http://en.wikipedia.org/wiki/Thermocouple
Описание
термопар
В
электронике термопары являются широко используемым видом датчика температуры и
могут, также использоваться в качестве средства, чтобы превратить тепловую разность
потенциалов в электрическую разность потенциалов. Они дешевы и взаимозаменяемы,
имеют стандартные соединители, и могут измерять широкий диапазон температур.
Главное ограничение - это точность; тяжело получить системные ошибки менее чем
в 1 °С.
Принцип
действия
В
1821, немецко-эстонский физик Томас Джон Зеебек совершил открытие: когда любому
проводнику (как например металлу) сообщить тепловой градиент, он будет
генерировать напряжение. Сейчас это известно как термоэлектрический эффект
Зеебека. Любая попытка измерить это напряжение обязательно влечёт подсоединение
другого проводника к "горячему концу". Тогда этот дополнительный проводник
также испытывает градиент температуры, и вырабатывает собственное напряжение,
которое будет противопоставляться оригиналу. К счастью, величина результата
зависит от типа металла, который используется. Использование разных металлов, для
завершения цепи, будет давать разное генерируемое напряжение, остаётся
небольшая разность напряжений, доступная для измерения, которая возрастает с
температурой. Эта разница обычно лежит в диапазоне между 1 и 70 микровольт на
градус Цельсия, для современного ряда доступных сочетаний металла. Определенные
комбинации стали популярными как промышленные стандарты, благодаря своей
стоимости, применимости, выгоде, точке плавления, химическим свойствам,
стабильности и выходным параметрам.
Важно,
чтобы отметить, что термопары измеряют разницу температур между двумя точками,
а не абсолютную температуру.
Обычное применение: когда один из концов —
холодный конец — поддерживается в известной (рекомендуемой)
температуре, пока другой конец применяется как зонд. Например, в изображении
выше, холодный контакт представлен медными проводниками на схеме. Другой
датчик температуры измерит температуру
в этой точке, поэтому температура зонда может быть вычислена.
Термопары
могут соединяться в серии с другом друг, чтобы сформировать термоэлемент, где
все горячие соединения подвергнуты более
высокой температуре, а все холодные контакты - более низкой температуре.
Поэтому, напряжения индивидуальных термопар
складываются, что даёт большее напряжение.
Иметь,
соответственно, известную температуру холодного спая, пока полезно для
лабораторных калибровок, однако просто не пригодно для наиболее непосредственно
соединенных показывающих и контролирующих приборов. Они объединяют в своих
цепях искусственный холодный контакт, использующий некоторое другое
теплочувствительное устройство (как например термистор или диод), чтобы
измерить температуру входных контактов прибора, специальное внимание уделяется
тому, чтобы минимизировать любой градиент температуры между этим искусственным
и естественным контактами. Отсюда, напряжение от известного холодного спая
может быть просимулировано и использовано подходящее исправление. Это известно
как компенсация холодного спая.
Дополнительно,
компенсация холодного спая может выполняться программным обеспечением.
Напряжения устройства могут переводиться в температуру двумя методами. Значения
могут быть найдены по таблицам перекодировки или аппроксимированы, при помощи
полиномов.
Обычно
термопара присоединяется к регистрирующему приспособлению специальной
проволокой, известной как компенсационный или удлиняющий провод. Условия
специфические. Удлинительный провод использует проволоку то же номинала, что и
проводники, из которых изготовлена термопара. Эти кабели стоят дешевле, чем
проволока термопары, хотя всё равно недешево, и их обычно производят в виде,
пригодном для передачи информации на длинные расстояния междугородние - обычно многожильный
кабель покрыт гибкой изоляцией. Они обычно специализируются на точности, но
более ограничены по температурному диапазону, чем проволока термопары. Они рекомендуются
для лучшей точности.
Компенсационные
провода, с другой стороны, менее точны, но более дёшевы. Они используют
совершенно различные, относительно дешёвые проводники из сплавов, чьи чистые
термоэлектрические коэффициенты подобны тем, что у термопар в вопросе (относительно
ограниченного диапазона температур), но которые им совершенно не соответствуют как
удлинительные провода. Разработаны комбинации подобных выводов к тем из термопар,
но оперативный температурный диапазон компенсационных проводов ограничен, чтобы
удерживать ошибки пропуска приёма.
