Измерение температуры с помощью термопары

Опубликовано 18.02.2010 Ведущий Антон Панкратов

Среди множества методов измерения температуры одним из самых распространенных, особенно в промышленности, является метод измерения с помощью термопары.
Термопара - это датчик температуры, состоящий из двух соединённых между собой разнородных электропроводящих элементов, обычно металлических проводников, реже полупроводников.
В сочетании с электроизмерительными приборами термопара образует термоэлектрический термометр, шкала которого градуируется непосредственно в градусах Кельвина или Цельсия.
Действие термопары основано на эффекте Зеебека, рассмотренном нами ранее. Если контакты (обычно - спаи) проводящих элементов, образующих термопару (их часто называют термоэлектродами), находятся при разных температурах, то в цепи термопары возникает термоЭДС, величина которой определяется температурой "горячего" и "холодного" контактов и природой материалов, примененных в качестве термоэлектродов.
Напряжение V выходное является функцией от разности температур холодного и горячего спаев, определяемой коэффициентом Зеебека. То есть, для определения актуальной температуры горячего спая необходимо знать температуру холодного.
Самый простой метод - поддержание температуры холодного спая на уровне 0°C. В этом случае Vвых = V горячего спая, и измеренное напряжение однозначно определяется температурой горячего спая.
В промышленных системах широко используется техника "компенсации холодного спая". Этот метод заключается в том, что температура холодного спая измеряется другим датчиком температуры, а затем величина термоЭДС холодного спая программно или аппаратно вычитается из сигнала термопары
В настоящее время применяются различные термопары, термоэлектроды которых изготовлены как из чистых металлов (платина), так и из сплавов, таких как хромель, копель, алюмель и так далее. Материалы термоэлектродов определяют предельное значение измеряемой температуры. Наиболее известны такие термопары, как хромель-копель (предельная температура 600°С), хромель-алюмель (до 1000°С), вольфрам-рений (до 2200°С).
Главные преимущества термопар:
- широкий диапазон рабочих температур, это самый высокотемпературный из контактных датчиков.
- спай термопары может быть непосредственно заземлен или приведен в прямой контакт с измеряемым объектом.
- простота изготовления, надежность и прочность конструкции.
Главным недостатком является очень малый уровень выходного сигнала, требующий усиления или применения цифровых преобразователей высокой разрядности для обработки сигнала.
Термопары можно классифицировать по назначению: промышленные, для научно-исследовательских целей, для измерения температуры пищевых продуктов, для медицинских исследований и т.д. Термопары обычно встраиваются в пробники (щупы).
В зависимости от конструкции и назначения различают термопары, погружаемые и поверхностные; с обыкновенной, взрывобезопасной, влагонепроницаемой или иной оболочкой, а также без оболочки; обыкновенные, вибротряскоустойчивые и т.д.
При выборе термопары необходимо учитывать тип термопары, изоляцию и конструкцию пробника, поскольку от этих факторов зависят диапазон измеряемых температур, точность и достоверность измеренных значений.