Объясните устройство и принцип работы термопары: устройство и принцип работы простым языком, типы

Назначение, устройство и принцип действия термоэлектрических преобразователей

Назначение, устройство и принцип действия термоэлектрических преобразователей

Категория:

Приборы для измерения температуры

Назначение, устройство и принцип действия термоэлектрических преобразователей

Термоэлектрические преобразователи применяют для измерения температуры от -200 до +250 °С. Рабочим органом термопреобразователя является чувствительный элемент, состоящий из двух разнородных термоэлектродов, сваренных между собой на конце, который составляет горячий спай. Термоэлектроды изолированы по всей длине с помощью изоляторов и помещены в защитную арматуру, Свободные концы элемента подключены к контактам термопреобразователя, расположенным в головке, которая закрывается крышкой, имеющей прокладку. Положительный термоэлектрод подключают к контакту со знаком “ + “. Герметизация вводов термоэлектродов 9 осуществляется с помощью эпоксидного компаунда.

Рабочий конец термопреобразователя изолируют от защитной арматуры керамическим наконечником, который в некоторых конструкциях для уменьшения тепловой инерционности, может отсутствовать.

Термопреобразователи могут иметь штуцер для крепления по месту и штуцер для ввода соединительных проводов измерительных приборов.

Рис. 1. Термоэлектрический преобразователь

Принцип действия термопреобразователя основан на преобразовании тепловой энергии в термоЭДС элемента при наличии разности температур между его свободными концами и горячим спаем.

Возникновение термоЭДС в термопреобразователе объясняется тем, что при его нагревании возникает поток электронов от горячего спая к холодному. На холодном спае создается отрицательный потенциал, а на горячем — положительный. Разность этих потенциалов будет определять величину термоЭДС термопреобразователя.

Если температуру холодного спая поддерживать постоянной, то термоЭДС будет зависеть только от степени нагрева рабочего конца термопреобразователя, что позволяет отградуировать измерительный прибор в соответствующих единицах температуры. В случае отклонения температуры свободных концов от градуировочного значения, равного 0 °С, к показаниям вторичного прибора вводится соответствующая поправка.

Температуру свободных концов учитывают для того, чтобы знать величину поправки. Величина вводимой поправки будет небольшой, и определенной, если температура свободных концов будет невысокой и постоянной.

Поправку на температуру свободных концов в зависимости от условий вводят тремя способами: по градуировочной таблице; перестановкой стрелки выключенного прибора с нулевого положения до отметки, которая соответствует температуре свободных концов; автоматическими устройствами — при помощи компенсационных коробок или схем измерительных приборов.

Величина термоЭДС в термопреобразователе зависит не только от разности температур горячего и холодных спаев, но и от материала термоэлектродов. Поэтому стремятся применять в качестве термоэлектродов те металлы и сплавы, у которых возникают сравнительно большие ЭДС.

Для вывода свободных концов термопреобразователя в зону с постоянной температурой служат удлинительные термоэлектродные провода.

Таким образом, чтобы определить измеряемую температуру среды с помощью термоэлектрического преобразователя, необходимо выполнить следующие операции: измерить термоЭДС в цепи преобразователя; определить температуру свободных концов; в измеряемую величину термоЭДС ввести поправку на температуру свободных концов; по известной зависимости термоЭДС от температуры определить измеряемую температуру среды. В зависимости от материала термоэлектродов термопреобразователи различают: с металлическими термопарами из благородных и неблагородных металлов и сплавов; с термопарами из тугоплавких металлов и сплавов.

Термопары из благородных металлов, обладая устойчивостью к высоким температурам и агрессивным средам, а также постоянной термоЭДС, широко используют для замера высоких температур в промышленных и лабораторных условиях.

Термопары из неблагородных металлов и сплавов применяют для измерения температур до 1000 °С. Достоинством этих термопар является сравнительно небольшая стоимость и способность их развивать большие термоЭДС.

Градуировка термопары — определение термоЭДС термопары от температуры рабочего конца при постоянном значении температуры свободных концов (обычно равной 0 °С).

Термоэлектроды из благородных металлов изготовляют из проволоки диаметром 0,3-0,5 мм, а из неблагородных – диаметром 1,2 -3 2 мм. Диаметр термоэлектродов выбирают, исходя из назначения термопары, диапазона измерения температуры и необходимой прочности.

Защитная арматура. Для защиты термоэлектродов от механических повреждений и агрессивного действия среды, а также удобства установки на технологическом оборудовании применяют защитную арматуру. Материал и исполнение арматуры могут быть различными в зависимости от назначения и области применения. Наиболее широко в качестве материалов металлической защитной арматуры используют высоколегированные стали и коррозионно-стойкие, жаропрочные и жаростойкие сплавы на основе железа, никеля, хрома и добавок алюминия, кремния, марганца. В настоящее время наибольшее распространение в качестве защитной арматуры высокотемпературных термопреобразователей получил молибден.

Медьсодержащие материалы применяют при измерении температур до 300 °С. При измерении температур до 600 °С для арматуры используют цельнотянутые трубы, для температур до 800 °С — легированную сталь, для температур до 1000 °С — окалиностойкую сталь. Для защиты термоэлектродов платиновой группы и тугоплавких металлов и сплавов применяют чехлы из огнеупорных материалов или кварца.

