Эффект Зеебека

• Термопара вырабатывает напряжение, зависящее от температуры, благодаря эффекту Зеебека.  
• Напряжение может быть использовано для измерения температуры.  
• Термопары недороги, взаимозаменяемы и могут измерять широкий диапазон температур.  

Принцип действия

• В 1821 году Зеебек обнаружил, что магнитная стрелка отклоняется при нагревании одного из разнородных металлов.  
• Напряжение, генерируемое на одном соединении, может быть использовано для измерения температуры.  
• Величина напряжения зависит от типа используемого провода и находится в диапазоне микровольт.  

Стандартная конфигурация

• Термопара состоит из двух разнородных проводников, соприкасающихся на измерительном и эталонном стыках.  
• Термопара подключается к электрической системе в месте опорного соединения.  
• Значение температуры определяется с помощью характеристической функции E(T).  

Эффект Зеебека

• Эффект Зеебека возникает при разнице температур между двумя точками электропроводящего материала.  
• Напряжение прямо пропорционально градиенту температуры.  
• Характеристическая функция E(T) определяется по коэффициентам Зеебека.  

Опорный узел

• Для точного измерения температуры необходимо знать температуру в контрольных соединениях.  
• Используются две стратегии: “ледяная ванна” и компенсация холодного перехода.  
• В обоих случаях значение V+E(Tref) вычисляется, а функция E(T) используется для поиска подходящего значения.  

Практические соображения

• Термопары подвержены погрешностям при изготовлении, старению и ошибкам в проектировании схем.  
• Ошибки в Tref могут привести к ошибкам в измерении температуры.  
• Соединения должны быть выполнены надежно, но возможны различные подходы.  

Напряжение на стыке термопары

• Напряжение генерируется вдоль провода, а не на стыке.  
• Термопара выдает слабые сигналы, требующие усилителя с низким входным напряжением.  

Металлургические марки

• Тип провода определяется химическим составом, но цель — соответствие стандартному составу.  
• Примеси влияют на коэффициенты Зеебека, производители добавляют легирующие добавки.  
• Существуют стандартные и специализированные марки проволоки.  

Старение термопар

• Термопары стареют при высоких температурах, что приводит к изменению измеряемого напряжения.  
• Устаревшие термопары нельзя повторно калибровать, их нужно заменять.  

Типы термопар

• Определенные комбинации сплавов стали стандартами.  
• Типы выбираются по температурному диапазону и чувствительности.  
• Термопары с низкой чувствительностью имеют более низкое разрешение.  

Термопары из никелевого сплава

• Тип E (хромель–константан) подходит для криогенных условий, немагнитен.  
• Тип J (железо–константан) имеет более ограниченный диапазон, но высокую чувствительность.  
• Тип K (хромель–алюмель) наиболее распространен, чувствительность около 41 мкВ/°C.  
• Тип M (82%Ni/18%Mo–99,2%Ni/0,8%Co) используется в вакуумных печах.  
• Тип N (Nicrosil–Nisil) стабилен и устойчив к окислению, чувствительность около 39 мкВ/°C.  

Типы термопар и их характеристики

• Термопары типа N подходят для условий низкого содержания кислорода и не переносят серу.  
• Термопары типа T используются в диапазоне температур от -200 до 350 °C и имеют чувствительность около 43 мкВ/°C.  
• Термопары из платинового/родиевого сплава стабильны, но имеют низкую чувствительность.  
• Термопары из вольфрамового/рениевого сплава подходят для измерения чрезвычайно высоких температур.  

Термопары из благородных металлов

• Термопары из сплава хромель–золото/железо используются для криогенных применений.  
• Термопары типа P обеспечивают термоэлектрическое напряжение в диапазоне от 500°C до 1400°C.  
• Термопары из платинового/молибденового сплава используются в ядерных реакторах.  
• Термопары из иридиево-родиевого сплава подходят для температуры около 2000 °C.  
• Термопары из чистых благородных металлов Au–Pt и Pt–Pd точны и экономичны.  

Термопары HTIR-TC

• HTIR-TC устойчивы к высокотемпературному облучению и долговечны.  
• Разработаны для использования в ядерных испытательных реакторах.  

Сравнение типов термопар

• В таблице приведены характеристики различных типов термопар.  
• Изоляция проводов важна для предотвращения ложных показаний температуры.  
• Пластмассы подходят для низкотемпературных частей, керамическая изоляция для температур около 1000 °C.  

Номинальные значения температуры изоляции

• Зависит от состава кабеля с термопарой  
• T300 одобрен UL для работы при 300 °C  

Применение термопар

• Измерения в широком диапазоне температур  
• Используются в печах, выхлопных газах, дизельных двигателях  
• Менее подходят для точных измерений небольших перепадов температур  

Сталелитейная промышленность

• Термопары типов B, S, R и K для контроля температуры и химического состава  
• Одноразовые погружные термопары типа S для точного измерения температуры стали  

Безопасность газовых приборов

• Термопары в отказоустойчивых цепях для предотвращения взрывов  
• Наконечник термопары в контрольном пламени для управления клапаном  
• Комбинированные горелки и контрольные газовые клапаны для снижения энергопотребления  

Датчики теплового излучения

• Термоэлементы для измерения интенсивности излучения  
• Используются в измерителях мощности лазера  

Производство

• Термопары для испытания прототипов электрических и механических устройств  
• Термопары могут вырабатывать ток для управления процессами  

Производство электроэнергии

• Термопары могут активировать клапаны при разнице температур  
• Термоэлементы могут быть соединены последовательно для увеличения напряжения  

Технологические установки

• Компьютеры для регистрации и предельного тестирования температур  
• Термопары используются для измерения температуры в сотнях мест  

Термопара в качестве вакуумметра

• Используется в диапазоне абсолютного давления от 0,001 до 1 торр  
• Математическая модель термопары сложна, но может быть упрощена  

Альтернативы

• Датчик Пирани работает аналогично, но использует изменение сопротивления  

Дополнительные ресурсы

• Принцип действия термопары  
• Дрейф термопары  
• Таблицы данных термопар  
• Пакет thermocouples_reference на Python  
• Пакет R для измерения температуры с помощью термопар  

Международная температурная шкала 1990 года

• Введена в 1990 году  
• Основана на биметаллическом (механическом) принципе  

Рекомендации

• Внешние ссылки на дополнительные ресурсы  

Принцип действия Термопары

• Объяснен Кембриджским Университетом  

Дрейф термопары

Два способа измерения температуры с помощью термопар

• Описаны два метода измерения температуры  

Таблицы данных термопар

• Текстовые таблицы: База данных термопар NIST ITS-90 (B, E, J, K, N, R, S, T)  
• Таблицы в формате PDF: J K T E N R S B  

Пакет thermocouples_reference на языке Python

• Содержит характеристические кривые для многих типов термопар  

Пакет R [2]

• Измерение температуры с помощью термопар, датчиков RTD и IC  

Таблица данных: Размеры проводов термопары

• Информация о размерах проводов термопары