Термопара устройство и принцип работы: Термопара — принцип работы | Сиб Контролс

Содержание

Термопара - принцип работы | Сиб Контролс

Принцип работы термопар

Если два провода из разнородных металлов соединены друг с другом на одном конце, на другом конце данной конструкции, за счет контактной разницы потенциалов, появляется напряжение (ЭДС), которое зависит от температуры. Иными словами, соединение двух разных металлов ведет себя как гальванический элемент, чувствительный к изменению температуры. Такой вид температурного сенсора называется термопарой:

 

Данное явление предоставляет нам простой путь для нахождения электрического эквивалента температуры: необходимо просто измерить напряжение и Вы можете определить температуру этого места соединения двух металлов. И это было бы просто, если бы не следующее условие: когда Вы присоедините любой вид измерительного прибора к проводам термопары, то неизбежно сделаете второе место соединения разнородных металлов.

Следующая схема показывает, что железо - медное соединение J1 обязательно дополняется вторым железо - медным соединением J2 противоположной полярности:

Соединение J1 железа и меди (двух разнородных металлов) будет генерировать напряжение, зависящее от измеряемой температуры.

Соединение J2, которое фактически необходимо , что мы каким-то образом подключили наши медные входные провода вольтметра к железной проволоке термопары, также соединение разнородных металлов, которое тоже будет генерировать напряжение, зависящее от температуры. Далее необходимо отметить, что полярность соединения J2 противоположна полярности соединения J1 (железный провод положительный; медный - отрицательный). В данное схеме имеется так же третье соединение (J3), но оно не оказавает влияние, потому что это соединение двух идентичных металлов, которое не создает ЭДС. Генерация второго напряжения соединением J2 помогает объяснить, почему вольтметр регистрирует 0 вольт, когда вся система будет при комнатной температуре: любые напряжения созданные точками соединения разнородных металлов будут равны по величине и противоположны по полярности, что и приведет к нулевым показаниям. Только тогда, когда два соединения J1 и J2 находятся при разных температурах, вольтметр зарегистрирует какое-то напряжение.

Мы можем выразить эту связь математически следующим образом:

Vmeter = VJ1 − VJ2

Понятно, что вольтметр «видит» только разницу между этими двумя напряжениями, генерируемыми в точках соединения.

Таким образом, термопары – это исключительно дифференциальные температурные сенсоры. Они формируют электрический сигнал, пропорциональный разнице температур между двумя различными точками. Поэтому, место соединения (спай), которое мы используем,чтобы измерить необходимую температуру, называют «горячим» спаем, в то время как другое место соединения (от которого мы никак не можем избежать) называется «холодным» спаем. Такое название произошло от того, что обычно, измеряемая температура выше температуры, в которой находится измерительный прибор. Большая часть сложностей применения термопар связана с именно напряжением «холодного» спая и необходимости иметь дело с этим (нежелательным) потенциалом. Для большинства применений необходимо измерять температуру в одной определённой точке, а не разницу температур между двумя точками, что делает термопара по определению.

Существует несколько методов, чтобы заставить датчик температуры на базе термопары измерять температуру в нужной точке, и они будут рассмотрены ниже.

Студенты и профессионалы очень часто находят общий принцип влияния «холодного» спая и его эффектов невероятно запутанным. Чтобы разобраться в данном вопросе, необходимо вернуться к простому контуру с железо - медными проводами, показанному ранее как «отправная точка», а затем вывести поведение данного контура, применяя первый закон Кирхгоффа: алгебраическая сумма напряжений в любом контуре должна быть равна нулю. Мы знаем, что соединение разнородных металлов создает напряжение, если его температура выше абсолютного нуля. Мы также знаем, что с тем, чтобы сделать полный контур из железного и медного провода, мы должны сформировать второе соединение железа и меди, полярность напряжения этого второго соединения будет обязательно противоположной полярности первого. Если мы обозначим первое соединение железа и меди как J1, а J2 второе, мы абсолютно уверенны в том, что напряжение, измеренное вольтметром в этой схеме, будет V

J1 − VJ2.

Все контуры термопары – независимо от того, простые они или сложные – демонстрируют эту фундаментальную особенность. Необходимо мысленно представить простой контур из двух разнородных металлических проводов и затем, выполняя «мысленный эксперимент», определить, как этот контур будет вести себя в местах соединения при одинаковой температуре и при различных температурах. Это - лучший способ для любого человека понять, как работают термопары.

Принцип действия термопар

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

Принцип действия и структура термопар

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

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

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

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

Явление Зеебека

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

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

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

Методы подключения

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

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

Термопара – устройство и принцип работы простым языком

Практически каждое отопительное оборудование требует применения дополнительных элементов, предостерегающих систему от перегрева. Одним из таких контролеров считается термопара. Принцип ее работы заключается в регулярном измерении температурного режима для поддержания заданного значения.

Общие характеристики

Согласно Номинальных статических характеристик преобразования ГОСТ Р8.585-2001 термопара – устройство, состоящее из 2-х разнородных контактирующих друг с другом проводников, предназначенное для измерения температуры. При изменении температурного режима на одном участке создается напряжение, вследствие чего происходит конвертация температуры в электроток.

Термопары

Конструкция элемента устроена из двух разнотипных проводников, которые соединяются друг с другом в одном узле. Существует три типа соединений:

  • спайка;
  • ручная скрутка;
  • сварка.

Зачастую в виде проводящих электроэнергию элементов применяется металлический проводник, однако встречаются случаи, когда вместо него используют полупроводниковые устройства. 

Параметры устройства определяет материал, из которого изготовлены проводники. Понятно, что любой металл образует сопротивление, значит будет производить электроток. Но для корректной работы термопары используются определенные сплавы, которые выдают прогнозируемые вводные и точно с минимальной погрешностью определяют зависимость между температурой и сопротивлением. Для определенного диапазона должен использовать определенный материл.

Говоря простым языком, термопара, в зависимости от материалов, из которых состоят проводники, позволяет определять температурный режим в разнообразных диапазонах значений. В целом, термопара определяет температуру ориентировочно от -250°С до +2 000°С.

ВИДЕО: Измерение температуры с помощью термопары

Принцип действия термопары

Вне зависимости от имени производителя, работа всех термопар основывается на термоэлектрической схеме, разработанной в 1821 году известным физиком Т.И. Зеебеком. Принцип действия термопары заключается в поочередном соединении двух разновидных переходника в одно замкнутое кольцо. Первый узел предназначен для нагрева, в результате чего, по кольцу образовывается электрический движущий заряд, который называется – термо-ЭДС. Под влиянием ЭДС-силы, по цепочке протекает электрически ток.

Схематическая работа устройства

Сама область нагрева называется узлом нагревательного предназначения, второй конец обозначается как холодный спай.

Чтобы измерить значение микро или милливольт электрической движущей силы, следует разъединить кольцо и соединить его при помощи микровольтметра. Количество милливольт полностью зависит от интенсивности нагрева соединений и температурного режима холодного узла. Принцип работы простым языком базируется на разности значений температуры двух соединительных спаев, между холодным и горячим обозначением.

Получается, что если область спая двух разных проводов нагреть, то в зоне несоединенных концов образуется разносторонний потенциал, измеряемый специальным инструментом. Преобразователи, разработанные по инновационным технологиям, возникшую разность электрической силы переводят в цифровые символы, обозначающие температурный режим нагрева соединенных узлами частей.

Конструкция устройства

Устройство производится разных форм и размеров. Подразделяется по конструктивному производству на два основных типа:

  • термопары, не имеющие корпуса;
  • с кожухом, служащим в качестве защиты.

В первом случае устройство в месте соединения не имеет закрытого корпуса, выполняющего защитную функцию от разнообразных воздействий внешней окружающей среды. Данный вид обеспечивает быстрое определение инертности и температурного режима, не затрачивая на процесс много времени.

Термопара для котельного оборудования

Второй тип производится подобно зонду, который выполнен из металлической трубы с хорошей внутренней изоляцией, способной противостоять высоким температурным показателям. Изнутри термопар оснащен термоэлектрической системой. Конструкция с защитным корпусом не поддается воздействиям агрессивной среды.

Разновидности термопары

Принцип работы термопара достаточно прост и понятен, однако, прежде чем создать устройство своими руками, следует знать, чем отличаются такие модификации как ТХА,TKX, ТПП, ТСП, ТПР и ТВР, а также, по каким критериям и группам они распределяются.

  • Группа Е – состоит из комбинированного материала - хромель-константан. Соединительный спай обладает повышенной производительностью – более 69 мкВ/оС, подходящей для криогенного применения. Помимо всего, система не имеет магнитные свойства, а температурный режим варьируется от – 50°С до + 740°С.
  • Группа J – термоэлектроны производятся из положительного железа и отрицательного типа константаны. Разбег функционирования данной серии термопара меньше, чем в прошлой группе -40°С - + 750°С, однако показатель чувствительности более высокий – 50 мкВ/°С.
  • Группа К – самый распространенный тип устройств, состоящий из комбинации материалов – алюминий и хромель. Производительность системы равняется 40 мкВ/°С, функционирование происходит в пределах температурных показателей от – 200°С до 1 350°С. Следует помнить, что даже при низком уровне окисления в диапазоне температуры 800-1050°С, элемент из хромеля отсоединяется и приобретает намагниченное состояние, что называется «зеленая гниль». Данный фактор отрицательно сказывается на функционировании регулятора.
  • Группа М – применяется в комплектациях печей вакуумного вида. Рабочие силы варьируются от -260 до + 1400°С с максимальной погрешностью в 2 градуса.

Принцип работы термопары

  • Группа N – устройство выпускается для использования в устройствах обладающих температурными обозначениями – 270 и 1300°С, что является гарантией хорошей работоспособности и устойчивости перед окислительными процессами. Чувствительность не превышает 40 мкВ/°С.
  • Группы В, S, R отличаются стабильной работой с более пониженным ЭДС – 10мкВ/°С. Из-за плохой чувствительности, используется исключительно для определения повышенных температур.
  • Группы В, С, S – первый символ обозначает модификацию, подходящую для измерения температуры до 1 800оС, S – 1 600°С, С – до 1 500.
  • Рениево-вольфрамовые термопары применяются для измерения высоких температур 25 000°С и менее. Также устройство предназначено для устранения окислительной атмосферы, разрушающей материал.

Термопары хромель-алюмель

Монтаж

Принципиальной разницы между установкой российского или европейского оборудования нет – схема везде одинакова. Мы опишем самый простой способ.

  1. Откручиваете гайку внутри резьбового соединения к газопроводу.
  2. На самой термопаре откручиваете компенсационный винт.
  3. В отверстие монтажного кронштейна вставляете термопару.
  4. Протрите место соединения ветошью резьбовое соединение и гайку.
  5. Закрутите соединение до упора, но не затягивайте слишком сильно. Если есть необходимость, можно использовать прокладку.

Контролер газовой плиты должен быть соединен максимально плотно, но чтобы его можно было снять по мере надобности.

Термопара для печи

Обратите внимание на то, чтобы обе трубы были направлены строго вниз.

Теперь разбираемся, как работает. Концевой выключатель всегда расположен на несколько сантиметров ниже пленума под автоматом контроля безопасности плиты. Когда пленум нагревается до предела, выключатель дает сигнал на отключение горелки и сразу же срабатывает вентилятор. В этот момент происходит резкое снижение температуры.

На некоторых устройствах вентилятор не останавливается. Причиной этого может быть выключенный контроль вентилятора (посмотрите на рычаг, он должен быть на отметке «вкл») либо выход из строя термостата. Как вариант, может быть установлен ручной режим вместо автоматического.

После установки устройства необходимо проверить правильность работы. И если настройка происходит в лабораторных условиях, то калибровать термопару можно и собственноручно.

Для этого снимаете крышку блока управления и смотрите на циферблат. Со стороны вентилятора есть 2 датчика, которые изначально настроены на 25°F. Вам нужно выставить верхний на 115°F, нижний – не меньше 90°F.