Удлинительный
или компенсационный провод должен выбираться соответственно термопаре. Это
генерирует напряжение, пропорциональное разнице между горячим спаем и холодным спаем
и он соединен в правильной полярности таким образом, что дополнительное
напряжение увеличивает напряжение термопары, компенсируя до разности температур
между горячим и холодным концами.
Взаимоотношение
напряжение-температура.
Взаимоотношение
между разницей температуры и выходное напряжение термопары нелинейно и описывается
полиномиальной интерполяцией 
Коэффициенты
аn,
даны для n от 0 до значения между 5 и 9.
Чтобы
достичь точных измерений выравнивание обычно выполняется в цифровом диспетчере или запоминается в таблице lookup.
Некоторые старшие устройства используют аналоговые фильтры.
Различные
типы
Термопары разнообразны, доступны, и подходят для
различных отраслей измерения (индустриальная, научная, температура пищевых
продуктов, медицинские исследования, и т.п.).
Тип К
(Хромель (сплав Ni-Cr)/Алюмель (сплав Ni-Al))
"Общее назначение" термопар. Они стоят дёшево и значит популярны, а потому зонды доступны в широком разнообразии. Они доступны в температурном диапазоне -200°C +1200°C. Тип K был уточнён в то время, когда металлургия была развита не так как сегодня и поэтому его характеристики значительно изменялись между партиями. Имеется другая проблема в том, что один из металлов consituent магнитен (Никель). Особенность термопары - испытывать изменение приращения температуры, когда магнитный материал достигает точки Кюри. Это происходит для данного вида термопар при 354°C. Чувствительность примерно равна 41 µV/°C.
Тип E (Хромель/Константан (сплав Cu-Ni))
Тип E
имеет высокое выходное напряжение (68 µV/°C), которое делает его подходящим для использования при низких
(крио) температурах. Другое свойство заключается в том, что он не магнитен.
Тип J
(Железо/Константан)
Ограниченный
диапазон температур (-40 +750 °C)
делает тип J менее популярным,
чем тип K. Главным образом применяется со старым оборудованием, которое не
может принимать современные термопары. Типы J не может быть использован для
температур выше 760°C, поскольку
внезапное магнитное превращение является причиной постоянный раскалибровки.
Тип J имеет чувствительность ~52 µV/°C
Тип N
(Нихросил/Нисиловые (Примесь Ni-си))
Высокая
стабильность и сопротивление к высокотемпературному окислению делает тип N
подходящим для высокотемпературных измерений без применения дорогих платиновых
(B, R, S) типов. Они могут выдержать температуры свыше 1200°C. Чувствительность превышает 39 µV/°C
при 900°C, что немного ниже, чем у типа K. Разработанный,
как улучшенный типом K, он становится более популярным.
Термопары типов B, R, и S являются термопарами из благородных металлов и проявляют подобные характеристики. Они наиболее стойкие из всех термопар, но благодаря их низкой чувствительности (приблизительно 10 µV/°C) они, обычно, используются только для высокотемпературного измерения (>300 °C).
Тип B
(Платинородий-платинородиевые/ Pt-Rh)
Подходит для высокотемпературных измерений вплоть до 1800°C. Иногда тип термопар B (благодаря форме их кривой температура-напряжение) даёт то же выходное напряжение при 0°C и 42°C. Это делает их бесполезными при температурах ниже 50°C.
Тип R
(Платина /Платинородий с 13% Родием)
Подходит
для высокотемпературных измерений вплоть до 1600°C. Низкая чувствительность (10 µV/°C)
и высокая стоимость делает их
неподходящими в целях общего использования.
Тип S
(Платина /Платинородий с 10% Родием)
Подходят для высокотемпературных измерений вплоть до 1600°C. Низкая чувствительность (10 µV/°C) и высокая стоимость делает их неподходящими в целях общего использования. Благодаря высокой стабильности тип S используется в качестве эталона при воспроизведении точки плавления золота (1064.43 °C).
Тип T
(Медь/Константан)
Подходит для измерения в диапазоне температур от -200 до 350 °C. Позитивный проводник делают из меди, а негативный проводник делают из константана. Часто используется дифференциальное измерение, тогда только медная проволока касается зондов. Поскольку оба проводника – немагнитны, то термопары типа T являются популярным выбором для такого применения, как например Электрические Генераторы, которые содержат сильные магнитные поля. Термопары типа T имеют чувствительность ~43 µV/°C.
