Термопара принцип действия: Термопара и принципы ее применения

Термопара и принципы ее применения

Термопара (термоэлектрический преобразователь температуры) — термоэлемент, применяемый в измерительных и преобразовательных устройствах, а также в системах автоматизации.

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 одинаковых термопары, соединенных навстречу друг другу (см. рисунок). 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. Когда концы проводника находятся при разных температурах, между ними возникает разность потенциалов, пропорциональная разности температур. Коэффициент пропорциональности называют коэффициентом термоэдс. У разных металлов коэффициент термоэдс разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными коэффициентами термоэдс в среду с температурой Т1, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т2, которое будет пропорционально разности температур Т1 и Т2.

Принципиальная схема включения двух термопар

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 термоэдс, 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 избежании 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 так же 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.

Преимущество термопар

• Большой температурный диапазон измерения: от 200 °C до 1800—2500 °C
• Простота
• Дешевизна
• Надежность

Недостатки

• Точность более 1 °C труднодостижима, необходимо использовать термометры сопротивления или термисторы.
• 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 сенсора 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 не линейна. 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.

1. платинородий-платиновые — ТПП13 — Тип R
2. платинородий-платиновые — ТПП10 — Тип S
3. платинородий-платинородиевые — ТПР — Тип B
4. железо-константановые (железо-медьникелевые) ТЖК — Тип J
5. медь-константановые (медь-медьникелевые) ТМКн — Тип Т нихросил-нисиловые (никельхромникель-никелькремниевые) ТНН — Тип N.
6. хромель-алюмелевые — ТХА — Тип K
7. хромель-константановые ТХКн — Тип E
8. хромель-копелевые — ТХК — Тип L
9. медь-копелевые — ТМК — Тип М
10. сильх-силиновые — ТСС — Тип I
11. вольфрам и рений — вольфрамрениевые — ТВР — Тип А-1, А-2, А-3

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. Тип L установлен только в немецком стандарте DIN и стандартные таблицы отличаются от таблиц для термопар ТХК. В настоящее время стандарт МЭК 60584 пересматривается. Планируется введение в стандарт вольфрам-рениевых термопар типа А-1, НСХ для которых будет соответствовать отечественным стандартам, и типа С по стандарту АСТМ — ASTM International — (American Society for Testing and Materials).

Вернуться в раздел «Статьи»

Термопреобразователи, термопары, термосопротвиления в Ростове и Юге РФ

Принципы работы датчиков температуры,.

термопреобразователей, термопар, термосопротивлений

Принцип действия термоэлектрических преобразователей (термопар) основан на возникновении термоэлектродвижущей силы (термоЭДС) в месте соединения двух проводников с разными термоэлектрическими свойствами. Значение термоЭДС зависит от разности температур спая и холодных концов термопары. В качестве материала термоэлектродов применяются специализированные сплавы, наиболее распространенными являются хромельалюмель (ХА) и хромель-копель (ХК). Для измерения высоких температур наиболее часто применяется термопара с термоэлектродами из чистой платины и сплава платины с 10 ͢ родия (ПП), нихросил-нисил (НН).

Типы датчиков температуры,.термопреобразователей, термопар, термосопротивлений

В данном разделе каталога представлен весь спектр термопреобразователей (датчиков температуры), а также защитной арматуры для них. Термопреобразователи применяются для непрерывного измерения температур в различных отраслях промышленности.

Принцип действия термопреобразователей сопротивления основан на свойстве проводника менять электрическое сопротивление пропорционально изменению температуры окружающей среды (ГОСТ Р 6651-2009). Конструктивно такие термопреобразователи выполняются в виде катушки из тонкой медной или платиновой проволоки на каркасе из изоляционного материала или используются тонкопленочные чувствительные элементы, заключенные в защитную гильзу.

Термосопротивления

В последнее время платиновые термосопро­тивления активно начали вытеснять медные и термопары. Связано это с появлением на рынке недорогих платиновых плёночных термочув­ствительных элементов, которые в отличие от
медных являются более стабильными и рабо­тают в более широком диапазоне температур. А по сравнению с термопарами — обеспечи­вают более высокую точность измерения и нетребуют использования дорогого кабеля. Однако в России медные термометры до сих пор находят широкое при­менение. Одно из основных преимуществ меди — это очень хорошая линейная зависимость её сопротивления от температуры в диапазоне от -50 до +200 °С и более высокая чем у платины чувствительность. Свыше 200 °С медь начинает очень быстро окисляться на воздухе, поэтому обычно верхний предел измерения для медных термосопротивлений устанавливается до 180 °С. При производстве используется проволока диаметром от 30 до 80 мкм. При дальнейшем уменьшении диаметра стоимость проволоки резко возрастает, а изготовление термосопро­тивления с заданными параметрами становится проблематичным.

