Принцип работы, устройство и применение термопреобразователей

Термопреобразователи относятся к категории измерительных приборов, которые могут эксплуатироваться в широком диапазоне рабочих температур и востребованы в самых различных промышленных и хозяйственных отраслях. Видов этих устройств несколько: терморезисторы, термометры сопротивления, термопары и т. д. Они используются для измерения температуры материалов или рабочих сред – газообразных, сыпучих или жидких.

Их устройство и применяемый в них принцип работы обеспечивают получение ряда значимых преимуществ, в состав которых входят высокая стабильность, взаимозаменяемость, возможность быстрого получения результатов измерения и применения при работе с различными средами. А наличие внешних клемм обеспечивает возможность подключения термопреобразователей к дистанционно расположенным устройствам отображения данных или применять их в качестве элемента автоматизированной системы управления (АСУ).

Ниже мы подробнее рассмотрим, какой физический принцип используется при работе таких приборов, какие выпускаются типы термопреобразователей, в чем состоит их специфика, где они применяются.

Принципы, по которым работают термопреобразователи сопротивления

Используемый при функционировании термопреобразователя сопротивления принцип действия заключается в способности веществ изменять свое электрическое сопротивление при увеличении или понижении температуры. У специалистов этот параметр получил название температурного коэффициента электрического сопротивления, примечательно, что для разных материалов он может варьироваться в довольно широких пределах.

С точки зрения физических законов это объясняется следующим образом. При нагревании предмета (например, металлического сенсора прибора) меняется режим теплового колебания кристаллической решетки материала, из которого он состоит. Следствием этого является изменение сопротивления при прохождении электрического тока, которое фиксируется прибором.

На практике это выглядит так: с нагревом материала растет степень колебаний его кристаллической решетки, а вместе с ней – показатель электрического сопротивления. Прибор фиксирует эти изменения, переводя их в удобный для восприятия формат или в применяемый в производстве и промышленности унифицированный выходной сигнал.

Одной из особенностей использования такого принципа является необходимость в точной поверке термопреобразователя сопротивления перед началом замеров. Также для получения корректных результатов требуется создать оптимальные условия для эксплуатации прибора, исключающие его повреждение и обеспечивающие грамотный тепловой контакт со средой.

Конструкция и типы термопреобразователей

Принципиальная конструкция и схема подключения термопреобразователя любого типа включает в себя ряд основных компонентов. Тут непременно присутствует термочувствительный датчик, состоящий из одной или нескольких частей. С применением проводов, проложенных внутри защитного корпуса, этот элемент соединен с наружными выводами, через которые происходит подключение к прибору, фиксирующему изменение сопротивления.

В роли сенсорного элемента применяется резистор, который может быть изготовлен с использованием специальной проволоки или металлической пленки. Изменение уровня электрического сопротивления при воздействии нагрева или охлаждения сенсора фиксируется омметром, после чего отображается в виде температуры на табло или циферблате. Также вместо устройства отображения могут быть задействованы реле или переключатели, включающие или отключающие исполнительное оборудование при достижении требуемых параметров.

В соответствии с типом сенсора все выпускаемые производителями термопреобразователи сопротивления делятся на разновидности, которые мы рассмотрим подробнее.

С металлическим термопреобразователем

Конструктивно такие датчики представляют собой металлическую проволоку с диаметром сечения не более 0,1 мм, расположенную в герметично упакованном корпусе. Устройства этого типа могут быть задействованы для контроля широкого диапазона температур среды, ширина спектра величин при измерении зависит от металла, из которого изготовлен сенсор. Чаще всего для термочувствительного элемента используют медь, никель или платину.

Полупроводниковые термопреобразователи

Преимуществом устройств этого типа считается их способность фиксировать даже наиболее быстро протекающие изменения температуры. Также их отличают точность измерения, стабильность результатов, высокая чувствительность. В качестве датчика тут используется полупроводник, который помещен внутри герметично запаянного медного корпуса. Такое решение позволяет обойтись без применения измерительных токов большой величины и дает возможность применять прибор в условиях сверхнизких температур.

Углеродные термометры сопротивления

Сенсорные элементы для таких приборов изготавливаются путем прессования мельчайших частиц углерода при сильном нагреве и высоком давлении – применение такой технологии обеспечивает умеренные затраты. Многие характеристики термопреобразователей этого типа схожи с параметрами описанной выше разновидности, а основным их недостатком считается невысокая стабильность получаемых результатов, вследствие чего при работе с ними требуется довольно часто проводить поверку.

Сверхпроводящие термометры

Этот тип приборов применяется при сверхнизких температурах в диапазоне от -265 °С до -272 °С – например, при работе со сжиженными газами. При изготовлении термочувствительных датчиков для таких устройств к используемым металлам добавляются специальные элементы (например, фосфористая бронза), применение которых позволяет расширить возможность наступления сверхпроводящего состояния при сильном охлаждении. Такое решение гарантирует более высокую точность при замерах.