Если во время градуировки или калибровки отчетливо слышен запах газа, необходимо проверить уплотнители или вызвать службы газа на предмет выявления утечки.

Преимущества и недостатки применения измерителя

Температурный датчик, невзирая на простоту в устройстве, обладает как преимуществами, так и недостатками.

Плюсы:

  • Широкий диапазон температурных режимов, делающих устройство самым устойчивым контактным датчиком перед высокими показателями.
  • В результате нарушения целостности спая можно полностью заменить узел или создать прямой контакт непосредственно через измеряемые системы.
  • Простота устройства, прочность и большой эксплуатационный срок.

Термопара "Арбат"

Минусы:

  • При установке температурного датчика необходимо регулярно контролировать изменения напряжения холодных спаев. Для облегчения задачи требуется приобрести дополнительный термистор. Также можно заменить устаревший прибор полупроводниковым сенсором, способным автоматически вносить изменения в ТЭДС.
  • Подверженность к поражению коррозией, в результате чего происходит термоэлектрическая недостаточность и нарушение градуировочных характеристик.
  • Электроды состоят из материалов, которые не считаются химически инертным, поэтому при нарушении герметичности корпуса система становится подверженной агрессивным процессам окружающей среды.
  • Длинные термопарные провода образовывают электромагнитное поле.
  • Возникают сложности в процессе создания вторичного преобразователя сигналов из-за несущественного взаимодействия ТЭДС и температурных режимов.
  • Для стабильной работы с термической инерцией, обязательным условием термопара считается обеспечение качественной электроизоляцией, заземление функционирующих спаев, предостерегающих от возникновения утечки в землю.

ВИДЕО: Сравнение термосопротивления и термопары. Основы измерения температуры от Emerson

классификация, как работает, особенности применения

Термопа́ра — устройство основанное на преобразовании электрического сигнала в показатель температуры при изменении физических параметров веществ, из которых состоит прибор. Термопары широко распространены в промышленности, коммунальном хозяйстве, используются в массе бытовых приборов и автомобилях. От самых простых приборов (которые можно встретить в обычных утюгах) до сложных и дорогих (жаростойкие термопластины для измерения температуры на газовых турбинах) их можно встретить везде, где стоит задача измерения температуры.

Как работает термопара?

Термопара состоит из пары проводников из отличающихся материалов, соединенных между собой только с одной стороны.

Регистрирующие приборы (аналоговые, цифровые) измеряют разницу термо-ЭДС возникающих в местах спайки и на концах проводников.

Действие прибора построено на эффекте Зеебека(термоэлектрической эффект). Представьте две проволоки соединенные между собой двумя спайками. Если нагревать/охлаждать одну спайку, то по кольцу потечет ток. Его вызывает термо-ЭДС, которая возникает за счет разности потенциалов между спайками.

Интересное видео о термопарах от НИЯУ МИФИ смотрите ниже:

При одинаковой температуре спаек сума токов в цепи равна нулю – ток не течет. При отличающихся температурах возникает разность потенциалов между спайками. От интенсивности нагревания/охлаждения зависит и разность потенциалов.

Термо-ЭДС можно измерить. Она пропорциональна изменению разности температур на спайках. Самый простой способ измерения параметров тока в таких условиях – гальванометр (применяется для демонстрации эффекта Зеебека).

В современных сложных термопарах применяются электронные средства преобразования сигнала.

Особенности работы с термопарами для точных и высокоточных измерений

  1. Недостаток большинства термопар – это необходимость градуировки каждого прибора в отдельности.

    Для точных измерений на предприятиях-изготовителях каждая термопара проходит отдельные испытания.

  2. Необходимо вносить поправку на температуру среды измерительных устройств.
  3. Термопара должна находиться в одинаковых условиях по всей длине измерительного участка.
  4. Для определения наиболее точного результата можно использовать рядом с основной термопарой контрольные термопары.
  5. Для точных измерений используют провода с экранами, для уменьшения наводок: токи, вызываемые термо-ЭДС, незначительны по своей величине.

Ещё одно интересное видео о термопарах смотрите ниже:

Классификация термопар, их свойства и сферы применения

В российском ГОСТе применяется трехбуквенное обозначение кириллицей групп термопар, в международной классификации (МЭК) приняты латинские однобуквенные обозначения.

В большинстве случаев группы термопар соответствуют обеим системам классификации.

В таблице даны обозначения по ГОСТу, в скобках приведены аналоги по МЭК:

Тип термопары Материал Свойства
ТХА (К) Вольфрам + родий Для работы в нещелочных средах. Измеряет в пределах −250…+2500°С
ТНН (N) Никросил+ нисил Диапазон температур — 0…1230°С, относится к группе универсальных термопар
ТЖК (J) Железо + константан -200 до +750°С дешевый и надежный вариант для промышленности.
ТМК (Т) Медь + константан -250…+ 400°Снедорогие термопары
ТХК (L) Хромель+ копель наибольшая чувствительностью, но ограничены по диапазону измерений – до 600 °С и очень хрупкие.
ТПП (R, S) Платинородий + платина Для работы в газовых средах, окисленных средах. Недостаток – чувствительны к примесям, нагарам, требуют стерильных условий производства.
ТВР (А-1, А-2, А-3) Вольфрам + рений Диапазон измерений -22О0°С в нормальных средах. Сложны в производстве и эксплуатации.

В таблице приведены наиболее часто встречаемые в сети интернет термопары.

Также существуют другие виды термопар для редких условий работы. Как правило, это штучные приборы, разрабатываемые только под заказ.

принцип действия, схемы, таблица типов термопар и т.д.

Термопары — это наиболее распространенное устройство для измерения температуры. Термопары генерируют напряжение при нагревании и возникающий ток позволяет проводить измерения температуры. Отличается своей простотой, невысокой стоимостью, но внушительной долговечностью. Благодаря своим преимуществам, термопара используется повсеместно.

Стандартная термопара
Рекомендуем обратить внимание и на другие приборы для измерения температуры.

Принцип работы термопары

Термопара представляет собой два провода, изготовленных из различных металлов. Эти два провода скреплены или сварены вместе и образуют спай. Когда на этот спай оказывают воздействие изменения температуры, то термопара реагирует на них генерируя напряжение, пропорциональное по величине изменениям температуры.

Если термопара подсоединена к электрической цепи, то величина генерируемого напряжения будет отображаться на шкале измерительного прибора. Затем показания прибора могут быть преобразованы в температурные показания с помощью таблицы. На некоторых приборах шкала откалибрована непосредственно в градусах.

Термопара в электрической цепи

Спай термопары

В конструкции большинства термопар предусмотрен только один спай. Однако, когда термопара подсоединяется к электрической цепи, то в точках ее подсоединения может образовываться еще один спай.

Цепь термопары

Цепь, показанная на рисунке, состоит из трех проводов, помеченных как А, В и С. Провода скручены между собой и помечены как D и Е. Спай представляет собой дополнительный спай, который образуется, когда термопара подсоединяется к цепи. Этот спай называется свободным (холодным) спаем термопары. Спай Е — это рабочий (горячий) спай. В цепи находится измерительный прибор, который измеряет разницу величин напряжения на двух спаях.

Два спая соединены таким образом, что их напряжение противодействует друг другу. Таким образом, на обоих спаях генерируется одна и та же величина напряжения и показания прибора будут равны нулю. Так как существует прямо пропорциональная зависимость между температурой и величиной напряжения, генерируемой спаем термопары, то два спая будут генерировать одни и те же величины напряжения, когда температура на них будет одинаковой.

Воздействие нагрева одного спая термопары

Когда спай термопары нагревается, величина напряжения повышается прямо пропорционально. Поток электронов от нагретого спая протекает через другой спай, через измерительный прибор и возвращается обратно на горячий спай. Прибор показывает разницу напряжения между двумя спаями. Разность напряжения между двумя спаями. Разность напряжения, показываемая прибором, преобразуется в температурные показания либо с помощью таблицы, либо прямо отображается на шкале, которая откалибрована в градусах.

Холодный спай термопары

Холодный спай часто представляет собой точку, где свободные концы проводов термопары подсоединяются к измерительному прибору.

В силу того, что измерительный прибор в цепи термопары в действительности измеряет разность напряжения между двумя спаями, то напряжение холодного спая должно поддерживаться на неизменном уровне, насколько это возможно. Поддерживая напряжение на холодном спае на неизменном уровне мы тем самым гарантируем, что отклонение в показаниях измерительного прибора свидетельствует о изменении температуры на рабочем спае.

Если температура вокруг холодного спая меняется, то величина напряжения на холодном спае также изменится. В результате изменится напряжение на холодном спае. И как следствие разница в напряжении на двух спаях тоже изменится, что в конечном итоге приведет к неточным показаниям температуры.

Для того, чтобы сохранить температуру на холодном спае на неизменном уровне во многих термопарах используются компенсирующие резисторы. Резистор находится в том же месте, что и холодный спай, так что температура воздействует на спай и резистор одновременно.

Цепь термопары с компенсирующим резистором

Рабочий спай термопары (горячий)

Рабочий спай — это спай, который подвержен воздействию технологического процесса, чья температура измеряется. Ввиду того, что напряжение, генерируемое термопарой прямо пропорционально ее температуре, то при нагревании рабочего спая, он генерирует больше напряжения, а при охлаждении — меньше.

Рабочий спай и холодный спай

Типы термопары

Термопары конструируются с учетом диапазона измеряемых температур и могут изготавливаться из комбинаций различных металлов. Комбинация используемых металлов определяет диапазон температур, измеряемых термопарой. По этой причине была разработана маркировка с помощью букв для обозначения различных типов термопар. Каждому типу присвоено соответствующее буквенное обозначение, и это буквенное обозначение указывает на комбинацию используемых металлов в данной термопаре.

Типы термопар и диапазон их температур

Когда термопара подключается к электрической цепи, то она не будет работать нормально пока не будет соблюдена полярность при подключении. Плюсовые провода должны быть соединены вместе и подсоединены к плюсовому выводу цепи, а минусовые к минусовому. Если провода перепутать, то рабочий спай и холодный спай не будут в противофазе и показания температуры будут неточными. Одним из способов определения полярности проводов термопары -это определение по цвету изоляции на проводах. Помните, что минусовой провод во всех термопарах — красный.

Цвет изоляции проводов термопар

Во многих случаях приходится использовать провода для удлинения протяженности цепи термопары. Цвет изоляции соединительных проводов также несет в себе информацию. Цвет внешней изоляции соединительных проводов — разный, в зависимости от производителя, однако цвет первичной изоляции проводов обычно соответствует кодировке, указанной в таблице выше.

Неисправности термопары

Если термопара выдает неточные показания температуры, и было проверено, что нет ослабленных соединений, то причина может крыться либо в регистрирующем приборе, либо в самой термопаре, первым обычно проверяется регистрирующий прибор, так как приборы чаще выходят из строя, чем термопары.

Более того, если прибор показывает хоть какие-нибудь показания, пусть даже неточные, то, скорей всего, дело не в термопаре. Если термопара неисправна, то обычно она не выдает вообще никакого напряжения, и прибор не будет выдавать никаких показаний. Если показаний на приборе нет совсем, то вероятно дело в термопаре.

Если Вы подозреваете, что термопара вышла из строя, то проверьте ее сигнал на выходе с помощью прибора, который называется милливольтный потенциометр, который используется для измерения малых величин напряжения.

Потенциометр

принцип работы, устройство, типы и виды, проверка работы

Термопара – это устройство для измерения температур во всех отраслях науки и техники. Данная статья представляет общий обзор термопар с разбором конструкции и принципом действия устройства. Описаны разновидности термопар с их краткой характеристикой, а также дана оценка термопары как измерительного прибора.

Устройство термопары

Принцип работы термопары.

Эффект Зеебека

Работа термопары обусловлена возникновением термоэлектрического эффекта, открытым немецким физиком Томасом Зеебеком (Tomas Seebeck) в 1821 г.

