Термопар принцип действия: устройство и принцип работы простым языком, типы

Содержание

Принцип действия термопар

Термопары самое известное средство измерения для многих сфер деятельности, таких как, промышленность, медицинские лаборатории, жилые дома и научные лаборатории. Применяются они для измерения температуры. Это связано с тем, что термопары имеют высоким диапазон измерения(от -270 до + 2500С), отличную точность, высокую надежность, низкую цену и свободную заменяемость. Для корректного применения нужно понимать ее принцип действия и структуру.

Принцип действия и структура термопар

Состоит термопара из двух проводников и трубки, которая служит защитой для термоэлектродов. Термоэлектроды состоят из неблагородных и благородных металлов, чаще всего из сплавов, закрепленные друг с другом на одном конце(рабочий конец или горячий спай), таким образом они образуют одну из частей устройства. Другие концы термопары (свободные концы или холодный спай) соединены с прибором измерения напряжения. Посередине двух несоединенными выводами возникает ЭДС, величина зависит от температуры рабочего конца.

структура термопапры

Одинаковые термопреобразователи объединенные параллельно замыкают цепь, по правилу Зеебека, мы рассмотрим далее это правило, между ними образуется контактная разность потенциалов или термоэлектрический эффект, при соприкосновении на проводниках появляются электрические заряды, между их свободными концами возникает различие потенциалов, и он зависит от разности температур. Только тогда, когда температура между термоэлектродами одинакова, разница потенциалов приравнивается к нулю.

Например: Помещая спай с различными от нуля коэффициентами, в две кипящие кастрюли с жидкостью, температура первой 50, а второй 45, то разность потенциалов будет равна 5.

Разность потенциалов определяется разностью температур источников. Так же зависит материал из которого сделаны электроды термопары. Пример: У термопары Хромель-Алюмель температурный коэффициент равен 41, а у Хромель-Константан коэффициент равен 68.

Явление Зеебека

Состоит в следующем. Если в замкнутом контуре из двух разнородных проводников, а лучше полупроводников так, как эффект сильнее выражен для полупроводников, поддерживать места соединения этих проводников, обще принято называть, спаи, при разных температурах, то в такой цепи пойдет ток. Направление тока зависит от того какая из температур, какого спая выше. При одной разности в одном направлении, при другой разности в другом.

Это устройство, будучи разрезанным в одном из мест используется в качестве термопары, датчика температуры. В схеме 2, далее, будет показано спай 1, мы будем нагревать или охлаждать, а другой спай внутри гальванометра, который находится при комнатной температуре. В зависимости от того какая будет температура спая Т1 выше комнатной или ниже, стрелка гальванометра, будет отклоняться либо в одну, либо в другую сторону.

Если в цепи термопары обе проволоки из одного материала то ничего происходить не будет. Проверить это очень просто, возьмите две медные проволоки с изоляцией, меры безопасности никто не отменял, подсоедините их одними концами к гальванометру, а другими скрутите вместе (но лучше спаять), и начните нагревать, так же можно опустить в воду с кусочками льда. Если вы взяли одинаковые проволоки, то стрелка прибора останется на нуле. Но если вы возьмете разные проволоки и точно так же подсоедините их к прибору, а другие концы скрутите. И после этого будете нагревать или охлаждать, оголенные концы проводов, то вы сможете наблюдать, как и в какую сторону будет отклоняться стрелка гальванометра.

структура термопапры

Методы подключения

Есть несколько методов включения преобразователя, но мы рассмотрим самые распространенные: простой и дифференциальный. Простой — измерительный прибор включается напрямую к двум термопарам. Дифференцированный — применяются проводники с разными соотношениями термо-ЭДС, соединённые в двух концах, а измерительный прибор подключается в разрыв одного из проводников.

Во время дистанционного включения, ставятся удлинительные либо компенсационные провода. Удлинительные провода создаются из тех же металлов, что и термоэлектроды, но с разными размерами. Компенсационные — изготовляются из благородных металлов, но их состав, отличается от состава термоэлектродов.

конструкция и принцип работы датчика, виды устройств для измерения температуры

Устройство термопарыТермоэлектрический преобразователь, или термопара, представляет собой устройство, используемое в промышленности и медицине при проведении научных экспериментов, а также в системах автоматики. С помощью этого прибора проводятся замеры температуры. Для определения разности температурных показателей зон применяются дифференциальные устройства, которые представляют собой две термопары, соединенные навстречу друг другу.

Конструктивные особенности

Если относиться более скрупулезно к процессу замера температуры, то эта процедура осуществляется с помощью термоэлектрического термометра. Основным чувствительным элементом этого прибора считается термопара.

Сам процесс измерения происходит за счет создания в термопаре электродвижущей силы. Существуют некоторые особенности устройства термопары:

  • Виды термопарЭлектроды соединяются в термопарах для измерения высоких температур в одной точке с помощью электрической дуговой сварки. При замере небольших показателей такой контакт выполняется с помощью пайки. Особенные соединения в вольфрам-рениевых и вольфрамо-молибденовых устройствах проводятся с помощью плотных скруток без дополнительной обработки.
  • Соединение элементов проводится только в рабочей зоне, а по остальной длине они изолированы друг от друга.
  • Метод изоляции осуществляется в зависимости от верхнего значения температуры. При диапазоне величины от 100 до 120 °C используется любой тип изоляции, в том числе и воздушный. При температуре до 1300 °C применяются трубки или бусы из фарфора. Если величина достигает до 2000 °C, то применяется изоляционный материал из оксида алюминия, магния, бериллия и циркония.
  • В зависимости от среды использования датчика, в которой происходит замер температуры, применяется наружный защитный чехол. Выполняется он в виде трубки из металла или керамики. Такая защита обеспечивает гидроизоляцию и поверхностное предохранение термопары от механических воздействий. Материал наружного чехла должен выдерживать высокую температуру воздействия и обладать отличной теплопроводностью.

Конструкция датчика во многом зависит от условий его применения. При создании термопары во внимание принимается диапазон измеряемых температур, состояние внешней среды, тепловая инерционность и т. д.

Принцип действия

Работа термопары основана на принципе термоэлектрического эффекта. Это явление было открыто физиком из Германии Т. Зеебеком в начале XIX века. Его суть состоит в следующем:

  • Как использовать термопаруЕсли соединить два термоэлектрода из разных металлов или сплавов в замкнутую электрическую цепь, а их рабочую поверхность подвергнуть воздействию разных температур, то по ней начнет протекать электрический ток.
  • Цепь, состоящая только из двух разных электродов, называется термоэлементом.
  • Работает термопара за счет электродвижущей силы, которая вызывает ток в цепи и зависит от материала элементов и разности температуры их соединения.
  • Элемент, из которого поступает ток от горячего соединения к холодному, считается положительным электродом, а от холодного к горячему — отрицательным.
  • Если говорить простым языком, то зная температуру одного соединения, которая поддерживается обычно постоянной, в результате измерения значения тока можно узнать величину нагрева другого соединения.

Термопара ПП расшифровывается как платинородий-платиновый, где первым идет обозначение положительного электрода, а вторым — отрицательного. Величина электродвижущей силы составляет небольшую величину, которая измеряется милливольтами при разнице температуры в 100 К (173,15 °C).

Принцип действия термопары

Виды устройств

Каждый вид термопар имеет свое обозначение, и разделены они согласно общепринятому стандарту. Каждый тип электродов имеет свое сокращение: ТХА, ТХК, ТВР и т. д. Распределяются преобразователи соответственно классификации:

  • Измерение термопаройТип E — представляет собой сплав хромеля и константана. Характеристикой этого устройства считается высокая чувствительность и производительность. Особенно это подходит для использования при крайне низких температурах.
  • J — относится к сплаву железа и константана. Отличается высокой чувствительностью, которая может достигать до 50 мкВ/ °C.
  • Вид K — считается самым популярным устройством, состоящим из сплава хромеля и алюминия. Эти термопары могут определить температуру в диапазоне от -200 °C до +1350 °C. Приборы используются в схемах, расположенных в неокисляющих и инертных условиях без признаков старения. При применении устройств в довольно кислой среде хромель быстро разъедается и приходит в негодность для измерения температуры термопарой.
  • Тип M — представляет сплавы никеля с молибденом или кобальтом. Устройства могут выдерживать до 1400 °C и применяются в установках, работающих по принципу вакуумных печей.
  • Вид N — нихросил-нисиловые устройства, отличием которых считается устойчивость к окислению. Используются они для измерения температур в диапазоне от -270 до +1300 °C.

Существуют термопары, выполненные из сплавов родия и платины. Относятся они к типам B, S, R и считаются самыми стабильными устройствами. К минусам этих преобразователей относится высокая цена и низкая чувствительность.

При высоких температурах широко используются устройства из сплавов рения и вольфрама. Кроме того, по назначению и условиям эксплуатации термопары могут бывать погружаемыми и поверхностными.

По конструкции крепления устройства обладают статическим и подвижным штуцером или фланцем. Широкое применение термоэлектрические преобразователи нашли в устройстве компьютеров, которые обычно подсоединяются через COM порт и предназначены для измерения температуры внутри корпуса.

Компенсационные провода

Компенсационные проводаВ состав термопар входят компенсационные провода, которые выглядят как удлинители для подсоединения устройств к измерительному прибору. Если устроить свободные концы в головке термоэлектрического преобразователя, то практически его подсоединение выполнить нельзя, так как прибор работает при очень высоких температурах.

Кроме того, не всегда прибор, на который поступают данные, можно расположить недалеко от датчиков. Поэтому часто требуется подсоединение измерительного прибора на расстоянии от места, где установлены датчики. Эту задачу с успехом решают компенсационные провода. Обычно их изготавливают из того же материала, что и термоэлектрические датчики.

Удлинительные провода находятся на участках с более низкими температурами, поэтому существует возможность изготавливать их из более дешевого материала. При использовании компенсационных проводов необходимо учитывать возможность появления паразитных электродвижущих сил. Провода должны обеспечить отведение свободных концов от термопары в зону с пониженной и постоянной температурой.

Источники погрешностей измерений

Термопары для высоких температурНа выполнение правильного процесса измерения влияют внешние источники, техническое состояние средств измерения и другие условия. На точность измерения с использованием термоэлектрического преобразователя влияет изменение электродвижущей силы.

Это явление называется термоэлектрической нестабильностью используемых сплавов. В процессе эксплуатации стало известно, что сплавы электродов изменяют свою ЭДС, которая приводит к искажению показаний.

Во время длительной эксплуатации при высоких температурах такие ошибки могут достигать больших величин, что приводит к снижению точности измерений.

Основными причинами нестабильности измерений считаются:

  • взаимодействие термоэлектродов с внешней средой;
  • влияние на датчики изолирующих и защитных устройств;
  • взаимодействие электродов друг с другом;
  • внутренние процессы, которые возникают при изменении температуры;
  • влияние радиации, электромагнитных полей и перепадов давления.

