Термопара. Принцип действия | joyta.ru
Главная » Справочник » Термопара. Принцип действия
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.
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:
Инвертор 12 В/ 220 В
Инвертор с чистой синусоидой, может обеспечивать питание переменно.
..
Подробнее
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:
.
Тестер транзисторов / ESR-метр / генератор
Многофункциональный прибор для проверки транзисторов, диодов, тиристоров…
Подробнее
Categories Справочник Tags Термопара
Отправить сообщение об ошибке.
Принцип работы термопары: описание, устройство, схема
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.
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.
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.
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.
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.
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 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 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
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.
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.
: Подробный обзор | Принцип работы термопары
Датчик термопары является одним из многих типов устройств измерения температуры, используемых для измерения различных переменных в промышленных приложениях. Они часто используются для измерения и контроля температуры на выхлопах газовых турбин, дизельных двигателей, в высокотемпературных печах и т. д. Термопары используются не только в промышленности, но и в ряде бытовых и коммерческих приложений. В термостатах датчики пламени и дыма, приборы, работающие на газе или жидком топливе, и т. д. соединены с термопарными датчиками для контроля повышения рабочей температуры. Поскольку датчики термопары имеют большое значение и являются широко используемыми типами датчиков температуры, важно быть грамотным в этом. В этом посте обсуждается, что такое термопары и как они работают.
Обзор термопар
Датчик термопары представляет собой чувствительное к температуре устройство, состоящее из двух проводов из разнородного материала.
Благодаря различному составу эти провода имеют разную электропроводность. Разница в электропроводности создает дифференциальный электрический переход, между которыми также возникает зависящее от температуры напряжение. Это действие называется термоэлектрическим эффектом. Это измеренное напряжение далее проецируется для интерпретации температуры.
Датчики термопары доступны в различных моделях и сборках. Они изготавливаются в виде термопарных зондов, термопар с переходным соединением, термопар с разъемами, термопар с неизолированным проводом и т. д. Хотя термопарные датчики обеспечивают универсальность, функциональность или принцип работы остаются прежними.
Рассмотрим принцип работы термопар.
Знать о принципе работы термопар
Термопара работает по эффекту Зеебека.
Эффект Зеебека можно описать как генерацию дифференциального напряжения из-за разницы в электропроводности двух разных материалов. Назван в честь французского ученого Томаса Йохана Зеебека, который подтвердил, что если два разнородных металла соединить и нагреть, разница в повышении температуры этих двух металлов порождает электродвижущую силу (ЭДС).
Та же концепция обратная в применении термопары.
Когда электрический ток проходит через два сваренных разнородных металла, возникает разность потенциалов, которая обратно проецируется для расчета разности температур. При прохождении электрического тока через переход из-за ограничений проводимости и сопротивления металлов происходит повышение температуры. Оба материала нагреваются при разных температурах, и разница в проводимости дает два разных напряжения для двух разных металлов.
Хотя принцип работы термопарных датчиков не сложен, он все же зависит от нескольких различных факторов. Измерения разности напряжений недостаточно для точного измерения.
Одним из наиболее важных факторов для точного измерения температуры датчиком термопары является эталонная температура в месте соединения (Tref). Важно знать точное значение Tref, чтобы избежать поправочного коэффициента при расчете зависимости напряжения от температуры. Есть два конкретных метода, используемых для определения и идентификации Tref.
- Метод ледяной бани: В этом методе соединительный блок погружается в ванну с полузамороженной дистиллированной водой, чтобы заморозить температуру соединения. После погружения Tref устанавливается на 0°C для справочных расчетов.
- Метод компенсации холодного спая: В этом методе температура точки спая будет варьироваться, но она постоянно измеряется с помощью второго датчика температуры. Измеряется Tref в точке соединения, а затем точное значение Tref во время считывания используется в качестве поправочного коэффициента.
Компенсация показаний температуры выполняется одним из этих двух методов, чтобы обеспечить безошибочную работу термопарных датчиков.
Хотя введение и принцип работы термопар убедительны, важно также обратить внимание на качество этого датчика. Качество сборки термопарных датчиков обеспечивает точность показаний.
Похожие сообщения
Преобразователь температуры: как выбрать эффективный для вашего приложения?
Почему стоит выбрать преобразователь Rosemount 3144P, чтобы получить правильную обратную связь по температуре?
Что такое датчик RTD и как он работает?
Типы защитных гильз и советы по их выбору
Как добиться большей точности измерения температуры?
Все, что вам нужно знать об измерении температуры промышленных процессов
Принцип, конструкция, характеристики, преимущества и ограничения.
Термопара – это устройство, преобразующее тепловую энергию в электрическую. Количество вырабатываемой электроэнергии можно использовать для измерения температуры.
Термопара представляет собой термоэлектрический преобразователь, используемый в качестве первичного преобразователя. Изменения температуры напрямую преобразуются в электрические сигналы.
Эффект Зеебека: Если два провода из разных материалов соединены вместе, образуя замкнутую цепь, и если два соединения имеют разную температуру, то по замкнутой цепи протекает электрический ток.
Если используются два металла: медь и железо, ток течет от меди к железу, образуя горячий спай, и от железа к меди, образуя холодный спай.
Эффект Пельтье : Если два разнородных металла образуют два соединения и если внешняя ЭДС подключена, то через соединения протекает ток. Когда ток течет через переход медь-железо в направлении от меди к железу, тепло поглощается, делая переход Т1 горячим. Когда ток течет от перехода железо-медь Т2 от железа к меди, выделяется тепло, которое делает переход холодным.
Почему компенсация холодного спая?: Температура термопары зависит от разницы между горячим спаем и холодным спаем.
Если температура холодного спая поддерживается постоянной, на выходе термопары будет температура горячего спая. В лабораторных условиях холодный спай можно держать постоянно погруженным в ванну со льдом.
В промышленных условиях температура холодного спая изменяется в зависимости от температуры окружающей среды, что приводит к ошибке. Компенсация холодного спая — это процесс компенсации этого.
Напряжение по сравнению с Температурное соотношение:
Как показано на рисунке выше, термопары R, S представляют собой термоэлементы на основе платины и могут измерять более высокий диапазон температур, выходное напряжение меньше, чем у термопар E, J, K. Они могут работать до 1700 градусов по Цельсию. Они дорогие.
С другой стороны, термопары E, J, K представляют собой элементы на никелевой (Ni) основе и работают при низкотемпературных измерениях.
Термоэлемент с платиновой основойТермопара типа R: первичный элемент Pt-13% Rh, вторичный элемент Pt
Термопара типа S: первичный элемент Pt-10% Rh, вторичный элемент Pt
Термоэлемент на основе никеляТермопара типа E: Первичный элемент Ni-10% Rh Вторичный элемент Ni 45%-Cu55%
Термопара In J: Первичный элемент Ni 5%, Вторичный элемент Ni 45%-Cu 55%
Термопара In K типа: Первичный элемент Ni-10%, Ni 5% во вторичном элементе.
Соединения термопар формируются двумя способами. Два провода термопары обычно скручены и сварены вместе. А именно скрученный сварной шов и сварной шов встык.
При скрученном сварном шве две проволоки скручены вместе в несколько мотков и сварены вместе. Этот вид сварки используется для проволоки большего сечения, он придает механическую прочность.
При сварке встык две проволоки сравнительно меньшего размера вплавляются в круглый изгиб.
Типы термопарных спаев:
Термопарные спаи бывают трех основных типов.
- Термопара с заземленным спаем
- Термопара с незаземленным спаем
- Термопара с открытым спаем
Термопара с заземленным спаем: Это наиболее распространенный тип соединения, в котором оболочка термопары приварена к спаю.
Незаземленный спай Термопара: спай термопары приваривается для образования спая, но не приваривается к оболочке.
Чувствительный спай незаземленной термопары электрически изолирован от стенки зонда или оболочки и не касается ее.
Термопара с открытым спаем: Термопары с открытым спаем также широко известны как «термопара с неизолированным проводом». В термопаре этого типа стык находится вне защитной оболочки и подвергается воздействию технологической среды.
Характеристики термопары:Термопара типа E: Рекомендуется использовать в окислительной или инертной атмосфере. Ограниченное использование в вакууме или восстановительной атмосфере. Максимальное изменение ЭДС на градус. Высокая чувствительность 68 мкВ/градус C.
Термопара типа J: Рекомендуется использовать в вакууме или инертной атмосфере. Ограниченное использование при окислении при высоких температурах. Чувствительность 50 мкВ/градус С.
K Тип термопары: Рекомендуется для использования в окислительной или полностью инертной атмосфере.
Не подходит для восстановительной атмосферы. Нельзя использовать в сернистой среде. Оба элемента будут быстро подвергаться коррозии и больше шансов на преждевременный выход из строя.
Это наиболее распространенные термопары общего назначения.
Его чувствительность составляет 41 микровольт/градус Цельсия.
Термопара типа R и S: Рекомендуется для непрерывного использования в окислительной или инертной атмосфере. Их нельзя вставлять непосредственно в металлические первичные защитные трубки.
Материалы, используемые для термопары:Термопары изготавливаются из различных материалов.
Ниже представлена таблица, иллюстрирующая диапазон измерения температуры термопарами из различных материалов.
Цвет термопары в соответствии со стандартами ANSI и IEC:
Преимущества термопар:- Термопары имеют прочную конструкцию.
- Покрывает широкий диапазон температур.