Трубки из кварцевого стекла (Si02) имеют очень высокую термическую устойчивость. Длительная эксплуатация платинородиевых термопар в защитной арматуре из кварцевого стекла нежелательна вследствие значительных изменений термоЭДС, хрупкости и разрушения из-за загрязнения кремнием. Поэтому кварцевые защитные оболочки применяют в высокотемпературных термопреобразователях кратковременного действия.

Основным материалом защитных чехлов термопар для измерения температуры различных сред в черной металлургии является корунд (окись алюминия А12 03), из которого можно получить плотные, стойкие в расплавах и достаточно термопрочные изделия.

До 1300 °С работоспособны фарфоровые чехлы, содержащие до 40% А12 Оэ . Их применяют для длительного измерения температур до 1100— 1200 °С в доменных воздухонагревателях.

В качестве защитной арматуры термопреобразователей для измерения температуры жидкого чугуна, а также медных и алюминиевых расплавов наибольшее распространение получила графитооксидная композиция. Для изготовления наконечников используют следующий состав: графит природный 20 — 40%; шамот 20 — 30%, огнеупорная глина 40 — 50%; смола термореактивная 5 — 12%.

Электроизоляционные материалы. Важнейшей частью термоэлектрических преобразователей является огнеупорная электроизоляция, оказывающая существенное влияние на точность измерения температуры.

Электроизоляторы кроме своей основной функции (электрической изоляции термоэлектродов друг от друга и от защитного чехла) выполняют роль элемента конструкции и несут значительные механические нагрузки, защищают термоэлектроды от воздействия окружающей среды, препятствуют проникновению вредных химических веществ, оказывающих разрушающее влияние.

Термоэлектроды термопар изолируют друг от друга и защитной арматуры с помощью одно- и двухканацьных фарфоровых бус при измерении температуры до 1300 °С. При более высоких температурах электроизоляционные свойства фарфора ухудшаются и поэтому используют бусы или трубки из окисей алюминия, магния, иттрия и бериллия.

Реклама:

Читать далее:

Типы и основные параметры термоэлектрических преобразователей

Статьи по теме:

• Монтаж электронных мостов и потенциометров
• Монтаж магнитоэлектрических логометров
• Монтаж пирометрических милливольтметров
• Монтаж термопреобразователей сопротивления
• Монтаж термоэлектрических преобразователей

Приборы для измерения температуры — виды и принцип действия

Главная

>

Поддержка

>

Публикации

>

Приборы, измеряющие температуру: виды и принцип действия

Большинство технологических процессов корректно проходят только при определенной температуре. Кроме того, измеряемые температурные показатели помогают определять, насколько корректно используется затрачиваемая энергия.

• Виды термометров по принципу действия
  • Контактные
  • Термометры сопротивления
  • Электронные термопары
  • Манометрические
  • Бесконтактные пирометр
• Виды термометров по использованию

Иными словами, это — та величина, которую нужно постоянно контролировать. Все виды приборов для измерения температуры делятся на контактные и бесконтактные. Также они классифицируются по материалам, принципам и способам действия.

Виды термометров по принципу действия

Процесс измерения температуры может основываться на разных физических процессах. Исходя из этого, выделяют 5 видов термометров.

Контактные

Такие приборы еще называют термометрами расширения. Они основаны на отслеживании изменения объема тел под действием меняющейся температуры. Обычно измеряемый диапазон температур составляет от -190 до +500 градусов по Цельсию.

К этой категории относятся жидкостные и механические устройства. Жидкостные представляют собой приборы в стеклянном корпусе, заполненные спиртом, ртутью, толуолом или керосином. Они прочные и устойчивые к внешним воздействиям. Температурный диапазон измерений зависит от типа используемой жидкости (наибольший — у ртутных, наименьший — у цифровых).

Механические могут работать с разными типами сред, включая жидкостные, газообразные, твердые или сыпучие. Универсальность позволяет использовать их в разных инженерных системах.

Термометры сопротивления

К этой категории относятся приборы, которые способны измерять электрическое сопротивление веществ, меняющееся в зависимости от температурных показателей. Рабочий диапазон этих устройств — от -200 до +650 градусов.

Такие термометры состоят из чувствительных термодатчиков и точных электронных блоков, контролирующих изменения проводимости, сопротивления и электрического потенциала. Обычно их встраивают в общую систему мониторинга и оповещения, туда, где нужно отслеживать меняющиеся параметры и не допускать их превышения.

В котельных установках наибольшее применение получили термометры сопротивления медные (ТСМ). Термометрами сопротивления можно измерять температуры от -50 до +600°С.

Электронные термопары

При нагревании эти приборы генерируют ток, что и позволяет измерять температуру. Принцип действия основан на замерах термоэлектродвижущей силы. Диапазон измерений в этом случае — от 0 до +1800 градусов.

Манометрические

Такие термометры учитывают зависимость между температурными показателями и давлением газа. В измеряемую среду помещают термобаллон, соединенный с манометром латунной трубкой. При нагреве термобаллона давление внутри него увеличивается, и эта величина измеряется манометром. Таким образом проводят замеры температуры в диапазоне от -160 до +600 градусов.

