Что такое термопара и как она работает?. Статья компании Технонагрев
Что такое термопара?
Термопара — это термоэлектрический преобразователь, который преобразует тепловую энергию в электрическую. Термопара состоит из соединения проводов, сделанных из разнородных металлов, для образования спая. Напряжение возникает при изменении температуры на стыке.
Концепция термопары основана на эффекте Зеебека, который утверждает, что если разнородные металлы соединяются в одной точке, они будут генерировать небольшое измеряемое напряжение при изменении температуры точки соединения. Величина напряжения зависит от величины изменения температуры и характеристик металлов.
Конструкция термопары состоит из двух изолированных проводов, подключенных к измерительному прибору с коаксиальной оболочкой, разделенной изолированным материалом. Термопары служат в качестве контрольно-измерительного прибора для различных типов оборудования.
Процесс термопары можно увидеть на изображении ниже, где температура повышается на стыке проводов слева, а изменение температуры отображается на датчике справа.
Измерение температуры термопарой
Как работает термопара?
Когда два провода термопары соединяются для образования спая, один из них подключается к корпусу термопары и измеряет температуру. Его называют горячим или измерительным спаем. Второй спай прикреплен к телу известной температуры и является опорным спаем. Термопара измеряет неизвестную температуру и сравнивает ее с известной температурой.
Идея термопары основана на трех принципах действия, открытых Зеебеком, Пельтье и Томсоном.
Эффект Зеебека:
Эффект Зеебека возникает, когда два разных или непохожих металла соединяются вместе на двух стыках, и на двух стыках создается электродвижущая сила (ЭДС), которая различна для разных типов металлов
Эффект Пельтье:
ЭДС создается в цепи, когда два разнородных металла соединяются с образованием двух стыков из-за разной температуры двух стыков цепи
Эффект Томсона:
Эффект Томсона — это когда тепло поглощается по длине стержня, концы которого находятся при разных температурах.
Температура тепла связана с протеканием тока до температуры вдоль стержня
Температура тепла связана с протеканием тока до температуры вдоль стержня
Как работает термопара
Схема термопары показана на изображении ниже, где A и B — два разнородных провода, которые соединены, образуя спай. Два перехода имеют разные температуры, чтобы генерировать в цепи ЭДС Пельтье, которая является функцией температур двух переходов.
Термопара
Электроны переносят тепло и электричество. Если кусок медной проволоки нагреть с одного конца, электроны будут двигаться по проволоке к более холодному концу и создавать температурный градиент вдоль проволоки. Тепло превратилось в энергию. Тот же принцип, открытый Вольтом и Зеебеком, применим к термопаре.
Если температура спаев термопары одинакова, на стыках будет генерироваться равная и противоположная ЭДС, и ток будет равен нулю. Если переходы имеют разные температуры, ЭДС не будет равняться нулю, и ток будет течь по цепи так же, как тепло, протекающее по медному проводу.
Поток ЭДС через цепь зависит от металлов и температуры двух переходов, которая измеряется измерителем.
ЭДС в цепи термопары очень мала, в милливольтах, и требует высокочувствительного прибора для определения генерируемой ЭДС. Обычно используются гальванометры и потенциометры, уравновешивающие напряжение, причем потенциометр используется наиболее часто.
Потенциометр измеряет разность потенциалов, сравнивая неизвестное напряжение с опорным напряжением. Он может обеспечить высокоточные измерения. Он представляет собой трехконтактный переменный резистор и действует как регулируемый делитель напряжения. Гальванометр измеряет очень малые электрические токи. Они используются для измерения нулевого отклонения или нулевого тока.
Потенциометр и Гальванометр
Чтобы термопара могла произвести абсолютное измерение, она должна быть привязана к известной температуре, такой как замерзание, на другом конце кабеля датчика.
Горячий спай является измерительным узлом, а холодный спай, как показано на диаграмме ниже, является точкой отсчета, где располагается микросхема компенсации холодного спая. Температура холодного спая может варьироваться, но является справочной. Холодный спай можно зафиксировать, погрузив его в воду для поддержания постоянной температуры.
Окружающий воздух может влиять на эталонную температуру. Его можно откалибровать и отрегулировать с помощью устройства компенсации холодного спая.
Простое изображение термопары
Использование защитной гильзы
В некоторых случаях применения термопар требуется использование защитной гильзы. Это устройство используется для защиты термопары от технологической среды и состоит из закрытой трубы или твердого стержня, установленного внутри указанной среды. Защитные гильзы чаще всего используются на нефтеперерабатывающих или химических заводах, чтобы продлить срок службы термопар.
В зависимости от области применения могут использоваться различные типы защитных гильз. Некоторые из этих типов включают:
-
Прямые защитные гильзы
-
Ступенчатые защитные гильзы
-
Конические защитные гильзы
Защитные гильзы также классифицируются по способу их подключения к термопаре или термистору. Эти типы подключений могут включать:
-
Соединения под сварку внахлест
-
Фланцевые соединения
-
Резьбовые соединения
-
Соединения с уплотнительным кольцом
-
Сварные соединения
Компания Технонагрев производит различные термопары для промышленных систем нагрева.
ООО «Вектор-Инжиниринг»
|
org/ListItem»>
Главная
»
Типы термопар Различия и их применение
Термопары бывают разных форм, размеров и материалов. Различные свойства различных металлов являются ключом к работе термопары. Поскольку мы действительно измеряем, как два разных провода реагируют на одну и ту же среду, и вычисляем эти различия по отношению к стандартной эталонной температуре. Мы рассмотрим различные металлы, содержащиеся в некоторых распространенных термопарах, и немного углубимся в то, почему этот прибор классифицируется по разным типам. Прочитайте наш учебник по «Что такое термопара?» , чтобы дать вам представление об основах. В противном случае возьмите свою Периодическую таблицу элементов и давайте начнем.
Рис. 1: Термопара типа К с застегивающейся проушиной вместо зонда
Из каких металлов состоит термопара?
Все металлы имеют разные свойства; характеристики, отличающие их друг от друга.
С термопарой мы используем эти врожденные различия, чтобы помочь определить разницу температур, которую мы пытаемся измерить. Важно помнить, что внутри термопар всегда есть два разнородных металла; это присуще тому, как они работают.
В термопарах часто используются следующие металлы: железо (Fe), медь (Cu), никель (Ni) и платина (Pt). Металлические сплавы или комбинации металлов также используются в термопарах. Нихром представляет собой сплав, состоящий из никеля и хрома (Cr). Также распространен константан , смесь меди и никеля. Существует даже алюмель , который представляет собой сплав, состоящий в основном из никеля с небольшим процентным содержанием алюминия, марганца и кремния.
Каждый тип металла дает определенные преимущества при измерении температуры термопарой. Некоторые комбинации металлов могут хорошо работать при относительно высоких температурах, но не при низких. Другие комбинации могут давать очень точные показания температуры, но только в определенном и узком диапазоне измерений.
Еще одна комбинация может быть устойчива к агрессивной среде, в которой она используется; таким образом, увеличивая срок службы термопары, прежде чем она потребует замены.
Различные типы термопар
Когда определенная пара металлов совместно создает надежный сигнал напряжения, они стандартизируются и получают собственную классификацию. Таким образом, определенный «тип» термопары имеет свойства, которые теперь регулируются. Это означает, что эти измерения напряжения точно воспроизводятся от одной термопары к другой. Давайте рассмотрим некоторые распространенные типы термопар, металлы, из которых они состоят, и области, в которых они превосходны.
Рисунок 2: Поперечное сечение, показывающее два различных металлических провода термопары Тип J:. J является наиболее распространенной термопарой. Термопара типа J, изготовленная из обычных металлов железа и константана (Fe-Con), является недорогим вариантом.
Диапазон температур составляет от 0ºC до +750ºC с точностью до нескольких градусов. Этот тип наиболее точен в средних и низких диапазонах, поскольку железо будет быстро окисляться при более высоких измеримых температурах, и стандартные показания напряжения могут быть постоянно изменены. Вы найдете термопары типа J в самых разных производственных процессах.
Тип K:
Также обычная термопара типа K может измерять от -270 ºC до +1200 ºC, с наибольшей точностью с точностью до нескольких градусов в большую сторону. Он состоит из нихром-никеля (NiCr-Ni) или нихром-алюмеля (NiCr-Alumel). Эти металлы широко распространены, относительно недороги и обычно используются при температуре выше 600ºC. По цене он сравним с типом J, но с менее улучшенным выходом напряжения в зависимости от температуры. Термопары типа K, возможно, являются наиболее широко используемым типом и используются во многих различных отраслях промышленности.
Рисунок 3: А.
Тип K (NICR-NI) Термопару со стандартным разъемом на конце Тип T: Термопара, которая часто используется для измерения температурные температуры. , тип T состоит из меди и константана (Cu-Con). Эта комбинация металлов дает надежно измеряемое напряжение от -270ºC до +350ºC, что идеально подходит для пищевых продуктов и научных исследований, таких как криогеника. Ниже -200ºC даже термопара типа Т начинает терять свою точность. Возможно, вы помните уроки естествознания в старшей школе; что самая низкая из известных возможных температур составляет -273ºC; иначе известный как 0 Кельвин или абсолютный ноль. Впечатляет, что наша простая термопара может проникнуть в такие глубины измерения температуры.
Тип B:
Пойдем другим путем и измерим что-то очень горячее. Термопара типа B может измерять температуру от 200°C до 1700°C. Для сравнения, сталь и железо плавятся при температурах около 1400ºC и 1500ºC, соответственно, поэтому этот тип термопар идеально подходит для специализированного промышленного использования.
В отличие от материалов типа J или K, которые будут находиться в точке плавления при такой высокой температуре. Два очень редких элемента, родий (Rh) и платина (Pt), используются в типе B, и эти металлы недешевы. Кроме того, в зависимости от спотовой цены платина стоит примерно столько же, сколько золото. С другой стороны, родий в настоящее время стоит в два раза дороже золота. Из-за этого, наряду с его специализированным использованием, вы не увидите слишком много термопар типа B.
Рисунок 4: Диаграмма, показывающая некоторые распространенные диапазоны типов термопар
И это лишь некоторые из множества различных типов термопар, используемых во всех видах термопар. Имейте в виду, что температуры и диапазоны, которые мы перечисляем, являются лишь приблизительными ориентирами; точность термопары может быть лучше в пределах определенного участка ее диапазона по сравнению со всей ее температурной оболочкой. Для более практического обсуждения использования различных типов термопар; проверить: «Для чего используются термопары?» , где мы исследуем некоторые способы использования этого датчика.
Как видите, не все термопары одинаковы; они основаны на одних и тех же научных принципах, но разные материалы приводят к специализации в этой области измерения температуры. Именно такая возможность настройки делает термопары такими универсальными. С таким количеством различных опций этот инструмент обладает большой гибкостью. Поэтому это идеальный выбор для бесконечного списка возможных применений. Является ли ваш решающий фактор: температурный диапазон; расходы; или долговечность; для каждой работы есть термопара. Жаждете более подробного обсуждения термопар или мы упустили что-то, о чем вы хотите узнать больше? Проверьте «Руководство по вопросам и ответам: термопары» , чтобы узнать больше об этом удивительном датчике.
Типы термопар и материалы конструкции
Датчики температуры бывают разных форм, поэтому выбор датчика температуры для конкретного применения требует определенных размышлений. Однако, сказав, что для большинства промышленных применений выбор, как правило, делается между использованием RTD или термопары.
Что такое термопара?
Термопара — это датчик, используемый для измерения температуры. Термопара состоит из двух разнородных металлов, соединенных между собой одним концом, которые при нагревании (или охлаждении) создают небольшое напряжение. Это напряжение измеряется и используется для определения температуры нагретых металлов. Напряжение для любой температуры уникально для комбинации используемых металлов.
Термопары обычно выбирают из-за их низкой стоимости, высоких пределов температуры, широкого диапазона температур и долговечности.
Существуют ли стандарты, регулирующие типы термопар?
Спецификация британских стандартов, BS 1041, Измерение температуры содержит рекомендации по выбору и использованию устройств для измерения температуры.
BS EN 60584-1: Термопары BS EN 60584-1 — это международный стандарт, который относится к электродвижущей силе (ЭДС), создаваемой определенными типами термопар, к температуре на основе Международной температурной шкалы 1990 года (ITS-90).
Стандарт ASTM E230 содержит спецификации для обычных промышленных марок, включая буквенные обозначения, используемые для каждого типа термопары.
Почему существуют разные типы термопар?
Термопары изготавливаются из различных комбинаций металлов, обычно обозначаемых буквами, напр. J, K и т. д., что приводит к появлению терминов термопара типа J, термопара типа K и т. д. Каждая комбинация имеет свой температурный диапазон и поэтому больше подходит для одних применений, чем для других. Хотя стоит отметить, что максимальная температура зависит от диаметра провода, используемого в термопаре. Различные типы подробно описаны в таблице ниже.
Таблица типов термопар
Термопары типа B
Термопары типа B могут использоваться при температуре от 0°C до 1600°C с кратковременным отклонением температуры от 0°C до 1600°C. Они имеют низкую электрическую мощность, поэтому редко используются при температурах ниже 600°C.
На самом деле выход практически незначителен до 50°C, поэтому для этого типа компенсация холодного спая обычно не требуется.
Термопары типа E
Термопары типа E часто называют хромель-константановыми термопарами. Они считаются более стабильными, чем тип K, поэтому часто используются там, где требуется более высокая степень точности.
Примечание. Константан представляет собой медно-никелевый сплав.
Термопары типа J
Термопары типа J быстро разлагаются в окислительной атмосфере при температуре выше 550°C. Их максимальная непрерывная рабочая температура составляет около 750°C, хотя они могут выдерживать кратковременные колебания до 1000°C. Как правило, они не используются при температуре ниже температуры окружающей среды из-за образования конденсата на проводах, что приводит к ржавлению железа.
Примечание. Константан представляет собой медно-никелевый сплав.
Термопары типа K
Термопары типа K являются наиболее широко используемыми термопарами в нефтегазовой и нефтеперерабатывающей промышленности благодаря их широкому ассортименту и низкой стоимости.
Их иногда называют хромель-алюмелевыми термопарами. Обратите внимание, что окисление выше примерно 750°C приводит к дрейфу и необходимости повторной калибровки.
Термопары типа N
Термопары типа N могут выдерживать более высокие температуры, чем термопары типа K, и обеспечивают лучшую воспроизводимость в диапазоне от 300 до 500°C. Они предлагают много преимуществ по сравнению с Type R & S за одну десятую стоимости, поэтому становятся популярными альтернативами.
Термопары типа R
Термопары типа R предназначены для тех же применений, что и тип S, но обеспечивают улучшенную стабильность и незначительное увеличение диапазона. Следовательно, тип R предпочтительнее, чем тип S.
Термопары типа S
Термопары типа S можно постоянно использовать при температурах до 1450°C. Они могут выдерживать кратковременные отклонения до 1650°C. Они нуждаются в защите от высокотемпературной атмосферы, чтобы предотвратить попадание паров металла на наконечник, что приводит к снижению генерируемой ЭДС.