Термопара

Термоэлектрический эффект
Принципы Термоэлектрический эффект эффект Зеебека эффект Пельтье эффект Томсона коэффициент Зеебека Эффект Эттингсгаузена эффект Нернста
Приложения Термоэлектрические материалы Термопара Термобатарея Термоэлектрическое охлаждение Термоэлектрический генератор Радиоизотопный термоэлектрический генератор Автомобильный термоэлектрический генератор
в т е

Термопара , также известная как «термоэлектрический термометр», представляет собой электрическое устройство, состоящее из двух разнородных электрических проводников, образующих электрический спай . Термопара производит зависящее от температуры напряжение в результате эффекта Зеебека , и это напряжение может быть интерпретировано для измерения температуры . Термопары широко используются в качестве датчиков температуры . ^[1]

Коммерческие термопары недороги, ^[2] взаимозаменяемы, поставляются со стандартными разъемами и могут измерять широкий диапазон температур. В отличие от большинства других методов измерения температуры, термопары имеют автономное питание и не требуют внешнего источника возбуждения. Основным ограничением термопар является точность; системные ошибки менее одного градуса Цельсия (°C) могут быть труднодостижимы. ^[3]

Термопары широко используются в науке и промышленности. Области применения включают измерение температуры в печах , выхлопных газах газовых турбин , дизельных двигателях и других промышленных процессах. Термопары также используются в домах, офисах и на предприятиях в качестве датчиков температуры в термостатах , а также в качестве датчиков пламени в устройствах безопасности для газовых приборов.

В 1821 году немецкий физик Томас Иоганн Зеебек обнаружил, что магнитная стрелка, удерживаемая около цепи, состоящей из двух разнородных металлов, отклоняется, когда один из спаев разнородных металлов нагревается. В то время Зеебек называл это следствие термомагнетизмом. Позже было показано, что наблюдаемое им магнитное поле обусловлено термоэлектрическим током. На практике представляет интерес напряжение, генерируемое на одном спае двух разных типов проводов, поскольку его можно использовать для измерения температуры при очень высоких и низких температурах. Величина напряжения зависит от типов используемых проводов. Как правило, напряжение находится в диапазоне микровольт, и необходимо соблюдать осторожность, чтобы получить пригодное для использования измерение. Хотя протекает очень небольшой ток, энергия может вырабатываться одним спаем термопары. Генерация энергии с использованием нескольких термопар, как в термобатарее , является обычным явлением.

Стандартная конфигурация термопары показана на рисунке. Разнородные проводники контактируют на измерительном (он же горячий) спае и на опорном (он же холодный) спае. Термопара подключена к электрической системе на своем опорном спае. На рисунке измерительный спай показан слева, опорный спай в середине, а остальная часть электрической системы представлена ​​в виде вольтметра справа.

Температура T _sense получается через характеристическую функцию E ( T ) для типа термопары, которая требует входных данных: измеренного напряжения V и температуры опорного спая T _ref . Решение уравнения E ( T _sense ) = V + E ( T _ref ) дает T _sense . Иногда эти детали скрыты внутри устройства, которое упаковывает блок опорного спая (с термометром T _ref ), вольтметр и решатель уравнений.

Эффект Зеебека относится к развитию электродвижущей силы через две точки электропроводящего материала, когда между этими двумя точками существует разница температур. В условиях разомкнутой цепи, где нет внутреннего тока, градиент напряжения ( ) прямо пропорционален градиенту температуры ( ):${\displaystyle \scriptstyle {\boldsymbol {\nabla }}V}$${\displaystyle \scriptstyle {\boldsymbol {\nabla }}T}$

${\displaystyle {\boldsymbol {\nabla }}V=-S(T){\boldsymbol {\nabla }}T,}$

где — зависящее от температуры свойство материала, известное как коэффициент Зеебека .${\displaystyle S(T)}$

Стандартная конфигурация измерения, показанная на рисунке, показывает четыре температурных области и, следовательно, четыре вклада напряжения:

1. Измените с на в нижнем медном проводе.${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {метр} }}$${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$
2. Измените с на , в алюмелевой проволоке.${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {смысл} }}$
3. Измените с на , в хромелевой проволоке.${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {смысл} }}$${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$
4. Измените с на в верхнем медном проводе.${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {метр} }}$

Первый и четвертый вклады полностью компенсируются, поскольку эти области включают одинаковое изменение температуры и идентичный материал. В результате не влияет на измеренное напряжение. Второй и третий вклады не компенсируются, поскольку они включают разные материалы.${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {метр} }}$

Измеренное напряжение оказывается равным

${\displaystyle V=\int _{T_{\mathrm {ref} }}^{T_{\mathrm {sense} }}\left(S_{+}(T)-S_{-}(T)\right)\,dT,}$

где и — коэффициенты Зеебека проводников, присоединенных к положительному и отрицательному выводам вольтметра соответственно (на рисунке — хромель и алюмель).${\displaystyle \scriptstyle S_{+}}$${\displaystyle \scriptstyle S_{-}}$

Поведение термопары описывается характеристической функцией , которую необходимо учитывать только при двух аргументах:${\displaystyle \scriptstyle E(T)}$