Бесконтактные пирометры

В основе этих приборов — инфракрасные датчики, считывающие уровень излучения. Они подразделяются на два вида: яркостные, проводящие измерения излучений на определенной длине волны (диапазон — от +100 до +6000 градусов), и радиационные, когда определяется тепловое действие лучеиспускания (от -50 до +2000 градусов). Они могут использоваться в том числе и для определения температуры нагретого металла, а также при наладке и испытаниях котлов.

Виды термометров по используемым материалам

Здесь различают 7 категорий:

1. Жидкостные. Представляют собой корпус, заполненный жидкостью, которая подвержена температурному расширению. Колба с жидкостью прикладывается к шкале. При нагреве жидкость расширяется, и столбик растет, а при охлаждении — наоборот, сжимается (уменьшается). Погрешность измерений такими приборами составляет менее 0,1 градуса.
2. Газовые. Принцип действия — тот же, что и у жидкостных, но в качестве заполнителя для колбы выбирается инертный газ. Это позволяет существенно увеличить температурный диапазон измерения (если для жидкостных предел — +600 градусов, то для газовых — +1000 градусов).
   С их помощью можно измерять температуру в различных раскаленных жидких средах.
3. Механические. В основе действия — принцип деформации металлической спирали. Часто эти термометры комплектуются стрелочным “дисплеем”. Устанавливаются в спецтехнике, автомобилях, на автоматизированных линиях. Нечувствительны к ударам.
4. Электрические. Работают, измеряя уровень сопротивления проводника при разных температурных показателях. В качестве проводника могут использоваться разные металлы (например, медь или платина). Соответственно, и диапазон измерений таких устройств будет отличаться. Чаще всего такие модели применяются в лабораторных условиях.
5. Термоэлектрические. В конструкции предусмотрено два проводника, проводящие замеры по физическому принципу на основе эффекта Зеебека. Эти устройства очень точные, работают с погрешностью до 0,01 градуса и подходят для высокоточных измерений в производственных процессах, когда рабочая температура превышает 1000 градусов.
6. Волоконно-оптические. Чувствительные датчики из оптоволокна (оно натягивается и сжимается или растягивается при изменении температуры, а прибор фиксирует степень преломления проходящего луча света). Допустимый диапазон измерений — до +400 градусов, а погрешность — не более 0,1 градуса.
7. Инфракрасные. Непосредственный контакт с измеряемым веществом не требуется: прибор генерирует инфракрасный луч, который направляется на изучаемую поверхность. Это современный вид бесконтактных термометров, которые работают с точностью до нескольких градусов и подходят для высокотемпературных измерений. С их помощью можно измерять даже температуру открытого пламени.

Компания «Измеркон» предлагает как разные виды термометров, так и комбинированные устройства, в том числе манометры-термометры или гигрометры-термометры для автономной работы с энергонезависимой памятью, обеспечивающей постоянную фиксацию результатов измерений.

Принцип работы терморезистора и что такое термосопротивление

Содержание

• 1 Виды
• 2 Принцип действия
• 3 Особенности конструкций
  • 3. 1 Позисторы
  • 3.2 Термисторы
• 4 Технические характеристики
• 5 Область применения
  • 5.1 Термодатчик воздуха
  • 5.2 Автомобильный термодатчик
  • 5.3 Датчик пожара
• 6 Видео

Термодатчик относится к числу наиболее часто используемых устройств. Его основное предназначение заключается в том, чтобы воспринимать температуру и преобразовывать ее в сигнал. Существует много разных типов датчиков. Наиболее распространенными из них являются термопара и терморезистор.

Виды термодатчиков

Виды

Обнаружение и измерение температуры – очень важная деятельность, имеет множество применений: от простого домохозяйства до промышленного. Термодатчик – это устройство, которое собирает данные о температуре и отображает их в понятном для человека формате. Рынок температурного зондирования демонстрирует непрерывный рост из-за его потребности в исследованиях и разработках в полупроводниковой и химической промышленностях.

Термодатчики в основном бывают двух типов:

• Контактные. Это термопары, заполненные системные термометры, термодатчики и биметаллические термометры;
• Бесконтактные датчики. Это инфракрасные устройства, имеют широкие возможности в секторе обороны из-за их способности обнаруживать тепловую мощность излучения оптических и инфракрасных лучей, излучаемых жидкостями и газами.

Термопара (биметаллическое устройство) состоит из двух разных видов проводов (или даже скрученных) вместе. Принцип действия термопары основан на том, что скорости, с которыми расширяются два металла, между собой отличаются. Один металл расширяется больше, чем другой, и начинает изгибаться вокруг металла, который не расширяется.

Терморезистор – это своего рода резистор, сопротивление которого определяется его температурой. Последний обычно используют до 100 ° C, тогда как термопара предназначена для более высоких температур и не так точна. Схемы с использованием термопар обеспечивают милливольтные выходы, в то время как термисторные схемы – высокое выходное напряжение.

Важно! Основное достоинство терморезисторов заключается в том, что они дешевле термопар. Их можно купить буквально за гроши, и они просты в использовании.

