Термоэлектрические преобразователи: принцип действия

Термоэлектрические преобразователи, или термопары, широко используются для измерения температуры в промышленности, медицине, науке. Их принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте, открытом еще в XIX веке. С момента изобретения термопары прошли долгий путь развития и совершенствования. Каковы их возможности сегодня и перспективы в будущем? Давайте разберемся.

История создания термоэлектрических преобразователей

Первые упоминания о использовании термопар относятся к 1830-м годам. Их применяли в качестве чувствительных элементов примитивных фотоприемников и радиоприемников. Со временем конструкции термопар совершенствовались, появлялись новые типы и сплавы термоэлектродов.

Важной вехой стала разработка в 1920-1930-х годах термопар для питания радиоприемников и других слаботочных устройств. Это позволило сделать их компактными и автономными.

Параллельно велись исследования в области термоэлектричества, изучались свойства различных материалов, создавались новые сплавы. Были открыты эффекты, легшие в основу термоэлектрических преобразователей.

В ХХ веке началось промышленное производство термопар. Для унификации параметров были разработаны стандарты, классифицирующие термопары по типам и допустимым отклонениям.

Принцип действия термоэлектрических преобразователей

Термоэлектрический преобразователь, или термопара , представляет собой пару проводников из разнородных металлов, соединенных на одном конце. Этот конец называется "рабочим спаем" и помещается в среду, температуру которой нужно измерить. Свободные концы термопары подключают к измерительному прибору.

Принцип действия термопар основан на термоэлектрическом эффекте (эффекте Зеебека): при нагревании места соединения разнородных проводников возникает контактная разность потенциалов, пропорциональная разности температур. Величина этой разности зависит от материалов проводников и определяет тип термопары.

Существуют два способа подключения термопар:

1. Прямое - к измерителю подсоединяются свободные концы термоэлектродов
2. Дифференциальное - используются две термопары, соединенные встречно, а прибор включается между ними

Для соединения термопар на расстоянии применяют специальные удлинительные или компенсационные провода. Первые изготавливают из тех же материалов, что и термоэлектроды, а вторые - из других сплавов.

Термоэлектрические преобразователи выпускаются разных типов в зависимости от материалов электродов. Наиболее распространены хромель-копелевые (ТХК), хромель-алюмелевые (ТХА), вольфрам-рениевые.

Для повышения точности измерений термопарами рекомендуется:

• Использовать провода большего диаметра
• Избегать механических напряжений
• Применять экранированные соединительные провода
• Соблюдать допустимые температурные градиенты

Области применения термоэлектрических преобразователей

Термоэлектрические преобразователи широко используются для измерения температуры в различных средах и процессах.

В промышленности термопары незаменимы для контроля температурных режимов печей, реакторов, термокамер. Преобразователь термоэлектрический ТХА из вольфрам-рениевых сплавов применяют для измерения температуры расплавленного металла.

В 1920-1930-х годах термопары использовались для питания простейших радиоприемников и других слаботочных устройств

И сегодня термоэлектрические генераторы на основе термопар позволяют обеспечить электропитание автономной техники: метеостанций, датчиков, систем связи.

В медицине термопары незаменимы для точных измерений температуры тела, органов и тканей. В автоматизированных системах управления техпроцессами термопары служат в качестве датчиков обратной связи для регулирования температуры.

Принцип действия термоэлектрических преобразователей

К основным метрологическим характеристикам термоэлектрических преобразователей (ТЭП) относятся:

• Диапазон измеряемых температур
• Погрешность
• Быстродействие
• Надежность и стабильность параметров

Эти параметры во многом определяются материалами и конструкцией термопар. Например, преобразователи из благородных металлов обеспечивают высокую стабильность и точность, но дороже по стоимости.

Стандартизация термоэлектрических преобразователей

Для унификации метрологических характеристик разных производителей применяются стандарты, регламентирующие:

• Типы ТЭП и обозначение их термоэлектродов
• Номинальные статические характеристики (НСХ)
• Допускаемые отклонения (классы точности ТЭП)
• Диапазоны рабочих температур

Основные стандарты, регламентирующие ТЭП: ГОСТ 6616-94, МЭК 60584, ГОСТ Р 8.585-2001. Они устанавливают требования к основным типам термоэлектрических преобразователей.

Современные тенденции развития ТЭП

Сегодня активно ведутся работы по расширению функциональных возможностей термоэлектрических преобразователей (ТП) и улучшению их метро­логических характеристик:

• Создание новых типов термопар
• Повышение классов точности
• Расширение диапазонов температур
• Увеличение быстродействия
• Повышение стабильности параметров

Кроме того, ведутся разработки интеллектуальных датчиков температуры на основе ТЭП. Они оснащаются микропроцессорами, цифровыми интерфейсами и другими средствами обработки данных.

Перспективные области применения ТЭП

Благодаря своим преимуществам термоэлектрические преобразователи находят применение во все новых областях:

• Альтернативная энергетика
• Ракетно-космическая техника
• Ядерные и термоядерные реакторы
• Экстремальные условия эксплуатации

Помимо традиционных областей (промышленность, медицина, метрология), ТЭП находят применение в научных исследованиях наноматериалов и низких температур.

Интеграция ТЭП с другими датчиками

"Умные" измерительные системы все чаще используют комбинации разных датчиков для повышения точности. В таких комплексах ТП дополняют другие методы контроля температуры и физических величин:

• Термометры сопротивления
• Пирометры
• Волоконно-оптические датчики

Интеграция ТЭП с микропроцессорными средствами обработки данных открывает новые перспективы применения термоэлектрических преобразователей в современных системах контроля и управления.