Монтаж термосопротивления

При монтаже датчика температуры нужно максимально увеличить его тепловой контакт с контролируемой средой и одновременно уменьшить отток тепла от места подключе­ния. Необходимо помнить, что чувствительный элемент имеет конечную длину, поэтому глу­бина погружения датчика должна быть как минимум на несколько диаметров зонда больше, чем длина 43. При монтаже датчиков контроля поверхности очень важно место соединения предварительно смазать каким-либо вязким веществом. Также важно обеспечить тепловой контакт кабеля с контролируемым объектом, чтобы минимизировать отвод тепла от 43 датчика по кабелю.

Термопара

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

По сравнению с термометрами сопротивления термопары обладают рядом очень больших преимуществ и таких же больших недостатков. По большому счёту эти два класса приборов очень органично дополняют друг друга. И
задача киповца — определить, какой датчик температуры ему нужен для той или иной задачи. Технические требования, классификация, методы испытаний преобразователей термоэлектрических приведены в ГОСТ 6616-94.
Номинальные статические характеристики приведены в ГОСТ Р 8.585-2001. Термопары имеют очень большой диапазон рабочих температур. При этом чем больше максимальная рабочая температура термопары, тем меньше её чувствительность. С этим фактом связан большой ассортимент применя­емых термопар. При помощи термопар можно измерять температуру очень маленьких объек­тов. Для этого достаточно сварить между собой две термоэлектродные проволоки маленького диаметра. Естественно, что такая термопара имеет и очень незначительную инерционность. Термопара из недрагоценных металлов малой длины дешевле термосопротивления.

Термопара. Выбор типа

Для использования в диапазоне до +200 °С лучше применять платиновые или медные термосопротивления. В случае контроля тем­пературы очень небольшого объекта малой теплоёмкости можно использовать термопару медь-константан, которая замечательна тем, что очень легко сваривается над поверхно­стью раствора медного купороса, имеет самую высокую чувствительность и очень низкую стоимость. Для диапазона до +800 °С в России
используется термопара хромель-копель XK(L). Данные термопары имеют очень высокую чув­ствительность в широком диапазоне начиная от -200 °С. В других странах данный тип термо­пары не применяется. Самыми популярными в промышленности являются термопары типа ХА(К) хромель-алюмелевые. Теоретический диапазон их использования составляет от -200 до +1300 °С. Термопары типа К замечательны хорошей линейностью характеристики от 0 до 1000 °С.

Подключение термопар

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.

Доставка термопреобразователей в города Юга России

Мы доставим термопреобразователи в течении одного — двух дней в города: Таганрог, Новочеркасск, Азов, Шахты, Волгодонск, Сальск, Краснодар, Тихорецк, Тимашевск, Сочи, Новороссийск, Анапа, Туапсе, Геленджик, Ейск, Майкоп, Армавир, Волгоград, Элиста, Астрахань, Ставрополь, Невинномысск, Минеральные Воды, Кисловодск, Пятигорск, Железноводск, Черкесск, Нальчик, Владикавказ, Грозный, Махачкала.

Как работает термопара?



Термопары – общий принцип работы

Если в электрическом проводнике имеется градиент температуры, поток энергии (тепла) связан с потоком электронов вдоль проводника, и в этом случае возникает электродвижущая сила (ЭДС). область, край. Как величина, так и направление ЭДС зависят от величины и направления самого температурного градиента, а также от материала, из которого изготовлен проводник. Напряжение зависит от разницы температур по длине проводника. Этот эффект был открыт Т. Дж. Зеебеком в 1822 г. 9.0003

ЭДС, связанная с температурой

Напряжение, возникающее на концах проводника, представляет собой сумму всех ЭДС, генерируемых вдоль него. Для данной общей разности температур Т1-Т2 градиентные распределения, показанные на рисунках 2.1 а, б и в, дают одинаковое общее напряжение Е. До тех пор, пока проводник имеет одинаковые термоэлектрические характеристики по всей своей длине.

Выходное напряжение одиночного проводника, как показано, обычно не поддается измерению, поскольку сумма внутренних ЭДС вокруг завершенной цепи при любой температуре равна нулю. Таким образом, в практическом датчике термопары хитрость заключается в том, чтобы соединить два материала, имеющих разные характеристики термоэлектрической ЭДС/температуры, чтобы получить полезный суммарный поток электронов и обнаруживаемое чистое выходное напряжение.

Таким образом, два соединенных разнородных проводника, A и B, подвергающиеся воздействию одинаковых температурных градиентов, указанных на рис. 2.1, генерируют выходные сигналы, как показано на рис. 2.2. По сути, через соединение возникает суммарный поток электронов, вызванный различными термоэлектрическими ЭДС, которые, в свою очередь, возникают в результате взаимодействия градиента с двумя разными проводниками. Отсюда и термин «термопара».

