Термопары - это простые датчики температуры, используемые в науке и промышленности. Они состоят из двух проводов из разнородных металлов, соединенных в единой точке или стыке, который обычно сваривается для обеспечения прочности и надежности.
На открытых концах этих проводов термопара генерирует напряжение в ответ на соединение температура, результат явления, называемого эффектом Зеебека, открытого в 1821 году немецким физиком Томасом Зеебек.
Типы термопар
Любые два соприкасающихся провода из разных металлов при нагревании создают напряжение; однако некоторые комбинации сплавов являются стандартными из-за их выходного уровня, стабильности и химических характеристик.
Наиболее распространены термопары из «недрагоценных металлов», сделанные из железа или сплавов никеля и других элементов, и известны как типы J, K, T, E и N, в зависимости от состава.
Термопары из «благородных металлов», изготовленные из платино-родиевых и платиновых проволок для использования при более высоких температурах, известны как типы R, S и B. В зависимости от типа термопары могут измерять температуру от -270 градусов по Цельсию до 1700 C или выше (от -454 градусов по Фаренгейту до 3100 F или выше).
Ограничения термопар
Преимущества и недостатки термопар зависят от ситуации, и важно сначала понять их ограничения. Выходная мощность термопары очень мала, обычно всего около 0,001 вольт при комнатной температуре, увеличиваясь с повышением температуры. У каждого типа есть собственное уравнение для преобразования напряжения в температуру. Отношение не является прямой линией, поэтому эти уравнения несколько сложны и содержат много членов. Даже в этом случае точность термопар ограничена примерно 1 ° C или, в лучшем случае, примерно 2 ° F.
Чтобы получить калиброванный результат, напряжение термопары необходимо сравнить с эталонным значением, которое когда-то было другой термопарой, погруженной в баню с ледяной водой. Этот аппарат создает «холодный спай» при 0 C или 32 F, но это, очевидно, неудобно и неудобно. Современные электронные эталонные схемы ледяной точки повсеместно заменили ледяную воду и позволили использовать термопары в портативных устройствах.
Поскольку термопары требуют контакта двух разнородных металлов, они подвержены коррозии, что может повлиять на их калибровку и точность. В суровых условиях соединение обычно защищается стальной оболочкой, которая предотвращает повреждение проводов влагой или химическими веществами. Тем не менее, уход за термопарами и техническое обслуживание необходимы для обеспечения их длительной работы.
Преимущества и недостатки термопар
Термопары просты, прочны, просты в изготовлении и относительно недороги. Их можно сделать из тончайшей проволоки для измерения температуры крошечных объектов, например насекомых. Термопары полезны в очень широком диапазоне температур и могут быть вставлены в труднодоступных местах, например, в полостях тела или в агрессивных средах, таких как ядерные реакторы.
При всех этих преимуществах необходимо учитывать недостатки термопар перед их применением. Выходной сигнал уровня милливольт требует дополнительной сложности тщательно спроектированной электроники как для опорной точки, так и для усиления крошечного сигнала.
Кроме того, низковольтный отклик чувствителен к шумам и помехам от окружающих электрических устройств. Для хороших результатов термопарам может потребоваться заземление. Точность ограничена примерно 1 ° C (примерно 2 F) и может быть дополнительно снижена из-за коррозии соединения или проводов.
Применение термопар
Преимущества термопар привели к их использованию в широком диапазоне ситуаций, от управления бытовыми печами до контроля температуры самолетов, космических аппаратов и спутников. В печах и автоклавах используются термопары, а также в прессах и пресс-формах для производства.
Многие термопары можно соединить последовательно, чтобы создать термобатарею, которая вырабатывает большее напряжение в зависимости от температуры, чем одна термопара. Термобатареи используются для создания чувствительных устройств для обнаружения инфракрасного излучения. Термобатареи могут также генерировать энергию для космических зондов из тепла радиоактивного распада в радиоизотопном термоэлектрическом генераторе.