${\displaystyle V=E(T_{\mathrm {sense} })-E(T_{\mathrm {ref} }).}$

В терминах коэффициентов Зеебека характеристическая функция определяется как

${\displaystyle E(T)=\int ^{T}S_{+}(T')-S_{-}(T')dT'+\mathrm {const} }$

Постоянная интегрирования в этом неопределенном интеграле не имеет значения, но условно выбирается такой, что .${\displaystyle \scriptstyle E(0\,{}^{\circ }{\rm {C}})=0}$

Производители термопар и организации по метрологическим стандартам, такие как NIST, предоставляют таблицы функций , которые были измерены и интерполированы в диапазоне температур для определенных типов термопар ( для доступа к этим таблицам см. раздел Внешние ссылки ).${\displaystyle \scriptstyle E(T)}$

Для получения желаемого измерения недостаточно просто измерить . Температура на опорных спаях также должна быть известна. Здесь часто используются две стратегии:${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {смысл} }}$${\displaystyle \scriptstyle V}$${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$

• "Ледяная баня": Блок опорного спая поддерживается при известной температуре, поскольку он погружен в полузамороженную ванну с дистиллированной водой при атмосферном давлении. Точная температура фазового перехода точки плавления действует как естественный термостат , фиксируясь на 0 °C.${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$
• Датчик опорного спая (известный как "Компенсация холодного спая "): Блок опорного спая может изменять температуру, но температура измеряется в этом блоке с помощью отдельного датчика температуры. Это вторичное измерение используется для компенсации изменения температуры в блоке спая. Спай термопары часто подвергается воздействию экстремальных условий, в то время как опорный спай часто устанавливается вблизи места расположения прибора. Полупроводниковые термометры часто используются в современных термопарных приборах.

В обоих случаях значение вычисляется, затем функция ищет совпадающее значение. Аргумент, где происходит это совпадение , является значением :${\displaystyle \scriptstyle V+E(T_{\mathrm {ref} })}$${\displaystyle \scriptstyle E(T)}$${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {смысл} }}$

${\displaystyle E(T_{\mathrm {смысл} })=V+E(T_{\mathrm {ссылка} })}$.

Термопары в идеале должны быть очень простыми измерительными устройствами, каждый тип которых характеризуется точной кривой, независимой от любых других деталей. В действительности термопары подвержены таким проблемам, как неопределенности в производстве сплавов, эффекты старения и ошибки/недоразумения в проектировании схем.${\displaystyle \scriptstyle E(T)}$

Распространенная ошибка в конструкции термопары связана с компенсацией холодного спая. Если допущена ошибка при оценке , ошибка появится и в измерении температуры. Для простейших измерений провода термопары подключаются к меди вдали от горячей или холодной точки, температура которой измеряется; тогда предполагается, что этот опорный спай находится при комнатной температуре, но эта температура может меняться. ^[4] Из-за нелинейности кривой напряжения термопары ошибки в и обычно не равны. Некоторые термопары, такие как тип B, имеют относительно плоскую кривую напряжения вблизи комнатной температуры, что означает, что большая неопределенность при комнатной температуре приводит лишь к небольшой ошибке в .${\displaystyle T_{\mathrm {ref} }}$${\displaystyle T_{\mathrm {ref} }}$${\displaystyle T_{\mathrm {смысл} }}$${\displaystyle T_{\mathrm {ref} }}$${\displaystyle T_{\mathrm {смысл} }}$

Соединения должны быть выполнены надежным образом, но существует множество возможных подходов для достижения этого. Для низких температур соединения могут быть спаяны или запаяны; однако может быть сложно найти подходящий флюс , и он может не подойти для чувствительного соединения из-за низкой температуры плавления припоя. Поэтому опорные и удлинительные соединения обычно изготавливаются с помощью винтовых клеммных колодок . Для высоких температур наиболее распространенным подходом является точечная сварка или обжим с использованием прочного материала. ^[5]

Один из распространенных мифов относительно термопар заключается в том, что спаи должны быть сделаны чисто, без использования третьего металла, чтобы избежать нежелательных дополнительных ЭДС. ^[6] Это может быть результатом другого распространенного заблуждения, что напряжение генерируется на спае. ^[7] Фактически, спаи в принципе должны иметь равномерную внутреннюю температуру; поэтому на спае напряжение не генерируется. Напряжение генерируется в тепловом градиенте вдоль провода.

Термопара выдает малые сигналы, часто величиной в микровольты. Точные измерения этого сигнала требуют усилителя с низким входным напряжением смещения и осторожности, чтобы избежать термоЭДС от самонагрева внутри самого вольтметра. Если провод термопары имеет высокое сопротивление по какой-то причине (плохой контакт в соединениях или очень тонкие провода, используемые для быстрого теплового отклика), измерительный прибор должен иметь высокое входное сопротивление , чтобы предотвратить смещение измеряемого напряжения. Полезная функция в термопарных приборах будет одновременно измерять сопротивление и обнаруживать неисправные соединения в проводке или в соединениях термопары.

