Термопара: Простой и универсальный датчик температуры
Что такое термопара?
Термопара — это устройство, преобразующее разность температур в электрическое напряжение на основе принципа термоэлектрического эффекта. Это тип датчика, который может измерять температуру в определенной точке или местоположении. Термопары широко используются в различных областях, таких как промышленные, бытовые, коммерческие и научные применения, благодаря своей простоте, долговечности, низкой стоимости и широкому диапазону измеряемых температур.
Что такое термоэлектрический эффект?
Термоэлектрический эффект — это явление, при котором генерируется электрическое напряжение из-за разности температур между двумя различными металлами или сплавами металлов. Этот эффект был обнаружен немецким физиком Томасом Зебеком в 1821 году, который заметил, что создается магнитное поле вокруг замкнутой петли из двух различных металлов, когда один соединительный узел нагревается, а другой охлаждается.
Термоэлектрический эффект можно объяснить движением свободных электронов в металлах. Когда один соединительный узел нагревается, электроны получают кинетическую энергию и быстрее перемещаются к холодному соединительному узлу. Это создает потенциальную разницу между двумя соединительными узлами, которую можно измерить с помощью вольтметра или амперметра. Магнитуда напряжения зависит от типа используемых металлов и разности температур между соединительными узлами.
Как работает термопара?
Термопара состоит из двух проводов, изготовленных из различных металлов или сплавов металлов, соединенных вместе на обоих концах, чтобы образовать два соединительных узла. Один соединительный узел, называемый горячим или измерительным, помещается в место, где необходимо измерить температуру. Другой соединительный узел, называемый холодным или эталонным, поддерживается при постоянной и известной температуре, обычно при комнатной температуре или в ледяной бане.
Когда существует разница температур между двумя соединительными узлами, по цепи термопары генерируется электрическое напряжение вследствие термоэлектрического эффекта. Это напряжение можно измерить с помощью вольтметра или амперметра, подключенного к цепи. Используя калибровочную таблицу или формулу, связывающую напряжение с температурой для данного типа термопары, можно вычислить температуру горячего соединительного узла.
Следующая диаграмма показывает основной принцип работы термопары:
Следующее видео подробно объясняет, как работает термопара:
Какие бывают типы термопар?
Существует множество типов термопар, каждый из которых имеет различные характеристики и области применения. Тип термопары определяется сочетанием металлов или сплавов, используемых для проводов. Наиболее распространенные типы термопар обозначаются буквами (например, K, J, T, E и т.д.) в соответствии с международными стандартами.
Следующая таблица суммирует некоторые основные типы термопар и их свойства:
| Тип | Положительный провод | Отрицательный провод | Цветовая кодировка | Диапазон температур | Чувствительность | Точность | Применение |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| K | Никель-хром (90% Ni, 10% Cr) | Никель-алюминий (95% Ni, 2% Al, 2% Mn, 1% Si) | Желтый (+), Красный (-), Желтый (общий) | -200°C до +1260°C (-328°F до +2300°F) | 41 µV/°C | ±2.2°C (0.75%) | Общего назначения, широкий диапазон, низкая стоимость |
| J | Железо (99.5% Fe) | Константан (55% Cu, 45% Ni) | Белый (+), Красный (-), Черный (общий) | -210°C до +750°C (-346°F до +1400°F) | 50 µV/°C | ±2.2°C (0.75%) | Оксидирующие среды, ограниченный диапазон |
| T | Медь (99.9% Cu) | Константан (55% Cu, 45% Ni) | Синий (+), Красный (-), Коричневый (общий) | -200°C до +350°C (-328°F до +662°F) | 43 µV/°C | ±1°C (0.75%) | Низкие температуры, оксидирующие среды |
| E | Никель-хром (90% Ni, 10% Cr) | Константан (55% Cu, 45% Ni) | Фиолетовый (+), Красный (-), Фиолетовый |
| E | Никель-хром (90% Ni, 10% Cr) | Константан (55% Cu, 45% Ni) | Фиолетовый (+), Красный (-), Фиолетовый (общий) | -200°C до +870°C (-328°F до +1598°F) | 68 µV/°C | ±1.7°C (0.5%) | Высокая точность, средний диапазон, низкая стоимость | | N | Никросил (84.1% Ni, 14.4% Cr, 1.4% Si, 0.1% Mg) | Нисил (95.5% Ni, 4.4% Si, 0.1% Mg) | Оранжевый (+), Красный (-), Оранжевый (общий) | -200°C до +1300°C (-328°F до +2372°F) | 39 µV/°C | ±2.2°C (0.75%) | Общего назначения, широкий диапазон, стабильность | | S | Платино-родий (90% Pt, 10% Rh) | Платина (100% Pt) | Черный (+), Красный (-), Зеленый (общий) | 0°C до +1600°C (+32°F до +2912°F) | 10 µV/°C | ±1.5°C (0.25%) | Высокие температуры, высокая точность, дорогие | | R | Платино-родий (87% Pt, 13% Rh) | Платина (100% Pt) | Черный (+), Красный (-), Зеленый (общий) | 0°C до +1600°C (+32°F до +2912°F) | 10 µV/°C | ±1.5°C (0.25%) | Высокие температуры, высокая точность, дорогие | | B | Платино-родий (70% Pt, 30% Rh) | Платино-родий (94% Pt, 6% Rh) | Серый (+), Красный (-), Серый (общий) | +600°C до +1700°C (+1112°F до +3092°F) | 9 µV/°C | ±0.5% от показания выше +600°C (+1112°F) | Очень высокие температуры, низкая чувствительность |
Какие преимущества и недостатки имеют термопары?
Термопары имеют много преимуществ и недостатков по сравнению с другими датчиками температуры, такими как RTD (резистивные датчики температуры), терморезисторы или инфракрасные датчики.
