Термоэлектрические преобразователи (термопары) основаны на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что в замкнутом контуре, состоящем из двух разнородных проводников, течёт ток, если места спаев находятся при разной температуре. Ток протекает под действием термоэлектродвижущей силы (термоЭДС). При размыкании этой цепи на её выводах будет присутствовать термоЭДС, изменяющаяся с температурным коэффициентом единицы-десятки мкВ/0С. Таким образом, термопары относятся к классу генераторных датчиков. Термопары используются для измерения температуры в широком диапазоне – в зависимости от материала проводников от –270 до +2500 0С с хорошей точностью – не хуже 2 0С. Материал электродов термопар стандартизирован по ГОСТ 3044-94.
Традиционное конструктивное устройство промышленной термопары и ; внешний вид современного кабельного термопарного термопреобразователя показаны на рис. а и б соответственно. На рис. а термоэлектроды 1 изолированы друг от друга керамическими бусами 2 или керамической трубкой; одним из своих концов они сварены, другим присоединены к зажимам в головке 3, служащей для подключения внешних проводов. Термоэлектроды помещены в защитный чехол 4. Чехол выполняется из жаропрочной ткани, а при измерении очень больших температур – из керамики или кварца.
На рис. б пара термоэлектродов 1 помещена внутрь гибкой металлической трубки 2 и изолирована уплотненным плавленым порошком – оксидом магния. Термоэлектроды термопары со стороны рабочего торца сварены между собой лазерной сваркой, образуя рабочий спай внутри стальной оболочки термопарного кабеля. При работе в потоках жидкости или газа, двигающихся с большой скоростью, а также при высоких давлениях и температурах, в агрессивных средах, кабельный термопреобразователь может быть помещен в защитный чехол 3 стандартной конструкции.
Место соединения термоэлектродов называется горячим или рабочим спаем. Противоположные концы называются холодными или свободными. Рабочий конец термопары погружается в среду, температуру которой требуется измерить, а свободные концы предназначены для подключения к вторичному прибору.
Наиболее простой (классический) способ подключения термопары к измерительному усилителю (ИУ):
Рабочий спай находится в среде с измеряемой температурой tр.с., а опорный (холодный) спай находится, как правило, возле вторичного измерительного преобразователя при температуре tо.с.
Эквивалентная ЭДС на входе ИУ при этом составляет:
В данной схеме опорный спай позволяет избежать наличия на входах измерительного усилителя двух различных паразитных термопар «электрод - клемма».
Если температура свободных концов постоянна, то подключение к термопаре может быть сделано медным проводом, а иначе оно выполняется удлинительными (компенсационными) проводами. В качестве последних используются два провода из различных материалов. Провода подбираются так, чтобы при температуре холодных спаев и в паре между собой они имели такие же термоэлектрические свойства, как и рабочая термопара. При присоединении к термопаре компенсационные провода удлиняют её и дают возможность отвести холодный спай образованной составной термопары в такое место, где температура остаётся постоянной.
Номинальные статические (градуировочные) характеристики термопар всех типов приведены в ГОСТ 3044-94. НСХ таблично описывает зависимость термоЭДС (мкВ) от измеряемой температуры (0C) при условии, что опорный спай находится при температуре 0 0С.
На рис. показан пример НСХ, построенной по табличным данным.
Градуировочные характеристики термопар в широком диапазоне температур нелинейны. Аналитически каждая НСХ на определённых температурных отрезках описывается интерполяционным уравнением. Так же, как и для ТПС, для термопар имеются точностные классы допуска – классы 1, 2 и 3 (точность уменьшается с увеличением номера).
Если температура опорного спая отлична от 0 0С, то эквивалентная ЭДС на входе измерительного усилителя будет содержать аддитивную погрешность E(tо.с.), которая должна быть учтена и скомпенсирована.
Термопары широко применяются в устройствах для измерения, регистрации и регулирования температуры.