Хотя тип термопарного провода часто описывается его химическим составом, фактическая цель состоит в том, чтобы изготовить пару проводов, которые следуют стандартизированной кривой.${\displaystyle \scriptstyle E(T)}$

Примеси по-разному влияют на каждую партию металла, создавая переменные коэффициенты Зеебека. Чтобы соответствовать стандартному поведению, производители термопарной проволоки намеренно подмешивают дополнительные примеси, чтобы «легировать» сплав, компенсируя неконтролируемые изменения в исходном материале. ^[5] В результате существуют стандартные и специализированные сорта термопарной проволоки, в зависимости от уровня точности, требуемого от поведения термопары. Прецизионные сорта могут быть доступны только в подобранных парах, где один провод модифицирован для компенсации недостатков другого провода.

Особый случай термопарного провода известен как «удлинительный класс», предназначенный для переноса термоэлектрической цепи на большее расстояние. Удлинительные провода следуют указанной кривой, но по разным причинам они не предназначены для использования в экстремальных условиях, и поэтому их нельзя использовать в сенсорном соединении в некоторых приложениях. Например, удлинительный провод может быть в другой форме, например, очень гибким с многожильной конструкцией и пластиковой изоляцией, или быть частью многожильного кабеля для переноса многих термопарных цепей. В случае дорогих термопар из благородных металлов удлинительные провода могут быть даже изготовлены из совершенно другого, более дешевого материала, который имитирует стандартный тип в сокращенном диапазоне температур. ^[5]${\displaystyle \scriptstyle E(T)}$

Термопары часто используются при высоких температурах и в реактивных атмосферах печей. В этом случае практический срок службы ограничен старением термопары. Термоэлектрические коэффициенты проводов в термопаре, которая используется для измерения очень высоких температур, могут со временем меняться, и измерительное напряжение соответственно падает. Простая связь между разницей температур спаев и измерительным напряжением верна только в том случае, если каждый провод однороден (однороден по составу). По мере старения термопар в процессе их проводники могут терять однородность из-за химических и металлургических изменений, вызванных экстремальным или длительным воздействием высоких температур. Если состаренная часть цепи термопары подвергается воздействию температурного градиента, измеренное напряжение будет отличаться, что приведет к ошибке.

Старые термопары лишь частично модифицированы; например, они не подвергаются воздействию в частях за пределами печи. По этой причине старые термопары нельзя вынуть из места их установки и перекалибровать в ванне или испытательной печи для определения погрешности. Это также объясняет, почему иногда можно наблюдать ошибку, когда старую термопару частично вытаскивают из печи — когда датчик вытаскивают, старые секции могут подвергаться воздействию повышенных температурных градиентов от горячего к холодному, поскольку стареющая секция теперь проходит через более холодную огнеупорную область, что вносит значительную погрешность в измерение. Аналогично, старая термопара, которая вставляется глубже в печь, иногда может давать более точные показания, если при дальнейшем вдавливании в печь температурный градиент возникает только в новой секции. ^[8]

Определенные комбинации сплавов стали популярными в качестве промышленных стандартов. Выбор комбинации обусловлен стоимостью, доступностью, удобством, температурой плавления, химическими свойствами, стабильностью и выходом. Различные типы лучше всего подходят для различных применений. Обычно они выбираются на основе необходимого температурного диапазона и чувствительности. Термопары с низкой чувствительностью (типы B, R и S) имеют соответственно более низкое разрешение. Другие критерии выбора включают химическую инертность материала термопары и то, является ли он магнитным или нет. Стандартные типы термопар перечислены ниже, причем сначала идет положительный электрод (предполагается ), а затем отрицательный электрод.${\displaystyle T_{\text{смысл}}>T_{\text{ссылка}}}$

Тип E ( хромель - константан ) имеет высокий выход (68 мкВ/°C), что делает его хорошо подходящим для криогенного использования. Кроме того, он немагнитен. Широкий диапазон составляет от −270 °C до +740 °C, а узкий диапазон составляет от −110 °C до +140 °C.

Тип J ( железо – константан ) имеет более ограниченный диапазон (от −40 °C до +1200 °C), чем тип K, но более высокую чувствительность около 50 мкВ/°C. ^[2] Точка Кюри железа (770 °C) ^[9] вызывает плавное изменение характеристики, что определяет верхний температурный предел. Обратите внимание, что европейский/немецкий тип L является вариантом типа J с другой спецификацией для выхода ЭДС (ссылка DIN 43712:1985-01 ^[10] ).

Положительный провод изготовлен из твердого железа, а отрицательный — из более мягкой меди — никеля . ^[11] Из-за содержания железа J-тип немного тяжелее, а положительный провод — магнитный. ^[12] Он очень уязвим для коррозии в восстановительных атмосферах, что может привести к значительному ухудшению характеристик термопары. ^[13]

Тип K ( хромель - алюмель ) является наиболее распространенной термопарой общего назначения с чувствительностью приблизительно 41 мкВ/°C. ^[14] Он недорог, и в его диапазоне от −200 °C до +1350 °C (от −330 °F до +2460 °F) доступен широкий выбор зондов. Тип K был указан в то время, когда металлургия была менее развита, чем сегодня, и, следовательно, характеристики могут значительно различаться между образцами. Один из составляющих металлов, никель , является магнитным; характеристикой термопар, изготовленных из магнитного материала, является то, что они претерпевают отклонение выходного сигнала, когда материал достигает своей точки Кюри , что происходит для термопар типа K при температуре около 185 °C. ^{[ необходима цитата ]}

Они очень хорошо работают в окислительной атмосфере. Однако, если в основном восстановительная атмосфера (например, водород с небольшим количеством кислорода) вступает в контакт с проводами, хром в сплаве хромеля окисляется. Это снижает выходную ЭДС, и показания термопары низкие. Это явление известно как зеленая гниль из-за цвета затронутого сплава. Хотя не всегда отчетливо зеленый, хромелевая проволока образует пятнистую серебристую оболочку и становится магнитной. Простой способ проверить эту проблему — посмотреть, являются ли два провода магнитными (обычно хромель немагнитен).