Термопреобразователи с платиновым сенсором

В силу электрофизических показателей платины приборы, в которых применен этот металл, позволяют получить наиболее точные результаты, демонстрируют стабильность выдаваемого термопреобразователем выходного сигнала и наиболее широкий диапазон температур эксплуатации. Соответственно, такие приборы наиболее широко распространены в различных производствах и выделены в отдельную группу.

Также к преимуществам приборов с платиновым элементом относят продолжительную службу, которая достигается за счет невысокой степени окисляемости платины. Подключение термопреобразователей сопротивления с резисторами из платины отличается простотой, а отклонения получаемых результатов минимальны, поэтому часто такие приборы используют для стандартизации оборудования.

К недостаткам такого оборудования можно отнести довольно высокую его цену. Она складывается из стоимости самой платины, которая является благородным металлом, строгих требований к ее обработке и уровню примесей. К тому же, такие устройства чувствительны к ударам или вибрациям и могут прийти в негодность при сильном резком нагреве.

Разные типы датчиков в платиновых термометрах

Термометры сопротивления с платиновым чувствительным элементом считаются наиболее широко применяемыми в промышленных отраслях, поэтому подробнее рассмотрим, какие виды термочувствительных датчиков в них используются.

Всего применяется четыре вида наиболее распространенных решений:

• В виде свободной от напряжения металлической спирали – это наиболее часто применяемое в мировой практике решение, также его более других вариантов предпочитают отечественные производители приборов. Название элемента является довольно условным, в зависимости от применяемых металлов и размеров частей сенсоры различных приборов могут выглядеть весьма по-разному.
• Сенсор в виде полой конструкции – это относительно новое решение, которое применяется преимущественно на ответственных видах производств или в энергетике (например, на атомных станциях). Прибор с таким датчиком позволяет получить высокую точность измерения, гарантирует стабильность показаний и отличается исключительно высокой надежностью. Однако при изготовлении такого прибора применяются дорогостоящие материалы, вследствие чего цена на него может быть выше, чем на аналоги.
• Сенсоры пленочного типа – применение такого решения предполагает использование керамической пластинки, на которую напыляется слой платины в несколько микрон. За счет относительно небольшого расхода дорогостоящего металла такой метод достаточно экономичен, а сами приборы с таким сенсором отличаются компактными габаритами и небольшим весом. К изъянам их можно отнести не слишком высокую стабильность, однако современные производители активно разрабатывают и внедряют решения для нейтрализации этого изъяна.
• В виде платиновой проволоки со стеклянным покрытием – на сегодняшний день такое решение считается наиболее функциональным, поскольку за счет стеклянной оболочки гарантируется полная герметичность сенсора и его защита от влаги или химических воздействий. Однако температурный режим работы для такого прибора строго ограничен (за счет физических свойств стекла), а стоимость такого решения довольно высока.

Требуется поверка термопреобразователя? Обращайтесь через форму заявки на сайте или по телефону +7 495 105-93-10.

Сфера применения приборов с терморезисторами

Используемый при работе термопреобразователей сопротивления принцип действия и способность определять температурные параметры по степени изменения электрического сопротивления термочувствительного элемента обеспечили таким приборам широкую область применения. Они активно используются в промышленности и на различных производствах для замера температуры рабочих жидкостей или газов, а также сыпучих материалов. Кроме того, с помощью таких датчиков создаются всевозможные системы автоматизации и безопасности для автомобилестроения, отопительных или холодильных установок, климатических и прочих устройств.

За счет особенностей конструкции различные типы и модификации таких устройств позволяют производить замеры температуры в широком диапазоне от -272 °С до +1 000 °С, который охватывает потребности очень многих производственных и хозяйственных отраслей деятельности.

Выпускаемые современными производителями термопреобразователи с унифицированным выходным сигналом сочетают в себе, казалось бы, взаимоисключающие качества. Они обеспечивают необходимый уровень чувствительности для получения корректных данных при измерении. И в то же время эти приборы имеют стабильную долговечную конструкцию, которая обеспечивает их продолжительную работу в самых непростых условиях.

В соответствии с классом допуска термопреобразователей применение этих устройств в качестве конструктивных элементов теплосчетчиков, потенциометров и других приборов обеспечивает получение корректных результатов измерений, степень точности которых превышает показатели оборудования, использующего сенсоры прочих типов.

Большой ассортимент выпускаемых решений позволяет пользователю подобрать подходящий тип оборудования, оптимально соответствующий условиям эксплуатации и специфике хозяйственных или производственных процессов. При выборе оборудования следует учитывать размер погружной части термопреобразователя, тип защиты прибора, диапазон измеряемых температур, класс точности и прочие характеристики.