Под воздействием высокой температуры происходит снижение сопротивления изоляции датчиков, которое приводит к искажению измерений. Часто источником возникновения ошибок при замерах становится неправильный выбор термоэлектрода, так как его сопротивление не совпадает с показаниями электрической цепи. Изменение электродвижущей силы по длине термоэлектрического преобразователя тоже приводит к возникновению ошибок при получении показателей.

описание, устройство, схема :: SYL.ru

Принцип действия и устройство термопары предельно просты. Это обусловило популярность данного прибора и широкое применение во всех отраслях науки и техники. Термопара предназначается для измерения температур в широком диапазоне – от -270 до 2500 градусов по Цельсию. Устройство вот уже не одно десятилетие является незаменимым помощником инженеров и ученых. Работает надежно и безотказно, а показания температуры всегда правдивые. Более совершенного и точного прибора просто не существует. Все современные устройства функционируют по принципу термопары. Работают в тяжелых условиях.

Область применения термопары

Назначение термопары

Данное устройство преобразовывает тепловую энергию в электрический ток и позволяет измерять температуру. В отличие от традиционных ртутных градусников, способно работать в условиях как экстремально низких, так и экстремально высоких температур. Данная особенность обусловила широкое применение термопары в самых разнообразных установках: промышленные металлургические печи, газовые котлы, вакуумные камеры для химико-термической обработки, духовой шкаф бытовой газовой плиты. Принцип работы термопары всегда остается неизменным и не зависит от того, в каком устройстве она монтируется.

От надежной и бесперебойной работы термопары зависит работа системы аварийного отключения приборов в случае превышения допустимых лимитов температур. Поэтому данное устройство должно быть надежным и давать точные показания, чтобы не подвергать риску жизнь людей.

Принцип действия термопары

Термопара имеет три основных элемента. Это два проводника электричества из разных материалов, а также защитная трубка. Два конца проводников (их еще называют термоэлектродами) спаяны, а два других подключаются к потенциометру (прибор для измерения температуры).

Если говорить простым языком, принцип работы термопары заключается в том, что спай термоэлектродов помещается в среду, температуру которой необходимо измерить. В соответствии с правилом Зеебека, возникает разность потенциалов на проводниках (иначе – термоэлектричество). Чем больше температура среды – тем более значимой является разница потенциалов. Соответственно, стрелка прибора отклоняется больше.

принцип действия термопары

В современных комплексах измерения на смену механическому устройству пришли цифровые индикаторы температуры. Однако далеко не всегда новый прибор превосходит по своим характеристикам старые аппараты еще советских времен. В технических вузах, да и в научно-исследовательских учреждениях, и по сей день пользуются потенциометрами 20-30-летней давности. И они демонстрируют поразительную точность и стабильность измерений.

Эффект Зеебека

На данном физическом явлении основан принцип работы термопары. Суть заключается в следующем: если соединить между собой два проводника из разных материалов (иногда используются полупроводники), то по такому электрическому контуру будет циркулировать ток.

Таким образом, если нагревать и охлаждать спай проводников, то стрелка потенциометра будет колебаться. Засечь ток также может позволить и гальванометр, подключенный в цепь.

В том случае, если проводники выполнены из одного и того же материала, то электродвижущая сила не будет возникать, соответственно, нельзя будет измерить температуру.

Подключение термопары

Схема подключения термопары

Наиболее распространенными способами подключения измерительных приборов к термопарам являются так называемый простой способ, а также дифференцированный. Суть первого метода заключается в следующем: прибор (потенциометр или гальванометр) напрямую соединяется с двумя проводниками. При дифференцированном методе спаивается не одни, а оба конца проводников, при этом один из электродов «разрывается» измерительным прибором.

схема подключения термопары

Нельзя не упомянуть и о так называемом дистанционном способе подключения термопары. Принцип работы остается неизменным. Разница лишь в том, что в цепь добавляются удлинительные провода. Для этих целей не подойдет обычный медный шнур, так как компенсационные провода в обязательном порядке должны выполняться из тех же материалов, что и проводники термопары.

Конструкция термопары

Материалы проводников

Принцип действия термопары основан на возникновении разности потенциалов в проводниках. Поэтому к подбору материалов электродов необходимо подходить очень ответственно. Различие в химических и физических свойствах металлов является основным фактором работы термопары, устройство и принцип действия которой основаны на возникновении ЭДС самоиндукции (разности потенциалов) в цепи.

Технически чистые металлы для применения в качестве термопары не подходят (за исключением АРМКО-железа). Обычно используются различные сплавы цветных и благородных металлов. Такие материалы имеют стабильные физико-химические характеристики, благодаря чему показания температуры всегда будут точными и объективными. Стабильность и точность – ключевые качества при организации эксперимента и производственного процесса.

В настоящее время наиболее распространены термопары следующих видов: E, J, K.

Термопара с колпачком

Термопара типа E

В качестве материалов для проводников используются константан и хромель. Изделия данного типа хорошо зарекомендовали себя по части надежности и точности показаний. Свидетельств тому – многочисленные положительные отзывы специалистов. Однако данный состав демонстрирует точность измерений лишь в положительном диапазоне температур до 600 градусов по Цельсию включительно.

Термопара типа J

По принципу работы термопара не отличается от предыдущей. Однако хромель уступил место технически чистому железу, что позволило существенно расширить диапазон рабочей температуры с сохранением стабильности показаний. Он составляет от -100 до 1200 градусов по Цельсию.

Термопара тип К

Термопара типа K

Это, пожалуй, самый распространенный и применяемый повсюду тип термопары. Пара хромель — алюминий отлично работает при температурах от -200 до 1350 градусов по Цельсию. Данный тип термопары отличается большой чувствительностью и фиксирует даже незначительный скачок температуры. Благодаря такому набору параметров, термопара применяется и на производстве, и для научных исследований. Но есть у нее и существенный недостаток – влияние состава рабочей атмосферы. Так, если данный вид термопары будет работать в среде CO2, то термопара будет давать некорректные показания. Данная особенность ограничивает применение устройств такого типа. Схема и принцип работы термопары остаются неизменными. Разница лишь в химическом составе электродов.

Проверка работы термопары

Проверка работы термопары

В случае выхода из строя термопары не подлежит ремонту. Теоретически можно, конечно, ее починить, но вот будет ли прибор после этого показывать точную температуру – это большой вопрос.

Иногда неисправность термопары не является явной и очевидной. В частности, это касается газовых колонок. Принцип работы термопары все тот же. Однако она выполняет несколько иную роль и предназначается не для визуализации температурных показаний, а для работы клапанов. Поэтому, чтобы выявить неисправность такой термопары, необходимо подключить к ней измерительный прибор (тестер, гальванометр или потенциометр) и нагреть спай термопары. Для этого не обязательно держать ее над открытым огнем. Достаточно лишь зажать его в кулак и посмотреть, будет ли отклоняться стрелка прибора.

Причины выхода из строя термопар могут быть разными. Так, если не надеть специальное экранирующее устройство на термопару, помещенную в вакуумную камеру установки ионно-плазменного азотирования, то с течением времени она будет становиться все более хрупкой до тех пор, пока не переломается один из проводников. Кроме того, не исключается и вероятность неправильной работы термопары из-за изменения химического состава электродов. Ведь нарушаются основополагающие принципы работы термопары.

Газовая аппаратура (котлы, колонки) также оснащается термопарами. Основной причиной выхода из строя электродов являются окислительные процессы, которые развиваются при высоких температурах.

В том случае, когда показания прибора являются заведомо ложными, а при внешнем осмотре не были обнаружены слабые зажимы, то причина, скорее всего, кроется в выходе из строя контрольно-измерительного прибора. В этом случае его необходимо отдать в ремонт. Если имеется соответствующая квалификация, то можно попытаться устранить неполадки самостоятельно.

Да и вообще, если стрелка потенциометра или цифровой индикатор показывают хоть какие-то «признаки жизни», то термопара является исправной. В таком случае проблема, совершенно очевидно, кроется в чем-то другом. И соответственно, если прибор никак не реагирует на явные изменения температурного режима, то можно смело менять термопару.

Однако прежде чем демонтировать термопару и ставить новую, нужно полностью убедиться в ее неисправности. Для этого достаточно прозвонить термопару обычным тестером, а еще лучше – померить напряжение на выходе. Только обычный вольтметр здесь вряд ли поможет. Понадобится милливольтметр или тестер с возможностью подбора шкалы измерения. Ведь разность потенциалов является очень маленькой величиной. И стандартный прибор ее даже не почувствует и не зафиксирует.

Элементы термопар

Преимущества термопары

Почему за столь долгую историю эксплуатации термопары не были вытеснены более совершенными и современными датчиками измерения температуры? Да по той простой причине, что до сих пор ей не может составить конкуренцию ни один другой прибор.

Во-первых, термопары стоят относительно дешево. Хотя цены могут колебаться в широком диапазоне в результате применения тех или иных защитных элементов и поверхностей, соединителей и разъемов.

Во-вторых, термопары отличаются неприхотливостью и надежностью, что позволяет успешно эксплуатировать их в агрессивных температурных и химических средах. Такие устройства устанавливаются даже в газовые котлы. Принцип работы термопары всегда остается неизменным, вне зависимости от условий эксплуатации. Далеко не каждый датчик другого типа сможет выдержать подобное воздействие.

Технология изготовления и производства термопар является простой и легко реализуется на практике. Грубо говоря – достаточно лишь скрутить или сварить концы проволок из разных металлических материалов.

Еще одна положительная характеристика – точность проводимых измерений и мизерная погрешность (всего 1 градус). Данной точности более чем достаточно для нужд промышленного производства, да и для научных исследований.

Недостатки термопары

Недостатков у термопары не так много, в особенности если сравнивать с ближайшими конкурентами (температурными датчиками других типов), но все же они есть, и было бы несправедливо о них умолчать.

Так, разность потенциала измеряется в милливольтах. Поэтому необходимо применять весьма чувствительные потенциометры. А если учесть, что не всегда приборы учета можно разместить в непосредственной близости от места сбора экспериментальных данных, то приходится применять некие усилители. Это доставляет ряд неудобств и приводит к лишним затратам при организации и подготовке производства.

Термопара: принцип действия, устройство

Существует множество разнообразных устройств и механизмов, позволяющих измерять температуру. Некоторые из них применяются в повседневной жизни, какие-то — для различных физических исследований, в производственных процессах и других отраслях.

Одним из таких устройств является термопара. Принцип действия и схему данного устройства мы рассмотрим в последующих разделах.

Физическая основа работы термопары

Принцип работы термопары основан на обычных физических процессах. Впервые эффект, на основе которого работает данное устройство, был исследован немецким ученым Томасом Зеебеком.

термопара принцип действия

Суть явления, на котором держится принцип действия термопары, в следующем. В замкнутом электрическом контуре, состоящем из двух проводников различного вида, при воздействии определенной температуры окружающей среды возникает электричество.