Водород в атмосфере является обычной причиной зеленой гнили. При высоких температурах он может диффундировать через твердые металлы или неповрежденный металлический термокарман. Даже оболочка из оксида магния, изолирующая термопару, не удержит водород. ^[15]

Зеленая гниль не происходит в атмосферах, достаточно богатых кислородом, или бескислородных. Герметичная термокарман может быть заполнена инертным газом, или может быть добавлен поглотитель кислорода (например, жертвенная титановая проволока). В качестве альтернативы, в термокарман может быть введен дополнительный кислород. Другим вариантом является использование другого типа термопары для атмосфер с низким содержанием кислорода, где может произойти зеленая гниль; термопара типа N является подходящей альтернативой. ^{[16] [ ненадежный источник? ]}

Тип M (82%Ni/18% Mo –99,2%Ni/0,8% Co , по весу) используется в вакуумных печах по тем же причинам, что и тип C (описанный ниже). Верхняя температура ограничена 1400 °C. Он используется реже, чем другие типы.

Термопары типа N ( Nicrosil – Nisil ) подходят для использования в диапазоне температур от −270 °C до +1300 °C благодаря своей стабильности и стойкости к окислению. Чувствительность составляет около 39 мкВ/°C при 900 °C, что немного ниже по сравнению с типом K.

Разработанные Ноэлем А. Берли в Организации оборонной науки и технологий Австралии (DSTO), термопары типа N преодолевают три основных характерных типа и причины термоэлектрической нестабильности в стандартных материалах термоэлементов на основе базовых металлов: ^[17]

1. Постепенный и, как правило, кумулятивный дрейф термоЭДС при длительном воздействии при повышенных температурах. Это наблюдается во всех материалах термоэлементов из базовых металлов и в основном обусловлено изменениями состава, вызванными окислением , науглероживанием или нейтронным облучением , которые могут вызывать трансмутацию в условиях ядерного реактора . В случае термопар типа K атомы марганца и алюминия из провода KN (отрицательного) перемещаются в провод KP (положительного), что приводит к дрейфу вниз из-за химического загрязнения. Этот эффект является кумулятивным и необратимым.
2. Кратковременное циклическое изменение термоЭДС при нагревании в интервале температур около 250–650 °С, возникающее в термопарах типов К, J, Т и Е. Этот вид нестабильности ЭДС связан со структурными изменениями типа магнитного ближнего порядка в металлургическом составе.
3. Не зависящее от времени возмущение термоЭДС в определенных температурных диапазонах. Это происходит из-за зависящих от состава магнитных превращений, которые возмущают термоЭДС в термопарах типа K в диапазоне около 25–225 °C, а в термопарах типа J — выше 730 °C.

Термопарные сплавы Nicrosil и Nisil демонстрируют значительно улучшенную термоэлектрическую стабильность по сравнению с другими стандартными сплавами термопар на основе базовых металлов, поскольку их составы существенно снижают термоэлектрическую нестабильность, описанную выше. Это достигается в первую очередь за счет увеличения концентраций растворенных компонентов (хрома и кремния) в основе никеля выше тех, которые требуются для перехода от внутренних к внешним режимам окисления, и путем выбора растворенных веществ (кремния и магния), которые преимущественно окисляются, образуя диффузионный барьер и, следовательно, ингибирующие окисление пленки. ^[18]

Термопары типа N являются подходящей альтернативой типу K для условий с низким содержанием кислорода, где тип K склонен к зеленой гнили. Они подходят для использования в вакууме, инертной атмосфере, окислительной атмосфере или сухой восстановительной атмосфере. Они не переносят присутствия серы. ^[19]

Термопары типа T ( медь – константан ) подходят для измерений в диапазоне от −200 до 350 °C. Часто используются в качестве дифференциального измерения, поскольку зондов касается только медная проволока. Поскольку оба проводника немагнитные, точка Кюри отсутствует , а значит, и резкое изменение характеристик отсутствует. Термопары типа T имеют чувствительность около 43 мкВ/°C. Обратите внимание, что медь имеет гораздо более высокую теплопроводность, чем сплавы, обычно используемые в конструкциях термопар, поэтому необходимо проявлять особую осторожность с термозакрепленными термопарами типа T. Похожий состав содержится в устаревшем типе U в немецкой спецификации DIN 43712:1985-01. ^[10]

Термопары типов B, R и S используют платину или сплав платины и родия для каждого проводника. Это одни из самых стабильных термопар, но они имеют более низкую чувствительность, чем другие типы, приблизительно 10 мкВ/°C. Термопары типов B, R и S обычно используются только для высокотемпературных измерений из-за их высокой стоимости и низкой чувствительности. Для термопар типов R и S вместо ножки из чистой платины можно использовать платиновую проволоку HTX, чтобы укрепить термопару и предотвратить отказы из-за роста зерен, которые могут возникнуть при высокой температуре и суровых условиях.