Принцип действия

Терморезисторы обычно чувствительны и имеют разное термосопротивление. В ненагретом проводнике атомы, составляющие материал, имеют тенденцию располагаться в правильном порядке, образуя длинные ряды. При нагревании полупроводника увеличивается количество активных носителей заряда. Чем больше доступных носителей заряда, тем большей проводимостью обладает материал.

Сопротивление медного провода

Кривая сопротивления и температуры всегда показывает нелинейную характеристику. Терморезистор лучше всего работает в температурном диапазоне от -90 до 130 градусов по Цельсию.

Важно! Принцип работы терморезистора основан на базовой корреляции между металлами и температурой. Они изготавливаются из полупроводниковых соединений, таких как сульфиды, оксиды, силикаты, никель, марганец, железо, медь и т. д., могут ощущать даже небольшое температурное изменение.

Электрон, подталкиваемый приложенным электрическим полем, может перемещаться на относительно большие расстояния до столкновения с атомом. Столкновение замедляет его перемещение, поэтому электрическое «сопротивление» будет снижаться. При более высокой температуре атомы больше смещаются, и когда конкретный атом несколько отклоняется от своего обычного «припаркованного» положения, он, скорее всего, столкнется с проходящим электроном. Это «замедление» проявляется в виде увеличения электрического сопротивления.

Для информации. Когда материал охлаждается, электроны оседают на самые низкие валентные оболочки, становятся невозбужденными и, соответственно, меньше двигаются. При этом сопротивление движению электронов от одного потенциала к другому падает. По мере увеличения температуры металла сопротивление металла потоку электронов увеличивается.

Особенности конструкций

По своей природе терморезисторы являются аналоговыми и делятся на два вида:

• металлические (позисторы),
• полупроводниковые (термисторы).

Позисторы

Материалом для терморезисторов можно использовать далеко не любые проводники тока, так как к этим устройствам предъявляются некоторые требования. Материал для их изготовления должен обладать высоким ТКС.

Для таких требований подходят медь и платина, не считая их высокой стоимости. Практически широко применяются медные образцы терморезисторов ТСМ, у которых линейность зависимости сопротивления от температуры намного выше. Их недостатком является малое удельное сопротивление, быстрая окисляемость. В связи с этим термосопротивления на основе меди имеют ограниченное применение, не более 180 градусов.

Позисторы PTC предназначены для ограничения тока при нагревании от более высокой рассеиваемой мощности. Поэтому их размещают последовательно в цепь переменного тока, чтобы уменьшить ток. Они (буквально любой из них) становятся горячими от слишком большого тока. Эти приспособления используют в устройстве защиты цепи, таком как предохранитель, в качестве таймера в схеме размагничивания катушек ЭЛТ-мониторов.

Для информации. Что такое позистор? Прибор, электрическое сопротивление которого растет в зависимости от его температуры, называется позистором (PTC).

Примеры позисторов

Термисторы

Устройство с отрицательным температурным коэффициентом (это когда, чем выше температура, тем ниже сопротивление) называется терморезистором NTC.

Для информации. Все полупроводники имеют меняющееся сопротивление по мере увеличения или уменьшения температуры. В этом проявляется их сверхчувствительность.

Характеристики и обозначение термистора

Термисторы NTC широко используются в качестве ограничителей пускового тока, самонастраивающихся сверхтоковых защит и саморегулируемых нагревательных элементов. Обычно эти приборы устанавливаются параллельно в цепь переменного тока.

Их можно встретить повсюду: в автомобилях, самолетах, кондиционерах, компьютерах, медицинском оборудовании, инкубаторах, фенах, электрических розетках, цифровых термостатах, переносных обогревателях, холодильниках, печах, плитах и других всевозможных приборах.

Термистор используется в мостовых цепях.

Технические характеристики

Закон Ома для неоднородного участка цепи

Терморезисторы используют в батареях зарядки. Их основными характеристиками являются:

1. Высокая чувствительность, температурный коэффициент сопротивления в 10-100 раз больше, чем у металла;
2. Широкий диапазон рабочих температур;
3. Малый размер;
4. Простота использования, значение сопротивления может быть выбрано между 0,1 ~ 100 кОм;
5. Хорошая стабильность;
6. Сильная перегрузка.

Качество прибора измеряется с точки зрения стандартных характеристик, таких как время отклика, точность, неприхотливость при изменениях других физических факторов окружающей среды. Срок службы и диапазон измерений – это еще несколько важных характеристик, которые необходимо учитывать при рассмотрении использования.

Компактные терморезисторы

Область применения

Термосопротивление

Термисторы не очень дорогостоящие и могут быть легко доступны. Они обеспечивают быстрый ответ и надежны в использовании. Ниже приведены примеры применения устройств.

Термодатчик воздуха

Автомобильный термодатчик – это и есть терморезистор NTC, который сам по себе является очень точным при правильной калибровке. Прибор обычно расположен за решеткой или бампером автомобиля и должен быть очень точным, так как используется для определения точки отключения автоматических систем климат-контроля.  Последние регулируются с шагом в 1 градус.

