура (Рис. 7)

Для защиты от механических повреждений, коррозии и химического воздействия измеряемой среды, электроды термометра, предварительно армированные керамической изоляцией, помещаются в специальную защитную арматуру. Рассмотрим её устройство на примере типовой конструкции:

Рис. 7. Конструкция промышленной термопары в сборе

У рабочих термоэлектрических термометров арматура состоит из следующих ключевых узлов (номера соответствуют схеме):

Защитная гильза (чехол): Основной барьер, контактирующий со средой. Должна быть газонепроницаемой.
Штуцер: Может быть неподвижным (приваренным) или передвижным с сальниковым уплотнением (для регулировки глубины погружения). Служит для монтажа датчика на объект (трубу, реактор).
Соединительный узел: Переход от гильзы к головке.
Розетка (клеммная колодка): Керамическая или пластиковая база внутри головки с винтовыми зажимами для подключения проводов.
Головка: Корпус (обычно алюминиевый сплав или пластик), защищающий контакты от пыли и влаги. Соединена с неподвижным штуцером с помощью шейки (трубки) 6 или напрямую.
Трубка (шейка): Отводит тепло от головки, чтобы защитить электронику и изоляцию проводов.
Термоэлектроды: Сами чувствительные элементы внутри гильзы.

5.2. Материалы защитных чехлов и изоляции

Основным вопросом при конструировании является выбор материала защитной трубы. Она должна обладать высокой теплопроводностью (для уменьшения инерционности), механической прочностью и жаростойкостью. Критически важно, чтобы при нагревании материал арматуры не выделял газов, отравляющих термоэлектроды.

До 600°С: Применяют обычные стальные бесшовные трубы (Ст20, Ст45).
До 1100°С: Используют трубы из высоколегированных нержавеющих сталей (12Х18Н10Т, жаропрочные сплавы Inconel).
Экономия: Для уменьшения стоимости часто используют составные (сварные) чехлы: рабочий горячий участок — из дорогой нержавейки, а верхний нерабочий — из углеродистой стали.
Выше 1300°С: Для платиновых термопар металлы не подходят. Используют керамику (фарфор, корунд, кварц). Фарфоровые чехлы работают до 1300…1400°С, но они хрупкие.

Изоляция электродов:
Внутри гильзы проволоки не должны касаться друг друга и стенок (кроме рабочего спая). В качестве изоляции применяют:

Асбест: до 300°С.
Кварцевые трубки/бусы: до 1000°С.
Фарфоровые трубки/бусы (МКР): до 1300…1400°С.

В лабораторной практике для низких температур используют шелк, эмаль (до 200°С) или термостойкую резину.

6. Сравнение преимуществ и недостатков термопар

Чтобы понять место термопар среди других датчиков (например, термометров сопротивления RTD), приведем сравнительный анализ.

Преимущества (+)	Недостатки (-)
Широчайший диапазон: От криогенных температур (-270°С) до экстремального жара (+2500°С).	Меньшая точность: Уступают платиновым термосопротивлениям (Pt100, Pt1000) в узких диапазонах.
Быстродействие: Малая масса спая позволяет реагировать на изменения температуры за доли секунды.	Нелинейность: Зависимость ЭДС от температуры нелинейна, требует сложной линеаризации в приборе.
Прочность: Устойчивы к вибрациям и механическим ударам (особенно кабельные термопары в магнезиальной изоляции).	Слабый сигнал: Выходное напряжение очень мало (милливольты), подвержено электромагнитным помехам.
Пассивность: Не требуют источника питания для генерации сигнала (активный датчик).	Требование компенсации: Необходимость точного учета температуры холодного спая.
Стоимость: Термопары из неблагородных металлов очень дешевы.	Старение: Характеристики могут «плыть» со временем из-за диффузии и коррозии материалов.

7. Интересные факты о термоэлектричестве

Космическая энергия. Марсоход Curiosity и зонды Voyager не используют солнечные панели вдали от Солнца. Их питают РИТЭГи — радиоизотопные термоэлектрические генераторы, использующие эффект Зеебека для превращения тепла распада плутония в электричество.
Человеческая батарейка. Тепловая мощность человеческого тела около 100 Вт. Существуют наручные часы, которые заряжаются от тепла руки владельца, используя термопары (эффект Зеебека).
Зеркальный эффект. Если через спай термопары пропустить ток, один конец охладится, а другой нагреется (эффект Пельтье). Именно так работают бесшумные автомобильные холодильники и кулеры для мощных процессоров.
Чувствительность паука. Некоторые насекомые имеют биологические «термопары» в усиках, позволяющие чувствовать перепады температуры в сотые доли градуса для поиска добычи.
Опасность радиации. В ядерных реакторах под воздействием нейтронного потока состав металлов термопары меняется (трансмутация элементов), что приводит к неустранимым ошибкам измерений.
Миллион градусов. Для измерения температуры плазмы обычные термопары сгорают мгновенно. Там используются бесконтактные методы, но вольфрам-рениевые термопары держат рекорд контактного измерения — до 2500-2800°С кратковременно.
Виртуальный ноль. В современных контроллерах нет ванны со льдом. Там стоит крошечный датчик (термистор), измеряющий температуру клемм, а микропроцессор математически вычисляет «как будто» холодный спай при 0°С.

8. FAQ: Часто задаваемые вопросы

Можно ли укоротить провода термопары?

Да, можно. Термопара генерирует сигнал только за счет разницы температур между горячим спаем и точкой подключения. Длина провода влияет только на омическое сопротивление линии, которое современные высокоомные приборы обычно игнорируют. Главное — после обрезки снова сформировать качественный контакт (холодный спай) на клеммах.

Что будет, если перепутать полярность подключения?

Если вы перепутаете «плюс» и «минус» при подключении к прибору, показания будут меняться в обратную сторону: при нагреве датчика температура на экране будет падать.

Можно ли спаять разорванную термопару обычным оловом?

Крайне не рекомендуется для высоких температур. Обычный припой расплавится уже при 200-250°С. Кроме того, введение третьего металла (олова) в рабочий спай не повлияет на показания только если весь спай прогрет равномерно, но это снижает надежность. Лучше использовать сварку.

Почему термопара показывает неправильную температуру?

Самые частые причины: 1) Неверно выбран тип термопары в настройках прибора (например, подключена ХК, а в приборе выбрано ХА); 2) Не работает компенсация холодного спая; 3) Использованы обычные медные провода вместо компенсационных для удлинения; 4) Плохой контакт или электромагнитные наводки.

Чем отличается термопара от термосопротивления (Pt100)?

Термопара генерирует напряжение (активный принцип) и лучше подходит для высоких температур и вибраций. Термосопротивление меняет свое сопротивление (пассивный принцип), требует тока возбуждения, но оно гораздо точнее в диапазоне до 500-600°С.

Нормативная база и литература

ГОСТ 6616-94 — Преобразователи термоэлектрические. Общие технические условия.
ГОСТ Р 8.585-2001 — ГСИ. Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования (соответствует стандарту МЭК 60584-1).
ГОСТ 1790-77 — Проволока из сплавов хромель Т, алюмель, копель и константан для термоэлектродов термоэлектрических преобразователей.

Список литературы

Линевег Ф. Измерение температур в технике: Справочник. — М.: Металлургия.
Ярышев Н.А. Теоретические основы измерения нестационарных температур. — Л.: Энергоатомиздат.