Термопары типа B (70%Pt/30%Rh–94%Pt/6%Rh, по весу) подходят для использования при температуре до 1800 °C. Термопары типа B выдают одинаковый выходной сигнал при 0 °C и 42 °C, ограничивая их использование ниже примерно 50 °C. Функция ЭДС имеет минимум около 21 °C (для 21,020262 °C ЭДС = -2,584972 мкВ), что означает, что компенсация холодного спая легко выполняется, поскольку напряжение компенсации по существу является константой для сравнения при типичных комнатных температурах. ^[20]

Термопары типа R (87%Pt/13%Rh–Pt, по весу) используются в диапазоне температур от 0 до 1600 °C. Термопары типа R достаточно стабильны и способны работать в течение длительного срока при использовании в чистых, благоприятных условиях. При использовании при температуре выше 1100 °C (2000 °F) эти термопары должны быть защищены от воздействия металлических и неметаллических паров. Тип R не подходит для прямого введения в металлические защитные трубки. Длительное воздействие высокой температуры вызывает рост зерен, что может привести к механическому отказу и отрицательному дрейфу калибровки, вызванному диффузией родия в чистую платиновую ножку, а также улетучиванием родия. Этот тип имеет то же применение, что и тип S, но не является взаимозаменяемым с ним.

Термопары типа S (90%Pt/10%Rh–Pt, по весу), аналогичные типу R, используются до 1600 °C. До введения Международной температурной шкалы 1990 года (ITS-90) прецизионные термопары типа S использовались в качестве практических стандартных термометров для диапазона от 630 °C до 1064 °C, на основе интерполяции между точками замерзания сурьмы , серебра и золота . Начиная с ITS-90, платиновые термометры сопротивления заняли этот диапазон в качестве стандартных термометров. ^[21]

Эти термопары хорошо подходят для измерения чрезвычайно высоких температур. Типичное применение — водород и инертные атмосферы, а также вакуумные печи . Они не используются в окислительных средах при высоких температурах из-за охрупчивания . ^[22] Типичный диапазон составляет от 0 до 2315 °C, который может быть расширен до 2760 °C в инертной атмосфере и до 3000 °C для кратковременных измерений. ^[23]

Чистый вольфрам при высоких температурах подвергается рекристаллизации и становится хрупким. Поэтому в некоторых применениях типы C и D предпочтительнее типа G.

В присутствии водяного пара при высокой температуре вольфрам реагирует с образованием оксида вольфрама (VI) , который улетучивается, и водорода. Затем водород реагирует с оксидом вольфрама, после чего снова образуется вода. Такой «водный цикл» может привести к эрозии термопары и, в конечном итоге, к отказу. Поэтому в высокотемпературных вакуумных приложениях желательно избегать присутствия следов воды. ^[24]

Альтернативой вольфраму/ рению является вольфрам/ молибден , но зависимость напряжения от температуры у него слабее и имеет минимум около 1000 К.

Температура термопары ограничивается также другими используемыми материалами. Например, оксид бериллия , популярный материал для высокотемпературных применений, имеет тенденцию к повышению проводимости с температурой; конкретная конфигурация датчика имела сопротивление изоляции, падающее с мегаома при 1000 К до 200 Ом при 2200 К. При высоких температурах материалы вступают в химическую реакцию. При 2700 К оксид бериллия слабо реагирует с вольфрамом, сплавом вольфрама с рением и танталом; при 2600 К молибден реагирует с BeO, вольфрам не реагирует. BeO начинает плавиться примерно при 2820 К, оксид магния примерно при 3020 К. ^[25]

(95%W/5%Re–74%W/26%Re, по весу) ^[22] максимальная температура, измеряемая термопарой типа C, составляет 2329 °C.

(97%W/3%Re–75%W/25%Re, по весу) ^[22]

(W–74%W/26%Re, по весу) ^[22]

В этих термопарах ( хромель – сплав золота и железа ) отрицательный провод – это золото с небольшой долей (0,03–0,15 атомных процентов) железа. Нечистая золотая проволока придает термопаре высокую чувствительность при низких температурах (по сравнению с другими термопарами при этой температуре), тогда как хромельная проволока сохраняет чувствительность вблизи комнатной температуры. Ее можно использовать для криогенных применений (1,2–300 К и даже до 600 К). Как чувствительность, так и температурный диапазон зависят от концентрации железа. Чувствительность обычно составляет около 15 мкВ/К при низких температурах, а самая низкая используемая температура колеблется от 1,2 до 4,2 К.

Термопары типа P (55% Pd /31% Pt / 14% Au – 65% Au / 35% Pd, по весу) дают термоэлектрическое напряжение, которое имитирует тип K в диапазоне от 500 °C до 1400 °C, однако они изготовлены исключительно из благородных металлов и поэтому демонстрируют повышенную коррозионную стойкость. Эта комбинация также известна как Platinel II. ^[26]

Термопары из сплава платины и молибдена (95%Pt/5%Mo–99,9%Pt/0,1%Mo по весу) иногда используются в ядерных реакторах, поскольку они показывают низкий дрейф от ядерной трансмутации , вызванной нейтронным облучением, по сравнению с типами из сплава платины и родия. ^[27]

Использование двух проводов из сплавов иридия и родия позволяет создать термопару, которую можно использовать при температуре до 2000 °C в инертной атмосфере. ^[27]

Термопары, изготовленные из двух различных, высокочистых благородных металлов, могут показывать высокую точность даже без калибровки, а также низкий уровень дрейфа. Используются две комбинации: золото–платина и платина–палладий. ^[28] Их основными ограничениями являются низкие температуры плавления используемых металлов (1064 °C для золота и 1555 °C для палладия). Эти термопары, как правило, точнее, чем тип S, и благодаря своей экономичности и простоте даже рассматриваются как конкурентоспособные альтернативы платиновым термометрам сопротивления , которые обычно используются в качестве стандартных термометров. ^[29]

HTIR-TC предлагает прорыв в измерении высокотемпературных процессов. Его характеристики: долговечность и надежность при высоких температурах, по крайней мере до 1700 °C; устойчивость к облучению; умеренная цена; доступен в различных конфигурациях - адаптируется к каждому применению; легко устанавливается. Первоначально разработанный для использования в ядерных испытательных реакторах, HTIR-TC может повысить безопасность эксплуатации в будущих реакторах. Эта термопара была разработана исследователями из Национальной лаборатории Айдахо (INL). ^{[30] [31]}

В таблице ниже описаны свойства нескольких различных типов термопар. В столбцах допусков T представляет температуру горячего спая в градусах Цельсия. Например, термопара с допуском ±0,0025× T будет иметь допуск ±2,5 °C при 1000 °C. Каждая ячейка в столбцах Цветовой код изображает конец кабеля термопары, показывая цвет оболочки и цвет отдельных выводов. Цвет фона представляет цвет корпуса разъема.

Тип	Диапазон температур (°С)				Класс допуска (°C)		Цветовой код
	Непрерывный		Короткий срок		Один	Два	МЭК [32]	БС	АНСИ
	Низкий	Высокий	Низкий	Высокий
К	0	+1100	−180	+1370	−40 – 375: ±1,5 375 – 1000: ±0,004× T	−40 – 333: ±2,5 333 – 1200: ±0,0075× T
Дж.	0	+750	−180	+800	−40 – 375: ±1,5 375 – 750: ±0,004× T	−40 – 333: ±2,5 333 – 750: ±0,0075× T
Н	0	+1100	−270	+1300	−40 – 375: ±1,5 375 – 1000: ±0,004× T	−40 – 333: ±2,5 333 – 1200: ±0,0075× T
Р	0	+1600	−50	+1700	0 – 1100: ±1,0 1100 – 1600: ±0,003×( Т  − 767)	0 – 600: ±1,5 600 – 1600: ±0,0025× T			Не определено
С	0	+1600	−50	+1750	0 – 1100: ±1,0 1100 – 1600: ±0,003×( Т  − 767)	0 – 600: ±1,5 600 – 1600: ±0,0025× T			Не определено
Б	+200	+1700	0	+1820	Нет в наличии	600 – 1700: ±0,0025× T	Нет стандарта	Нет стандарта	Не определено
Т	−185	+300	−250	+400	−40 – 125: ±0,5 125 – 350: ±0,004× T	−40 – 133: ±1,0 133 – 350: ±0,0075× T
Э	0	+800	−40	+900	−40 – 375: ±1,5 375 – 800: ±0,004× T	−40 – 333: ±2,5 333 – 900: ±0,0075× T
Хромель/AuFe	−272	+300	—	—	Воспроизводимость 0,2% напряжения. Каждый датчик требует индивидуальной калибровки.

Провода, составляющие термопару, должны быть изолированы друг от друга везде, за исключением чувствительного соединения. Любой дополнительный электрический контакт между проводами или контакт провода с другими проводящими объектами может изменить напряжение и дать ложное показание температуры.

Пластики являются подходящими изоляторами для низкотемпературных частей термопары, тогда как керамическая изоляция может использоваться до температуры около 1000 °C. Другие проблемы (истирание и химическая стойкость) также влияют на пригодность материалов.

Когда изоляция провода разрушается, это может привести к непреднамеренному электрическому контакту в месте, отличном от желаемой точки измерения. Если такая поврежденная термопара используется в замкнутом контуре управления термостата или другого контроллера температуры , это может привести к неконтролируемому перегреву и, возможно, серьезному повреждению, поскольку ложное показание температуры обычно будет ниже температуры сенсорного спая. Неисправная изоляция также обычно приводит к выделению газа , что может привести к загрязнению процесса. Для частей термопар, используемых при очень высоких температурах или в чувствительных к загрязнению приложениях, единственной подходящей изоляцией может быть вакуум или инертный газ ; механическая жесткость проводов термопары используется для их разделения.

This section needs additional citations for verification. Please help improve this article by adding citations to reliable sources in this section. Unsourced material may be challenged and removed. (June 2014) (Learn how and when to remove this message)

Номинальные температуры изоляции могут различаться в зависимости от того, из чего состоит общая конструкция кабеля термопары.

Примечание: T300 — это новый высокотемпературный материал, который недавно был одобрен UL для рабочих температур 300 °C.

Термопары подходят для измерения в широком диапазоне температур, от −270 до 3000 °C (в течение короткого времени, в инертной атмосфере). ^[23] Области применения включают измерение температуры для печей , выхлопных газов газовых турбин , дизельных двигателей, других промышленных процессов и машин для создания тумана . Они менее подходят для приложений, где необходимо измерять меньшие разницы температур с высокой точностью, например, диапазон 0–100 °C с точностью 0,1 °C. Для таких приложений более подходят термисторы , кремниевые датчики температуры с запрещенной зоной и термометры сопротивления .

Термопары типа B, S, R и K широко используются в сталелитейной и чугунолитейной промышленности для контроля температур и химии на протяжении всего процесса производства стали. Одноразовые, погружаемые термопары типа S регулярно используются в процессе электродуговой печи для точного измерения температуры стали перед выпуском. Кривую охлаждения небольшого образца стали можно проанализировать и использовать для оценки содержания углерода в расплавленной стали.

Многие газовые нагревательные приборы, такие как печи и водонагреватели, используют запальное пламя для зажигания основной газовой горелки, когда это необходимо. Если запальное пламя гаснет, может высвободиться несгоревший газ, что является риском взрыва и опасностью для здоровья. Чтобы предотвратить это, некоторые приборы используют термопару в отказоустойчивой цепи, чтобы определять, когда горит запальная горелка. Кончик термопары помещается в запальное пламя, генерируя напряжение, которое управляет клапаном подачи, который подает газ к запальной горелке. Пока запальное пламя горит, термопара остается горячей, а запальный газовый клапан остается открытым. Если запальная горелка гаснет, температура термопары падает, в результате чего напряжение на термопаре падает и клапан закрывается.

Там, где зонд можно легко разместить над пламенем, вместо него часто можно использовать выпрямляющий датчик . С частично керамической конструкцией они также могут быть известны как стержни пламени, датчики пламени или электроды обнаружения пламени.

Некоторые комбинированные основные горелки и пилотные газовые клапаны (в основном Honeywell ) снижают потребляемую мощность до диапазона одной универсальной термопары, нагреваемой пилотом (25 мВ разомкнутой цепи, падая вдвое при подключении катушки к источнику 10–12 мВ, 0,2–0,25 А, как правило), путем подбора размера катушки, чтобы она могла удерживать клапан открытым против легкой пружины, но только после того, как начальное усилие включения будет предоставлено пользователем, нажимающим и удерживающим ручку для сжатия пружины во время зажигания пилота. Эти системы можно идентифицировать по «нажать и удерживать в течение x минут» в инструкциях по зажиганию пилота. (Требуемый ток удержания такого клапана намного меньше, чем потребовал бы более крупный соленоид, предназначенный для втягивания клапана из закрытого положения.) Специальные испытательные наборы созданы для подтверждения отпускания клапана и токов удержания, поскольку обычный миллиамперметр использовать нельзя, поскольку он вносит большее сопротивление, чем катушка газового клапана. Помимо проверки напряжения разомкнутой цепи термопары и непрерывности постоянного тока в состоянии близком к короткому замыканию через катушку газового клапана термопары, самым простым испытанием для неспециалиста является замена заведомо исправного газового клапана.

Некоторые системы, известные как системы управления милливольт, расширяют концепцию термопары, чтобы открывать и закрывать главный газовый клапан. Напряжение, создаваемое пилотной термопарой, не только активирует пилотный газовый клапан, но и направляется через термостат для питания главного газового клапана. Здесь требуется большее напряжение, чем в системе безопасности пилотного пламени, описанной выше, и используется термобатарея , а не одна термопара. Такая система не требует внешнего источника электроэнергии для своей работы и, таким образом, может работать во время отключения питания, при условии, что все другие связанные компоненты системы позволяют это. Это исключает обычные печи с принудительной подачей воздуха , поскольку для работы двигателя вентилятора требуется внешнее электропитание, но эта функция особенно полезна для не подключенных к питанию конвекционных нагревателей . Похожий механизм безопасности отключения газа с использованием термопары иногда используется для обеспечения зажигания главной горелки в течение определенного периода времени, отключая клапан подачи газа главной горелки, если этого не произойдет.

Из-за беспокойства об энергии, тратящейся впустую стоячим пламенем пилота, конструкторы многих новых приборов перешли на электронно-управляемое зажигание без пилота, также называемое прерывистым зажиганием. При отсутствии стоячего пламени пилота нет риска скопления газа, если пламя погаснет, поэтому этим приборам не нужны предохранительные выключатели на основе термопары. Поскольку эти конструкции теряют преимущество работы без постоянного источника электроэнергии, стоячие пилоты все еще используются в некоторых приборах. Исключением являются более поздние модели проточных (также известных как «безрезервуарные») водонагревателей , которые используют поток воды для генерации тока, необходимого для зажигания газовой горелки; эти конструкции также используют термопару в качестве предохранительного устройства отключения в случае, если газ не воспламеняется или пламя гаснет.