Температурный датчик

Автомобильный термодатчик

Терморезистор встраивается в обмотку двигателя. Обычно этот датчик подключается к реле температуры (контроллеру) для обеспечения «Автоматической температурной защиты». Когда температура двигателя превышает заданное значение, установленное в реле, двигатель автоматически выключается. Для менее критического применения он используется для срабатывания сигнализации о температурном превышении с индикацией.

Датчик пожара

Можно сделать свое собственное противопожарное устройство. Собрать схему из термистора или биметаллических полосок, позаимствованных из пускателя. Тем самым можно вызвать тревогу, основанную на действии самодельного термодатчика.

Дымовой извещатель

В электронике всегда приходится что-то измерять, например, температуру. С этой задачей лучше всего справляется  терморезистор  – электронный компонент на основе полупроводников. Прибор обнаруживает изменение физического количества и преобразуется в электрическое количество. Они являются своего рода мерой растущего сопротивления выходного сигнала. Существует две разновидности приборов: у позисторов с ростом температуры растет и сопротивление, а у термисторов оно наоборот падает. Это противоположные по действию и одинаковые по принципу работы элементы.

Видео

Оцените статью:

Принцип работы и его применение

Чтобы узнать о , что такое термопара , мы должны знать ее определение . Термопару можно определить как устройство, состоящее как минимум из 2 соединенных металлов, образующих 2 перехода. Один из спаев подключается к корпусу устройства, температуру которого необходимо измерить, а второй подключается к объекту, температура которого уже известна. Неизвестный температурный спай известен как измерительный или горячий спай, тогда как известный температурный спай известен как эталонный или холодный спай.

Таким образом, термопарой можно назвать устройство, способное измерять температуру неизвестного объекта по отношению к объекту, чья температура известна. Одним из ключевых a применений термопары является измерение разности напряжений или ЭДС цепи.

Всего существует 3 эффекта, на которых основан принцип работы термопары. Все три эффекта Томсона, Пельтье и Зеебека подробно описаны ниже.

1. Эффект Томсона: Эффект Томсона имеет дело с двумя металлами или объектами, которые соединяются вместе для создания 2 определенных соединений. Внутри цепи существует потенциал, из-за которого температурный градиент соседствует по всей длине проводников.
2. Эффект Пельтье: Эффект Пельтье имеет дело с двумя металлами или объектами, которые не похожи друг на друга и соединяются вместе, образуя 2 соединения. ЭДС генерируется среди схем из-за разницы температур между двумя переходами.
3. Эффект Зеебека: Эффект Зеебека имеет дело с двумя металлами или объектами, независимо от того, соединены ли они вместе. Затем между образованными соединениями генерируется ЭДС, которая определяет разницу температур объектов или металлов.

Работа термопары

Ниже приведены принципиальные схемы термопар.

Цепь термопары

Вот Принцип термопары подробно обсуждался. Конструкция термопары уже показана на первом рисунке, она состоит из двух разных металлов, названных A и B, соединенных вместе, образующих 2 конкретных соединения, названных p и q, имеющих температуры T1 и T2. Обе температуры поддерживаются хорошо. Формирование термопары невозможно без образования перехода, и, как показано на рисунке, оба перехода поддерживаются при разных температурах, поэтому формируется эффект Пельтье, и через схему генерируется ЭДС.

В случае, если температура обоих спаев одинакова, то с обеих сторон спаев возникает одинаковая, но противоположная генерация ЭДС, а суммарный ток, протекающий через спаи, равен нулю. Однако, если переходы поддерживать при разных температурах, то сумма ЭДС не будет равна нулю, и через переходы будет протекать некоторый ток. Следует помнить, что общий ток, протекающий по цепи, полностью зависит от типов металлов, используемых в цепи, а также от образованных соединений.

Приборы для измерения ЭДС цепи термопары

Может быть много устройств, которые можно использовать для измерения ЭДС цепи термопары. Степень развития ЭДС в схеме термопары зависит от металлов, однако в большинстве случаев величина ЭДС очень мала, обычно в милливольтах. Поэтому чувствительность прибора, измеряющего ЭДС, очень важна. Всего существует 2 устройства, которые в основном используются для измерения ЭДС, известных как потенциометр балансировки напряжения и гальванометр.

Схема термопары

На схеме термопары ниже показаны устройства для измерения ЭДС в цепи термопары. Здесь p-переход должен быть соединен с металлом, температура которого неизвестна, а q-переход должен быть соединен с металлом, температура которого известна, или эталонным металлом. В некоторых случаях эталонный спай должен быть подключен к ледяному стержню, чтобы поддерживать его температуру как температуру льда, как показано на рисунке ниже. Устройство для измерения ЭДС может быть легко откалибровано относительно входной температуры, так что устройство может мгновенно получить откалиброванное измерение.

Уравнения цепи термопары

Как уже подробно объяснялось, термопара представляет собой устройство, состоящее из двух различных металлов или объектов, которые соединены вместе для образования соединения, также известного как измерительный конец. Металлы известны как термоэлементы. Эти металлы также иногда называют ножками термопары. Оба конца соединений отличаются друг от друга именами отрицательных и положительных концов. Всего существует две температуры T1 и T2, о которых упоминалось ранее. Это можно показать на рисунке ниже для

измерение выхода термопары .