Термопары
обычно выбраны так, чтобы гарантировать, что измерительное оборудование не
ограничивает диапазон температур, которые могут измеряться. Отметьте, что термопары
с низкой чувствительностью (B, R, и S) имеют, соответственно, более низкую разрешающую
способность.
Приложения
Термопары
больше всего подходят для измерения большого температурного диапазона, вплоть
до 1800°K. Они меньше подходят для случаев, когда необходимо измерить небольшую
разность температур с высокой точностью, например диапазон 0–100 °C с точностью в 0.1 °C. Для таких ситуаций больше подходят
термисторы и RTDs.
Металлургическая
индустрия
Термопары
типа B, S, R и K широко используются в металлургической индустрии, чтобы
контролировать температуры и химические процессы, пока протекает процесс изготовления
стали. Находящийся в распоряжении, погружной тип S термопар регулярно
используются в процессе электрической дуговой плавки, чтобы точно измерить
температуру стали перед разливом. Кривая охлаждения малого стального образца
может быть проанализирована и использована, чтобы оценить содержание углерода в
расплавленной стали.
Безопасное
нагревание прибора
Много
газовых нагревательных приборов, таких как печи и водонагреватели, требует
использования запальника, чтобы зажечь главную газовую горелку. Если запальник погаснет,
по какой-либо причине, то имеется возможность того, что негорючий газ, выпущенный
в окружающее пространство создаст,
таким образом, как опасность возгорания так и опасность для здоровья. Чтобы
предотвратить такую опасность, некоторые приборы используют термопару как
отказоустойчивый контроль, чтобы узнать, когда запальник загорится. Особенность
заключается в том, что термопара размещена в пламени запальника. Результирующее
напряжение, обычно лежит в пределах 20 mV и управляет газораспределительным
клапаном, отвечающим за питание запальника. Пока пламя запальника остается греть,
термопара остается горячей и удерживает газовый клапан запальника открытым.
Если огонь запальника погас, температура будет падать наряду с соответствующим
падением напряжения, удалив питание с клапана. Клапан закрывается, перекрывает
газ и устраняет эти небезопасные условия.
Много
систем (Милливольтовые системы контроля) расширяют это понятие также и к
главному газовому клапану. Электроэнергия, созданная термопарой запальника,
активизирует не только газовый клапан запальника, но также посылается через
термостат, чтобы усилить главный газовый клапан. Здесь необходимо большее
напряжение, чем в системе безопасности пламени запальника, описанной выше, по
этой причине скорее используется набор термопар, чем единичная термопара. Такая
система не требует никакого внешнего источника электричества для функционирования
и так может работать пока питание отключено, обеспечив возможность работы всех
связанных компонентов системы. Отметьте, что это исключает применение в общих
печах с принудительной циркуляцией воздуха, потому что для них требуется внешнее питание для работы
двигателя вентилятора, однако эта особенность очень полезна для конвективных
нагревателей не требующих питания.
Подобный
механизм безопасности отсекания газа, использующий термопару, иногда привлекается,
чтобы гарантировать, что главная горелка загорится в пределах определенного
периода времени, при этом выключение главного газоподающего клапана горелки не
должно случиться.
Не
заботясь о потерях энергии, большое количество более новых приборов
переключилось на электронный способ контроля воспламенения без запальника,
также называемый прерывистым поджигом. Это устраняет потребность в постоянном
пламени запальника, но выгода от любой операции утрачивается, если нет
непрерывного источника электричества.
Датчики
излучения
Термоэлементы
используются для измерения интенсивности случайного излучения, обычно видимого
или инфракрасного света, который нагревает горячие соединения, пока холодные
соединения теряют тепло. Возможно, измерить излучающую интенсивность всего в
несколько μW/cm2 при помощи коммерчески доступных датчиков. Например,
лазерные пирометры основаны на таких
датчиках.
Радиоизотопные
термоэлектрические генераторы (RTGs)
Термоэлементы
могут также применяться, чтобы генерировать электричество в радиоизотопных
термоэлектрических генераторах.