Явление основано на возникновении электричества в замкнутом электрическом контуре при воздействии определенной температуры окружающей среды. Электрический ток возникает при наличии разницы температур между двумя проводниками (термоэлектродами) различного состава (разнородных металлов или сплавов) и поддерживается сохранением места их контактов (спаев). Устройство выводит на экран подсоединенного вторичного прибора значение измеряемой температуры.

Выдаваемое напряжение и температура находятся в линейной зависимости. Это означает, что увеличение измеряемой температуры приводит к большему значению милливольт на свободных концах термопары.

Находящийся в точке измерения температуры спай называется «горячим», а место подключения проводов к преобразователю — «холодным».

Компенсация температуры холодного спая (КХС)

Компенсация холодного спая (КХС) – это компенсация, вносимая в виде поправки в итоговые показания при измерении температуры в точке подсоединения свободных концов термопары. Это связано с расхождениями между реальной температурой холодных концов с вычисленными показаниями градуировочной таблицы для температуры холодного спая при 0°С.

КХС является дифференциальным способом, при котором показания абсолютной температуры находятся из известного значения температуры холодного спая (другое название эталонный спай).

Конструкция термопары

При конструировании термопары учитывают влияние таких факторов, как «агрессивность» внешний среды, агрегатное состояние вещества, диапазон измеряемых температур и другие.

Особенности конструкции термопар:

1) Спаи проводников соединяются между собой скруткой или скруткой с дальнейшей электродуговой сваркой (редко пайкой).

ВАЖНО: Не рекомендуется использовать способ скручивания из-за быстрой потери свойств спая.

2) Термоэлектроды должны быть электрически изолированы по всей длине, кроме точки соприкосновения.

3) Способ изоляции подбирается с учетом верхнего температурного предела.

  • До 100-120°С – любая изоляция;
  • До 1300°С – фарфоровые трубки или бусы;
  • До 1950°С – трубки из Al2O3;
  • Свыше 2000°С – трубки из MgO, BeO, ThO2, ZrO2.

4) Защитный чехол.

Материал должен быть термически и химически стойким, с хорошей теплопроводностью (металл, керамика). Использование чехла предотвращает коррозию в определенных средах.

Удлиняющие (компенсационные) провода

Данный вид проводов необходим для удлинения концов термопары до вторичного прибора или барьера. Провода не используются в случае наличия у термопары встроенного преобразователя с унифицированным выходным сигналом. Наиболее широкое применение получил нормирующий преобразователь, размещенный в стандартной клеммной головке датчика с унифицированным сигналом 4-20мА, так называемая «таблетка».

Материал проводов может совпадать с материалом термоэлектродов, но чаще всего заменяется на более дешевый с учетом условий, предотвращающих образования паразитных (наведенных) термо-ЭДС. Применение удлиняющих проводов также позволяет оптимизировать производство.

Лайфхак! Для правильного определения полярности компенсационных проводов и их подключения к термопаре запомните мнемоническое правило ММ — минус магнитится. То есть берём любой магнит и минус у компенсации будет магнитится, в отличии от плюса.

Типы и виды термопар

Многообразие термопар объясняется различными сочетаниями используемых сплавов металлов. Подбор термопары осуществляется в зависимости от отрасли производства и необходимого температурного диапазона.

Термопара хромель-алюмель (ТХА)

Положительный электрод: сплав хромель (90% Ni, 10% Cr).
Отрицательный электрод: сплав алюмель (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).

Изоляционный материал: фарфор, кварц, окиси металлов и т.д.

Диапазон температур от -200°С до 1300°С кратковременного и 1100°С длительного нагрева.

Рабочая среда: инертная, окислительная (O2=2-3% или полностью исключено), сухой водород, кратковременный вакуум. В восстановительной или окислительно-восстановительной атмосфере в присутствии защитного чехла.

Недостатки: легкость в деформировании, обратимая нестабильность термо-ЭДС.

Возможны случаи коррозии и охрупчивания алюмеля в присутствии следов серы в атмосфере и хромеля в слабоокислительной атмосфере («зеленая глинь»).

Термопара хромель-копель (ТХК)

Положительный электрод: сплав хромель (90% Ni, 10% Cr).
Отрицательный электрод: сплав копель (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).

Диапазон температур от -253°С до 800°С длительного и 1100°С кратковременного нагрева.

Рабочая среда: инертная и окислительная, кратковременный вакуум.

Недостатки: деформирование термоэлектрода.

Возможно испарение хрома при длительном вакууме; реагирование с атмосферой, содержащей серу, хром, фтор.

Термопара железо-константан (ТЖК)

Положительный электрод: технически чистое железо (малоуглеродистая сталь).
Отрицательный электрод: сплав константан (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).

Используется для проведения измерений в восстановительных, инертных средах и вакууме. Температура от -203°С до 750°С длительного и 1100°С кратковременного нагрева.

Применение складывается на совместном измерении положительных и отрицательных температур. Невыгодно использовать только для отрицательных температур.

Недостатки: деформирование термоэлектрода, низкая коррозийная стойкость.

Изменение физико-химических свойств железа около 700°С и 900 °С. Взаимодействует с серой и водными парами с образованием коррозии.

Термопара вольфрам-рений (ТВР)

Положительный электрод: сплавы ВР5 (95% W, 5% Rh)/ВАР5 (BP5 с кремнещелочной и алюминиевой присадкой)/ВР10 (90% W, 10% Rh).
Отрицательный электрод: сплавы ВР20 (80% W, 20% Rh).

Изоляция: керамика из химически чистых окислов металлов.

Отмечается механическая прочность, термостойкость, малая чувствительность к загрязнениям, легкость изготовления.

Измерение температур от 1800°С до 3000°С, нижний предел – 1300°С. Измерения проводятся в среде инертного газа, сухого водорода или вакуума. В окислительных средах только для измерения в быстротекущих процессах.

Недостатки: плохая воспроизводимость термо-ЭДС, ее нестабильность при облучении, непостоянная чувствительность в температурном диапазоне.

Термопара вольфрам-молибден (ВМ)

Положительный электрод: вольфрам (технически чистый).
Отрицательный электрод: молибден (технически чистый).

Изоляция: глиноземистая керамика, защита кварцевыми наконечниками.

Инертная, водородная или вакуумная среда. Возможно проведение кратковременных измерений в окислительных средах в присутствии изоляции. Диапазон измеряемых температур составляет 1400-1800°С, предельная рабочая температура порядка 2400°С.

Недостатки: плохая воспроизводимость и чувствительность термо-ЭДС, инверсия полярности, охрупчивание при высоких температурах.

Термопары платинородий-платина (ТПП)

Положительный электрод: платинородий (Pt c 10% или 13% Rh).
Отрицательный электрод: платина.

Изоляция: кварц, фарфор (обычный и огнеупорный). До 1400°С — керамика с повышенным содержанием Al2O3, свыше 1400°С — керамику из химически чистого Al2O3.

Предельная рабочая температура 1400°С длительно, 1600°С кратковременно. Измерение низких температур обычно не производят.

Рабочая среда: окислительная и инертная, восстановительная в присутствии защиты.

Недостатки: высокая стоимость, нестабильность при облучении, высокая чувствительность к загрязнениям (особенно платиновый электрод), рост зерен металла при высоких температурах.

Термопары платинородий-платинородий (ТПР)

Положительный электрод: сплав Pt c 30% Rh.
Отрицательный электрод: сплав Pt c 6% Rh.

Среда: окислительная, нейтральная и вакуум. Использование в восстановительных и содержащих пары металлов или неметаллов средах в присутствии защиты.

Максимальная рабочая температура 1600°С длительно, 1800°С кратковременно.

Изоляция: керамика из Al2O3 высокой чистоты.

Менее подвержены химическим загрязнениям и росту зерна, чем термопара платинородий-платина.

Схема подключения термопары

  • Подключение потенциометра или гальванометра непосредственно к проводникам.
  • Подключение с помощью компенсационных проводов;
  • Подключение обычными медными проводами к термопаре, имеющей унифицированный выход.

Стандарты на цвета проводников термопар

Цветная изоляция проводников помогает отличить термоэлектроды друг от друга для правильного подключения к клеммам. Стандарты отличаются по странам, нет конкретных цветовых обозначений для проводников.

ВАЖНО: Необходимо узнать используемый стандарт на предприятии для предотвращения ошибок.

Точность измерения

Точность зависит от вида термопары, диапазона измеряемых температур, чистоты материала, электрических шумов, коррозии, свойств спая и процесса изготовления.

Термопарам присуждается класс допуска (стандартный или специальный), устанавливающий доверительный интервал измерений.

ВАЖНО: Характеристики на момент изготовления меняются в период эксплуатации.

Быстродействие измерения

Быстродействие обуславливается способностью первичного преобразователя быстро реагировать на скачки температуры и следующим за ними потоком входных сигналов измерительного прибора.

Факторы, увеличивающие быстродействие:

  1. Правильная установка и расчет длины первичного преобразователя;
  2. При использовании преобразователя с защитной гильзой необходимо уменьшить массу узла, подобрав меньший диаметр гильз;
  3. Сведение к минимуму воздушного зазора между первичным преобразователем и защитной гильзой;
  4. Использование подпружиненного первичного преобразователя и заполнения пустот в гильзе теплопроводящим наполнителем;
  5. Быстро движущаяся среда или среда с большей плотностью (жидкость).

Проверка работоспособности термопары

Для проверки работоспособности подключают специальный измерительный прибор (тестер, гальванометр или потенциометр) или измеряют напряжение на выходе милливольтметром. При наличии колебаний стрелки или цифрового индикатора термопара является исправной, в противном случае устройство подлежит замене.

Причины выхода из строя термопары:

  1. Неиспользование защитного экранирующего устройства;
  2. Изменение химического состава электродов;
  3. Окислительные процессы, развивающиеся при высоких температурах;
  4. Поломка контрольно-измерительного прибора и т.д.

Преимущества и недостатки использования термопар

Достоинствами использования данного устройства можно назвать:

  • Большой температурный диапазон измерений;
  • Высокая точность;
  • Простота и надежность.

К недостаткам следует отнести:

  • Осуществление постоянного контроля холодного спая, поверки и калибровки контрольной аппаратуры;
  • Структурные изменения металлов при изготовлении прибора;
  • Зависимость от состава атмосферы, затраты на герметизацию;
  • Погрешность измерений из-за воздействия электромагнитных волн.

Измерение термопара и градуировка термопар

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.

Применение термопар

Температурные сенсоры, работающие по дифференциальному принципу, осуществляют формирование электрического сигнала, который находится в пропорции с разницей температур в двух различных точках.

Поэтому, то место соединения проводников, где измеряется необходимая температура носит название горячего спая, а противоположное место представляет собой холодный спай. Это связано с тем, что температура, которая измеряется, превышает температуру, окружающую измерительный прибор. Сложности измерений заключаются в необходимости измерить температуру в какой-то одной точке, а не в двух разных точках, когда определяется только разница.

Существуют определенные методы, позволяющие измерять температуру с помощью термопары в определенной конкретной точке. В данном случае, нужно исходить из того, что в любом контуре сумма заземлений будет иметь нулевое значение. Кроме того, нужно учитывать тот факт, что при соединении разнородных металлов, напряжение возникает при температуре, превышающей абсолютный ноль.

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.

ООО «СиБ Контролс»

Принцип работы термопар

Если два провода из разнородных металлов соединены друг с другом на одном конце, на другом конце данной конструкции, за счет контактной разницы потенциалов, появляется напряжение (ЭДС), которое зависит от температуры. Иными словами, соединение двух разных металлов ведет себя как гальванический элемент, чувствительный к изменению температуры. Такой вид температурного сенсора называется термопарой:

Данное явление предоставляет нам простой путь для нахождения электрического эквивалента температуры: необходимо просто измерить напряжение и Вы можете определить температуру этого места соединения двух металлов. И это было бы просто, если бы не следующее условие: когда Вы присоедините любой вид измерительного прибора к проводам термопары, то неизбежно сделаете второе место соединения разнородных металлов.