Получаемый электрический поток и температура окружающей среды, воздействующая на проводники, находятся в линейной зависимости. То есть чем выше температура, тем больший электрический ток вырабатывается термопарой. На этом и основан принцип действия термопары и термометра сопротивления.

При этом один контакт термопары находится в точке, где необходимо измерять температуру, он именуется «горячим». Второй контакт, другими словами — «холодный», — в противоположном направлении. Применение для измерения термопар допускается лишь в том случае, когда температура воздуха в помещении меньше, чем в месте измерения.

Такова краткая схема работы термопары, принцип действия. Виды термопар мы рассмотрим в следующем разделе.

Виды термопар

В каждой отрасли промышленности, где необходимы измерения температуры, в основном применяется термопара. Устройство и принцип работы различных видов данного агрегата приведены ниже.

Хромель-алюминиевые термопары

Данные схемы термопар применяются в большинстве случаев для производства различных датчиков и щупов, позволяющих контролировать температуру в промышленном производстве.

принцип действия термопары

Их отличительными особенностями можно назвать довольно низкую цену и огромный диапазон измеряемой температуры. Они позволяют зафиксировать температуру от -200 до +13000 градусов Цельсия.

Нецелесообразно применять термопары с подобными сплавами в цехах и на объектах с высоким содержанием серы в воздухе, так как этот химический элемент негативно влияет как на хром, так и на алюминий, вызывая нарушения в функционировании устройства.

Хромель-копелевые термопары

Принцип действия термопары, контактная группа которой состоит из этих сплавов, такой же. Но эти устройства работают в основном в жидкости либо газообразной среде, обладающей нейтральными, неагрессивными свойствами. Верхний температурный показатель не превышает +8000 градусов Цельсия.

Применяется подобная термопара, принцип действия которой позволяет использовать ее для установления степени нагрева каких-либо поверхностей, например, для определения температуры мартеновских печей либо иных подобных конструкций.

Железо-константановые термопары

Данное сочетание контактов в термопаре не настолько распространено, как первая из рассматриваемых разновидностей. Принцип работы термопары такой же, однако подобная комбинация хорошо показала себя в разреженной атмосфере. Максимальный уровень замеряемой температуры не должен превышать +12500 градусов Цельсия.

принцип работы термопары

Однако, если температура начинает подниматься выше +7000 градусов, существует опасность нарушения точности измерений в связи с изменением физико-химических свойств железа. Имеют место даже случаи коррозии железного контакта термопары при наличии в окружающем воздухе водных паров.

Платинородий-платиновые термопары

Наиболее дорогая в изготовлении термопара. Принцип действия такой же, однако отличается она от своих собратьев очень стабильными и достоверными показаниями температуры. Имеет пониженную чувствительность.

Основная область применения данных устройств — измерение высоких температур.

Вольфрам-рениевые термопары

Также применяются для измерения сверхвысоких температур. Максимальный предел, который можно зафиксировать с помощью данной схемы, достигает 25 тысяч градусов по шкале Цельсия.

Их применение требует соблюдения некоторых условий. Так, в процессе измерения температуры нужно полностью устранить окружающую атмосферу, которая оказывает негативное воздействие на контакты в результате процесса окисления.

Для этого вольфрам-рениевые термопары обычно помещают в защитные кожухи, заполненные инертным газом, защищающим их элементы.

Выше была рассмотрена каждая существующая термопара, устройство, принцип работы ее в зависимости от применяемых сплавов. Теперь рассмотрим некоторые конструктивные особенности.

термопара устройство принцип работы

Конструкции термопар

Существует две основные разновидности конструкций термопар.

  • С применением изоляционного слоя. Данная конструкция термопары предусматривает изолирование рабочего слоя устройства от электрического тока. Подобная схема позволяет использовать термопару в технологическом процессе без изоляции входа от земли.

  • Без применения изоляционного слоя. Такие термопары могут подключаться лишь к измерительным схемам, входы которых не имеют контакта с землей. Если данное условие не соблюдается, в устройстве возникнет две независимых замкнутых схемы, в результате чего показания, полученные с помощью термопары, не будут соответствовать действительности.

измерения термопар

Бегущая термопара и ее применение

Существует отдельная разновидность данного устройства, именуемая «бегущей». Принцип действия бегущей термопары мы сейчас рассмотрим более подробно.

Эта конструкция применяется в основном для определения температуры стальной заготовки при ее обработке на токарных, фрезерных и иных подобных станках.

принцип действия бегущей термопары

Следует отметить, что в данном случае возможно использование и обычной термопары, однако, если процесс изготовления требует высокой точности температурного режима, бегущую термопару трудно переоценить.

При применении данного метода в заготовку заранее запаивают ее контактные элементы. Затем, в процессе обработки болванки, данные контакты постоянно подвергаются воздействию резца или иного рабочего инструмента станка, в результате чего спай (который является главным элементом при снятии температурных показателей) как бы «бежит» по контактам.

Этот эффект повсеместно применяется в металлообрабатывающей промышленности.

Технологические особенности конструкций термопар

При изготовлении рабочей схемы термопары производится спайка двух металлических контактов, которые, как известно, изготовлены из разных материалов. Место соединения носит название «спай».

Следует отметить, что делать данное соединение с помощью спайки необязательно. Достаточно просто скрутить вместе два контакта. Но такой способ производства не будет обладать достаточным уровнем надежности, а также может давать погрешности при снятии температурных показателей.

Если необходимо измерение высоких температур, спайка металлов заменяется на их сварку. Это связано с тем, что в большинстве случаев припой, применяемый при соединении, имеет низкую температуру плавления и разрушается при превышении ее уровня.

Схемы, при изготовлении которых была применена сварка, выдерживают более широкий диапазон температуры. Но и этот способ соединения имеет свои недостатки. Внутренняя структура металла при воздействии высокой температуры в процессе сваривания может измениться, что повлияет на качество получаемых данных.

Кроме того, следует контролировать состояние контактов термопары в процессе ее эксплуатации. Так, возможно изменение характеристик металлов в схеме вследствие воздействия агрессивной окружающей среды. Может произойти окисление либо взаимная диффузия материалов. В подобной ситуации следует заменить рабочую схему термопары.

Разновидности спаев термопар

Современная индустрия производит несколько конструкций, которые применяются при изготовлении термопар:

  • с открытым спаем;

  • с изолированным спаем;

  • с заземленным спаем.

Особенностью термопар с открытым спаем является плохая сопротивляемость внешнему воздействию.

Следующие два типа конструкции могут применяться при измерении температур в агрессивных средах, оказывающих разрушительное влияние на контактную пару.

Кроме того, в настоящее время промышленность осваивает схемы производства термопар по полупроводниковым технологиям.

принцип действия термопары и термометра сопротивления

Погрешность измерений

Правильность температурных показателей, получаемых с помощью термопары, зависит от материала контактной группы, а также внешних факторов. К последним можно отнести давление, радиационный фон либо иные причины, способные повлиять на физико-химические показатели металлов, из которых изготовлены контакты.

Погрешность измерений состоит из следующих составных частей:

  • случайная погрешность, вызванная особенностями изготовления термопары;

  • погрешность, вызванная нарушением температурного режима «холодного» контакта;

  • погрешность, причиной которой послужили внешние помехи;

  • погрешность контрольной аппаратуры.

Преимущества использования термопар

К преимуществам использования подобных устройств для контроля температуры, независимо от области применения, можно отнести:

  • большой промежуток показателей, которые способны быть зафиксированы с помощью термопары;

  • спайку термопары, которая непосредственно участвует в снятии показаний, можно расположить в непосредственном контакте с точкой измерения;

  • несложный процесс изготовления термопар, их прочность и долговечность эксплуатации.

Недостатки измерения температуры с помощью термопары

К недостаткам применения термопары следует отнести:

  • Необходимость в постоянном контроле температуры «холодного» контакта термопары. Это отличительная особенность конструкции измерительных приборов, в основе которых лежит термопара. Принцип действия данной схемы сужает область ее применения. Они могут быть использованы только в том случае, если температура окружающего воздуха ниже температуры в точке измерения.

  • Нарушение внутренней структуры металлов, применяемых при изготовлении термопары. Дело в том, что в результате воздействия внешней окружающей среды контакты теряют свою однородность, что вызывает погрешности в получаемых температурных показателях.

  • В процессе измерения контактная группа термопары обычно подвержена негативному влиянию окружающей среды, что вызывает нарушения в процессе работы. Это опять же требует герметизации контактов, что вызывает дополнительные затраты на обслуживание подобных датчиков.

  • Существует опасность воздействия электромагнитных волн на термопару, конструкция которой предусматривает длинную контактную группу. Это также может сказаться на результатах измерений.

  • В некоторых случаях встречается нарушение линейной зависимости между электрическим током, возникающим в термопаре, и температурой в месте измерения. Подобная ситуация требует калибровки контрольной аппаратуры.

Заключение

Несмотря на имеющиеся недостатки, метод измерения температуры с помощью термопар, который был впервые изобретен и опробован еще в 19 веке, нашел свое широкое применение во всех отраслях современной промышленности.

Кроме того, существуют такие области применения, где использование термопар является единственным способом получения температурных данных. А ознакомившись с данным материалом, вы достаточно полно разобрались в основных принципах их работы.

Термопара — Википедия

Схема термопары типа К. При температуре спая проволок из хромеля и алюмеля равной 300 °C и температуре свободных концов 0 °C развивает термо-ЭДС 12,2 мВ. Фотография термопары

Термопа́ра (термоэлектрический преобразователь) — устройство, применяемое в промышленности, научных исследованиях, медицине, в системах автоматики. Применяется в основном для измерения температуры.

Международный стандарт на термопары МЭК 60584 (п.2.2) даёт следующее определение термопары: Термопара — пара проводников из различных материалов, соединённых на одном конце и формирующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.

Для измерения разности температур зон, ни в одной из которых не находится вторичный преобразователь (измеритель термо-ЭДС), удобно использовать дифференциальную термопару: две одинаковые термопары, соединённые навстречу друг другу. Каждая из них измеряет перепад температур между своим рабочим спаем и условным спаем, образованным концами термопар, подключёнными к клеммам вторичного преобразователя, но вторичный преобразователь измеряет разность их сигналов, таким образом, две термопары вместе измеряют перепад температур между своими рабочими спаями.

Принцип действия

Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Между соединёнными проводниками имеется контактная разность потенциалов; если стыки связанных в кольцо проводников находятся при одинаковой температуре, сумма таких разностей потенциалов равна нулю. Когда же стыки находятся при разных температурах, разность потенциалов между ними зависит от разности температур. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными от нуля коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой Т1, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т2, которое будет пропорционально разности температур Т1 и Т2.

Способы подключения

Наиболее распространены два способа подключения термопары к измерительным преобразователям: простой и дифференциальный.
В первом случае измерительный преобразователь подключается напрямую к двум термоэлектродам. Во втором случае используются два проводника с разными коэффициентами термо-ЭДС, спаянные в двух концах, а измерительный преобразователь включается в разрыв одного из проводников.

Для дистанционного подключения термопар используются удлинительные или компенсационные провода. Удлинительные провода изготавливаются из того же материала, что и термоэлектроды, но могут иметь другой диаметр. Компенсационные провода используются в основном с термопарами из благородных металлов и имеют состав, отличный от состава термоэлектродов. Требования к проводам для подключения термопар установлены в стандарте МЭК 60584-3.
Следующие основные рекомендации позволяют повысить точность измерительной системы, включающей термопарный датчик[1]:

— Миниатюрную термопару из очень тонкой проволоки следует подключать только с использованием удлинительных проводов большего диаметра;
— Не допускать по возможности механических натяжений и вибраций термопарной проволоки;
— При использовании длинных удлинительных проводов, во избежание наводок, следует соединить экран провода с экраном вольтметра и тщательно перекручивать провода;
— По возможности избегать резких температурных градиентов по длине термопары;
— Материал защитного чехла не должен загрязнять электроды термопары во всем рабочем диапазоне температур и должен обеспечить надежную защиту термопарной проволоки при работе во вредных условиях;
— Использовать удлинительные провода в их рабочем диапазоне и при минимальных градиентах температур;
— Для дополнительного контроля и диагностики измерений температуры применяют специальные термопары с четырьмя термоэлектродами, которые позволяют проводить дополнительные измерения сопротивления цепи для контроля целостности и надежности термопар.

Применение термопар

Для измерения температуры различных типов объектов и сред, а также в качестве датчика температуры в автоматизированных системах управления. Термопары из вольфрам-рениевого сплава являются самыми высокотемпературными контактными датчиками температуры[2]. Такие термопары незаменимы в металлургии для контроля температуры расплавленных металлов.

Для контроля пламени и защиты от загазованности в газовых котлах и в других газовых приборах (например, бытовые газовые плиты). Ток термопары, нагреваемой пламенем горелки, удерживает в открытом состоянии газовый клапан. В случае пропадания пламени ток термопары снижается и клапан перекрывает подачу газа.

В 1920—1930-х годах термопары использовались для питания простейших радиоприемников и других слаботочных приборов. Вполне возможно использование термогенераторов для подзарядки АКБ современных слаботочных приборов (телефоны, камеры и т. п.) с использованием открытого огня.

Приёмник излучения

Крупный план термобатареи фотоприёмника. Каждый из проволочных уголков представляет собой термопару.

Исторически термопары представляют один из наиболее ранних термоэлектрических приёмников излучения[3]. Упоминания об этом их применении относятся к началу 1830-х годов[4]. В первых приёмниках использовались одиночные проволочные пары (медь — константан, висмут — сурьма), горячий спай находился в контакте с зачернённой золотой пластинкой. В более поздних конструкциях стали применяться полупроводники.

Термопары могут включаться последовательно, одна за другой, образуя термобатарею (англ.). Горячие спаи при этом располагают либо по периметру приёмной площадки, либо равномерно по её поверхности. В первом случае отдельные термопары лежат в одной плоскости, во втором параллельны друг другу[5].

Преимущества термопар

  • Высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01 °С).
  • Большой температурный диапазон измерения: от −250 °C до +2500 °C.
  • Простота.
  • Дешевизна.
  • Надёжность.

Недостатки

  • Для получения высокой точности измерения температуры (до ±0,01 °С) требуется индивидуальная градуировка термопары.
  • На показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового датчика и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.
  • Эффект Пельтье (в момент снятия показаний необходимо исключить протекание тока через термопару, так как ток, протекающий через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный).
  • Зависимость ТЭДС от температуры существенно нелинейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.
  • Возникновение термоэлектрической неоднородности в результате резких перепадов температур, механических напряжений, коррозии и химических процессов в проводниках приводит к изменению градуировочной характеристики и погрешностям до 5 К.
  • На большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.

Типы термопар

Технические требования к термопарам определяются ГОСТ 6616-94. Стандартные таблицы для термоэлектрических термометров — номинальные статические характеристики преобразования (НСХ), классы допуска и диапазоны измерений приведены в стандарте МЭК 60584-1,2 и в ГОСТ Р 8.585-2001.

Точный состав сплава термоэлектродов для термопар из неблагородных металлов в МЭК 60584-1 не приводится. НСХ для хромель-копелевых термопар ТХК и вольфрам-рениевых термопар определены только в ГОСТ Р 8.585-2001. В стандарте МЭК данные термопары отсутствуют. По этой причине характеристики импортных датчиков из этих металлов могут существенно отличаться от отечественных, например импортный Тип L и отечественный ТХК не взаимозаменяемы. При этом, как правило, импортное оборудование не рассчитано на отечественный стандарт.

В настоящее время стандарт МЭК 60584 пересматривается. Планируется введение в стандарт вольфрам-рениевых термопар типа А-1, НСХ для которых будет соответствовать российскому стандарту, и типа С по стандарту АСТМ[6].

В 2008 г. МЭК ввел два новых типа термопар: золото-платиновые и платино-палладиевые. Новый стандарт МЭК 62460 устанавливает стандартные таблицы для этих термопар из чистых металлов. Аналогичный Российский стандарт пока отсутствует.

Сравнение термопар

Таблица ниже описывает свойства нескольких различных типов термопар[7]. В пределах колонок точности, T представляет температуру горячего спая, в градусах Цельсия. Например, термопара с точностью В±0,0025 Г—T имела бы точность В±2,5 В°C в 1000 В°C.

Тип термопары IEC (МЭК) Материал положительного электрода Материал отрицательного электрода Темп. коэффициент, μV/°C Температурный диапазон °C (длительно) Температурный диапазон °C (кратковременно) Класс точности 1 (°C) Класс точности 2 (°C) IEC (МЭК)

Цветовая маркировка

K Хромель

Cr—Ni

Алюмель

Ni—Al

40…41 0 до +1100 −180 до +1300 ±1,5 от −40 °C до 375 °C
±0,004×T от 375 °C до 1000 °C
±2,5 от −40 °C до 333 °C
±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C
Зелёный-белый
J Железо

Fe

Константан

Cu—Ni

55.2 0 до +700 −180 до +800 ±1,5 от −40 °C до 375 °C
±0,004×T от 375 °C до 750 °C
±2,5 от −40 °C до 333 °C
±0,T от 333 °C до 750 °C
Чёрный-белый
N Никросил

Ni—Cr—Si

Нисил

Ni—Si—Mg

0 до +1100 −270 до +1300 ±1,5 от −40 °C до 375 °C
±0,004×T от 375 °C до 1000 °C
±2,5 от −40 °C до 333 °C
±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C
Сиреневый-белый
R Платинородий

Pt—Rh

(13 % Rh)

Платина

Pt

0 до +1600 −50 до +1700 ±1,0 от 0 °C до 1100 °C
±[1 + 0,003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °C
±1,5 от 0 °C до 600 °C
±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C
Оранжевый-белый
S Платинородий

Pt—Rh (10 % Rh)

Платина

Pt

0 до 1600 −50 до +1750 ±1,0 от 0 °C до 1100 °C
±[1 + 0,003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °C
±1,5 от 0 °C до 600 °C
±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C
Оранжевый-белый
B Платинородий

Pt—Rh (30 % Rh)

Платинородий

Pt—Rh (6 % Rh)

+200 до +1700 0 до +1820 ±0,0025×T от 600 °C до 1700 °C Отсутствует
T Медь

Cu

Константан

Cu—Ni

−185 до +300 −250 до +400 ±0,5 от −40 °C до 125 °C
±0,004×T от 125 °C до 350 °C
±1,0 от −40 °C до 133 °C
±0,0075×T от 133 °C до 350 °C
Коричневый-белый
E Хромель

Cr—Ni

Константан

Cu—Ni

68 0 до +800 −40 до +900 ±1,5 от −40 °C до 375 °C
±0,004×T от 375 °C до 800 °C
±2,5 от −40 °C до 333 °C
±0,0075×T от 333 °C до 900 °C
Фиолетовый-белый

См. также

Примечания

Литература

Киес Р. Дж., Крузе П. В., Патли Э. Г., Лонг Д., Цвиккер Г. Р., Милтон А. Ф., Тейч М. К. § 3.2. Термопара // Фотоприёмники видимого и ИК диапазонов = Optical and Infrared Detectors / пер. с англ. под ред. В. И. Стафеева. — М.: Радио и связь, 1985. — 328 с.

H. Melloni. Ueber den Durchgang der Wärmestrahlen durch verschiedene Körper (нем.) // Annalen der Physik und Chemie : журнал. — Leipzig: Verlag von Johann Ambrosius Barth, 1833. — Bd. 28. — S. 371—378.

Грунин В. К. § 2.3.4. Термоэлектрические приёмники излучения // Источники и приёмники излучения: учебное пособие. — СПб.: Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2015. — 167 с. — ISBN 978-5-7629-1616-5.

Ссылки

Принцип действия термопар (термоэлектрический преобразователь)

     Термопара (термоэлектрический преобразователь) — устройство, применяемое для измерения температуры в промышленности, научных исследованиях, медицине, в системах автоматики.

 

     Международный стандарт на термопары МЭК 60584 (п.2.2) дает следующее определение термопары: Термопара — пара проводников из различных материалов, соединенных на одном конце и формирующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.

 

     Для измерения разности температур зон, ни в одной из которых не находится вторичный преобразователь (измеритель термо-ЭДС), удобно использовать дифференциальную термопару: две одинаковые термопары, соединенные навстречу друг другу. Каждая из них измеряет перепад температур между своим рабочим спаем и условным спаем, образованным концами термопар, подключёнными к клеммам вторичного преобразователя, но вторичный преобразователь измеряет разность их сигналов, таким образом, две термопары вместе измеряют перепад температур между своими рабочими спаями.

 

Схема термопары типа К

 

Схема термопары типа К. При температуре спая проволок из хромеля и алюмеля равной 300 °C и температуре свободных концов 0 °C развивает термо-ЭДС 12,2 мВ.

 

Фотография термопары

 

Принцип действия

 

     Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Между соединёнными проводниками имеется контактная разность потенциалов; если стыки связанных в кольцо проводников находятся при одинаковой температуре, сумма таких разностей потенциалов равна нулю. Когда же стыки находятся при разных температурах, разность потенциалов между ними зависит от разности температур. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными от нуля коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой Т1, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т2, которое будет пропорционально разности температур Т1 и Т2.

 

Способ подключения (Схема подключения)

 

    Наиболее распространены два способа подключения термопары к измерительным преобразователям: простой и дифференциальный. В первом случае измерительный преобразователь подключается напрямую к двум термоэлектродам. Во втором случае используются два проводника с разными коэффициентами термо-ЭДС, спаянные в двух концах, а измерительный преобразователь включается в разрыв одного из проводников.

 

    Для дистанционного подключения термопар используются удлинительные или компенсационные провода. Удлинительные провода изготавливаются из того же материала, что и термоэлектроды, но могут иметь другой диаметр. Компенсационные провода используются в основном с термопарами из благородных металлов и имеют состав, отличный от состава термоэлектродов. Требования к проводам для подключения термопар установлены в стандарте МЭК 60584-3.

 

Следующие основные рекомендации позволяют повысить точность измерительной системы, включающей термопарный датчик:

 

  • Миниатюрную термопару из очень тонкой проволоки следует подключать только с использованием удлинительных проводов большего диаметра;
  • Не допускать по возможности механических натяжений и вибраций термопарной проволоки;
  • При использовании длинных удлинительных проводов, во избежание наводок, следует соединить экран провода с экраном вольтметра и тщательно перекручивать провода;
  • По возможности избегать резких температурных градиентов по длине термопары;
  • Материал защитного чехла не должен загрязнять электроды термопары во всем рабочем диапазоне температур и должен обеспечить надежную защиту термопарной проволоки при работе во вредных условиях;
  • Использовать удлинительные провода в их рабочем диапазоне и при минимальных градиентах температур;
  • Для дополнительного контроля и диагностики измерений температуры применяют специальные термопары с четырьмя термоэлектродами, которые позволяют проводить дополнительные измерения сопротивления цепи для контроля целостности и надежности термопар.

 

Применение термопар

 

     Для измерения температуры различных типов объектов и сред, а также в автоматизированных системах управления и контроля. Термопары из вольфрам-рениевого сплава являются самыми высокотемпературными контактными датчиками температуры. Такие термопары незаменимы в металлургии для контроля температуры расплавленных металлов.

 

     В 1920-х — 1930-х годах термопары использовались для питания простейших радиоприемников и других слаботочных приборов. Вполне возможно использование термогенераторов для подзарядки АКБ современных слаботочных приборов (телефоны, камеры и т. п.) с использованием открытого огня.

 

Преимущества термопар

 

  • Высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01 °С).
  • Большой температурный диапазон измерения: от −250 °C до +2500 °C.
  • Простота.
  • Дешевизна.
  • Надёжность.

 

Недостатки

 

  • Для получения высокой точности измерения температуры (до ±0,01 °С) требуется индивидуальная градуировка термопары.
  • На показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового датчика и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.
  • Эффект Пельтье (в момент снятия показаний необходимо исключить протекание тока через термопару, так как ток, протекающий через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный).
  • Зависимость ТЭДС от температуры существенно нелинейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.
  • Возникновение термоэлектрической неоднородности в результате резких перепадов температур, механических напряжений, коррозии и химических процессов в проводниках приводит к изменению градуировочной характеристики и погрешностям до 5 К.
  • На большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.

 

Типы термопар

 

     Технические требования к термопарам определяются ГОСТ 6616-94.Стандартные таблицы для термоэлектрических термометров (НСХ), классы допуска и диапазоны измерений приведены в стандарте МЭК 60584-1,2 и в ГОСТ Р 8.585-2001.

 

  • платинородий-платиновые
  • платинородий-платиновые
  • платинородий-платинородиевые
  • железо-константановые (железо-медьникелевые)
  • медь-константановые (медь-медьникелевые)
  • нихросил-нисиловые (никельхромникель-никелькремниевые)
  • хромель-алюмелевые
  • хромель-константановые
  • хромель-копелевые
  • медь-копелевые
  • сильх-силиновые
  • вольфрам и рений — вольфрамрениевые

 

     Точный состав сплава термоэлектродов для термопар из неблагородных металлов в МЭК 60584-1 не приводится. НСХ для хромель-копелевых термопар ТХК и вольфрам-рениевых термопар определены только в ГОСТ Р 8.585-2001. В стандарте МЭК данные термопары отсутствуют. По этой причине характеристики импортных датчиков из этих металлов могут существенно отличаться от отечественных, например импортный Тип L и отечественный ТХК не взаимозаменяемы. При этом, как правило, импортное оборудование не рассчитано на отечественный стандарт.

 

     В настоящее время стандарт МЭК 60584 пересматривается. Планируется введение в стандарт вольфрам-рениевых термопар типа А-1, НСХ для которых будет соответствовать российскому стандарту, и типа С по стандарту АСТМ.

 

     В 2008 г. МЭК ввел два новых типа термопар: золото-платиновые и платино-палладиевые. Новый стандарт МЭК 62460 устанавливает стандартные таблицы для этих термопар из чистых металлов. Аналогичный Российский стандарт пока отсутствует.

 

Сравнение термопар

 

     Таблица ниже описывает свойства нескольких различных типов термопары. В пределах колонок точности, T представляет температуру горячего спая, в градусах Цельсия. Например, термопара с точностью В±0.0025Г—T имела бы точность В±2.5 В°C в 1000 В°C.

 










Тип термопары

Темп. коэффициент,


μV/°C

Температурный диапазон °C (длительно) Температурный диапазон °C (кратковременно) Класс точности 1 (°C) Класс точности 2 (°C)
K 41 0 до +1100 −180 до +1300 ±1.5 от −40 °C до 375 °C

±0.004×T от 375 °C до 1000 °C
±2.5 от −40 °C до 333 °C

±0.0075×T от 333 °C до 1200 °C
J 55.2 0 до +700 −180 to +800 ±1.5 от −40 °C до 375 °C

±0.004×T от 375 °C до 750 °C
±2.5 от −40 °C до 333 °C

±0.0075×T от 333 °C до 750 °C
N   0 до +1100 −270 to +1300 ±1.5 от −40 °C до 375 °C

±0.004×T от 375 °C до 1000 °C
±2.5 от −40 °C до 333 °C

±0.0075×T от 333 °C до 1200 °C
R   0 до +1600 −50 to +1700 ±1.0 от 0 °C до 1100 °C

±[1 + 0.003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °C
±1.5 от 0 °C до 600 °C

±0.0025×T от 600 °C до 1600 °C
S   0 до 1600 −50 до +1750 ±1.0 от 0 °C до 1100 °C

±[1 + 0.003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °C
±1.5 от 0 °C до 600 °C

±0.0025×T от 600 °C до 1600 °C
B   +200 до +1700 0 до +1820   ±0.0025×T от 600 °C до 1700 °C
T   −185 до +300 −250 до +400 ±0.5 от −40 °C до 125 °C

±0.004×T от 125 °C до 350 °C
±1.0 от −40 °C до 133 °C

±0.0075×T от 133 °C до 350 °C
E 68 0 до +800 −40 до +900 ±1.5 от −40 °C до 375 °C

±0.004×T от 375 °C до 800 °C
±2.5 от −40 °C до 333 °C

±0.0075×T от 333 °C до 900 °C

 

Источник: wikipedia

 

Термопара. Принцип действия | joyta.ru

Термопара широко используется в различных устройствах измерения температуры и системах сбора данных. Термопара является наиболее популярным типом датчика температуры, поскольку он надежный, универсальный, обладает низкой инертностью, относительно недорогой и позволяет измерять температуру в широком диапазоне.

Использование различных термопар, позволяет измерять температуру в очень широком диапазоне: от -250C и до 2500C. Правда из-за своей конструктивной особенности, термопара не может обеспечить повышенную точность измеренной температуры. Погрешность измерения, как правило, находится в пределах 0,5…2С.

Зачастую, термопары используются для контроля температурного режима в производственных процессах. В быту термопара применяется во многих устройствах, например, в некоторых типах паяльников, в духовках газовых плит и так далее. Так же следует отметить, что большинство мультиметров имеют функцию измерения температуры. Для этого в комплекте с мультиметром идет термопара, которая подключается к соответствующему разъему:

Принцип действия термопары

Принцип действия термопары основан на эффекте, который обнаружил в 1821 году немецкий — эстонский физик Томас Иоганн Зеебек. Он заметил, что при соединении двух проводников из разнородных металлов в них возникает напряжение (термоЭДС), величина которого зависит от степени нагрева места соединения. Позднее это явление стали называть термоэлектрическим эффектом или эффект Зеебека.

Фактическое напряжение, генерируемое термопарой зависит от температуры нагрева и от типа используемых металлов. Напряжение это не велико и, как правило, составляет от 1 до 70 мкВ на 1 градус Цельсия.

При подключении термопары к измерительному прибору получается еще один термоэлектрический переход. Таким образом, фактически получается два перехода находящихся в разных температурных режимах, поэтому входной сигнал на измерителе будет пропорционален разности температур между этими двумя переходами.

Для того, чтобы измерить абсолютную температуру, применяют метод известный как «компенсация холодного спая». Его суть заключается в том, что второй переход (который вне зоны измеряемой температуры) помещают при постоянной (образцовой) температуре. Ранее для этого использовали стандартный метод – помещая данный переход в ледяную воду.

На сегодняшний день применяют дополнительный датчик температуры расположенный в непосредственной близости от второго перехода, и по показаниям дополнительного температурного датчика измерительный прибор вносит коррекцию в результат измерения. Это значительно упрощает общую схему измерения, поскольку термопару и измерительный элемент, с элементом температурной компенсацией, можно объединить в единое целое.

Конструктивное исполнение

Термопары изготавливаются в различных формах. Они бывают бескорпусными, то есть спай двух металлов не закрыт защитным кожухом. Это обеспечивает очень быстрое время измерения и низкую инертность:

Так же термопары могут быть доступны и в качестве зонда. Этот тип широко используется как в измерительных приборах бытового назначения, так и в производстве, где необходимо защитить термопару от агрессивной среды технологического процесса.

 

Типы термопар

Термопары различаются между собой в основном по типу используемых металлов. Существует несколько стандартов:

 

.

Принцип работы термопары Измерительные приборы

ТЕРМОПАРЫ

Термопара состоит из двух разнородных металлов, соединенных вместе на одном конце, которые создают напряжение (выраженное в милливольтах) при изменении температуры. Место соединения двух металлов, называемое чувствительным переходом, соединяется с удлинительными проводами. Для изготовления термопары можно использовать любые два разнородных металла.

P Принцип работы

  • Когда два разнородных металла соединяются вместе, на стыке генерируется небольшое напряжение, называемое напряжением термопреобразователя .Это называется эффектом Пельтье .
  • Если температура соединения изменяется, это вызывает изменение и напряжения, что может быть измерено входными цепями электронного контроллера. Выходное напряжение — это напряжение, пропорциональное разнице температур между спаем и свободными концами. Это называется эффектом Томпсона .
  • Оба этих эффекта можно комбинировать для измерения температуры. Удерживая один спай при известной температуре (эталонный спай) и измеряя напряжение, можно определить температуру чувствительного спая.Генерируемое напряжение прямо пропорционально разнице температур. Комбинированный эффект известен как эффект термоспая или эффект Зеебека .

На рисунке справа показана простая схема термопары. Thermocouple Effect

Thermocouple Effect

Напряжение измеряется для определения температуры. На практике провода A и B подключаются к цифровому вольтметру (DVM), цифровому мультиметру (DMM), системе сбора цифровых данных или другому устройству измерения напряжения.Если измерительное устройство имеет очень высокий входной импеданс, напряжение, создаваемое термопаром, можно измерить точно.

Однако основная проблема с измерением температуры термопарами заключается в том, что провода A и B должны подключаться к выводам вольтметра, которые обычно сделаны из меди. Если ни провод A, ни провод B сами по себе не медные, при подключении к DVM образуется еще два термопреобразователя ! (Металлы термопар обычно не такие, как у проводов цифрового мультиметра.Эти дополнительные термопары также создают напряжение термопары, которое может создать ошибку при попытке измерить напряжение с чувствительного перехода.

Thermocouple Diagram

Thermocouple Diagram

Как решить эту проблему?

Одним из простых решений является добавление четвертого термопреобразователя, называемого опорным спаем , путем вставки дополнительной длины металлического провода A в схему, как показано ниже. Эталонный спай состоит из металлов A и B, как показано на рисунке.

Thermocouple Reference Junction

Thermocouple Reference Junction

Эта модифицированная схема анализируется следующим образом:

При такой компоновке остаются еще два дополнительных спая термопары, где компенсированная термопара подключается к вольтметру (DVM). Два соединения с DVM теперь находятся между металлом A и медью. Эти два перехода расположены близко друг к другу, и при той же температуре , так что их напряжения термоперехода идентичны и компенсируют друг друга.Между тем, новый эталонный спай помещается в место, где эталонная температура T R известна точно, обычно в ванне с ледяной водой с фиксированной температурой T R = 0 ° C. Если чувствительный переход также имеет температуру 0 ° C (T s = 0 o C), напряжение, генерируемое чувствительным переходом, будет равно и противоположно напряжению, генерируемому опорным переходом. Следовательно, V o = 0, когда T s = 0 ° C. Однако, если температура чувствительного перехода не равна T R , V o будет отличным от нуля.

Таким образом, V o является уникальной функцией температуры датчика T s и двух металлов, используемых для термопары . Таким образом, для известной эталонной температуры и известных материалов проводов термопар для измерения температуры можно использовать выходное напряжение V o . Это фундаментальная концепция использования термопар.

Материалы термопар

Термопары могут быть изготовлены из нескольких различных комбинаций материалов.Характеристики материала термопары обычно определяют при использовании этого материала с платиной. Наиболее важным фактором, который следует учитывать при выборе пары материалов, является «термоэлектрическая разница» между двумя материалами. Значительная разница между двумя материалами приведет к улучшению характеристик термопары.

На рисунке ниже показаны характеристики наиболее часто используемых материалов при использовании с платиной. Например: хромель-константан отлично подходит для температур до 2000 ° F; Никель / никель-молибден иногда заменяет хромель-алюмель; и вольфрам-рений используется для температур до 5000 ° F.Некоторые комбинации, используемые для специализированных приложений, включают хромель-белое золото, молибден-вольфрам, вольфрам-иридий и иридий / иридий-родий.

На рисунке ниже показаны характеристики материала термопары при использовании с платиной.

Thermoelectric

Thermoelectric

Характеристики типов термопар

Из бесконечного числа комбинаций термопар Американское общество по приборостроению (ISA) признает 12. Большинство этих типов термопар имеют однобуквенные обозначения; наиболее распространены J, K, T и E.Состав термопар соответствует международным стандартам, но цветовая кодировка проводов у них другая. Например, в США отрицательный вывод всегда красный, в то время как остальной мир использует красный цвет для обозначения положительного вывода. Часто стандартные типы термопар упоминаются по их торговым наименованиям. Например, термопара

  • A типа K имеет цвет желтый и использует хромель алюмель, , которые являются торговыми названиями сплавов проволоки Ni-Cr и Ni-Al.
  • Термопара типа J имеет цвет черный и использует железо и константан в качестве составляющих металлов. (Константан представляет собой сплав никеля и меди.)
  • Термопара типа T имеет цвет синий и использует медь и константан в качестве составляющих металлов.
  • A тип S термопара использует Pt / Rh-Pt
  • A тип E термопара использует Ni / Cr-Con
  • A тип N термопара использует Ni / Cr / Si- Ni / Si

Каждая калибровка имеет свой диапазон температур и среду, хотя максимальная температура зависит от диаметра провода, используемого в термопаре Temperature Vs Voltage Reference Table for Type J

Temperature Vs Voltage Reference Table for Type J.Различия в составе сплава и состоянии стыка между проволоками являются источниками погрешности измерения температуры. Стандартная погрешность провода термопары варьируется от ± 0,8 ° C до ± 4,4 ° C, в зависимости от типа используемой термопары. Термопара типа K рекомендуется для большинства приложений общего назначения. Он предлагает широкий диапазон температур, низкую стандартную ошибку и хорошую коррозионную стойкость. Фактически, многие цифровые мультиметры (DMM) могут измерять температуру, подключив термопару типа K со стандартными соединениями.

Напряжение, создаваемое термопарой, изменяется почти на , но не точно, линейно с температурой. Следовательно, нет простых уравнений, связывающих напряжение термопары с температурой. Напротив, напряжение представлено в таблице как функция температуры для различных стандартных термопар. Чтобы преобразовать показания в милливольтах в соответствующую температуру, вы должны обратиться к таблицам, подобным приведенной ниже. Эти таблицы можно получить у производителя термопар, и в них указана конкретная температура, соответствующая серии показаний в милливольтах. По соглашению, эталонная температура для таблиц термопар составляет 0ºC.

Выбор типа термопары

Поскольку термопары измеряют в широком диапазоне температур и могут быть относительно прочными, они очень часто используются в промышленности.

При выборе термопары используются следующие критерии:

  1. Диапазон температур.
  2. Химическая стойкость материала термопары или оболочки.
  3. Устойчивость к истиранию и вибрации.
  4. Требования к установке (может потребоваться совместимость с существующим оборудованием; существующие отверстия могут определять диаметр зонда).

Стандартные характеристики

Диаметр: Стандартные диаметры: 0,010 ″, 0,020 ″, 0,032 ″, 0,040 ″, 1/16 ″, 1/8 ″, 3/16 ″ и 1/4 ″ с двумя провода.

Длина: Стандартные термопары имеют длину погружения 12 дюймов. Другая длина изготавливается на заказ.

Оболочки: Нержавеющая сталь 304 и инконель являются стандартными.

Изоляция: Оксид магния является стандартным. Минимальное сопротивление изоляции между проводом или проводом с оболочкой составляет 1,5 МОм при напряжении постоянного тока 500 В для всех диаметров.

Калибровка: железо-константан (J), хромель алюмель (K), медь-константан (T) и хромель-константан (E) являются стандартными калибровками.

Гибка: Легко изгибается и формуется. Радиус изгиба должен быть не менее двойного диаметра оболочки.

Полярность: В производстве термопар стандартной практикой является окрашивание отрицательного вывода в красный цвет.

Соединения термопар:

Датчики термопары в оболочке доступны с одним из трех типов соединения: заземленным, незаземленным или открытым.

Заземленное соединение — В этом типе провода термопары физически прикреплены к внутренней стороне стенки зонда. Это приводит к хорошей теплопередаче снаружи через стенку зонда к спайу термопары. Заземленный переход рекомендуется для измерения статических или текущих температур агрессивных газов и жидкостей, а также для приложений с высоким давлением.Спай заземленной термопары приварен к защитной оболочке, обеспечивая более быстрый отклик, чем спай незаземленного типа.

Незаземленное соединение — В подземном зонде спай термопары отсоединен от стенки зонда. Время отклика уменьшается по сравнению с заземленным типом, но незаземленный обеспечивает электрическую изоляцию 1,5 M1 / ​​2 при 500 В постоянного тока для всех диаметров. Незаземленный спай рекомендуется для измерений в агрессивных средах, где желательно иметь термопару, электрически изолированную от оболочки и экранированную ею.Термопара из сварной проволоки физически изолирована от оболочки термопары порошком MgO (мягкий).

Открытый спай — В стиле открытого спая термопара выступает из конца оболочки и подвергается воздействию окружающей среды. Этот тип предлагает лучшее время отклика, но его использование ограничено некоррозийными и не находящимися под давлением приложениями. Соединение выходит за пределы защитной металлической оболочки, обеспечивая точный и быстрый отклик.Изоляция оболочки герметизируется в местах соединения, чтобы предотвратить проникновение влаги или газа, которое может вызвать ошибки.

Types of Thermocouple Junctions

Таким образом, открытый переход обеспечивает самое быстрое время отклика, за которым следует заземленный переход. Решения по измерению температуры могут повлиять на ожидаемые результаты процесса или нарушить их. Выбор подходящего датчика для приложения может быть сложной задачей, но обработка этого измеренного сигнала также очень важна.

T Законы гермопары

Сначала несколько обозначений :

Пусть T 1 будет температурой ванны 1, а T 2 будет температурой ванны 2.

Пусть V 1-R определяется как напряжение, создаваемое термопарой при температуре T 1 , когда используется надлежащий эталонный спай при температуре T R (T R = эталонная температура = 0 o C). V 1-R — это напряжение, указанное в таблице термопар при температуре T 1 .

Пусть V 1-2 определяется как разность напряжений между V 1-R и V 2-R ,

V1-2 = V1-R — V2-R

Условные обозначения :

Ошибки отрицательного знака могут быть проблематичными при работе с этими уравнениями, если одно из них не согласовано.

По соглашению, таблицы термопар конструируются таким образом, что на более высокая температура дает на более высокое напряжение термопары .

Другими словами, всегда предполагается, что два провода термопары (назовем их провод A и провод B) подключены к вольтметру таким образом, что напряжение составляет плюс , когда измеряемая температура на больше. , чем эталонная температура. Аналогично, напряжение составляет отрицательное значение , когда измеряемая температура на меньше, чем на контрольная температура.

Поскольку стандартная эталонная температура для таблиц термопар составляет 0ºC, положительные температуры в единицах ºC дают положительные термопереходные напряжения, а отрицательные температуры в единицах o C дают отрицательные термопереходные напряжения.

Обратите внимание, что если провода подключены к вольтметру противоположной стороной , напряжения, конечно, будут иметь противоположный знак.

К термопарам применяются три закона или правила:

  • Закон промежуточных металлов

«Третий (промежуточный) металлический провод может быть вставлен последовательно с одним из проводов. без изменения показания напряжения (при условии, что два новых перехода имеют одинаковую температуру) ».

Рассмотрим схему ниже, где прямоугольник вокруг термопары указывает на баню с постоянной температурой (например, кастрюлю с кипящей водой или баню с ледяной водой). Law of intermediate metals

Law of intermediate metals

Закон промежуточных металлов гласит, что показание напряжения V 1-2 не изменится, если добавить третий (промежуточный) провод на одной линии с любым из проводов в цепи, как показано ниже: Thermocouple Junctions

Thermocouple Junctions

На приведенной выше диаграмме предполагается, что оба новых перехода (между металлом B и металлом C) имеют одинаковую температуру, т.е.е. температура окружающей среды, T a .

Легко видеть, что здесь должен соблюдаться закон промежуточных металлов, поскольку любое напряжение, генерируемое на одном из новых переходов, в точности компенсируется равным и противоположным напряжением, генерируемым на другом новом переходе.

Точно так же металл C может быть вставлен в любое другое место цепи без какого-либо влияния на выходное напряжение, при условии, что два новых перехода имеют одинаковую температуру. Например, рассмотрим следующую модифицированную схему:

Law of intermediate metals Modified

Law of intermediate metals Modified

Опять же, если два новых перехода (на этот раз между металлами A и C) имеют одинаковую температуру, нет никакого общего влияния на выходное напряжение.

  • Закон промежуточных температур

«Если идентичные термопары измеряют разницу температур между T 1 и T 2 , и разность температур между T 2 и T 3 , тогда сумма соответствующих напряжений V 1-2 + V 2-3 должна равняться напряжению V 1-3 генерируется идентичной термопарой, измеряющей разность температур между T 1 и T 3 ”.

Математическая формулировка закона промежуточных температур:

V 1-3 = V 1-2 + V 2-3 для любых трех температур, T 1 , T 2 , и Т 3 .

Рассмотрим схему ниже, где показаны шесть термопар, по два в каждой ванне с постоянной температурой. Примечание. Во избежание путаницы на схеме медные выводы цифрового вольтметра больше не показаны. Также, для краткости, буквы A и B обозначают металл A и металл B, два разных типа проводов для термопар.law of intermediate temperatures

law of intermediate temperatures

Согласно принятой здесь системе обозначений,

V1-3 = V1-R — V3-R,

, что может быть записано как

V1-3 = (V1-R — V2-R) + (V2 -R — V3-R)

Но поскольку (также по определению)

V1-2 = V1-R — V2-R и

V2-3 = V2-R — V3-R,

следует непосредственно что

V1-3 = V1-2 + V2-3.

«Для данного набора из 3 проводов термопары, A, B и C, все измеряют одинаковую разницу температур T 1 — T 2 , напряжение, измеренное проводами A и C должны равняться сумме напряжения, измеренного проводами A и B, и напряжения, измеренного проводами B и C ”.

Рассмотрим установку ниже, где показаны шесть термопреобразователей, три в ванне с постоянной температурой T 1 и три в ванне с постоянной температурой T 2 . Как указано выше, буквы A, B и C обозначают различные типы проводов для термопар.

Law of additive voltages

Law of additive voltages

Математически закон аддитивных напряжений можно сформулировать следующим образом:

V1-2 (провода A и C) = V1-2 (провода A и B) + V1-2 (провода B и C)

Или, переставив по разности напряжений ,

V1-2 (провода A и B) = V1-2 (провода A и C) — V1-2 (провода B и C).

Термобатарея

Термобатарея определяется как несколько последовательно соединенных термопар. Например, термобатарея с тремя чувствительными переходами показана ниже:

Thermopile

Thermopile

По мере увеличения T 2 выходное напряжение значительно увеличивается. Преимущество термобатареи (по сравнению с одним чувствительным переходом) повышенная чувствительность .

Здесь выходное напряжение в три раза больше, чем вырабатываемое одной термопарой при идентичных условиях, как показано ниже:

Thermopile construction

Thermopile construction

При достаточном количестве чувствительных переходов термобатарея может фактически генерировать полезное напряжение.Например, термоэлектрических часто используются для управления запорными вентилями в печах .

Также читайте: Основы термопар и датчиков RTD

.Термопара

: принцип работы, устройство

Существует множество различных устройств и механизмов для измерения температуры. Некоторые из них используются в повседневной жизни, некоторые — для различных физических исследований, в производственных процессах и других отраслях промышленности.

Одним из таких устройств является термопара. Принцип работы и схема этого устройства будут рассмотрены в следующих разделах.

Физическая основа термопары

Принцип действия термопары основан на обычных физических процессах.Впервые эффект, на основе которого работает это устройство, исследовал немецкий ученый Томас Зеебек.

Суть явления, на котором основан принцип действия термопары, в следующем. В замкнутой электрической цепи, состоящей из двух проводов разного типа, электричество вырабатывается при приложении определенной температуры окружающей среды.

Результирующий электрический ток и температура окружающей среды, влияющие на проводники, находятся в линейной зависимости.То есть, чем выше температура, тем больше электрический ток, производимый термопарой. Это принцип действия термопары и термометра сопротивления.

В данном случае речь идет об одном контакте термопары, где необходимо измерить температуру, он называется «горячим». Второй контакт, другими словами — «холодный», — в обратном направлении. Применение для измерения термопар допускается только при температуре в помещении ниже, чем в месте измерения.

Это краткая схема работы термопары, принцип действия. Мы рассмотрим типы термопар в следующем разделе.

Типы термопар

В каждой отрасли, где требуются измерения температуры, в основном используются термопары. Устройство и принцип работы различных типов этого агрегата приведены ниже.

Хромель-алюминиевые термопары

Эти термопары в большинстве случаев используются для изготовления различных датчиков и зондов, позволяющих контролировать температуру в промышленном производстве.

Их отличительными особенностями можно назвать достаточно невысокую цену и огромный диапазон измеряемых температур. Они позволяют фиксировать температуру от -200 до +13000 градусов по Цельсию.

Нецелесообразно использовать термопары с аналогичными сплавами в цехах и объектах с повышенным содержанием серы в воздухе, так как этот химический элемент отрицательно влияет как на хром, так и на алюминий, вызывая нарушения в работе прибора.

Хромель-копелевые термопары

Принцип работы термопары, контактная группа которой состоит из этих сплавов, одинаков.Но эти устройства работают в основном в жидкой или газообразной среде с нейтральными, неагрессивными свойствами. Верхний температурный показатель не превышает +8000 градусов по Цельсию.

Применяется аналогичная термопара, принцип действия которой позволяет использовать ее для определения степени нагрева любых поверхностей, например, для определения температуры мартеновских печей или других подобных конструкций.

Термопары железо-константан

Эта комбинация контактов в термопаре не так распространена, как первая из рассматриваемых разновидностей.Принцип работы термопары такой же, но такая комбинация хорошо себя зарекомендовала в разреженной атмосфере. Максимальный уровень измеряемой температуры не должен превышать +12500 градусов Цельсия.

Однако, если температура начинает подниматься выше +7000 градусов, возникает опасность нарушения точности измерений из-за изменения физико-химических свойств железа. Бывают даже случаи коррозии железного контакта термопары при наличии паров воды в окружающем воздухе.

Платина / платина термопары

Самая дорогая термопара в производстве. Принцип работы такой же, но отличается от аналогов очень стабильными и надежными показаниями температуры. Имеет пониженную чувствительность.

Основная область применения этих устройств — измерение высоких температур.

Вольфрам-рениевые термопары

Также используются для измерения сверхвысоких температур. Максимальный предел, который может быть зафиксирован с помощью этой схемы, составляет 25000 градусов Цельсия.

Их применение требует определенных условий. Таким образом, в процессе измерения температуры необходимо полностью исключить окружающую атмосферу, которая отрицательно влияет на контакты, возникающие в процессе окисления.

С этой целью вольфрам-рениевые термопары обычно помещают в защитные кожухи, заполненные инертным газом, который защищает их элементы.

Выше мы рассмотрели каждую существующую термопару, устройство, принцип его работы в зависимости от используемых сплавов.Теперь рассмотрим конструктивные особенности.

Конструкции термопар

Существует два основных типа конструкций термопар.

  • С использованием изоляционного слоя. Такая конструкция термопары обеспечивает изоляцию рабочего слоя устройства от электрического тока. Такая схема позволяет использовать в процессе термопару без изоляции ввода от земли.

  • Без использования изоляционного слоя. Такие термопары можно подключать только к измерительным цепям, входы которых не имеют контакта с землей.При несоблюдении этого условия прибор будет иметь две независимые замкнутые цепи, в результате чего показания, полученные с помощью термопары, не будут соответствовать действительности.

Работающая термопара и ее применение

Существует отдельная версия этого прибора, называемая «работающая». Теперь более подробно рассмотрим принцип действия бегущей термопары.

Эта конструкция используется в основном для определения температуры стальной заготовки при ее обработке на токарных, фрезерных и других подобных станках.

Следует отметить, что в этом случае возможно использование и обычных термопар, однако, если технологический процесс требует высокой температурной точности, работающую термопару трудно переоценить.

При нанесении этого метода на преформу заранее герметизируйте ее контактные элементы. Затем в процессе обработки заготовок эти контакты постоянно подвергаются воздействию резца или другого рабочего инструмента станка, в результате чего спай (который является основным элементом снятия температурных индексов) «пробегает» контакты.

Этот эффект широко применяется в металлообрабатывающей промышленности.

Технологические особенности конструкций термопар

При изготовлении рабочей цепи термопары свариваются два металлических контакта, которые, как известно, изготовлены из разных материалов. Соединение называется «соединением».

Следует отметить, что создание этого соединения с помощью спайка не является обязательным. Достаточно просто скрутить два контакта. Но такой способ изготовления не будет иметь достаточного уровня надежности, а также может выдать ошибки при снятии температурных индикаторов.

Если необходимо измерить высокие температуры, острие металлов заменяют их сваркой. Это связано с тем, что в большинстве случаев используемый в соединении припой имеет низкую температуру плавления и разрушается при превышении ее уровня.

Схемы, для изготовления которых применялась сварка, выдерживают более широкий температурный диапазон. Но у этого способа подключения есть свои недостатки. Внутренняя структура металла под воздействием высокой температуры во время сварки может измениться, что скажется на качестве получаемых данных.

Кроме того, следует следить за состоянием контактов термопары во время ее работы. Таким образом, возможно изменение характеристик металлов в контуре из-за воздействия агрессивной среды. Может происходить окисление или взаимное распространение материалов. В такой ситуации необходимо заменить рабочую цепь термопары.

Типы спая термопар

.

Термопара и ее основные контрольно-измерительные приборы

Термопара состоит из двух частей из разнородных металлов, концы которых соединены вместе (скручиванием, пайкой или сваркой). Когда к переходу прикладывается тепло, создается напряжение в диапазоне милливольт (мВ). Поэтому говорят, что термопара имеет автономное питание. На рисунке ниже показана законченная схема термопары.

Thermovcouple Circuit

Thermovcouple Circuit

Напряжение, генерируемое на каждом переходе, зависит от температуры перехода.Если температура T1 выше, чем T2, то напряжение, генерируемое на переходе 1, будет выше, чем на переходе 2. В приведенной выше схеме ток контура, показанный на гальванометре, зависит от относительной величины напряжений на двух переходах.

Чтобы использовать термопару для измерения температуры процесса, один конец термопары должен оставаться в контакте с процессом, а другой конец должен поддерживать постоянную температуру. Конец, контактирующий с технологическим процессом, называется горячим или измерительным спаем.Тот, который поддерживается при постоянной температуре, называется холодным или эталонным спаем. Соотношение между полным напряжением цепи (ЭДС) и ЭДС в местах соединения:

ЭДС цепи = ЭДС измерения — Эталонная ЭДС

Если ЭДС цепи известна, ЭДС цепи и эталонная ЭДС известны, можно рассчитать ЭДС измерения и определить относительную температуру. .

Для преобразования ЭДС, генерируемой термопарой, в стандартный сигнал 4–20 мА необходим преобразователь. Такой датчик называется датчиком температуры.На рисунке ниже показано упрощенное подключение преобразователя температуры.

Thermocouple Junctions

Thermocouple Junctions

На рисунке выше схема измерения температуры состоит из термопары, подключенной непосредственно к датчику температуры. Горячий и холодный спаи
могут быть расположены везде, где требуется для измерения разницы температур между двумя спаями.

В большинстве ситуаций нам необходимо следить за повышением температуры оборудования для обеспечения безопасной работы. Повышение температуры устройства — это рабочая температура, взятая за основу при температуре окружающей среды или комнатной температуры.Для этого горячий спай располагается внутри устройства или на нем, а холодный спай на измерителе или передатчике, как показано на рисунке ниже.

Thermocouple Measurement Junction

Thermocouple Measurement Junction

Преимущества и недостатки термопар

Преимущества:

  • Термопары используются на большинстве трансформаторов. Горячий спай находится внутри трансформаторного масла, а холодный спай у счетчика, установленного снаружи. Благодаря этой простой и надежной установке, счетчик непосредственно считывает превышение температуры масла выше температуры окружающей среды в данном месте.
  • Обычно термопары используются исключительно в машинном зале из-за их прочной конструкции и низкой стоимости.
  • Термопара способна измерять более широкий температурный диапазон, чем RTD.

Недостатки:

  • Если термопара расположена на некотором расстоянии от измерительного устройства, необходимо использовать дорогостоящие удлинительные провода для термопар или компенсационные кабели.
  • Термопары не используются в местах с высокими радиационными полями (например, в хранилище реактора).Радиоактивное излучение (например, бета-излучение от нейтронной активации) вызывает напряжение в проводах термопары. Поскольку сигнал от термопары также является напряжением, индуцированное напряжение вызовет ошибку на выходе датчика температуры.
  • Термопары реагируют медленнее, чем RTD.
  • Если управляющая логика расположена удаленно и используются датчики температуры (преобразователи от милливольт до миллиампер), отказ источника питания, конечно, приведет к ошибочным показаниям.

Режимы отказа:

  • Обрыв цепи в детекторе термопары означает, что нет пути для прохождения тока, поэтому это приведет к низкому (за пределами шкалы) показаниям температуры.
  • Короткое замыкание в детекторе термопары также вызовет низкие показания температуры, потому что это создает путь тока утечки на землю и меньшее измеренное напряжение.

Тепловые колодцы / Термоколодцы

Технологическая среда, в которой требуется мониторинг температуры, часто бывает не только горячей, но и находящейся под давлением и, возможно, химически агрессивной или радиоактивной.Чтобы облегчить снятие датчиков температуры (RTD и TC) для проверки или замены, а также для обеспечения механической защиты, датчики обычно устанавливаются внутри тепловых колодцев (рисунок ниже).

Thermowells

Thermowells

Тепловой колодец представляет собой полую металлическую трубу с одним загерметизированным концом. Обычно он монтируется постоянно в трубопроводе. Датчик вставляется в него и контактирует с запечатанным концом.

Недостатком тепловых колодцев является их длительное время отклика, поскольку тепло должно передаваться через колодец к датчику.Пример температурного отклика для датчиков, установленных без покрытия и в тепловых скважинах, показан на рисунке ниже. Однако минимизация воздушного пространства между датчиком и колодцем может уменьшить эту тепловую задержку.

Thermowell Response Curve

Thermowell Response Curve.

Термопары

Одним из наиболее распространенных промышленных термометров является термопара. Он был открыт Томасом Зеебеком в 1822 году. Он заметил, что при нагревании проволоки на одном конце возникает разница в напряжении. Независимо от температуры, если оба конца были при одинаковой температуре, разницы напряжений не было. Если цепь была сделана с помощью провода из того же материала, ток не протекал.

Термопара состоит из двух разнородных металлов, соединенных вместе на одном конце и создающих небольшое уникальное напряжение при заданной температуре.Это напряжение измеряется и интерпретируется термометром термопары.

Термоэлектрическое напряжение, возникающее в результате разницы температур от одного конца провода к другому, фактически представляет собой сумму всех разностей напряжений вдоль провода от конца до конца.

Термопары могут изготавливаться из различных металлов и работать в диапазоне температур от 200 o C до 2600 o C . Сравнение термопар с датчиками других типов следует проводить с учетом допуска, указанного в ASTM E 230.

Термопары из недрагоценных металлов

* Не используются ниже 1250 o C .

Thermocouples Type E, J, K, N, R, S, T, B

Преимущества с термопарами

  • Возможность использования для прямого измерения температуры до 2600 o C .
  • Спай термопары можно заземлить и привести в прямой контакт с измеряемым материалом.

Недостатки термопар

  • Для измерения температуры с помощью термопары необходимо измерить две температуры: спай на рабочем конце (горячий спай) и спай, где провода встречаются с медными проводами КИП (холодный спай).Чтобы избежать ошибок, температура холодного спая обычно компенсируется в электронных приборах путем измерения температуры на клеммной колодке с помощью полупроводника, термистора или RTD.
  • Термопары относительно сложны в эксплуатации с потенциальными источниками ошибок. Материалы, из которых изготовлены провода термопары, не являются инертными, и на термоэлектрическое напряжение, развивающееся по длине провода термопары, может влиять коррозия и т. Д.
  • Зависимость между температурой процесса и сигналом термопары (милливольт) не является линейной.
  • Калибровку термопары следует проводить путем сравнения ее с ближайшей термопарой. Если термопару снять и поместить в калибровочную ванну, выходной сигнал, интегрированный по длине, не будет воспроизведен точно, поскольку разница температур от одного конца провода к другому является суммой всех разностей напряжений вдоль провода от конца до конца.

Типы термопар

Термопары доступны в различных комбинациях металлов или калибровок.Четыре наиболее распространенных калибровки — это J, K, T и E. Каждая калибровка имеет свой диапазон температур и среду, хотя максимальная температура зависит от диаметра провода, используемого в термопаре.

Некоторые типы термопар стандартизированы с помощью калибровочных таблиц, цветовых кодов и присвоенных буквенных обозначений. Стандарт ASTM E230 предоставляет все спецификации для большинства общепромышленных марок, включая буквенные обозначения, цветовые коды (только для США), рекомендуемые пределы использования и полные таблицы зависимости напряжения от температуры для холодных спаев, поддерживаемых на уровне 32 o F и 0 o C.

Существует четыре «класса» термопар:

  • Класс домашнего корпуса (называемый основным металлом),
  • класс верхней корки (называемый редким металлом или драгоценным металлом),
  • класс разреженного металла (тугоплавкие металлы) и ,
  • экзотический класс (эталоны и опытно-конструкторские разработки).

Домашние тела — это типы E, J, K, N и T. Верхняя кора — это типы B, S и R, платина — все в разном процентном соотношении. Экзотический класс включает несколько термопар из вольфрамового сплава, обычно обозначаемых как тип W (что-то).

Температурные преобразования

  • o F = (1,8 x o C) + 32
  • o C = ( o F — 32) x 0,555
  • Кельвин = o C + 273.2
  • o Rankin = o F + 459.67

Стандарты ASTM, относящиеся к термопарам

  • E 207-00 … Метод испытания материалов одного термоэлемента на термоЭДС путем сравнения с вторичным эталоном аналогичных характеристик ЭМП и температуры
  • E 220-02 Стандартный метод испытаний для калибровки термопар методами сравнения
  • E 230-98e1..Таблицы температурной электродвижущей силы (ЭДС) для стандартизованных термопар
  • E 235-88 (1996) e1..Технические характеристики термопар в оболочке типа K для ядерных или других высоконадежных приложений
  • E 452-02..Метод испытаний для калибровки термопар из тугоплавкого металла с использованием радиационного термометра
  • E 574-00..Спецификация для дуплексного провода термопары из недрагоценных металлов с изоляцией из стекловолокна или кремнеземного волокна
  • E 585 / E 585M-01a ​​.. Стандартные технические условия для уплотненного минерала -Изолированный, в металлической оболочке, кабель термопары из недрагоценных металлов
  • E 601-81 (1997)..Метод испытаний для сравнения стабильности ЭДС материалов одноэлементных термопар из недрагоценных металлов в воздухе
  • E 608 / E 608M-00. Стандартные технические условия на термопары из недрагоценных металлов с минеральной изоляцией и металлической оболочкой
  • E 696-00 Стандартные технические условия на провод для термопар из вольфрам-рениевого сплава
  • E 710-86 (1997) Стандартный метод испытаний для сравнения стабильности ЭДС термопары из недрагоценных металлов элементы в воздухе с использованием двойных, одновременных индикаторов термо-ЭДС
  • E 780-92 (1998) Стандартный метод испытаний для измерения сопротивления изоляции материала термопары с оболочкой при комнатной температуре
  • E 839-96 Стандартный метод испытаний термопар с оболочкой и с оболочкой Материал термопары
  • E 988-96 (2002) Таблицы стандартных температурно-электродвижущих сил (ЭДС) для вольфрам-рениевых термопар
  • E1129 / E1129M-98 Стандартные технические условия для разъемов термопар
  • E 1159-98 Стандартные технические условия на материалы термопар, платина -Родиевые сплавы и платина
  • E 1350-97 (2001) Стандартные методы испытаний для испытания термопар в оболочке до, Во время и после установки
  • E 1652-00 Стандартные технические условия на оксид магния и порошок оксида алюминия и измельчаемые изоляторы, используемые при производстве платиновых термометров сопротивления в металлической оболочке, термопар из недрагоценных металлов и термопар из благородных металлов
  • E 1684-00 Стандартные технические условия для миниатюрных соединителей термопар
  • E 1751-00 Стандартное руководство по температуре Таблицы электродвижущей силы (ЭДС) для комбинаций термопар без буквенного обозначения
  • E 2181 / E 2181M-01 Стандартные спецификации для благородных металлов с уплотненной минеральной изоляцией и металлической оболочкой Термопары и кабель для термопар

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *