Когда два разнородных металла или сплава соединяются с помощью двух соединений, они генерируют так называемую электродвижущую силу (ЭДС). Этот эффект возникает из-за меняющихся температур двух соединений в рамках схемы. Он даже может возникать из-за градиента температуры по всей длине отдельных проводников внутри схемы.
Данное физическое явление и три его производных в виде эффекта Зеебека (прямой термоэлектрический эффект), эффекта Пельтье (обратный термоэлектрический эффект) и эффекта Томсона (эффект Томсона в ферромагнетиках – встречается реже) и лежат в основе термопар.
Термопары, если упростить, являются устройствами, которые измеряют температуру. Стандарты давно используются при разработке, производстве и эксплуатации термопар как в науке, так и в промышленности.
Большинство пользователей термопар могут быть знакомы со стандартом ANSI MC96.1 «Термопары для измерения температуры», в котором приведены таблицы с подробным описанием типов калибровки, а также допуски и другая полезная информация.
Отношения между температурой и электродвижущей силой для распространенных типов термопар описаны и в справочных таблицах документа NIST ITS 90. Аналогичная информация, а также дополнительные указания приведены в стандарте ASTM E230 / E230M-17 «Стандартные спецификации соотношений температуры и электродвижущей силы (ЭДС) для стандартных термопар».
Поскольку термопары используют связь между теплом, электричеством и несколькими металлами, их разработка, производство и эксплуатация сопряжены с некоторыми проблемами, для устранения которых были разработаны дополнительные стандарты с релевантными спецификациями и рекомендациями.
Однако прежде чем приступить к их рассмотрению, следует более детально рассмотреть структуру термопар. Так что же такое термопара? Термопары состоят из двух проводов из разных металлов, сваренных вместе на каждом конце. Эти устройства часто классифицируются по типу сплава. Например, если исходить из классификации стандарта ASTM E230 / E230M-17, термопары типа «J» содержат одну железную проволоку и одну константановую медно-никелевую проволоку.
Кроме того, авторы стандарта ASTM E230 / E230M-17 приводят следующие типы термопары, исходя из состава их компонентов : тип «B» – платина и родий, тип «E» – никель, хром и медь, тип «J» – железо, медь и никель, тип «K» – никель, хром, алюминий и кремний, тип «N» – никель, хром, кремний и магний, тип «R» – платина и родий, тип «T» — медь и никель, тип «С» – вольфрам и рений.
Как правило, одна часть соединения термопары остается в окружающей среде, где измеряется температура, а другое соединение остается в среде с неизменной контрольной температурой. Когда происходит изменение температуры «внешнего» соединения, два разнородных металла начинают деформироваться и демонстрируют изменение сопротивления, формируя электрическое напряжение – ЭДС.
Тем, кто не знаком с термопарами, может показаться странным, что устройство, предназначенное для измерения температуры, фактически не измеряет температуру напрямую. Однако термопара может функционировать, потому что металлы проводят как тепло, так и электричество. И между тепловыми и электрическими показателями существует четкая связь. Как следствие, когда электрическое напряжение термопары изменяется, ее можно использовать для определения температуры.
Активно используясь в науке, термопары также нашли применение в самых разных отраслях: от производства энергии до изготовления целлюлозы и бумаги. Их также можно обнаружить в некоторых печах и других кухонных приборах. Термопары помогают измерять температуры в широком диапазоне значений. Они являются очень долговечными и могут быть заземлены.
Выбор термопары зависит от нескольких факторов, включая температурный диапазон, время реакции, стойкость к истиранию / вибрации, химическую стойкость, простоту калибровки и установки, а также совместимость. Эти и другие вопросы охватываются другими стандартами на термопары, включая следующие документы:
- ASTM E1350-18 «Стандартное руководство по тестированию термопар с защитным кожухом, собранных узлов термопары и проводов для подключения до и после установки или обслуживания»;
- ASTM E220-13 «Стандартный метод испытаний для калибровки термопар, учитывая методы сравнения»;
- ASTM E2846-14 «Стандартное руководство по верификации термопары»;
- ASTM E839-11 (2016) e1 «Стандартные методы испытаний термопар с защитным кожухом и кабелей для термопар с защитным кожухом»;
- ASTM E1652-15 «Стандартная спецификация для оксида магния, порошка оксида алюминия и разрушаемых изоляторов, используемых в производстве термопар из неблагородного сплава, платиновых термометров сопротивления с металлическими корпусами и термопар из благородного сплава»;
- ASTM E608 / E608M-13 «Стандартная спецификация для термопар из неблагородного сплава в металлической оболочке с минеральной неорганической изоляцией»;
- МЭК 60584-1 Ред. 3.0 b: 2013 «Термопары — Часть 1: Спецификации и допуски ЭДС».
Вышеупомянутые стандарты касаются общих концепций, связанных с термопарами и ЭДС, но важно помнить, что требования к термопарам могут различаться между отраслями. Перечень стандартов, касающихся использования этих устройств в определенной отрасли, включает помимо прочего следующие документы:
- SAE AIR 46B-1996 (SAE AIR46B-1996) «Подготовка и использование хромель-алюмелевых термопар для авиационных газотурбинных двигателей»;
- SAE AIR 65-1958 (SAE AIR65-1958) «Термоэлектрические схемы и рабочие характеристики нескольких термопар для двигателей самолетов»;
- МЭК 62651 Ред. 1.0 b: 2013 «Атомные электростанции — Важные для безопасности приборы — Термопары: характеристики и методы испытаний».