Измерение выходного сигнала термопары

Поскольку существует разница температур как между хвостовиком, так и между спаями термопары, поэтому необходимо измерить разность напряжений между двумя термоэлементами термопары на конце хвоста. Это делает термопару преобразователем температурного напряжения. Соотношение разности напряжений между хвостом и спаем термопары определяется следующим уравнением.

Уравнение термопары

Здесь ЭДС известна как электродвижущая сила или также известна как напряжение, создаваемое термопарой на хвосте, в то время как T1 и T2 представляют собой температуры, которые берутся с измерительного конца и эталонного конца, а S12 известен как коэффициент Зеебека. обоих металлов термопары. Коэффициент Зеебека сильно зависит от материала, который используется для состава металлов термопар. Из приведенного выше уравнения можно вывести, что:

• Имеется нулевое напряжение, которое измеряется в случае, если оба термоэлемента состоят из одного и того же материала. Поэтому возникает необходимость в изготовлении термоэлементов из разнородных материалов для измерения какой-либо температуры с помощью сенсорного устройства.
• Снова происходит измерение нулевого напряжения в случае, если нет разницы температур между стыковым и задним концами. Следовательно, для работы термопары должна быть некоторая разница температур.
• Коэффициент просвечивания сильно зависит от температуры.

Что такое термопара? – Определение, конструкция, работа, плюсы и минусы

14 июня 2020 г. от admin

В этой статье описаны определение, конструкция, принцип работы, выбор материала, преимущества и недостатки термопары.

Определение:

Термопара представляет собой комбинацию двух различных металлических полос, соединенных таким образом, чтобы образовалась петля. Когда два перехода поддерживаются при разных температурах, в петле возникает электрический ток и возникает ЭДС. Величина развиваемой ЭДС зависит от металлов и разницы температур горячего и холодного спая. Такое сочетание двух металлов и есть широко известная термопара.

Термопара используется в качестве датчика температуры в промышленности. Термокупульный датчик представляет собой модифицированную версию, в которой два разных металла соединены на одном конце, а другой конец подключен к считывающему устройству или милливольтметру. Когда переход нагревается или охлаждается, на открытом конце металлов создается ЭДС, которая очень мала по величине. По этой причине подключен милливольтметр для измерения этой генерируемой ЭДС. Измеренная ЭДС прямо пропорциональна температуре перехода, и, следовательно, температуру можно откалибровать с помощью измеренной ЭДС. Термопара является активным преобразователем.

Конструкция:

Термопара в основном состоит из проводов (называемых термоэлементом), изоляции, оболочки и средств для внешнего соединения. Один конец термоэлемента из двух разных металлов сваривается вместе, образуя соединение. Это соединение, по сути, является точкой измерения.

На рисунке ниже показана конструкция термопары.

Термоэлемент помещен в жесткую металлическую оболочку, обычно изготовленную из инконеля. Измерительный спай выполнен в нижней части корпуса. Оксид магния окружает термоэлемент. Это наполнение действует как амортизатор и предотвращает повреждение проволоки от вибрации. Он также действует как теплорассеивающая среда горячего спая.

Использование чехла заметно замедляет отклик по мере увеличения массы термопары. Однако в приложениях, где основное внимание уделяется времени отклика, используются термопары без покрытия или с тонкой оболочкой. Чувствительность термопары можно повысить за счет уменьшения массы измерительного спая. Одним из способов уменьшения массы является сварка встык двух проводов термопары. В тех случаях, когда механическая прочность стыкового сварного шва недостаточна, две проволоки скручиваются вместе, а концы свариваются.

Измерительный переход может быть присоединен к оболочке или нет. В зависимости от соединения точки соединения с оболочкой существует три различных типа конструкции термопары: незаземленная, заземленная и открытая термопара.

Заземленная термопара:

В заземленной термопаре соединение соединено с металлической оболочкой. Этот тип термопар используется для измерения температуры в агрессивной среде. Однако измерения свободны от шума.

Незаземленная термопара:

В незаземленной термопаре переход не соединен с металлической оболочкой. Он широко используется в приложениях высокого давления. В датчике этого типа измерение не зависит от влияния рассеянного магнитного поля.

Открытая термопара:

Открытая термопара имеет самый быстрый отклик и, следовательно, используется для приложений, требующих быстрого отклика. Используется для измерения температуры газа. Но основным недостатком является то, что термоэлемент очень подвержен коррозии, так как он остается открытым и, следовательно, не рекомендуется.

Выбор материала провода термопары:

В промышленности выбор материалов, используемых для изготовления термопары, зависит от диапазона измеряемых температур, типа атмосферы, в которой будет подвергаться материал, выходной ЭДС и ее стабильность, механическая прочность и точность, необходимые для измерения. Материалы для термопар делятся на две категории: тип редкого металла с использованием платины, родия и т. д. и тип основного металла.

Из нескольких комбинаций разнородных металлов получаются хорошие термопары для промышленного использования. Эти комбинации, помимо линейного отклика и высокой чувствительности, должны быть физически прочными, чтобы выдерживать высокие температуры, быстрые изменения температуры, воздействие коррозии и восстановительной атмосферы.

Материалы для распространенных типов термопар приведены в таблице ниже.

