
Термопара – это датчик температуры, основанный на эффекте Зеебека, который определяет температуру путем измерения термоэлектрического потенциала на стыке двух разнородных металлических проводников. Он отличается широким диапазоном измерения температуры (от -270 °C до +2300 °C), быстрой р...
Термопара — это датчик температуры, основанный на эффекте Зеебека, который определяет температуру путем измерения термоэлектрического потенциала на стыке двух разнородных металлических проводников. Он отличается широким диапазоном измерения температуры (от -270 °C до +2300 °C), быстрой реакцией, простой конструкцией и высокой устойчивостью к напряжению, что делает его основным устройством для измерения высоких температур в промышленности.
1. Принцип действия термопар
(1) Эффект Зеебека
Когда проводники из двух разнородных металлов (например, никель-хром и никель-кремний) образуют цепь с разницей температур между измерительным концом (горячим спаем) и опорным концом (холодным спаем), в цепи возникает термоэлектрическое напряжение (ЭДС). Величина этого ЭДС прямо пропорциональна разнице температур.
(2) Компенсация холодного спая (CJC)
- Проблема: Термопары фактически измеряют разницу температур между горячим и холодным спаями, поэтому для расчета температуры горячего спая требуется температура холодного спая.
- Решения:
- Метод точки замерзания: поместите холодное соединение в смесь льда и воды с температурой 0 °C (для лабораторного использования).
- Электронная компенсация: датчики оснащены встроенными датчиками температуры (например, RTD) для мониторинга температуры холодного соединения в режиме реального времени и применения автоматической коррекции.
2. Типы и характеристики термопар
(1) Международные стандартные справочные таблицы
| Тип | Материал (анод-катод) | Диапазон температур | Характеристики |Типичные области применения |
| Тип K | Никель-хром - никель-кремний | От -200℃ до +1260℃ | Высокая экономическая эффективность, высокая стойкость к окислению | Промышленные котлы, термообработка |
| Тип S | Платина-родий 10-платина (PtRh10-Pt) | 0℃~+1600℃ | Высокая точность, высокая термостойкость | Металлургия, стекловаренные печи |
| Тип J | Железо-медь-никель | -40℃~+750℃ | Восстановительные среды | Химические реакторы |
| Тип T | Медь-медно-никелевый (Cu-CuNi) | -200℃~+350℃ | Отличные низкотемпературные характеристики, влагостойкость | Холодильное оборудование, лаборатории |
| Тип E | Никель-хром-медно-никелевый (NiCr-CuNi) | -200℃~+900℃| Максимальная чувствительность| Аэрокосмическая промышленность, криогенная техника |
| Тип B | Платина-родий 30-Платина-родий 6| +600℃~+1820℃ | Сверхвысокая температура, низкий термоэлектрический потенциал| Измерение температуры расплавленной стали, керамическое спекание |
(2) Конструкция
- Бронированная термопара:
- Металлическая оболочка (нержавеющая сталь, инконель), содержащая изолирующий порошок MgO, выдерживает высокое давление (до 100 МПа) и вибрацию.
- Диаметр обычно от Φ0,5 мм до Φ8 мм, быстрое срабатывание (<1 секунда).
- Сборная термопара:
- В корпусе из керамики или металла, подходит для коррозионных сред (например, термопара + алюминиевая трубка).
- Поверхностная термопара:
- Плоская или пружинная конструкция для измерения температуры прямым контактом с поверхностью оборудования.
3. Основные преимущества термопар
| Преимущество | Описание |
| Ультраширокий диапазон температур | Охватывает диапазон от -270 °C до +2300 °C, что подходит для большинства промышленных сценариев. |
| Быстрое время отклика | Термопары с оголенным проводом достигают времени отклика <0,1 секунды (бронированные типы — примерно 1–5 секунд). |
| Устойчивость к высокому давлению/вибрации | Бронированная конструкция подходит для экстремальных условий, таких как компрессоры и ракетные двигатели. |
| Не требуется источник питания | Принцип автономного питания, идеально подходит для взрывозащищенных или пассивных применений. |
| Низкая стоимость | Термопары типа K стоят всего от трети до половины стоимости RTD. |
4. Типичные сценарии применения
- Высокотемпературные отрасли: выплавка стали (тип B/S), стекловаренные печи, цементные вращающиеся печи.
- Энергетика и производство электроэнергии: лопатки газовых турбин (тип K), теплоноситель ядерных реакторов (бронированный тип N).
- Химические процессы: печи крекинга (тип K), коррозионные среды (тип J + оболочка из хастеллоя).
- Бытовая техника: печи, водонагреватели (бронированный тип K).
- Научные исследования: исследования сверхпроводников (криогенные измерения типа T).
5. Руководство по выбору
(1) Ключевые параметры выбора
• Диапазон температур:
- Сверхвысокие температуры (>1600 °C): выберите тип B или R/S; Криогенные (<-100℃) выберите тип T или E.
• Требования к окружающей среде:
- Окисляющие атмосферы: тип K, S; восстановительные атмосферы: тип J; коррозионные среды: установите защитную оболочку.
• Скорость отклика:
- Термопары с голым проводом обеспечивают самый быстрый отклик; бронированные типы требуют баланса между защитой и отзывчивостью.
• Требования к точности:
- Стандартный класс (от ±1,5 °C до ±2,5 °C), специальный класс (±0,5 °C).
(2) Рекомендации по установке
- Глубина погружения: длина погружения в трубопровод должна быть ≥ 10 диаметров оболочки, чтобы обеспечить полный контакт горячего спая со средой.
- Обращение с холодным спаем: датчик или компенсационные провода должны быть расположены рядом с холодным спаем, чтобы предотвратить появление ошибок из-за дополнительных перепадов температуры.
- Избегайте помех:
- Используйте экранированные кабели в условиях сильных электромагнитных полей и держитесь подальше от линий электропередач.
- Выбирайте бронированные термопары для сред с высоким уровнем вибрации.
6. Сравнение термопары и резистивного датчика температуры (RTD)
| Сравниваемый параметр | Термопара | Резистивный датчик температуры (PT100) |
| Принцип действия | Эффект Зеебека (разница температур → напряжение) | Изменение сопротивления с температурой |
| Диапазон температур | От -270 °C до +2300 °C | от -200 °C до +850 °C |
| Точность | от ±0,5 °C до ±2,5 °C | от ±0,1 °C до ±0,5 °C |
| Время отклика | Быстрое (от 0,1 до 5 секунд) | Среднее (от 1 до 10 секунд) |
| Стоимость | Низкая | Высокая (Платина) |
| Компенсация холодного спая | Требуется | Не требуется |
| Типичные области применения | Высокие температуры, быстрое время отклика | Средние и низкие температуры, высокая точность |