Если соединить два разнородных металла, то между разомкнутыми концами появится разность потенциалов (рис.1). Эта разность потенциалов называется термо-ЭДС, поскольку ее величина зависит от температуры. Соединим эти два проводника с обоих сторон и рассмотрим образовавшийся контур (рис.2). За положительное направление обхода контура примем направление по часовой стрелке. |
При равенстве температур обоих мест соединения (т.1 и т.2) термо-ЭДС обоих мест соединений (Е1 и Е2) будут равны по величине, но противоположны по знаку (Е1=-Е2, т.к. при обходе контура в т.1 совершается переход из металла Б в металл А, а в т.2 — из металла А в металл Б). Если каким-либо образом сделать температуру мест соединения различной (например, нагреть или охладить т.2), то величины термо-ЭДС т.1 и т.2 станут различны и в цепи потечет ток, который будет определяться Еобщ=Е1+Е2 и сопротивлением контура. Это явление было открыто Зеебеком в 1921 году и в настоящее время широко используется для измерения температуры. |
Если разорвать такой контур в каком либо месте (рис.3), то разность потенциалов между образовавшимися концами будет равна общей термо-ЭДС контура. Если известна температура одного из мест соединений (например, температура т.1), то по величине общей термо-ЭДС можно судить о температуре другого места соединения (о температуре т.2). То есть по величине общей термо-ЭДС можно судить о разнице температур мест соединений. |
Если заменить часть провода из металла А (или из металла Б) куском другого провода (провода С), то общая термо-ЭДС не изменится при условии равенства температур т.3 и т.4 (рис.4). Это свойство называется законом промежуточных металлов, или законом Магнуса. |
Рассмотрим цепи, изображенные на рис.5. При равенстве температур Т1=Т2=Т общие термо-ЭДС таких цепей равны между собой. Это очень важное свойство, позволяющее измерять общую термо-ЭДС, т.к. оно означает, что подключая между проводами металла А и металла Б измерительный прибор с обычными медными проводами (металл С) сумма термо-ЭДС, образованных контактами металл А — медь и медь — металл Б равна термо-ЭДС спая металл А — металл Б при той же температуре. |
Термопара — это прибор, состоящий из двух сваренных между собой разнородных проводников (рис.6). Для измерения температуры с помощью термопары, одно место соединения (называемое рабочим спаем, т.1) помещают в среду, температуру которой необходимо измерить, а температуру двух других мест соединения (мест соединения с измерительным прибором, называемых холодными спаями, т.2 и т.3) измеряют с помощью других приборов и методов (например, с помощью термосопротивлений).
Термопары — это компактные, относительно грубые и относительно недорогие сенсоры, но они работают в самом широком из всех сенсоров диапазоне температур. В связи с этим, термопары, в основном, применяются для измерения экстремально высоких температур (до 2300 0С). Термопары, в отличие от других сенсоров, не нуждаются в источнике тока, но для обработки сигнала термопар требуются прецезионные усилители. Также термопары более линейны, чем многие другие сенсоры и их нелинейность хорошо описывается математически.
Наиболее широко распространенные термопары — это ХК (хромель — капель) и ХА (хромель — алюмель). Вольт-температурные зависимости для различных термопар приводятся в ГОСТе в виде таблиц. Выходное значение напряжения в таблицах обычно приводится при температуре холодных спаев равной 0 0С.
Термопары требуют для своего применения методов компенсации температуры холодных спаев. В промышленности применяют два основных метода.
1) Первый метод заключается в том, что провода от термопары до ЦПУ, к измерительному прибору, выполняют из тех же материалов, что и термопару (рис.5). В этом случае они называются компенсационными проводами.
Этот метод позволяет перенести места холодных спаев от термопары — в ЦПУ, где и измеряется их температура (обычно термосопротивлением, встроенным либо в специальную клеммную коробку, куда подключаются компенсационные провода, либо термосопротивлением, расположенным прямо на плате измерительного прибора, рядом с контактами, к которым подключаются компенсационные провода).
Недостатком этого метода является необходимость прокладывания дорогостоящих и неудобных для укладки и монтажа (они очень плохо гнуться) компенсационных проводов от объекта до ЦПУ. Этого недостатка лишен второй метод.
2) Смысл второго метода заключается в том, что в данном случае измерительный преобразователь, который измеряет температуру холодных спаев, вносит соответствующую компенсацию, усиливает и преобразует выходной сигнал в стандартный токовый, встраивается прямо в головку термопары. При этом стоимость измерительной системы уменьшается за счет отказа от компенсационных проводов (токовый сигнал в ЦПУ можно передавать по обычным медным проводам), но добавляются затраты на встраиваемый измерительный преобразователь. Кроме того, такому преобразователю требуется внешнее питание.
Развитие электроники приводит к постоянному уменьшению размеров и стоимости электронных компонентов, а также к повышению их качества, что делает второй метод наиболее перспективным. Возможно скоро появятся недорогие преобразователи, преобразующие сигнал термопары не только в токовый сигнал, но и в цифровой, что позволит подключать термопары к различным полевым шинам.
По конструкции различают термопары с изолированным и неизолированным спаем. У термопар с изолированным спаем рабочий спай электрически изолирован от земли, а у термопар с неизолированным спаем — нет. Термопары с неизолированным спаем можно подключать только к измерительным приборам с изолированными от земли входами, иначе образуются еще два замкнутых контура (через землю) и показания прибора будут неправильными. Для термопар с изолированным спаем неважно изолирован вход измерительного прибора от земли или нет.
Еще раз подчеркну, что величина измеренной термо-ЭДС термопары позволяет судить не о температуре рабочего спая, а о разнице температур рабочего и холодных спаев термопары. Это очень важное замечание, т.к. очень часто по измеренной мультиметром величине термо-ЭДС, не зная температуры холодных спаев пытаются судить о температуре рабочего спая, что является ошибкой!
В соответствии с законом Магнуса при обрыве термопары место разрыва можно соединить обычными медными проводами (но вставка не должна быть длинной, т.к. для исключения влияния такой вставки необходимо обеспечить как можно более точное равенство температур обоих ее концов).