Следующая схема показывает, что железо — медное соединение J1 обязательно дополняется вторым железо — медным соединением J2 противоположной полярности:

Соединение J1 железа и меди (двух разнородных металлов) будет генерировать напряжение, зависящее от измеряемой температуры. Соединение J2, которое фактически необходимо , что мы каким-то образом подключили наши медные входные провода вольтметра к железной проволоке термопары, также соединение разнородных металлов, которое тоже будет генерировать напряжение, зависящее от температуры. Далее необходимо отметить, что полярность соединения J2 противоположна полярности соединения J1 (железный провод положительный; медный — отрицательный). В данное схеме имеется так же третье соединение (J3), но оно не оказавает влияние, потому что это соединение двух идентичных металлов, которое не создает ЭДС. Генерация второго напряжения соединением J2 помогает объяснить, почему вольтметр регистрирует 0 вольт, когда вся система будет при комнатной температуре: любые напряжения созданные точками соединения разнородных металлов будут равны по величине и противоположны по полярности, что и приведет к нулевым показаниям. Только тогда, когда два соединения J1 и J2 находятся при разных температурах, вольтметр зарегистрирует какое-то напряжение.

Мы можем выразить эту связь математически следующим образом:

Vmeter = VJ1 − VJ2

Понятно, что воль только разницу между этими двумя напряжениями, генерируемыми в точках соединения.

Таким образом, термопары – это исключительно дифференциальные температурные сенсоры. Они формируют электрический сигнал, пропорциональный разнице температур между двумя различными точками. Поэтому, место соединения (спай), которое мы используем,чтобы измерить необходимую температуру, называют «горячим» спаем, в то время как другое место соединения (от которого мы никак не можем избежать) называется «холодным» спаем. Такое название произошло от того, что обычно, измеряемая температура выше температуры, в которой находится измерительный прибор. Большая часть сложностей применения термопар связана с именно напряжением «холодного» спая и необходимости иметь дело с этим (нежелательным) потенциалом. Для большинства применений необходимо измерять температуру в одной определённой точке, а не разницу температур между двумя точками, что делает термопара по определению.

Существует несколько методов, чтобы заставить датчик температуры на базе термопары измерять температуру в нужной точке, и они будут рассмотрены ниже.

Студенты и профессионалы очень часто находят общий принцип влияния «холодного» спая и его эффектов невероятно запутанным. Чтобы разобраться в данном вопросе, необходимо вернуться к простому контуру с железо — медными проводами, показанному ранее как «отправная точка», а затем вывести поведение данного контура, применяя первый закон Кирхгоффа: алгебраическая сумма напряжений в любом контуре должна быть равна нулю. Мы знаем, что соединение разнородных металлов создает напряжение, если его температура выше абсолютного нуля. Мы также знаем, что с тем, чтобы сделать полный контур из железного и медного провода, мы должны сформировать второе соединение железа и меди, полярность напряжения этого второго соединения будет обязательно противоположной полярности первого. Если мы обозначим первое соединение железа и меди как J1, а J2 второе, мы абсолютно уверенны в том, что напряжение, измеренное вольтметром в этой схеме, будет VJ1 − VJ2.

Все контуры термопары – независимо от того, простые они или сложные – демонстрируют эту фундаментальную особенность. Необходимо мысленно представить простой контур из двух разнородных металлических проводов и затем, выполняя «мысленный эксперимент», определить, как этот контур будет вести себя в местах соединения при одинаковой температуре и при различных температурах. Это — лучший способ для любого человека понять, как работают термопары.

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.

Физическая основа работы термопары

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

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

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

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

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

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 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.

Виды устройств

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

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

Вам это будет интересно Описание и разновидности вводно-распределительных устройств (ВРУ)

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

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

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

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.

Конструктивные особенности

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

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

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

Вам это будет интересно Принцип работы электронных и механических реле времени

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

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.

Что такое термопара и как она работает? Принцип работы термопары

Термопара состоит как минимум из двух металлов, соединенных вместе, чтобы образовать два спая. Один связан с телом, температуру которого нужно измерить; это горячий или измерительный спай. Другой переход связан с телом известной температуры; это холодный или опорный спай. Поэтому термопара измеряет неизвестную температуру тела по отношению к известной температуре другого тела.

Принцип работы

Принцип работы термопары основан на трех эффектах, открытых Зеебеком, Пельтье и Томсоном. Они следующие:

1) Эффект Зеебека: Эффект Зеебека утверждает, что, когда два разных или непохожих металла соединяются вместе в двух стыках, в этих двух стыках создается электродвижущая сила (ЭДС). Количество генерируемой ЭДС различается для разных комбинаций металлов.

2) Эффект Пельтье: В соответствии с эффектом Пельтье, когда два разнородных металла соединяются вместе, образуя два перехода, в цепи генерируется ЭДС из-за различных температур двух переходов цепи.

3) Эффект Томсона: Согласно эффекту Томсона, когда два разнородных металла соединяются вместе, образуя два соединения, в цепи существует потенциал из-за градиента температуры по всей длине проводников в цепи.

В большинстве случаев ЭДС, предполагаемая эффектом Томсона, очень мала, и ею можно пренебречь, правильно подобрав металлы. Эффект Пельтье играет важную роль в принципе работы термопары.

Диаграммы

Как это работает

Общая схема работы термопары показана на рисунке 1 выше. Он состоит из двух разнородных металлов, A и B. Они соединены вместе, образуя два перехода, p и q, которые поддерживаются при температурах T1 и T2 соответственно. Помните, что термопара не может образоваться, если нет двух спаев. Поскольку два перехода поддерживаются при разных температурах, в цепи генерируется ЭДС Пельтье, которая является функцией температур двух переходов.

Если температура обоих переходов одинакова, на обоих переходах будет генерироваться равная и противоположная ЭДС, а общий ток, протекающий через переход, равен нулю. Если поддерживать различные температуры в переходах, ЭДС не станет равной нулю и по цепи будет протекать чистый ток. Полная ЭДС, протекающая через этот контур, зависит от металлов, используемых в контуре, а также от температуры двух переходов. Полная ЭДС или ток, протекающий по цепи, можно легко измерить с помощью подходящего устройства.

Устройство для измерения тока или ЭДС включается в цепь термопары. Он измеряет количество ЭДС, протекающей через цепь из-за двух стыков двух разнородных металлов, поддерживаемых при разных температурах. На рисунке 2 показаны два спая термопары и устройство, используемое для измерения ЭДС (потенциометр).

Теперь температура эталонных спаев уже известна, а температура измерительного спая неизвестна.Выходной сигнал цепи термопары калибруется непосредственно по неизвестной температуре. Таким образом, выходное напряжение или ток, полученный от цепи термопары, напрямую дает значение неизвестной температуры.

Приборы для измерения ЭДС

Величина ЭДС, возникающая в цепи термопары, очень мала, обычно в милливольтах, поэтому для измерения ЭДС, генерируемой в цепи термопары, следует использовать высокочувствительные приборы. Обычно используются два устройства: обычный гальванометр и потенциометр для выравнивания напряжения.Из них чаще всего используется балансирующий потенциометр вручную или автоматически.

На рис. 2 показан потенциометр, подключенный к цепи термопары. Переход p соединяется с телом, температуру которого необходимо измерить. Спай q является эталонным спаем, температуру которого можно измерить термометром. В некоторых случаях эталонные спаи также можно поддерживать при температуре льда, подключив их к ледяной бане (см. Рисунок 3). Это устройство может быть откалибровано по температуре на входе, так что его шкала может давать значение непосредственно в терминах температуры.

Номер ссылки

Книга: Механические измерения Томаса Г. Беквита и Н. Льюиса Бака

Изображение предоставлено

  1. Книга: Механические измерения Томаса Г. Беквита и Н. Льюиса Бака

  2. https://www.tpub.com/content/doe/h2013v1/css/h2013v1_24.htm

Этот пост из серии: Что такое термопары? Как работают термопары?

Это серия статей, описывающих, что такое термопары, как работают термопары, материалы, используемые для термопар, а также различные формы и формы термопар.

  1. Что такое термопара и как она работает?
  2. Материалы, используемые для термопар и их формы

Принцип работы термопары - КИП

ТЕРМОПАРЫ

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

P Принцип работы

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

На рисунке справа показана простая схема термопары.

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

Однако основная проблема при измерении температуры термопарой заключается в том, что провода A и B должны подключаться к выводам вольтметра, которые обычно сделаны из меди.Если ни провод A, ни провод B сами по себе не являются медными, подключение к DVM создает еще два термоперехода ! (Металлы термопар обычно не такие, как у проводов DVM.) Эти дополнительные термопары также создают напряжение термопары, которое может создать ошибку при попытке измерить напряжение с чувствительного перехода.

Как можно решить эту проблему?

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

Эта модифицированная схема анализируется следующим образом:

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

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

Материалы термопары

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

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

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

Характеристики типов термопар

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

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

Каждая калибровка имеет свой диапазон температур и среду, хотя максимальная температура зависит от диаметра провода, используемого в термопаре.Различия в составе сплава и состоянии стыка между проволоками являются источниками погрешности измерения температуры. Стандартная погрешность провода термопары варьируется от ± 0,8 ° C до ± 4,4 ° C, в зависимости от типа используемой термопары. Термопара типа K рекомендуется для большинства приложений общего назначения. Он предлагает широкий диапазон температур, низкую стандартную ошибку и хорошую коррозионную стойкость. Фактически, многие цифровые мультиметры (DMM) могут измерять температуру, вставляя термопару типа K со стандартными соединениями.

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

Выбор типа термопары

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

При выборе термопары используются следующие критерии:

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

Стандартные технические условия

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

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

Оболочки: Нержавеющая сталь 304 и инконель являются стандартными.

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

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

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

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

Соединения термопар:

Доступны зонды с термопарами в оболочке с одним из трех типов спая: заземленный, незаземленный или открытый.

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

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

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

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

T Законы для гермопар

Первые несколько обозначений :

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

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

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

V1-2 = V1-R - V2-R

Условные обозначения :

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

По соглашению, таблицы термопар построены так, что на более высокая температура дает более высокое напряжение термопары .

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

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

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

К термопарам применяются три закона или правила:

  • Закон промежуточных металлов

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

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

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

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

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

Аналогично, металл C можно вставить в любое другое место в цепи без какого-либо влияния на выходное напряжение, при условии, что два новых перехода имеют одинаковую температуру. Например, рассмотрим следующую модифицированную схему:

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

  • Закон промежуточных температур

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

Математическая формулировка закона промежуточных температур:

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

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

Согласно принятой здесь системе обозначений,

V1-3 = V1-R - V3-R,

, которое можно записать как

V1-3 = (V1-R - V2-R) + (V2-R - V3-R)

Но поскольку (тоже по определению)

V1-2 = V1-R - V2-R и

V2-3 = V2-R - V3-R,

непосредственно следует, что

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

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

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

Математически закон аддитивных напряжений можно сформулировать как:

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

Или, переставив по напряжению разности ,

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

Термобатарея

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

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

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

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

Также читайте: Основы термопар и датчиков RTD

Что такое термопара? - Определение, принцип работы, конструкция, преимущества и недостатки

Определение: Термопара - это устройство для измерения температуры. Он используется для измерения температуры в одной конкретной точке. Другими словами, это тип датчика, который используется для измерения температуры в виде электрического тока или ЭДС.

Термопара состоит из двух проволок из разных металлов, сваренных на концах. Сваренная часть создавала стык, где обычно измеряли температуру. Изменение температуры провода вызывает появление напряжения.

Принцип работы термопары

Принцип работы термопары зависит от трех эффектов.

Эффект обратной связи - Эффект обратной связи возникает между двумя разными металлами.Когда тепло поступает к любому из металлов, электроны начинают переходить от горячего металла к холодному. Таким образом, в цепи возникает постоянный ток.