Тип основного металла
Положительный провод:	Медь	Железо	Хромель
Минусовой провод:	Константан	Константан	Константан
Темп. Диапазон (°C):   90 154	от -250 до 400	от -200 до 850	от -200 до 850
Характеристики:	Устойчив к окислительной и восстановительной атмосфере до 350 °C. Требуется защита от паров кислоты	Низкая стоимость. Корродирует в присутствии влаги, кислорода и серосодержащих газов. Подходит для снижения атмосферы.	Подходит для окислительной, но не восстановительной атмосферы.
Тип редкого металла
Положительный провод:	Платина 90% и родий 10%	Вольфрам 95% и рений 5%	Фодиум
Минусовой провод:	Платина	Вольфрам 72% и Рений 26%	Иридий
Темп. Диапазон (°C):   90 154	от 0 до 1400	от 0 до 2600	от 0 до 2100
Характеристики:	Низкая ЭДС. Хорошо подходит для окислительной атмосферы, но плохо для восстановительной атмосферы.	Только для использования в неокислительной атмосфере.	Низкая ЭДС. Хорошо подходит для окислительной атмосферы, но плохо для восстановительной атмосферы.

  Принцип работы термопары:

Термопара работает на эффекте Бека. См. Эффект Бека говорит о том, что когда два разнородных металла соединяются вместе, образуя соединение, и если между соединениями поддерживается разница температур между соединениями, в нем индуцируется ЭДС. Эта ЭДС называется термоэлектрической ЭДС. Если соединение образует замкнутый контур, то эта ЭДС вызовет ток через контур. Это свойство используется для измерения температуры системы.

В датчике термопары один конец из двух разнородных металлов соединен вместе, а другой конец подключен к милливольтметру. Это показано на рисунке ниже.

Два разных типа металлических проводов A и B соединены на одном конце, образуя соединение. На этом перекрестке измеряется температура и вызывается обнаружение узла . Другой конец подключен к милливольтметру для измерения ЭДС E. ЭДС, создаваемая в термопаре, равна

E = a(ΔƟ) + b(ΔƟ) ²

где (ΔƟ) = разница между температурой горячего спая и температурой эталонного спая в °C, а a и b являются константами.

Поскольку термоЭДС зависит от разницы температур между горячим спаем и эталонным спаем, температура последнего должна оставаться абсолютно постоянной для того, чтобы калибровка между температурой и измеренным напряжением выполнялась правильно и чтобы не было ошибок из-за изменения окружающей среды температура. Для этого контролируется температура эталонного спая. Температура холодного спая обычно составляет 0 °C при использовании ледяной бани. Здесь следует отметить, что комбинация металлов должна быть выбрана таким образом, чтобы повышение температуры всегда приводило к линейному увеличению ЭДС, т. е. значением «b» можно было бы пренебречь.

Измерение выходного сигнала термопары:

Выходная ЭДС термопары в результате разницы температур между горячим и холодным спаем может быть легко измерена с помощью милливольтметра. Милливольтметр подключен через холодную ветвь. Отклонение пропорционально току, протекающему в цепи. Если сопротивление счетчика Rm, а внешней цепи Re, то ток в цепи I = E/(Rm+Re).

Чтобы обеспечить достаточный ток для отклонения движения, сопротивление измерителя должно быть небольшим, так как чувствительность термопары довольно мала, и они выдают выходное напряжение, которое составляет несколько мВ/100 °C.

Компенсация свинца:

Во многих промышленных приложениях желательно размещать эталонный спай в точке, расположенной далеко от детекторного спая. Поэтому соединительный провод от головки термопары к измерителю очень длинный и обычно не имеет одинаковой температуры по всей своей длине. Это вызывает ошибку, которой можно избежать, используя соединительные провода из того же материала, что и провода термопары. Реализация этой договоренности может быть невозможной из-за стоимости. В этом случае материалы выбираются таким образом, чтобы связь между ЭДС и температурой была такой же или почти такой же, как и для термопарных проводов. Эти провода тогда назывались Компенсационные провода .

Преимущество:

Ниже приведены преимущества термопары:

• Термопары дешевле, чем RTD.
• Он следует за изменениями температуры с небольшой временной задержкой и поэтому подходит для регистрации сравнительно быстрых изменений температуры.
• Термопары очень удобны для измерения температуры в одной точке прибора.

Недостаток:

• Они имеют меньшую точность и, следовательно, не могут использоваться для точных работ.
• Чтобы обеспечить долгий срок службы термопары в рабочей среде, ее следует поместить в открытую или закрытую металлическую защитную трубку или колодец. Чтобы предотвратить загрязнение термопары, когда используются драгоценные металлы, такие как платина или ее сплав, защитная трубка/гнездо должна быть химически инертной и герметичной.
• Термопара размещается на удалении от измерительного прибора. Таким образом, соединения выполняются с помощью провода, называемого удлинителем. Максимальная точность обеспечивается, когда компенсационные провода сделаны из того же материала, что и провода термопары. Таким образом, схема очень сложная.

Что такое термопара? | Основная функция термопары.

Когда мы говорим о датчиках измерения температуры, первыми на ум приходят RTD и Термопара . Термопара является широко используемым датчиком температуры в промышленности.

В этом блоге мы увидим, Что такое термопара? Как работает термопара? Типы термопары, основная функция термопары и т. д.

Итак, не теряя много времени, давайте начнем этот блог.

---

Содержание

Термопара определяется Wikipedia ,

Термопара представляет собой электрическое устройство, состоящее из двух разнородных электрических проводников, образующих электрическое соединение . Термопара создает зависящее от температуры напряжение в результате термоэлектрического эффекта , и это напряжение можно интерпретировать как измерение температуры.

Простыми словами могу сказать, что

Термопара — это устройство, которое используется для измерения температуры в определенной точке. Термопара состоит из двух разнородных металлов, соединенных вместе для создания двух спаев, один спай соединен с телом, температура которого должна быть измерена, и называется горячим или измерительным спаем . Другой переход связан с телом, температура которого известна и называется 9.0262 холодный или холодный спай .

---

Принцип работы термопары:

Принцип работы термопары в основном зависит от этих трех эффектов: См. выше, Пельтье и Томпсона.

См. эффект Бека:

См. эффект Бека состоит в том, что когда два разнородных металла соединяются вместе в двух соединениях и когда любой из металлов нагревается, электроны начинают течь от горячего металла к холодному металлу.

Эффект Пельтье:

Эффект Пельтье противоположен эффекту Зеленого Бека и статистике, что, когда мы обеспечиваем разность потенциалов между любыми двумя разнородными металлами, может возникнуть разница температур между ними.

Эффект Томсона:

Эффект Томсона заключается в том, что при соединении двух разнородных металлов внутри цепи должна существовать разность потенциалов из-за температурного градиента по всей длине проводника.

---

Как работает термопара?

Термопара в основном изготавливается из двух разных металлов. Обычно используются железо и константан. Соединяя эти металлы, он образует два перехода: один связан с вольтметром или называется холодный спай , а другой подключается к тому, кому мы хотим знать температуру, и называется горячий спай .

Как показано на рисунке выше, если температура на двух переходах одинакова, то существует одинаковая ЭДС, но с обратной полярностью, и ток по цепи не течет.

Но когда температура на обоих переходах различна, в цепи индуцируется ЭДС и по цепи течет ток. Полный ток или ЭДС индукции в цепи измеряют измерительным устройством.

Устройство для измерения тока или ЭДС включается в цепь термопары. Величина ЭДС, возникающая в цепи, очень мала, как правило, в милливольтах, поэтому мы должны использовать очень точный прибор для измерения величины ЭДС. Как правило, используется обычный гальванометр или потенциометр балансировки напряжения.

---

Типы термопар:

Незаземленные термопары:

Термопара этого типа полностью изолирована от стенки зонда. Основным преимуществом этого типа термопары является то, что он устраняет проблемы контура заземления, а срок службы термопары также увеличивается из-за снижения воздействия напряжения. Отклик термопары этого типа немного медленнее.

Заземленные термопары:

В термопаре этого типа проводящие металлы и стенки зонда напрямую соединены. Преимущество быстрого отклика за счет очень хорошей теплопередачи.

Открытые термопары:

В термопарах этого типа проводящие металлы подвергаются воздействию целевой среды. Они обеспечивают наилучшую теплопередачу и очень быстрое реагирование. Он не подходит для агрессивных целевых сред и там, где необходимо быстрое время отклика, он будет иметь первостепенное значение. Подходит для измерения температуры газа.

---

Термопары доступны для различных комбинаций металлов. Каждая комбинация имеет свой температурный диапазон. Наиболее распространенной является термопара «основного металла», известная как типы K, J, T, E и N. Комбинация высокотемпературных термопар имеет тип S, R, C и GB.

Распространенные типы термопар и диапазон температур:

---

Как выбрать термопару?

Вот некоторые факторы, которые следует учитывать при выборе термопары.

Рабочая температура

Рабочая температура — это полный диапазон температуры окружающей среды, в котором он дает линейный выходной сигнал. Этот диапазон определит, какая комбинация металлов термопары вам потребуется для вашего приложения. Более высокий температурный диапазон добавит дополнительные расходы в ваш бюджет.

Время отклика

Существует три типа термопар: открытые, заземленные и незаземленные. Открытая термопара обеспечивает самое быстрое время отклика, но если датчик будет подвергаться воздействию коррозионного газа или давления, открытую термопару использовать не следует.

Незаземленная термопара дает большое время отклика, но, тем не менее, это лучший выбор, если в вашем приложении желательно иметь термопару с электронной изоляцией и экранированием оболочкой.

Точность

Точность очень важна для любого прибора. Точность показывает, насколько близко измеренное значение к фактическому значению температуры. Это также называется ошибкой или допуском.

Химическая стойкость, стойкость к истиранию или вибрации

Материал оболочки термопары должен быть химически стойким при использовании в агрессивной среде.

---

Преимущества и недостатки термопары:

Преимущества термопары:

• низкая стоимость по сравнению с другими термометрами
• больший диапазон температур
• быстрое время отклика
• надежный и может использоваться в суровых условиях окружающей среды
• с автономным питанием
• Без эффекта самонагрева

Недостатки термопары:

• низкая точность
• повторная калибровка затруднена

---

Резюме

Вот и все, надеюсь, вам понравится этот блог.