Стоит отметить, что термоэлектрическая ЭДС генерируется в области температурного градиента, а не на переходе как таковом. Это важный момент, который необходимо понять, поскольку термопарная термометрия имеет практическое значение. К ним относится обеспечение того, чтобы проводники термопары были физически и химически однородны, если они находятся в температурном градиенте. Точно так же и сами соединения должны находиться в изотермических зонах. Если какое-либо из этих условий не выполняется, возникают дополнительные нежелательные ЭМП.

Между прочим, в термоэлектрическую цепь можно добавить любое количество проводников, не влияя на выход, при условии, что оба конца имеют одинаковую температуру и обеспечена однородность. Это приводит к концепции удлинительных проводов и компенсационных кабелей, что позволяет увеличить длину проводника зонда. См. часть 2, раздел 3.

Возвращаясь к рисунку 2.2, на самом деле выход, ET, одинаков для любого распределения градиента температуры по разности температур T1 и T2, при условии, что проводники снова демонстрируют одинаковые термоэлектрические характеристики по всей их длине. Поскольку спаи M, R1 и R2 представляют собой пределы проводников, генерирующих ЭДС, а остальные проводники, соединяющие измерительное устройство, представляют собой однородную медную проволоку, выходной сигнал термопары фактически зависит только от температуры двух основных спаев. По сути, это основа практической термопарной термометрии.

Нажмите здесь, чтобы узнать о изготовленных на заказ термопарных датчиках!

Измерительные и эталонные соединения

Соответствующими соединениями являются так называемое измерительное соединение (М) и соединение разнородного провода с медными выходными соединениями (обычно пара спаев), называемое эталонным спаем (R), как на рисунке 2. 2. Пока эталонный спай (R) поддерживается при постоянной известной температуре, температуру измерительного спая (M) можно определить по выходному напряжению термопары. Таким образом, термопары можно рассматривать как устройства измерения перепада температуры, а не датчики абсолютной температуры.

На этом этапе необходимо отметить важные моменты. Во-первых, термопары генерируют выходной сигнал только в тех областях, где существуют температурные градиенты, а не за их пределами. Во-вторых, точность и стабильность могут быть обеспечены только в том случае, если термоэлектрические характеристики проводников термопары одинаковы на всем протяжении. Наконец, только схема, состоящая из разнородных материалов в температурном градиенте, генерирует выходной сигнал.

Практическая информация для термопар

• Цветовые коды термопар
• Как работает термопара?
• Типы термопар
• Материалы для термопар

Техническая информация для термопар

• Компенсация холодного спая
• Характеристики термопары
• Эталоны термопар
• Допуски термопар

 Рисунки 2. 1 а,б,в0055 Рисунки 2.2 a,b,c : ЭДС термопары, создаваемые градиентами температуры

---

что такое термопара?
Как работает термопара? Щелкните здесь для получения технических данных о термопарных датчиках.





Калибровочные таблицы

Помимо этого, еще один важный момент, о котором следует помнить, заключается в том, что термоэлектрическая чувствительность большинства материалов в диапазоне температур нелинейна. Это редко бывает идеальным миром, и термопарная термометрия не более идеальна, чем любая другая. Таким образом, выходное напряжение, зависящее от температуры, не является линейной функцией температуры. Требуется переменная интерполяция, а не прямое считывание напряжения (если только диапазон измеряемых температур не очень узок и высочайшая точность не является обязательным условием).



Итак, для каждого типа термопар существуют калибровочные таблицы, связывающие выходное напряжение с температурой измерительного спая. Во всей термометрии термопары необходимо каким-то образом соотносить выходное напряжение датчика с ними, чтобы установить истинную температуру.



Каково время отклика термопары?

Все датчики имеют конечное время отклика, и это следует учитывать, если температура измеряемой среды заметно меняется со временем, но требуется высокая скорость отклика – например, там, где необходимы действия по управлению, переключению или тревоге быть столь же быстрым. Собственное время отклика датчика зависит от его конструкции и обычно определяется конкретными условиями испытаний. Одним из таких методов является погружение датчика при температуре окружающей среды в быстро движущуюся воду с другой температурой. Очевидно, что это позволяет проводить сравнения.

Управляющим параметром здесь является эффективная температуропроводность датчика, k/(c x r), где k – эффективная теплопроводность, c – эффективная удельная теплоемкость, r – плотность. По сути, эта функция представляет собой скорость, с которой изменение температуры будет распространяться в среде. Таким образом, идеальный быстродействующий датчик должен быть изготовлен из материала с высокой проводимостью, иметь низкую удельную теплоемкость и низкую плотность. К сожалению, существует множество ограничений, влияющих на конструкцию датчиков, некоторые из которых могут ухудшить их скорость отклика в соответствии с этим определением, но есть практические шаги, которые можно предпринять для улучшения ситуации. В верхней части списка находятся обеспечение минимально возможного теплового сопротивления на границе сенсора (это вносит вклад в составляющую проводимости), уменьшение длины пути (и, следовательно, эффективной тепловой массы сенсора) и использование минимально возможного устройства в рамках ограничений достижение надежного измерения. Помимо них есть специальные точки для термопар и RTD.

Что касается термопар, самое высокое время отклика достигается за счет использования открытого спая. Там, где это нецелесообразно, заземленный переход обычно используется для более быстрого времени отклика по сравнению с изолированным переходом. Типичное время отклика для этих сборок определяется и зависит от среды применения и общего диаметра, а также от деталей конструкции. Испытания показывают, что для изолированных спаев для достижения 63,2% ступенчатого изменения температуры от 20°C до 100°C в воде требуется 0,015 секунды для термопары с минеральной изоляцией с наружным диаметром 0,010 дюйма. В то время как термопара MI с наружным диаметром 1/2 дюйма и толстой стенкой может выдерживать более 9секунды. Эти цифры составляют примерно половину для заземленных соединений.

Для резистивных термометров время срабатывания всегда зависит от тепловой массы (в идеале малой) и площади поверхности по отношению к объему (в идеале высокой) датчиков, а также от достаточности контакта с соответствующей средой. Последнее часто определяется требуемой степенью изоляции и механической защиты/защиты от окружающей среды, которая влияет на всю длину стержня датчика, в отличие от термопар. Могут быть сконструированы герметичные датчики, обеспечивающие время отклика в диапазоне от 0,2 до 0,5 секунды. Незначительно лучшие отклики можно получить, используя тонкопленочные РДТ. Однако срабатывание тяжелых промышленных устройств, установленных в стенках сосудов под давлением, может занять несколько минут.



Что такое усредняющая термопара?

С помощью термопар можно расположить несколько датчиков таким образом, чтобы их объединенные выходные данные отображали среднее значение их температуры. Существуют различные конфигурации.

Параллельные термопары

Немедленно и важно отметить, что сопротивления контура каждой отдельной цепи должны быть точно согласованы между измерительным соединением и общей точкой соединения. Этого легко добиться, просто убедившись, что все цепи термопар имеют одинаковую конструкцию и длину (см. рис. 6.1).

Другой метод включает использование резисторов для балансировки цепей до одного значения (см. рис. 6.2). Если в цепи термопары должны использоваться отдельные сопротивления, предпочтительно изготавливать резисторы из соответствующих материалов термопары. В качестве альтернативы, если должны использоваться обычные резисторы, лучше всего вставлять их в медные цепи и использовать компоненты с термоэлектрическими свойствами, максимально близкими к свойствам меди.

В идеале требуемое сопротивление может быть достигнуто путем размещения двух резисторов одинакового номинала, по одному на каждой стороне медной цепи. Это обеспечивает некоторую степень подавления паразитных тепловых напряжений (см. рис. 6.3).

Все эти методы требуют осторожности. Хотя они будут обеспечивать приемлемое среднее напряжение и, следовательно, выходную температуру соответствующих термопар, точность может быть снижена из-за нелинейности характеристик термопары, а также из-за изменения сопротивления самих термопар в зависимости от температуры.

Кроме того, измерительные соединения должны быть электрически изолированы друг от друга, чтобы исключить другие параллельные пути. Также следует учитывать влияние несогласованных термоэлектрических характеристик добавленных резисторов. Это можно свести к минимуму, поместив их в изотермический (теплоизолированный) корпус.

 И последнее замечание: сопротивления контуров цепей термопар лучше всего определять с помощью низкочастотного моста переменного тока. Даже небольшое термоэлектрическое напряжение может существенно повлиять на отображаемое значение некоторых приборов для измерения сопротивления постоянному току. Таким образом, всегда стоит поменять полярность измерения, чтобы убедиться, что таких эффектов нет.

 Рисунок 6.1 : Параллельные термопары

---

 Рисунок 6.2 : Балансировка цепи с использованием резисторов

---



Термопары в серии

Усреднение температуры может быть выполнено путем последовательного соединения термопар. Здесь для всех датчиков требуются отдельные эталонные спаи; тогда выходной сигнал представляет собой сумму выходных сигналов отдельных термопар, а средняя температура представляет собой просто эту общую сумму, деленную на количество участвующих термопар. Если производится измерение напряжения (нулевой или практически нулевой ток), сопротивление цепи больше не имеет значения. Однако другие соображения, такие как измерение изоляции перехода и изменение чувствительности в зависимости от температуры, по-прежнему применимы.

Термопара — Энциклопедия Нового Света

Термопара, подключенная к мультиметру, показывающему комнатную температуру в °C.

В электротехнике и промышленности термопары являются широко используемым типом датчиков температуры и могут также использоваться в качестве средства для преобразования разности тепловых потенциалов в разность электрических потенциалов. Они дешевы и взаимозаменяемы, имеют стандартные разъемы и могут измерять широкий диапазон температур. Они измеряют разницу температур между двумя точками, а не абсолютную температуру. Их основным ограничением является точность: системные ошибки менее одного Кельвина (К) может быть трудно достичь.

Содержание

• 1 Принцип действия
  • 1. 1 Приложение
  • 1.2 Зависимость напряжения от температуры
• 2 типа
  • 2,1 К
  • 2.2 Е
  • 2,3 Дж
  • 2,4 Н
  • 2,5 B, R и S
  • 2,6 т
  • 2,7 С
  • 2,8 М
  • 2,9 Хромель-золото/железо
• 3 Сравнение термопар
• 4 Приложения
  • 4.1 Сталелитейная промышленность
  • 4.2 Безопасность нагревательного прибора
  • 4.3 Радиационные датчики на термобатареях
  • 4.4 Производство
  • 4.5 Радиоизотопные термоэлектрические генераторы
• 5 См. также
• 6 Примечания
• 7 Каталожные номера
• 8 Внешние ссылки
• 9 кредитов

Принцип работы

В 1821 году немецко-эстонский физик Томас Иоганн Зеебек обнаружил, что когда любой проводник (например, металл) подвергается температурному градиенту, он генерирует напряжение. Сейчас это известно как термоэлектрический эффект или эффект Зеебека. Любая попытка измерить это напряжение обязательно предполагает подключение другого проводника к «горячему» концу. Затем этот дополнительный проводник также испытает градиент температуры и создаст собственное напряжение, которое будет противодействовать исходному. К счастью, величина эффекта зависит от используемого металла. Использование разнородного металла для завершения цепи создает цепь, в которой две ножки генерируют разные напряжения, оставляя небольшую разницу в напряжении доступной для измерения. Эта разница увеличивается с температурой и обычно может составлять от 1 до 70 микровольт на градус Цельсия (мкВ/°C) для современного ряда доступных комбинаций металлов. Определенные комбинации стали популярными в качестве отраслевых стандартов благодаря стоимости, доступности, удобству, температуре плавления, химическим свойствам, стабильности и производительности. Это соединение двух металлов дало название термопаре. ^{[1] [2] [3]}

Термопары измеряют разницу температур между двумя точками, а не абсолютную температуру. В традиционных приложениях один из спаев — холодный спай — поддерживали при известной (эталонной) температуре, а другой конец присоединяли к зонду.

Наличие холодного спая с известной температурой, хотя и полезно для лабораторной калибровки, просто неудобно для большинства напрямую подключенных контрольно-измерительных приборов. Они включают в свои схемы искусственный холодный спай, используя какое-либо другое термочувствительное устройство, такое как термистор или диод, для измерения температуры входных соединений на приборе, уделяя особое внимание минимизации любого температурного градиента между клеммами. Следовательно, можно смоделировать напряжение от известного холодного спая и применить соответствующую коррекцию. Это известно как компенсация холодного спая.

Кроме того, устройство может выполнять компенсацию холодного спая путем вычислений. Он может преобразовывать напряжение устройства в температуру одним из двух способов. Он может использовать значения из справочных таблиц ^[4] или аппроксимировать с помощью полиномиальной интерполяции.

Термопара может производить ток, что означает, что ее можно использовать для непосредственного управления некоторыми процессами без необходимости в дополнительных схемах и источниках питания. Например, питание от термопары может привести в действие клапан при возникновении перепада температур. Электрическая мощность, вырабатываемая термопарой, представляет собой преобразование тепловой энергии, которую необходимо непрерывно подавать на горячую сторону термопары для поддержания электрического потенциала. Поток тепла необходим, потому что ток, протекающий через термопару, имеет тенденцию вызывать охлаждение горячей стороны и нагревание холодной стороны (эффект Пельтье).

Термопары могут быть соединены последовательно друг с другом для образования термобатареи, в которой все горячие спаи подвергаются воздействию более высокой температуры, а все холодные спаи — более низкой температуре. Напряжения отдельных термопар складываются, что позволяет увеличить напряжение и выходную мощность, тем самым увеличивая чувствительность приборов. С радиоактивным распадом трансурановых элементов, обеспечивающих источник тепла, это устройство использовалось для питания космических кораблей в миссиях, слишком далеких от Солнца, чтобы использовать солнечную энергию.

Приложение

Материалы для термопар доступны в нескольких различных металлургических составах для каждого типа, таких как: (перечислены в порядке снижения уровня точности и стоимости) Специальные пределы погрешности, стандартные и расширенные классы. Удлинительный провод менее дорог, чем специальный соединительный провод для термопары, и обычно используется для обеспечения точности в более ограниченном диапазоне температур. Удлинительный провод используется, когда точка измерения находится дальше от измерительного прибора, чем это было бы экономически целесообразно для материалов со стандартными или специальными пределами, и имеет очень похожий тепловой коэффициент ЭДС для узкого диапазона (обычно охватывающего окружающую среду). В этом случае соединение проводов стандартных или специальных пределов привязывается к проводу удлинительного класса вне зоны измерения температуры для прохода к прибору. Поскольку большинство современных приборов для измерения температуры, в которых используются термопары, имеют электронную буферизацию для предотвращения значительного потребления тока от термопары, длина термопары или удлинительного провода не имеет значения.

Изменения в металлургии по длине термопары (такие как соединительные планки или изменение типа провода термопары) приведут к появлению еще одного спая термопары, что повлияет на точность измерения. Кроме того, в Соединенных Штатах отраслевые стандарты заключаются в том, что цветовой код термопары используется для изоляции положительного вывода, а красный — отрицательного.

Зависимость напряжение-температура

9{n}}

Коэффициенты a _n даны для N от нуля до пяти-девяти.

Для достижения точных измерений уравнение обычно реализуется в цифровом контроллере или сохраняется в справочной таблице. ^[4] В некоторых старых устройствах используются аналоговые фильтры.

Типы

Доступны различные термопары, подходящие для различных измерительных задач. Они обычно выбираются в зависимости от диапазона температур и необходимой чувствительности. Термопары с низкой чувствительностью (типы B, R и S) имеют соответственно более низкое разрешение. Другие критерии выбора включают инертность материала термопары и его магнитные свойства. Типы термопар перечислены ниже с положительным электродом, за которым следует отрицательный электрод.

K

Термопара типа K.

Термопары типа S и K, S частично защищен алундовой трубкой.

Тип K (хромель-алюмель) наиболее часто используется для термопар общего назначения. Он недорогой и, благодаря своей популярности, доступен в широком ассортименте зондов. Они доступны в диапазоне температур от −200 °C до +1350 °C. Тип K был указан в то время, когда металлургия была менее развита, чем сегодня, и, следовательно, характеристики разных образцов значительно различаются. Другая потенциальная проблема возникает в некоторых ситуациях, поскольку один из составляющих металлов, никель, является магнитным. Одной из характеристик термопар, изготовленных из магнитного материала, является то, что они претерпевают ступенчатое изменение, когда магнитный материал достигает своей точки Кюри. Это происходит для этой термопары при 354°C. Чувствительность составляет приблизительно 41 мкВ/°C.

E

Тип E (хромель-константан) ^[4] имеет высокий выходной сигнал (68 мкВ/°C), что делает его подходящим для криогенного использования. Кроме того, он немагнитен.

J

Тип J (железо-константан) менее популярен, чем тип K, из-за его ограниченного диапазона (от -40 до +750 °C). Основное применение со старым оборудованием, которое не может принимать современные термопары. Точка Кюри железа (770 °C) вызывает резкое изменение характеристики, и именно это обеспечивает верхний температурный предел. Термопары типа J имеют чувствительность около 50 мкВ/°C. ^[3]

N

Термопары типа N (никросил-нисил) подходят для использования при высоких температурах, превышающих 1200 °C, благодаря их стабильности и способности противостоять высокотемпературному окислению. Чувствительность составляет около 39 мкВ/°C при 900°C, что немного ниже, чем у типа K. Разработанный как улучшенный тип K, он становится все более популярным.

B, R и S

В термопарах типов B, R и S для каждого проводника используется платина или платино-родиевый сплав. Это одни из самых стабильных термопар, но они имеют более низкую чувствительность, примерно 10 мкВ/°C, чем другие типы. Высокая стоимость делает их непригодными для общего использования. Как правило, термопары типов B, R и S используются только для высокотемпературных измерений.

Термопары типа B используют платино-родиевый сплав для каждого проводника. Один проводник содержит 30% родия, а другой проводник содержит 6% родия. Эти термопары подходят для использования при температуре до 1800 °C. Термопары типа B дают одинаковый выходной сигнал при 0 °C и 42 °C, что ограничивает их использование при температурах ниже примерно 50 °C.

Термопары типа R используют сплав платины и родия, содержащий 13% родия для одного проводника и чистой платины для другого проводника. Термопары типа R используются до 1600 °C.

Термопары типа S используют сплав платины и родия, содержащий 10% родия для одного проводника и чистой платины для другого проводника. Как и тип R, термопары типа S используются до 1600 °C. В частности, тип S используется в качестве калибровочного стандарта для точки плавления золота (1064,43 °C).

T

Термопары типа T (медь-константан) подходят для измерений в диапазоне от −200 до 350 °C. Часто используется в качестве дифференциального измерения, так как к датчикам прикасается только медный провод. Поскольку оба проводника немагнитны, точка Кюри отсутствует, а значит, нет и резкого изменения характеристик. Термопары типа T имеют чувствительность около 43 мкВ/°C.

C

Термопары типа C (вольфрам 5 процентов рения — вольфрам 26 процентов рения) подходят для измерений в диапазоне от 0 °C до 2320 °C. Эта термопара хорошо подходит для вакуумных печей при экстремально высоких температурах и никогда не должна использоваться в присутствии кислорода при температурах выше 260 °C.

M

Термопары типа M используют никелевый сплав для каждого провода. Положительный провод содержит 18 процентов молибдена, а отрицательный — 0,8 процента кобальта. Эти термопары используются в вакуумных печах по тем же причинам, что и с типом C. Верхняя температура ограничена 1400 °C. Хотя это менее распространенный тип термопары, доступны справочные таблицы для сопоставления температуры с ЭДС (милливольтовый выход).

Хромель-золото/железо

В термопарах хромель-золото/железо положительный провод — хромель, а отрицательный провод — золото с небольшой долей (0,03–0,15 атомных процентов) железа. Его можно использовать для криогенных применений (1,2–300 К и даже до 600 К). Как чувствительность, так и температурный диапазон зависят от концентрации железа. Чувствительность обычно составляет около 15 мкВ/К при низких температурах, а самая низкая рабочая температура варьируется от 1,2 до 4,2 К. ^{[6] [7] [8]}

Сравнение термопар

В таблице ниже описаны свойства нескольких различных типов термопар. В столбцах допусков T представляет собой температуру горячего спая в градусах Цельсия. Например, термопара с допуском ±0,0025×T будет иметь допуск ±2,5°C при 1000°C.

Полиномиальные коэффициенты ^[5]

п	Тип К
0	0,226584602
1	24152.10900
2	67233.4248
3	2210340. 682
4	-860963914.9
5	4.83506×10 10
6	-1,18452×10 12

Тип	Диапазон температур °C (непрерывно)	Диапазон температур °C (кратковременно)	Первый класс допуска (°C)	Второй класс точности (°C)	Цветовой код МЭК	BS Цветовой код	Цветовой код ANSI
К	от 0 до +1100	от −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
Дж	от 0 до +700	от −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 ±0,0075×T от 333 °C до 750 °C
Н	от 0 до +1100	от −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
Р	от 0 до +1600	от -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			Не определено.
С	от 0 до 1600	от -50 до +1750	±1,0 от 0 °C до 1100 °C ±[1 + 0,003×(T — 1100)] между 1100°C и 1600°C	±1,5 от 0 °C до 600 °C ±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C			Не определено.
Б	от +200 до +1700	от 0 до +1820	Недоступно	±0,0025×T от 600 °C до 1700 °C	Нестандартный медный провод	Нестандартный медный провод	Не определено.
Т	от −185 до +300	от −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
Э	от 0 до +800	от -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 между 333 °C и 900 °C
Хромель/золото	от −272 до +300	н/д	Воспроизводимость 0,2 % напряжения; каждый датчик требует индивидуальной калибровки. [8]

Области применения

Термопары лучше всего подходят для измерения в широком диапазоне температур, вплоть до 1800 °C. Они менее подходят для приложений, где необходимо измерять небольшие перепады температур с высокой точностью, например, в диапазоне 0–100 °C с точностью 0,1 °C. Для таких применений больше подходят термисторы и датчики температуры сопротивления.

Сталелитейная промышленность

Термопары типов B, S, R и K широко используются в сталелитейной и металлургической промышленности для контроля температуры и химического состава в процессе производства стали. Одноразовые погружные термопары типа S регулярно используются в процессе электродуговой печи для точного измерения температуры стали перед выпуском. Кривую охлаждения небольшого образца стали можно проанализировать и использовать для оценки содержания углерода в расплавленной стали.

Безопасность отопительных приборов

Многие отопительные приборы, работающие на газе, такие как печи и водонагреватели, используют запальник для зажигания основной газовой горелки по мере необходимости. Если запальная лампа по какой-либо причине гаснет, существует вероятность выброса несгоревшего газа в окружающее пространство, что создает как риск возгорания, так и опасность для здоровья. Чтобы предотвратить такую ​​опасность, в некоторых приборах используется термопара в качестве отказоустойчивого элемента управления, определяющего, когда горит контрольная лампа. Наконечник термопары помещается в запальное пламя. Результирующее напряжение, обычно около 20 мВ, приводит в действие клапан подачи газа, отвечающий за питание пилота. Пока пилотное пламя горит, термопара остается горячей и удерживает пилотный газовый клапан открытым. Если контрольная лампочка погаснет, температура упадет вместе с соответствующим падением напряжения на выводах термопары, отключив питание от клапана. Клапан закрывается, перекрывая подачу газа и прекращая это небезопасное состояние.

Некоторые системы, известные как системы управления милливольтами, распространяют эту концепцию и на главный газовый клапан. Напряжение, создаваемое контрольной термопарой, не только приводит в действие пилотный газовый клапан, но и направляется через термостат для питания основного газового клапана. Здесь требуется большее напряжение, чем в описанной выше системе безопасности пилотного пламени, и используется термобатарея, а не одна термопара. Такая система не требует внешнего источника электроэнергии для своей работы и поэтому может работать во время сбоя питания, если все соответствующие компоненты системы допускают это. Обратите внимание, что это не относится к обычным печам с принудительной подачей воздуха, поскольку для работы двигателя вентилятора требуется внешнее питание, но эта функция особенно полезна для конвекционных нагревателей без питания.

Аналогичный предохранительный механизм отключения газа с использованием термопары иногда используется для обеспечения зажигания основной горелки в течение определенного периода времени, перекрывая клапан подачи газа основной горелки, если этого не происходит.

Из-за беспокойства по поводу потери энергии постоянным запальником, разработчики многих новых устройств перешли на беспилотное зажигание с электронным управлением, также называемое прерывистым зажиганием. При отсутствии постоянного пилотного пламени нет риска скопления газа в случае, если пламя погаснет, поэтому этим приборам не нужны предохранительные пилотные выключатели на основе термопары. Поскольку эти конструкции теряют преимущества работы без постоянного источника электроэнергии, в некоторых устройствах все еще используются постоянные пилоты.

Датчики излучения на термобатареях

Термобатареи используются для измерения интенсивности падающего излучения, обычно видимого или инфракрасного света, которое нагревает горячие спаи, в то время как холодные спаи находятся на радиаторе. Можно измерить интенсивность излучения всего в несколько мкВт/см ² с помощью имеющихся в продаже датчиков на термобатареях. Например, некоторые измерители мощности лазера основаны на таких датчиках.

Производство

Термопары, как правило, могут использоваться при тестировании прототипов электрических и механических устройств. Например, в распределительном устройстве, испытываемом на допустимую нагрузку по току, могут быть установлены термопары, которые контролируются во время испытания на нагрев, чтобы подтвердить, что повышение температуры при номинальном токе не превышает расчетных пределов.

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы

Термобатареи также могут применяться для выработки электроэнергии в радиоизотопных термоэлектрических генераторах.

См. также

• Электротехника
• Датчик
• Термоэлектрический эффект
• Термостат

Примечания

1. ↑ Температуры, Термопарные датчики температуры. Проверено 19 декабря 2008 г.
2. ↑ Omega Engineering, Термопары — Введение. Проверено 19 декабря., 2008.
3. ↑ ^{3.0 3.1} Эд Рамсден, Измерение температуры, Датчики . Проверено 19 декабря 2008 г.
4. ↑ ^{4.0 4.1 4.2} Бонни С. Бейкер, Проектирование встроенного температурного контура в соответствии с требованиями системы, Датчики. Проверено 19 декабря 2008 г.
5. ↑ Бакнеллский университет, датчик температуры — термопара. Проверено 19 декабря 2008 г.
6. ↑ Лейкшор, Таблицы данных температурного отклика датчика Лейк-Шор. Проверено 19 декабря., 2008.
7. ↑ Lakeshore, Lakeshore Cryotronics Описание термопарного провода. Проверено 19 декабря 2008 г.
8. ↑ ^{8.0 8.1} Noble.matthey.com, брошюра о проводах для термопар Johnson Matthey. Проверено 19 декабря 2008 г.

Ссылки

Ссылки ISBN поддерживают NWE за счет реферальных сборов

• Fraden, Jacob. 2003. Справочник по современным датчикам: физика, конструкция и применение . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: AIP Press/Springer. ISBN 0387007504.
• Керлин, Томас В. 1999. Практическая термопарная термометрия . Research Triangle Park, Северная Каролина: Американское общество инструментов. ISBN 1556176449.
• Поллок, Дэниел Д. 1991. Термопары: теория и свойства. Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN 0849342430.

Внешние ссылки

Все ссылки получены 6 февраля 2020 г.

• База данных термопар NIST ITS-90.
• Справочная информация по термопаре.

Кредиты

Энциклопедия Нового Света авторов и редакторов переписали и дополнили статью Википедии в соответствии со стандартами New World Encyclopedia . Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с надлежащим указанием авторства. Упоминание должно быть выполнено в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на авторов New World Encyclopedia , так и на самоотверженных добровольных участников Фонда Викимедиа.