Что такое термопара и как она работает
Термопара, также известная как термоэлемент, представляет собой простой, но эффективный датчик температуры. Она состоит из двух разнородных металлических проводников, спаянных на одном конце. При нагреве этого спая возникает термоэлектрический эффект, генерирующий небольшое напряжение — так называемую термоэлектродвижущую силу (термо-ЭДС). Эта сила пропорциональна разности температур между горячим спаем и свободными концами проводов.
Конструкция и материалы
Для работы в экстремальных условиях, например, при температурах до 1600 °C, используются тугоплавкие материалы, такие как платина и платинородий. Проводники обычно помещаются в защитную фарфоровую трубку. Чувствительный спай помещается в зону измерения (например, в печь), а свободные концы подключаются к измерительному прибору, такому как гальванометр, который может быть откалиброван непосредственно в градусах Цельсия.
Усиление сигнала и практическое применение
Поскольку генерируемое напряжение очень мало (порядка тысячных долей вольта на 100 °C), на практике часто используется блок усилителей. Он преобразует слабый сигнал термопары в стандартный токовый сигнал (например, 4–20 мА), удобный для передачи на системы управления и регистрации. Блок также компенсирует влияние температуры на свободные концы термопары, повышая точность измерений.
Термобатареи и сверхчувствительные измерения
Для увеличения выходного сигнала или для измерения очень малых тепловых потоков несколько термопар объединяют в батарею, соединяя их последовательно. В таких конструкциях все «горячие» спаи подвергаются одному воздействию, а все «холодные» — другому. Для достижения максимальной чувствительности при астрономических или биологических исследованиях спаи делают очень тонкими, сплющивая их для увеличения площади поглощения излучения. Именно такие системы позволяют измерять тепло, излучаемое человеком на большом расстоянии, или изучать излучение далеких звезд.
Ключевые характеристики и роль в промышленности
Величина термо-ЭДС сильно зависит от выбранной пары металлов. Например, пара медь-константан дает около 0.004 В при 100 °C, а висмут-сурьма — до 0.011 В. Несмотря на низкий коэффициент полезного действия (1–3%), что делает термопары непрактичными для генерации электроэнергии (за исключением маломощных применений), их главное преимущество — прямая и предсказуемая зависимость напряжения от температуры. Это свойство лежит в основе работы термоэлектрических термометров, которые являются основным инструментом для контроля температуры в критически важных отраслях, таких как металлургия и нефтехимия.