Термобатареи используются для измерения интенсивности падающего излучения, обычно видимого или инфракрасного света, который нагревает горячие спаи, в то время как холодные спаи находятся на радиаторе. С помощью имеющихся в продаже термобатарейных датчиков можно измерять интенсивность излучения всего в несколько мкВт/см ^2. Например, некоторые измерители мощности лазера основаны на таких датчиках; они известны как термобатарейные лазерные датчики .

Принцип работы термоэлектрического датчика отличается от принципа работы болометра , поскольку последний основан на изменении сопротивления.

Термопары обычно могут использоваться при испытании прототипов электрических и механических устройств. Например, распределительное устройство, испытываемое на предмет его токовой пропускной способности, может иметь термопары, установленные и контролируемые во время испытания на нагрев, чтобы подтвердить, что повышение температуры при номинальном токе не превышает проектных пределов.

Термопара может вырабатывать ток для управления некоторыми процессами напрямую, без необходимости использования дополнительных схем и источников питания. Например, мощность термопары может активировать клапан при возникновении разницы температур. Электрическая энергия , вырабатываемая термопарой, преобразуется из тепла , которое должно подаваться на горячую сторону для поддержания электрического потенциала. Непрерывная передача тепла необходима, поскольку ток, протекающий через термопару, имеет тенденцию вызывать охлаждение горячей стороны и нагревание холодной стороны ( эффект Пельтье ).

Термопары могут быть соединены последовательно, чтобы сформировать термобатарею , где все горячие спаи подвергаются воздействию более высокой температуры, а все холодные спаи — более низкой. Выход представляет собой сумму напряжений на отдельных спаях, что дает большее напряжение и выходную мощность. В радиоизотопном термоэлектрическом генераторе радиоактивный распад трансурановых элементов в качестве источника тепла использовался для питания космических аппаратов в миссиях, слишком далеких от Солнца, чтобы использовать солнечную энергию.

Термобатареи, нагреваемые керосиновыми лампами, использовались для работы безбатарейных радиоприемников в изолированных местах. ^[34] Существуют коммерчески производимые фонари, которые используют тепло свечи для работы нескольких светодиодов, а также вентиляторы с термоэлектрическим приводом для улучшения циркуляции воздуха и распределения тепла в дровяных печах .

Химическое производство и нефтеперерабатывающие заводы обычно используют компьютеры для регистрации и предельного тестирования множества температур, связанных с процессом, обычно исчисляемых сотнями. В таких случаях несколько выводов термопар будут подведены к общему опорному блоку (большому блоку меди), содержащему вторую термопару каждой цепи. Температура блока, в свою очередь, измеряется термистором . Для определения температуры в каждой точке измерения используются простые вычисления.

Термопара может использоваться в качестве вакуумметра в диапазоне приблизительно от 0,001 до 1 торр абсолютного давления. В этом диапазоне давлений длина свободного пробега газа сопоставима с размерами вакуумной камеры , а режим течения не является ни чисто вязким , ни чисто молекулярным . ^[35] В этой конфигурации спай термопары прикреплен к центру короткого нагревательного провода, который обычно питается постоянным током около 5 мА, и тепло отводится со скоростью, связанной с теплопроводностью газа.

Температура, определяемая на спае термопары, зависит от теплопроводности окружающего газа, которая зависит от давления газа. Разность потенциалов, измеряемая термопарой, пропорциональна квадрату давления в диапазоне от низкого до среднего вакуума . При более высоком (вязкостный поток) и более низком (молекулярный поток) давлении теплопроводность воздуха или любого другого газа по существу не зависит от давления. Термопара была впервые использована в качестве вакуумметра Фёге в 1906 году. ^[36] Математическая модель для термопары как вакуумметра довольно сложна, как подробно объяснил Ван Атта, ^[37], но ее можно упростить до:

${\displaystyle P={\frac {B(V^{2}-V_{0}^{2})}{V_{0}^{2}}},}$

где P — давление газа, B — константа, зависящая от температуры термопары, состава газа и геометрии вакуумной камеры, V ₀ — напряжение термопары при нулевом давлении (абсолютное), а V — напряжение, показываемое термопарой.

Альтернативой является манометр Пирани , который работает аналогичным образом, примерно в том же диапазоне давлений, но представляет собой всего лишь двухконтактное устройство, измеряющее изменение сопротивления в зависимости от температуры тонкой электрически нагретой проволоки, а не использующее термопару.

• Датчик теплового потока
• Болометр
• Джузеппе Доменико Ботто
• Термистор
• Термоэлектрическая энергия
• Список датчиков
• Международная температурная шкала 1990 г.
• Биметаллический (механический)

На Викискладе есть медиафайлы по теме Термопары .

• Принцип работы термопары – Кембриджский университет
• Дрейф термопары – Кембриджский университет
• Два способа измерения температуры с помощью термопар

Таблицы данных термопар:

• Текстовые таблицы: База данных термопар NIST ITS-90 (B, E, J, K, N, R, S, T)
• Таблицы PDF: JKTENRSB
• Пакет Python thermocouples_reference, содержащий характеристические кривые многих типов термопар.
• Пакет R [2] Измерение температуры с помощью термопар, термометров сопротивления и датчиков IC.
• Таблица данных: Размеры проводов термопары