Короче говоря, - это явление, при котором разница температур между двумя разными металлами вызывает разность потенциалов между ними . Эффект Зее-Бека производит небольшие напряжения на один градус температуры.

Эффект Пельтье - Эффект Пельтье является обратным эффекту Зеебека.Эффект Пельтье утверждает, что разница температур может быть создана между любыми двумя разными проводниками путем приложения разности потенциалов между ними.

Эффект Томпсона - Эффект Томпсона утверждает, что , когда два разнородных металла соединяются вместе и если они создают два соединения, то напряжение индуцирует всю длину проводника из-за градиента температуры . Температурный градиент - это физический термин, который показывает направление и скорость изменения температуры в определенном месте.

Конструкция термопары

Термопара состоит из двух разнородных металлов. Эти металлы свариваются в месте соединения. Это соединение считается точкой измерения. Точки соединения подразделяются на три типа.

  1. Незаземленный переход - В незаземленном переходе проводники полностью изолированы от защитной оболочки . Используется для работ с высоким давлением. Основное преимущество использования такого типа перехода заключается в том, что он снижает влияние паразитного магнитного поля.
  2. Заземленный переход - В таком переходе металл и защитная оболочка свариваются друг с другом. Заземленный переход используется для измерения температуры в агрессивной среде. Этот переход обеспечивает устойчивость к шуму.
  3. Открытый переход - Такой тип соединения используется там, где требуется быстрое срабатывание. Открытый спай используется для измерения температуры газа.

Материал, из которого изготовлена ​​термопара, зависит от диапазона измерения температуры.

Работа термопары

Схема термопары показана на рисунке ниже. Схема состоит из двух разнородных металлов. Эти металлы соединены вместе таким образом, что образуют два соединения. Металлы прикрепляются к стыку посредством сварки.

Пусть P и Q - два спая термопар. T 1 и T 2 - это температуры на стыках. Поскольку температуры спаев отличаются друг от друга, в цепи генерируется ЭДС.

Если температура на стыке становится одинаковой, в цепи генерируется равная и противоположная ЭДС, и через нее протекает нулевой ток. Если температуры перехода становятся неравными, в цепи возникает разность потенциалов. Величина индукции ЭДС в цепи зависит от типа материала, из которого изготовлена ​​термопара. Полный ток, протекающий по цепи, измеряется измерительными приборами.

ЭДС, наводимая в цепи термопары, определяется уравнением где Δθ - разница температур между горячим спаем термопары и эталонным спаем термопары.
а, б - константы

Измерение выхода термопары

Выходная ЭДС, полученная от термопар, может быть измерена следующими методами.

  1. Мультиметр - это более простой метод измерения выходной ЭДС термопары. Мультиметр подключается к холодным спаям термопары . Прогиб стрелки мультиметра равен току, протекающему через счетчик.
  2. Потенциометр - Выход термопары также можно измерить с помощью потенциометра постоянного тока.
  3. Усилитель с устройствами вывода - Выходной сигнал, получаемый от термопар, усиливается через усилитель и затем подается на регистрирующий или показывающий прибор.

Преимущества термопары

Ниже приведены преимущества термопар.

  1. Термопара дешевле других устройств измерения температуры.
  2. Термопара имеет быстрое время отклика.
  3. Имеет широкий температурный диапазон.

Недостатки термопар

  1. Термопара имеет низкую точность.
  2. Повторная калибровка термопары затруднена.

Никелевый сплав, сплав платины и родия, сплав вольфрама и рения, хромель-золото, сплав железа - это названия сплавов, используемых для изготовления термопары.

Как работают термопары? Принципы работы термопар

Когда два провода, состоящие из разнородных металлов, соединяются с обоих концов и один из концов нагревается, в термоэлектрической цепи протекает постоянный ток.Если эта цепь разорвана в центре, чистое напряжение холостого хода (напряжение Зеебека) является функцией температуры перехода и состава двух металлов. Это означает, что когда соединение двух металлов нагревается или охлаждается, создается напряжение, которое может быть обратно соотнесено с температурой.

Работа со временем отклика

Постоянная времени определяется как время, необходимое датчику для достижения 63,2% ступенчатого изменения температуры при заданном наборе условий.Чтобы датчик приблизился к 100% значения ступенчатого изменения, требуется пять постоянных времени. Термопара с открытым спаем обеспечивает самый быстрый отклик. Кроме того, чем меньше диаметр оболочки зонда, тем быстрее отклик, но максимальная температура может быть ниже. Однако имейте в виду, что иногда оболочка зонда не может выдержать полный температурный диапазон типа термопары. Узнайте больше о времени отклика термопары.

В чем разница: термопары, RTD, термисторы и инфракрасные устройства?

Чтобы выбирать между датчиками, указанными выше, вы должны учитывать характеристики и стоимость различных датчиков, а также доступное оборудование.Кроме того, термопары, как правило, могут измерять температуру в широком диапазоне температур, недорого и очень надежны, но они не так точны и стабильны, как термометры сопротивления и термисторы. RTD стабильны и имеют довольно широкий диапазон температур, но они не такие прочные и недорогие, как термопары. Поскольку для проведения измерений требуется использование электрического тока, RTD могут иметь неточности из-за самонагрева. Термисторы обычно более точны, чем RTD или термопары, но они имеют гораздо более ограниченный диапазон температур.Также они подвержены самонагреву. Инфракрасные датчики можно использовать для измерения температур выше, чем у других устройств, и делать это без прямого контакта с измеряемыми поверхностями. Однако они, как правило, не так точны и чувствительны к эффективности излучения поверхности (или, точнее, коэффициенту излучения поверхности). Используя оптоволоконные кабели, они могут измерять поверхности, которые находятся вне прямой видимости.

Техническое обучение Техническое обучение Принцип работы термопары

- ваше руководство по электрике

Привет друзья,

В этой статье я собираюсь обсудить принцип работы термопары , ее типы и свойства.

Термопары - это датчики температуры, которые широко используются для измерения изменений температуры. Они определяют температуру, и после ее измерения температура дополнительно измеряется другими приборами.

Поскольку они преобразуют неэлектрическую величину (температуру) в напряжение (электрическую величину), они также являются преобразователями. Поскольку для работы им не требуется внешний источник питания, они являются активными преобразователями.

Принцип работы термопары основан на эффекте Зеебака.Этот эффект заключается в том, что когда замкнутая цепь образуется путем соединения двух разнородных металлов в двух соединениях, и соединения поддерживаются при разных температурах, в этой замкнутой цепи индуцируется электродвижущая сила (ЭДС).

Величина наведенной э.д.с. различна для разных комбинаций металлов и пропорциональна разности температур спаев. Это основной принцип работы термопары.

Типовая принципиальная схема термопары показана на рисунке.На рисунке два разнородных металла «A» и «B» соединены в двух местах соединения «P» и «Q». Здесь «P» -пай - это измерительный спай или горячий спай, тогда как переход «Q» - это опорный спай или холодный спай. И прибор PMMC подключается по этой схеме, как показано на рисунке.

Когда эти спаи поддерживаются при разных температурах, обычно холодный спай поддерживается при 0 o ° C, а измерительный спай поддерживается при неизвестной температуре, которую мы хотим измерить (т. е.е. температура соединения повышается за счет его нагрева). Э.д.с. будет образовываться в этой цепи из-за разницы температур спаев.

Этот э.д.с. порядка милливольт. И э.д.с. можно измерить с помощью прибора PMMC, подключив его в схему, как показано на рисунке.

Когда оба спая имеют одинаковую температуру, э.д.с. генерируемые на обоих стыках будут одинаковыми. По цепи не будет протекать ток. И прогиба счетчика не будет.

Когда оба перехода имеют разную температуру, через счетчик будет течь ток. И измеритель покажет отклонение. Поскольку сгенерированная э.д.с. пропорциональна разнице температур, величина протекающего тока также будет пропорциональна разнице температур. Таким образом, измеритель можно откалибровать непосредственно по температуре.

Эталонный или холодный спай обычно подключается к измерительному прибору и поддерживается при 0 o C.Для точного измерения температуры температура холодного спая должна оставаться постоянной или должна обеспечиваться соответствующая компенсация в случае ее изменения. Для уменьшения погрешности, большинство термоэлементов теперь устанавливаются с помощью приборов, которые обеспечивают автоматическую эталонную компенсацию.

Таким образом, термопара используется для измерения температуры. Поскольку он преобразует неэлектрическую величину (температуру) в электрическую величину (ЭДС), он также может использоваться в качестве преобразователя. Поскольку для работы не требуется источник питания, это вторичный преобразователь.

Они используются для измерения температуры до 1400 o C. Существуют различные комбинации металлов, которые используются в термопарах. Различные комбинации создают разные ЭДС.

Металлы для изготовления термопары следует выбирать так, чтобы можно было получить линейную зависимость между изменением температуры и генерируемой ЭДС.

Выбор металла также зависит от диапазона измеряемых температур и от характера атмосферы, в которой будет использоваться термопара.

Э.д.с. сгенерированный в термопаре, определяется как:

E = a (∆θ) + b (∆θ) 2

∆θ = разница температур между двумя спаями (в o C)
a, b = константы

как правило, «a» очень велико по сравнению с «b», поэтому «b» можно не учитывать. Следовательно, приведенное выше выражение можно приблизительно представить следующим образом:

E = a (∆θ)

∆θ = E / a

Как правило, они не устанавливаются напрямую в трубопроводы или оборудование.Обычно их устанавливают в защитных колодцах, чтобы их можно было легко заменить или снять без остановки установки.

С введением защитных колодцев срабатывание термопары значительно замедляется. Если быстрое срабатывание является основным требованием, следует использовать термопары в голой или тонкой оболочке.

Типы термопар

T - Тип термопары

Положительный провод - Cu
Отрицательный провод - Constantan

Может использоваться при температурах до 350 o C.Это очень стабильно и недорого. Обычно он используется для очень низких температур.

E - Тип термопары

Положительный провод - Chromel
Отрицательный провод - Constantan

Может использоваться до 850 o C. Это наиболее чувствительная термопара. Он генерирует высокое выходное напряжение.

J - Тип термопары

Положительный провод - железо
Отрицательный провод - Constantan

Его можно использовать при температуре до 1000 o C. Это очень распространенный тип термопары.Стабильность высокая.

K - Тип термопары

Положительный провод - Chromel
Отрицательный провод - Alumel

Может использоваться до 1200 o C. Это широко используемый тип термопары. Это более дешевый тип по сравнению с другими типами.

S - Тип термопары

Положительный провод - Платина 10% Родий
Отрицательный провод - Платина

Может использоваться до 1400 o C. Он имеет очень высокую точность, поэтому используется для очень высоких требований к точности.

Ток будет течь от провода с маркировкой «+ ve» к проводу с маркировкой «ve». В термопарах отрицательный вывод обычно представляет собой красный провод . Цвет положительного вывода будет соответствовать его типу.

Преимущества:

  • Они отслеживают изменения температуры с небольшой задержкой во времени. Таким образом, его можно использовать в приложениях, где происходят очень быстрые изменения температуры. Он очень быстро реагирует на эти изменения.
  • Они очень удобны для измерения температуры в одной конкретной точке любого устройства или установки.

Недостатки:

  • У них очень низкая точность. Поэтому их нельзя использовать для измерения с очень высокой точностью.
  • Они должны защищать от загрязнения, чтобы обеспечить долгий срок службы.
  • Они размещены на очень большом расстоянии от измерительного прибора. Это увеличивает ошибки в результате.


Спасибо, что прочитали о «принципе работы термопары».

Приборы | Все сообщения

© www.yourelectricalguide.com/ принцип работы термопары.

Термопара: что это? (Типы и как это работает)

Что такое термопара?

Термопара определяется как тепловой спай, который функционирует на основе явления термоэлектрического эффекта, то есть прямого преобразования разности температур в электрическое напряжение. Это электрическое устройство или датчик, используемый для измерения температуры.

Термопара может измерять широкий диапазон температур. Это простой, надежный и экономичный датчик температуры, который используется в различных промышленных применениях, дома, в офисе и в коммерческих целях.

В 1821 году немецкий физик Томас Иоганн Зеебек обнаружил, что магнитное поле создается, когда два разных металла соединяются одним концом и создают разницу температур между двумя концами.

Он заметил, что из-за магнитного поля напряжение индуцируется термоэлектрическим эффектом. Однако это напряжение очень мало (в мВ) и зависит от типа металла, используемого в термопаре.

В зависимости от области применения термопары могут иметь различные конфигурации, включая зонды термопар, зонды с разъемами, инфракрасные термопары, термопары с базовым проводом и просто провод для термопар.

Как работает термопара?

Термопара состоит из двух пластин из разных металлов. Обе пластины соединяются одним концом и образуют стык.

Соединение размещается на элементе или поверхности, на которой мы хотим измерить температуру. Этот переход известен как горячий спай. А второй конец пластины держат при более низкой температуре (комнатной). Этот спай известен как холодный спай или опорный спай.

Работа термопары

Согласно эффекту Зеебека, разница температур между двумя разными металлами вызывает разность потенциалов между двумя точками пластин термопары.

Если цепь замкнута, через нее будет протекать очень небольшой ток. В цепь включен вольтметр. Напряжение, измеренное вольтметром, является функцией разницы температур между двумя переходами.

Следовательно, измеряя напряжение, мы можем рассчитать температуру горячего спая.

Как измерение температуры достигается с помощью термопары, подробно описано в видео ниже:

Типы термопар

В зависимости от различных типов комбинаций сплавов, термопары доступны в различных типах.Тип термопары выбирается в зависимости от области применения, стоимости, доступности, стабильности, химических свойств, мощности и диапазона температур.

Здесь мы обсудим различные типы термопар с их характеристиками.

Термопара типа K

Термопара типа K является наиболее распространенным типом термопар и имеет самый широкий диапазон измерения температуры.

Положительный вывод термопары типа K состоит примерно из 90% никеля и 10% хрома.Отрицательный вывод состоит примерно из 95% никеля, 2% алюминия, 2% марганца и 1% кремния.

Положительный вывод желтого цвета, это немагнитный материал. Отрицательный вывод красного цвета, это магнитный материал. И куртка желтого цвета.

Температурный диапазон термопары типа K составляет от -200 ° C до + 1260 ° C (от -328 F до +2300 F). Он недорогой и широко используется в приложениях общего назначения, где температурная чувствительность требует приблизительно 41 мкВ / ˚C.

Точность термопары типа K составляет ± 2,2 C% (0,75%). Точность термопары также зависит от отклонения в сплавах.

Термопара типа K лучше всего работает в чистой окислительной атмосфере. Не рекомендуется использовать в условиях частичного окисления в вакууме.

Термопара типа T

Термопара этого типа подходит для измерения низких температур. Положительный вывод состоит из меди, а отрицательный - из константана (45% никеля и 55% меди).

Чувствительность термопары типа T составляет 43 мкВ / ° C. Эта термопара подходит для работы в окислительной атмосфере. Температурный диапазон этой термопары составляет от -200 ° C до 350 ° C.

Термопара типа J

Термопары этого типа являются недорогими и наиболее часто используемыми термопарами. Положительный вывод изготовлен из железа, а отрицательный - из константана (45% никеля и 55% меди).

Положительный вывод окрашен в белый цвет, а отрицательный вывод - в красный.А общая куртка окрашена в черный цвет.

Температурный диапазон термопары типа J составляет от -210˚C ​​до 750˚C (от -346F до 1400F). Этот тип термопары имеет меньший температурный диапазон и короткий срок службы по сравнению с термопарой типа K. Но этот тип термопары хорошо подходит для окислительной атмосферы.

Точность термопары этого типа составляет ± 2,2 ° C (0,75%). Этот тип термопары не рекомендуется для работы с более низкими температурами. А чувствительность термопары этого типа составляет примерно 50 мкВ / ˚C.

Термопара типа E

Этот тип термопары имеет более высокую точность и более сильный сигнал, чем термопары типов K и J, в умеренных диапазонах температур. И это более стабильный тип термопары, чем тип K. Термопара типа E производит самую высокую ЭДС на градус, чем другие типы термопар.

Положительный вывод состоит из никель-хрома (90% никеля и 10% хрома), а отрицательный вывод состоит из константана (95% никеля, 2% алюминия, 2% марганца и 1% кремния).Положительный вывод окрашен в фиолетовый цвет, а отрицательный - в красный.

Температурный диапазон термопары этого типа составляет от -270˚C до 870˚C (от 454 до 1600F). Стандартная точность составляет ± 1,7 ° C%.

Этот тип термопары используется там, где требуется высокая точность и быстрый отклик. Он не используется в условиях вакуума или низкого содержания кислорода, а также в серной среде. Стоимость термопары типа E больше, чем у термопар типа J и K.

Термопара типа N

Термопара

типа N разработана Организацией оборонной науки и технологий Австралии (DSTO), автор Ноэль А.Берли. Точность и температурные пределы термопары типа N такие же, как у термопары типа K.

Температурный диапазон термопары типа N составляет от -270 ° C до 1300 ° C. Чувствительность немного ниже, чем у термопары типа K, и составляет 39 мкВ / ˚C.

Термопара типа N состоит из никросила и низила. Где Nicrosil - это комбинация никеля, хрома и кремния. И сделал положительный провод. Nisil представляет собой комбинацию никеля и кремния. И сделал минусовой провод.

Эта термопара - лучшая альтернатива термопаре типа K для условий с низким содержанием кислорода. Этот тип термопары подходит для использования в вакууме, окислительной атмосфере, инертной атмосфере или сухой атмосфере.

Термопары типа S

Термопары типа S используются для более высоких температур. Из-за высокой точности и стабильности иногда используется также при низких температурах.

Температурный диапазон термопары типа S составляет от 630 ° C до 1064 ° C.Положительный провод состоит из 90% платины, 10% родия, а отрицательный светодиод состоит из платины.

Обычно этот тип термопары используется в фармацевтической и биотехнологической промышленности, где необходимо измерять высокую температуру с высокой точностью.

Термопара типа R

Термопара типа R также состоит из платины и родия. Но выходной диапазон и стабильность термопары типа R немного больше, чем у термопары типа S.

Термопара с положительным выводом pf типа R состоит из 87% платины и 13% родия. А отрицательный вывод состоит из платины. Температурный диапазон этой термопары составляет от 0 ° C до 1600 ° C.

Термопары типа B

Термопары типа B также состоят из комбинации платины и родия. Положительный вывод термопары состоит из 70% платины и 30% родия. А отрицательный свинец состоит из 94% платины и 6% родия.

Термопара типа B используется для измерения температуры до 1800 ° C.Но выходная мощность этой термопары ниже по сравнению с термопарами типа R и S.

Как узнать, что у вас плохая термопара?

Чтобы понять, когда у нас плохая термопара, мы сначала должны понять принцип работы хорошей термопары (той, которая работает)

Термопара работает за счет термоэлектрического эффекта, то есть прямого преобразования разницы температур в электрическое напряжение. Когда зонды термопары помещаются на поверхность, температуру которой мы хотим измерить, зонды имеют немного разные температуры.

Из-за этой разницы температур возникает ЭДС. И эта ЭДС пропорциональна температуре.

Вы можете измерить генерируемую ЭДС с помощью милливольтметра. Милливольтметр присоединен к обоим зондам термопары.

Теперь, если вы увеличите температуру, генерируемая ЭДС также должна увеличиться.

То есть, если показание ЭДС не зависит от температуры, значит, термопара неисправна / работает неправильно.

Перед использованием термопары у вас должна быть справочная таблица термопары, которую вы используете.В таблице данных вы можете найти таблицу температуры и соответствующей ЭДС.

RTD против термопары

RTD (датчики термометра сопротивления) и термопара - оба устройства используются для измерения температуры. И трудно сделать вывод, что лучше для общих характеристик датчика температуры.

Но если вы укажете некоторые параметры производительности, такие как стоимость, диапазон температур, жесткость и скорость измерения, термопара будет иметь лучшие характеристики по сравнению с RTD.

Стоимость термопары намного меньше (почти в 2,5–3 раза) по сравнению с RTD. А еще дешевле стоит установка. RTD предназначен для измерения ограниченного диапазона температур.

Преимущество RTD в том, что он более точен по сравнению с термопарой. И повторяемость измерения больше по сравнению с термопарой. Следовательно, RTD предпочтительнее в приложениях, где требуется наиболее точная температура.

Итак, у обоих устройств есть свои достоинства и недостатки.Термопара имеет широкий диапазон измерений температуры, дешевле и долговечна. С другой стороны, RTD имеет лучшую точность и надежность измерения.

Цветовые коды термопар

Цветовые коды термопар различаются в зависимости от стандартов страны. В таблице ниже мы обсудили цветовую кодировку с различными стандартами.

Цветовые коды термопары

Как долго должна прослужить термопара?

Срок службы термопары зависит от области применения, в которой она используется.Следовательно, мы не можем точно определить срок службы термопары.

При правильном уходе он прослужит несколько лет. Но после нескольких лет непрерывного использования, возможно, появится эффект старения. И из-за этого будет генерировать слабый выходной сигнал.

Стоимость термопары ненамного выше. Следовательно, рекомендуется менять термопару через 2–3 года.

Области применения термопар

Области применения термопар перечислены ниже:

  • Они используются для контроля температуры в сталелитейной и черной металлургии.Для этого типа применения в электродуговой печи используются термопары типов B, S, R и K.
  • Принцип термопары используется для измерения интенсивности падающего излучения (особенно видимого и инфракрасного света). Этот прибор известен как датчик излучения термобатареи.
  • Используется в датчиках температуры в термостатах для измерения температуры в офисе, выставочных залах и домах.
  • Термопара используется для обнаружения пилотного пламени в приборах, которые генерируют тепло из газа, например, в водонагревателе.
  • Для проверки текущей емкости установлен контроль температуры при проверке термостабильности оборудования распределительного устройства.
  • Ряд термопар устанавливается на химическом производстве и на нефтеперерабатывающих заводах для измерения и контроля температуры на разных стадиях завода.

как работают датчики - термопары


1). ТЕРМОПАРЫ


Нажмите, чтобы увидеть ...
2).В преимущества 2-, 3- и 4-проводных измерений pT100.
3). Вступление к измерениям Thermocople.
4). Базовый RTD измерения

Термопара часто используется в качестве чувствительного элемента в тепловом датчике или переключить. Принцип состоит в том, что два разных металла всегда имеют контактный потенциал между ними, и этот контактный потенциал меняется при изменении температуры.

Фиг. 1,1

Контакт потенциал невозможно измерить для одного соединения (или соединения), но когда два соединения находятся в цепи с соединениями в различные температуры, тогда напряжение в несколько милливольт может быть обнаруженным (рис. 1.1). Это напряжение будет нулевым
если стыки имеют одинаковую температуру, и увеличится при изменении температуры одного спая относительно другого пока не будет достигнут пик.

Фиг. 1,2


Рис. 1.2 Термопара характеристика, показывающая типичную кривизну и переход точка, в которой характеристика меняется на противоположную. Несколько комбинаций металлов (таких как медь / серебро) не имеют перехода, но имеют очень низкая производительность.

Форма типичная характеристика представлена ​​на рис.1.2, из которого вы видно, что термопара полезна только в ограниченном диапазоне температуры из-за нелинейной формы характеристики и разворот, который происходит при температурах выше точка оборота.

Выход от термопары мала, порядка милливольт для разница температур 10 ° C, а на рис. 1.3 показан типичный чувствительность и полезный диапазон для множества распространенных типов.Из них медь / константановый тип используется в основном для нижних диапазон температур и платина! родий для более высокие температуры.

Рис. 1.3

Из-за малое выходное напряжение, усиление обычно требуется, если термопара используется для измерения температуры вместе с чувствительный милливиметр.Если выход термопары требуется проехать что-нибудь еще
чем движение метра, то потребуется усиление постоянного тока, с помощью операционного усилителя или прерывателя-усилителя.

Тип используемый усилитель необходимо тщательно выбирать, т.к. необходима хорошая устойчивость к дрейфу, если устройство не будет повторно откалибровано через частые промежутки времени. Это
делает усилитель прерывистого типа предпочтительным для большинства приложений.

Если вкл / выкл требуется коммутационное действие, термопара должна использоваться с контроллером, который использует схему типа триггера Шмитта что также позволяет регулировать смещение так, чтобы температура переключения можно предварительно установить. Обычная схема включает усиление, потому что нижние диапазоны выходов термопар сравнимы с контактные потенциалы (тот же тип эффекта) в усилителе схемы,
и пытаясь использовать очень маленькие входы для переключения неизменно приводит к проблемам гистерезиса и чрезмерной чувствительности.

Одно конкретное Преимущество термопар в том, что сами чувствительные элементы очень маленькие, что позволяет вставлять термопары в очень небольшие помещения и реагировать на быстро меняющиеся температуры. Электрическая природа процесса
означает, что схема для считывания выхода термопары может быть удален от самого датчика. Обратите внимание, что термопара эффекты будут встречаться везде, где встречается один металлический проводник другой, чтобы разница температур по контуру
платы также могут создавать напряжения, сопоставимые с вывод с термопар.

Форма поэтому важна конструкция усилителей для термопар, и необходима некоторая установка нуля.

С благодарность 'Sensors & Transducers',
Руководство для технических специалистов Яна Р. Синклера - ISBN 0-632-02069-5
Заявление о принятии авторских прав.


ПЛАТИНОВЫЙ ДАТЧИКИ СОПРОТИВЛЕНИЯ Pt100

сопротивление потоку электричества в металлических материалах варьируется с температурой.Это может быть полезно для платины. детекторы сопротивления. Платина особенно стабильна как в электрическом отношении. и механически, а также стабильно во времени, производя относительно линейное изменение сопротивления в зависимости от температуры.

Потому что изменение выходного сопротивления к температуре относительно невелико, Отсюда следует, что важны длина проводов и сопротивление. Особенности.Обычно, когда длина выводов короткая или может считаться в качестве приемлемого содержания добавки двухпроводная конфигурация достаточный.

Трехпроводной является наиболее часто используемым и, если не указано иное, поставляется в стандартной комплектации третий провод является компенсатором длины вывода. и при условии, что все три провода имеют одинаковое сопротивление, компенсирует для любых ошибок ZERO или SPAN. (Не для всех мостов).

Четыре провода обеспечивают для высокой точности и рекомендуется для использования с барьерами Зенера.

СОЕДИНЕНИЕ КОНФИГУРАЦИЯ


Платиновые резисторы обычно имеют сопротивление 100 Ом при 0 ° C и 138,51 Ом при 100 ° C. Доступны разные сорта. в зависимости от требуемой точности и может поставляться как дуплекс датчики, два независимых датчика на одном каркасе.

Соответствующий точность трех основных типов спецификаций, BS.EN 60751 Класс A, BS.EN 60751, класс B и 1/10 класс B. Pt100 Platinum Датчики сопротивления показаны в таблице допусков ниже.

Сопротивление при интервале основной гармоники 38,51 Ом Допуски для термометров 100 Ом
Температура Учебный класс A Учебный класс B 1/10 Класс B
° С ° F Номинальный Стоимость ± ° С ± ом ± ° С ± ом ± ° С ± ом
-200 -328 18.52 0,55 0,24 1,3 0,56 0,13 0,06
-100 -148 60.26 0,35 0,14 0,8 0,32 0,08 0,03
0 32 100.00 0,15 0,06 0,3 0,12 0,03 0,01
100 212 138.51 0,35 0,13 0,8 0,30 0,08 0,03
200 392 175.86 0,55 0,20 1,3 0,48 0,13 0,05
300 572 212.05 0,75 0,27 1,8 0,64 0,18 0,06
400 752 247.09 0,95 0,33 2,3 0,79 0,23 0,08
500 932 280.98 1,15 0,38 2,8 0,93 0,28 0,09
600 1112 313.71 1,35 0,43 3,3 1.06 0,33 0,10
700 1292 345.28 - - 3,8 1,17 - -
800 1472 375.70 - - 4,3 1,28 - -

ЗНАЧЕНИЯ ДОПУСКА КАК ФУНКЦИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ДЛЯ ТЕРМОМЕТРА 100 Ом

ПРОВОДОВ
Pt100 датчики поставляются с 2-х, 3-х или 4-х проводным подключением и, если в противном случае будет поставляться как 3-проводной тип 7 ​​x 0.2 мм с изоляцией из Cu PTFE, с двумя красными проводами, обозначающими один конец элемент и один белый провод, указывающий на другой. Альтернатива типы изоляции проводов могут быть поставлены.

Материал Максимальный диапазон Приложение
ПВХ от -10 до +105 ° C Низкий стоимость, влагостойкие, короткие
ПТФЭ -60 до +250 ° C Устойчивый к истиранию, большая длина
тканый Асбест в +700 ° С Шамотный пропитанный
тканый Кремнезем в +1000 ° С
Глинозем Фарфор в +1400 ° С Электрооборудование сопротивление снижается выше 900 ° C
Рекристаллизованный оксид алюминия до +1950 ° C Электрическое сопротивление снижается выше 900 ° C

Датчики «летающего свинца» могут поставляться с дополнительной опцией из нержавеющей стали. стальная оплетка или гофрированная оболочка для более тяжелых условий эксплуатации.


2). Преимущества 2-х, 3-х и 4-х проводных
Измерение Pt100 ВВЕДЕНИЕ
Два, Разработаны трех- и четырехпроводные методы измерения. для точного измерения сопротивления резистивной температуры детекторы (RTD). В этой заметке по применению рассматриваются новые методы внедряются в «умные» инструменты, где с помощью интеллект микропроцессора, традиционные недостатки Трехпроводные системы больше не применяются. ТРИ ИЗМЕРЕНИЕ ПРОВОДОВ
традиционный метод точного измерения сопротивления заключается в включить сопротивление в схему моста Уитстона (см. рисунок ниже).

А напряжение возбуждает мост, и напряжение на мосту пропорционально к сопротивлению RTD.

Возникла проблема когда мы вводим сопротивления проводов (см. рисунок ниже).это очевидно, что любое сопротивление в свинце выглядит так, как будто - дополнительное сопротивление в измеряемом элементе.

Для минимизации эти ошибки был введен трехпроводной мост с компенсацией (см. рисунок ниже).

Это имеет эффект устранения ошибки, вызванной сопротивлением выводов при условии, что сопротивления проводов RL1 и RL3 совпадают.

Однако влияние сопротивления провода может привести к снижению тока поток в ножке детектора и, следовательно, приведет к небольшому, но возможно значительная ошибка диапазона. Это можно устранить, возбудив мост от источника постоянного тока, а не постоянного напряжение и, следовательно, независимо от сопротивления проводов, одинаковый ток всегда протекает через детектор. С помощью этого метода есть ошибки сопротивления выводов отсутствуют, пока сопротивления выводов одинаковы.На практике они очень близки при условии, что используемый провод является частью того же многожильного кабеля.

Исключение это когда датчик используется во взрывоопасной зоне и подключен к мостовой схеме через барьер Зенера. Здесь любое несовпадение в сопротивлении двух ножек стабилитрона может появиться как ошибка датчика. Хотя эта ошибка еще невелика, она может иметь вид почти 0.15 Ом или прибл. 0,3 ° С (барьер MTL 155).

Для аналога передатчики Status Instruments Ltd. традиционно использовали вариант этой техники с использованием внутреннего активного моста схема. Исключение составляет новая серия «Smart». инструментов, использующих другую технику, которая будет объяснил позже.

Другой способ измерения элементов Pt100 заключается в использовании 4-х проводного тока и напряжения метод (см. рисунок ниже).

Здесь детектор возбуждается постоянным током, и напряжение на детектор измеряется усилителем с высокоомным входом. Если источник тока идеален и входное сопротивление цепь измерения напряжения бесконечна, значит нет ошибки что бы ни вносили сопротивления свинца, даже если они несоответствие.

THE «УМНЫЙ» ПУТЬ ВПЕРЕД
Это параграф описывает метод, используемый для измерения Pt100 на новом Инструменты серии DM3000.

Текущий тенденция для так называемых инструментов SMART - иметь универсальный вход, способный поддерживать широкий диапазон входов. Это неудобно (и ненужно) выделить входные контакты и электронику для поддержки источник постоянного тока и мостовая схема. Вход схема измеряет напряжения с высокой степенью точности и микропроцессор выполняет расчет, показанный на рисунке ниже.



Rc используется исключительно для ограничения протекающего тока, а Rs является стабильным эталонный резистор.

Вычислив сопротивление, микропроцессор применяет необходимые поправки и переводит сопротивление в точные показания температуры.

Кроме того, микропроцессор может определить, какой из входов RTD отключился и обнаружил другие ошибки, такие как короткое замыкание RTD схема.Это улучшение по сравнению с обычными тремя и четырехпроводные схемы, потому что теперь вы можете иметь предсказуемый режим отказа, который не зависит от того, какой из трех проводов стал отключенным.

Эта техника устраняет эффекты сопротивления свинцу, пока они равны. Опять таки, у нас есть проблема при использовании барьеров Зенера в том, что если ножки шлагбаума не совпадают точно, то небольшой ошибка могла быть внесена.



С благодарность Status Instruments Ltd.
Тел. +44 1684 296818 Факс +44 1684 293746
Эл. Почта: [email protected] Веб-сайт: www.status.co.uk

3). Введение в измерения термопар


Введение
наиболее распространенные устройства, используемые для измерения температуры, включают термопары, резистивные датчики температуры (RTD) и термисторы.Каждый обладает уникальными характеристиками и свойствами, которые делают еще один подходит, чем другой для определенного приложения.

Термопары являются наиболее широко используемым устройством для измерения температуры, и, наверное, наименее понятный. Они простые и эффективные, и обеспечивают небольшой сигнал напряжения, пропорциональный температуре разница между двумя спаями в замкнутой термоэлектрической цепи. В самой базовой конфигурации одно соединение поддерживается на постоянном уровне. эталонная температура, в то время как другой находится в контакте с измеряемая среда.

Эта среда может быть газовой, жидкой или твердой, но во всех случаях среда не должна подвергаться химическому, электрическому или физическому загрязнение или изменение спая термопары. Для специальных приложений или для защиты от окружающей среды доступны термопары. с защитными покрытиями и экранами или оболочками. RTD составлены металлов с высоким положительным температурным коэффициентом сопротивления.Большинство RTD представляют собой просто проволочные или тонкопленочные резисторы, изготовленные из провод с известной зависимостью сопротивления от температуры. Платина является одним из наиболее широко используемых материалов для термометров сопротивления. Они приходят в широком диапазоне точности, и самые точные также используется как NIST (Национальный институт стандартов и технологий) температурные нормы.

Термисторы похожи на RTD в том, что они также изменяют сопротивление между их выводами при изменении температуры.Тем не мение, они могут быть как с положительной, так и с отрицательной температурой коэффициент. Кроме того, у них гораздо более высокий коэффициент сопротивления. изменение на градус Цельсия (несколько%), чем у RTD, что делает их более чувствительный.

Градиент Тип термопары
Термопара сами по себе соединения не генерируют напряжения. Выход или потенциал разница, возникающая на открытом конце, является функцией обоих температуры закрытого спая и открытого конца.Принцип работы зависит от уникального значения генерируемой термоэдс. между открытыми концами выводов и стыком двух разнородных металлы выдерживаются при определенной температуре. Принцип называется Эффект Зеебека, названный в честь первооткрывателя. Количество напряжение, генерируемое на открытых концах датчика, и диапазон измеряемых устройством температур зависит от Зеебека. коэффициент, который, в свою очередь, зависит от химического состава материалов, из которых состоит провод термопары.

В принципе, TC может быть изготовлен из любых двух разнородных металлов, таких как никель и железо. Однако на практике только несколько типов TC стали стандартные, потому что их температурные коэффициенты очень повторяемы, они прочные и генерируют относительно большие выходные напряжения. Наиболее распространенные типы термопар называются J, K, T и E, затем следуют N28, N14, S, R и B. Температура перехода может можно вывести из напряжения Зеебека по стандартным таблицам.Однако это напряжение нельзя использовать напрямую, потому что термопара подключение провода к медному зажиму на измерительном приборе сам по себе представляет собой спай термопары (если только также медь) и генерирует другую ЭДС, которую необходимо компенсировать.

Холодный спай Компенсация
классический метод компенсации ЭДС на приборе клеммы - это термопара, погруженная в настоящую ванну с ледяной водой который, в свою очередь, подключается последовательно с измерительной термопарой.Комбинация льда и воды поддерживает температуру ванны до постоянный и точный 0 ° C (32 ° F). Термопара NIST В таблицах ЭДС перечислены выходные ЭДС термопары на основе соответствующего температура спая контрольной термопары 0 ° C.

Программное обеспечение Компенсация
Лед ванны и несколько опорных спая в больших испытательных приспособлениях неудобства, которые нужно создавать и поддерживать, и, к счастью, все они можно устранить.Ледяную баню можно игнорировать, когда температура из ведущих проводов и точек спая (изотермические клеммная колодка на приборе) такие же. Коррекция ЭДС необходимо на клеммах, можно ссылаться и компенсировать стандарты NIST через компьютерное программное обеспечение. Когда ледяные ванны устранены, компенсация холодного спая (CJC) по-прежнему необходима для получения точных измерений термопары.Программное обеспечение должен считывать изотермическую температуру блока. Одна общая техника использует термистор, установленный рядом с изотермической клеммной колодкой который подключается к выводам внешней термопары. Нет температуры допускаются градиенты в области, содержащей термистор и терминалы.
Тип используемой термопары предварительно запрограммирован для соответствующего канал, а динамические входные данные для программного обеспечения включают температура изотермического блока и измеренная температура окружающей среды температура.Программа использует изотермическую температуру блока. и тип термопары, чтобы узнать значение измеряемой температура, соответствующая его напряжению в таблице, или вычисляет температура с помощью полиномиального уравнения. Последний метод позволяет многочисленным каналам термопар различных типов подключаться одновременно, в то время как компьютер обрабатывает все преобразования автоматически.

Оборудование Компенсация
Хотя полиномиальный подход быстрее, чем справочная таблица, аппаратное обеспечение метод еще быстрее, потому что правильное напряжение сразу доступны для сканирования.Один метод использует батарею в цепи нулевое значение напряжения смещения от спая таким образом, чистый эффект равен температуре соединения 0 ° C. Более практичный подход это «электронный ориентир точки льда», который генерирует компенсирующее напряжение как функция измерения температуры цепь питается от батареи или аналогичного источника напряжения. Напряжение тогда соответствует эквивалентному эталонному спайу при 0 ° C.

Тип Смешивание
Термопара тестовые системы часто измеряют от десятков до сотен точек одновременно. Чтобы удобно обрабатывать такое большое количество каналов без усложнения отдельных уникальных компенсационных ТК для каждого модуля сканирования термопар имеется несколько входов каналов и может принимать любые из различных типов термопар на любом канале одновременно.Они содержат специальные медные входные клеммные колодки с многочисленными компенсациями холодного спая датчики для обеспечения точных показаний, независимо от датчика тип б / у. Кроме того, в модуле есть встроенный автоматический канал обнуления, а также канал компенсации холодного спая. Хотя скорость измерения относительно ниже, чем у большинства других типы модулей сканирования, показания фиксируются в мс, они содержат меньше шума, они более точные и стабильные.За Например, один канал TC может быть измерен за 3 мс, 14 каналов за 16 мс и 56 каналов за 61 мс. Типичная точность измерения лучше 0,7 ° C, с изменением от канала к каналу обычно менее 0,5 ° C.

Линеаризация
После установка эквивалентной эталонной ЭДС точки льда на любом оборудовании или программное обеспечение, измеренное напряжение термопары должно быть преобразовано к показанию температуры.Выходное напряжение термопары пропорционально до температуры перехода ТС, но не идеально линейно в очень широком диапазоне.
Стандартный метод получения высокой точности преобразования для любая температура использует значение измеренного напряжения термопары включены в характеристическое уравнение для этого конкретного типа термопара. Уравнение представляет собой многочлен порядка шести до десяти.Компьютер автоматически выполняет расчет, но многочлены высокого порядка требуют значительного времени для обработки. В Чтобы ускорить расчет, характеристика термопары Кривая разбита на несколько сегментов. Затем каждый сегмент аппроксимируется полиномом более низкого порядка.
Аналоговые схемы иногда используются для линеаризации кривые, но когда полиномиальный метод не используется, термопара выходное напряжение часто подключается ко входу аналогового к цифровому преобразователю (АЦП), где точное напряжение к температуре совпадение получается из таблицы, хранящейся в компьютерном объем памяти.Например, одна карта TC системы сбора данных включает программный драйвер, содержащий библиотеку преобразования температуры который изменяет необработанные двоичные каналы TC и информацию CJC на показания температуры. Некоторые программные пакеты предоставляют информацию о CJC. и автоматически линеаризуйте термопары, подключенные к система.

Термопара Подводные камни измерений
Шумная среда
Потому что термопары генерируют относительно небольшое напряжение, шум всегда вопрос.Наиболее распространенным источником шума является электросеть. линии (50 или 60 Гц). Полоса пропускания термопары ниже 50 Гц, поэтому простой фильтр в каждом канале может уменьшить мешающие шум линии переменного тока. Общие фильтры включают резисторы и конденсаторы и активные фильтры на базе операционных усилителей. Хотя пассивный RC фильтр недорогой и хорошо подходит для аналоговых схем, он не рекомендуется для мультиплексированного внешнего интерфейса, потому что мультиплексор нагрузка может изменить характеристики фильтра.С другой стороны, активный фильтр, состоящий из операционного усилителя и нескольких пассивных компоненты работают хорошо, но это дороже и сложнее. Более того, каждый канал должен быть откалиброван для компенсации усиления. и погрешности смещения.

Дополнительный Касается
Термопара Сборка
Термопары представляют собой скрученные пары разнородных проводов и припаянные или сварены на стыке.При неправильной сборке они могут вызывать множество ошибок. Например, провода должны не скручиваться вместе с образованием стыка; они должны быть спаяны или сварные. Но припоя хватает только при относительно низких температурах, обычно менее 200 ° C. И хотя пайка тоже привносит третий металл, такой как сплав свинец / олово, вряд ли внесет ошибки, если обе стороны соединения имеют одинаковую температуру.Сварка стыка предпочтительна, но она должна выполняться без изменение характеристик проводов. Производится серийно спайки термопар обычно соединяются емкостным разрядом сварочные аппараты, обеспечивающие однородность и предотвращающие загрязнение. Термопары может стать некалиброванным и указывать неправильную температуру, когда изменен физический состав провода. Тогда он не может встретиться стандарты NIST.Изменение может происходить из разных источников, включая воздействие перепадов температур, холодную обработку металл, нагрузка на кабель при установке, вибрация, или температурные градиенты.

Выход термопары также может измениться, когда сопротивление изоляции уменьшается при повышении температуры. Изменение экспоненциальное и может обеспечить настолько низкое сопротивление утечке, что цепь детектора обрыва провода термопары.При высокой температуре применения с использованием тонкого провода термопары, изоляция может деградировать до точки образования виртуального соединения. Данные система сбора данных затем измеряет выходное напряжение виртуальный перекресток вместо истинного перекрестка.

Кроме того, высокие температуры могут выделять загрязнения и химические вещества внутри изоляция провода термопары, которая диффундирует в термопару металл и изменить его характеристики.Тогда температура vs. соотношение напряжений отклоняется от опубликованных значений. выбирать защитная изоляция, предназначенная для работы в условиях высоких температур чтобы свести к минимуму эти проблемы.

Изоляция
Термопара изоляция снижает шум и ошибки, обычно вызываемые землей петли. Это особенно неприятно, когда большое количество термопар с длинными выводами крепятся непосредственно между блоком двигателя (или другим большой металлический предмет) и прибор для измерения термопар.Они могут ссылаться на разные основания и без изоляции, контур заземления может вносить относительно большие ошибки в чтения.

Авто-ноль Поправка
Вычитание выход закороченного канала из измерительного канала показания могут минимизировать влияние времени и температурного дрейфа на аналоговой схеме системы. Хотя очень маленький, этот дрейф может стать значительной частью напряжения низкого уровня. питание от термопары.Один эффективный метод вычитания смещение из-за дрейфа выполняется в два этапа. Во-первых, внутренний секвенсор каналов переключается на опорный узел и сохраняет ошибка смещения напряжения на конденсаторе. Далее, как термопара канал переключается на аналоговый тракт, сохраненное напряжение ошибки подается на вход коррекции смещения дифференциального усилителя и автоматически обнуляет смещение. См. Рисунок 9.

Открытая термопара Обнаружение
Обнаружение легко и быстро открывать термопары, что особенно важно в системах с большим количеством каналов. Термопары имеют свойство ломаться или увеличение сопротивления при воздействии вибрации, плохого обращения, и долгий срок службы. Простая схема обнаружения обрыва термопары состоит из небольшого конденсатора, размещенного на выводах термопары. и управляемый током низкого уровня.Низкое сопротивление неповрежденная термопара представляет собой виртуальное короткое замыкание через конденсатор, поэтому он не может заряжаться. Но когда термопара открывается или существенно изменяет сопротивление, конденсатор заряжается и подключает вход к одной из шин напряжения, что положительно указывает на неисправную термопару.

Гальванический Действие
Некоторые изоляционные материалы для термопар содержат красители, образующие электролит в присутствии воды.Электролит создает гальваническое напряжение между выводами, которое, в свою очередь, создает выходные сигналы в сотни раз больше, чем чистое напряжение холостого хода. Таким образом, надлежащая практика установки требует экранирования термопары. провода от повышенной влажности и любых жидкостей, чтобы избежать подобных проблем.

Тепловой Маневровая
Ан идеальная термопара не влияет на температуру устройства измеряется, но настоящая термопара содержит массу, которая при добавлении к тестируемому устройству может изменить температуру измерение.Масса термопары может быть минимизирована за счет небольшого диаметра провода, но провода меньшего размера более подвержены загрязнению, отжиг, деформация и шунтирование
импеданс. Одно из решений, которое поможет облегчить эту проблему, - использовать небольшой провод термопары на стыке, но добавьте специальный, более тяжелый Удлинительный провод термопары для покрытия больших расстояний. Материал используемый в этих удлинительных проводах имеет коэффициенты полезного напряжения холостого хода аналогично определенным типам термопар.Его последовательное сопротивление относительно низка на больших расстояниях, и ее можно протянуть труба легче, чем премиум-класса
провод термопары. Помимо преимущества в практическом размере, удлинитель дешевле, чем стандартный провод термопары, особенно платина.
Несмотря на эти преимущества, удлинительный провод обычно работает через гораздо более узкий температурный диапазон и более вероятно получение механическое напряжение.По этим причинам температурные градиенты по длина удлинительного провода должна быть минимальной, чтобы обеспечить точность измерения температуры.

Улучшение Точность калибровки проволоки
Термопара проволока изготавливается в соответствии со спецификациями NIST. Часто эти спецификации может быть более точным, когда провод калибруется на месте по известный температурный стандарт.


С благодарностью IPC Systems ООО
Тел: +44 (0) 1905 338989
4). Основные измерения RTD
Нажмите чтобы загрузить файл PDF на 'Basic RTD Measurements' .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *