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

Термопара принцип работы

Термопара – это устройство для измерения температур во всех отраслях науки и техники. 

• Устройство термопары
• Схема подключения термопары
• Стандарты на цвета проводников термопар
• Точность измерения
• Быстродействие измерения
• Устройство и принцип действия
• Особенности устройства промышленной термопары
• Недостатки термопары
• Принцип работы термопары
• Погрешность измерений
• Устройство и принцип действия термопары
• Схема подключения термопары

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).

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.

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.

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.

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.

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).

Устройство и принцип действия

Термопара конструктивно состоит из двух проволок, каждая из которых изготовлена из разных сплавов. Концы этих проводников образуют контакт (горячий спай) выполненный путём скручивания, с помощью узкого сварочного шва либо сваркой встык. Свободные концы термопары замыкаются с помощью компенсационных проводов на контакты измерительного прибора или соединяются с автоматическим устройством управления. В точках соединения образуется другой, так называемый, холодный спай. Схематически устройство изображено на рисунке 1.

Особенности устройства промышленной термопары

Термодатчики изготавливаются по большей части из неблагородных металлов. От воздействия внешней среды их закрывают трубой с фланцем, служащим для крепления прибора. Защитная арматура предохраняет проводники от влияния агрессивной среды и делается без шва. Материалом служит обычная (до 600ºС) или нержавеющая (до 1100ºС) сталь. Термоэлектроды изолируют друг от друга асбестом, фарфоровыми трубками или керамическими бусами.

Если терминал расположен близко, то провода термопары подключаются к нему напрямую, без дополнительных разъемов. При расположении измерительного прибора на удалении, при включении его в цепь свободные концы термопары размещаются в литой головке, прикрепленной к защитной трубе. Внутри располагаются латунные клеммники на фарфоровом основании для подключения компенсационных проводов, изготовленных из таких же материалов, что и термоэлектроды, но не обладающих точными и строго контролируемыми характеристиками. Они имеют меньшую стоимость и большую толщину. Их вводят в головку через штуцер с асбестовой прокладкой. Керамика служит для выравнивания температуры во всех местах соединения. Сверху располагается резьбовая защитная крышка с герметичным уплотнением.

На провода нельзя устанавливать обжимные оконцеватели, поскольку они могут ухудшить точность показаний. Из проволоки делают кольцо и зажимают его под винт.

Корректировка изменения температуры на клеммах может производиться электронным прибором, что повышает точность измерений.

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.

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

Погрешность измерений

Правильность температурных показателей, получаемых с помощью термопары, зависит от материала контактной группы, а также внешних факторов. К последним можно отнести давление, радиационный фон либо иные причины, способные повлиять на физико-химические показатели металлов, из которых изготовлены контакты.

состоит из следующих составных частей:

• случайная погрешность, вызванная особенностями изготовления термопары;

• погрешность, вызванная нарушением температурного режима «холодного» контакта;

• погрешность, причиной которой послужили внешние помехи;

• погрешность контрольной аппаратуры.

Устройство и принцип действия термопары

Действительно, постоянно находиться в зоне открытого пламени может далеко не каждый материал. Термоэлемент же изготовлен из металла, точнее, из нескольких металлов, поэтому высокой температуры не боится. При работе газовой котельной установки без него никак не обойтись, выход из строя термопары означает полную остановку агрегата и немедленный ремонт. Все дело в том, что термоэлемент работает совместно с электромагнитным отсекающим клапаном, перекрывающим вход в топливный тракт. Стоит только этой детали выйти из строя, как клапан закроется, подача топлива прекратится и горелочное устройство потухнет.

Чтобы лучше понять принцип работы термопары газового котла, стоит рассмотреть схему, представленную на рисунке.

Схема термопары

В основе этого принципа лежит следующее физическое явление: если надежно соединить между собой 2 разнородных металла, а потом место соединения нагревать, то на холодных концах этого спая появится разница потенциалов, то есть, напряжение. А при подключении к ним измерительного прибора цепь замкнется и возникнет постоянный электрический ток. Напряжение будет совсем небольшим, но этого вполне достаточно, чтобы в чувствительной катушке электромагнитного клапана возникла индукция и он открылся, позволяя топливу пройти к запальнику.

Для справки. Некоторые современные электромагнитные клапаны настолько чувствительны, что остаются открытыми, пока напряжение на входе не станет ниже 20 мВ. Термоэлемент в обычном рабочем режиме вырабатывает напряжение порядка 40—50 мВ.

Соответственно, устройство термопары газового котла основано на описанном явлении, носящем название эффекта Зеебека. Две детали из различных металлов прочно соединяются между собой в одной или нескольких точках, при этом качество соединения играет большую роль. Оно влияет на рабочие параметры элемента и долговечность его эксплуатации. Место соединения и будет той самой рабочей частью, помещаемой в зону открытого огня.

Поскольку для изготовления термоэлементов применяется множество различных пар металлов, не вдаваясь в подробности, отметим, что в термопаре для газового котла используется пара хромель – алюминий. К холодным концам этих металлов приварены проводники, заключенные в защитную оболочку. Второй конец проводников вставляется в соответствующее гнездо автоматики агрегата и закрепляется с помощью зажимной гайки.

В процессе розжига запальника и горелки газового котла для подачи топлива мы открываем электромагнитный клапан вручную, нажимая на его шток. Газ попадает на запальник и поджигается, а термопара находится рядом и нагревается от его пламени. Спустя 10—30 сек кнопку можно отпускать, так как термоэлемент уже начал вырабатывать напряжение, удерживающее шток клапана в открытом состоянии.

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.

 

Как работает датчик пламени в газовом котле

Датчик ионизации пламени – прибор, который призван обеспечить безопасную работу газового котельного оборудования. Устройство следит за наличием огня, и при обнаружении отсутствия пламени автоматически отключает котел. Принцип работы датчика пламени газового котла предусматривает следующее:

• функционал основан на образовании ионов и электронов при зажигании пламени. Образование ионного тока вызывает процесс притягивания ионов к электроду ионизации. Устройство подключается к датчику контроля горения;
• если при проверке датчиком контроля горения обнаруживается образование достаточного уровня ионов, это означает, что котел работает в штатном режиме. В случае снижения уровня ионов датчик блокирует работу котельного оборудования.

К ключевым причинам срабатывания датчика ионизации относят загрязнение клапана и некорректное соотношение уровня «газ-воздух». Также это происходит при оседании большого количества пыли на устройстве розжига.

Основные типы термопар для газового котла

При изготовлении термоэлектрических преобразователей применяют сплавы благородных и неблагородных металлов. Для конкретных диапазонов рабочих температур используют определенные группы сплавов.

В зависимости от металлических пар, применяемых при изготовлении, приборы делятся на несколько типов.

Для работы котельного оборудования на газовом топливе чаще всего используют следующие типы устройств:

• термопара типа E. Заводская маркировка ТХКн, представляет собой пластины из хромеля и константана. Прибор предназначен для температурного диапазона от 0°C и до +600°C;
• тип J. Предусматривает композицию из железа и константана, маркировка ТЖК. Используется для рабочих температур в пределах от -100°C и до +1200°C;
• тип Kс маркировкой ТХА, изготавливается на основе пластин из хромеля и алюмеля. Температурный диапазон применения термопары типа Kзначительный – от -200°C и до +1350°C;
• тип Lс маркировкой ТХК. Элементы конструкции представляют собой хромель и копель. Устройство предназначено для температур от -200°C и до +850°C.

Термопара для газового котла типа J

Следующие образцы продукции находят применение в сфере тяжелой промышленности:

• тип Sс маркировкой ТПП10 представляет собой композицию платинородий-платина. Применяется в установках при температурном режиме до +1700°C;
• тип Bс маркировкой ТПР состоит из композиции пластин платинородий-платинородий. Продукт предназначен для температурного диапазона от -100°C и до +1800°C.

Также изготавливаются и другие варианты аналогичных приборов из сплавов благородных металлов, которые актуальны в тяжелой промышленности и литейном производстве.

Термопара в системе газового контроля

При эксплуатации газового оборудования требуется энергонезависимая автоматика, что способствует оперативному перекрытию подачи газа в случае, если внезапно погаснет пламя. В современных отопительных котлах с газовой горелкой предусмотрена система газ-контроль, которая включает в себя электромагнитный клапан и термопару. К составным элементам электроклапана относятся:

• сердечник с обмоткой;
• колпачок;
• возвратная пружина;
• якорь;
• резинка, перекрывающая подачу газа.

При нажатии на кнопку подачи газа, шток заглубляется внутрь катушки и заряжается пружина. По регламенту клапан подачи следует удерживать около 30 секунд, чтобы термопара прогрелась, и на концах образовалось напряжение для удержания клапана внутри катушки. Термопара начинает остывать, если гаснет горелка. Что дальше происходит:

• это сопровождается уменьшением напряжения на концах термопары;
• возвратная сила пружины превышает электромагнитную силу, которая удерживает шток внутри катушки;
• клапан возвращается в исходное положение и перекрывается подача газа.

В этом заключается работа термопары в газовом котле. Система газ-контроль на термопаре отличается высокой надежностью, в том числе и благодаря тому, что она способна функционировать без подключения к энергосети.

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Термопари: будову та принцип роботи

Сучасне виробництво є автоматичними системами, в яких кожен процес відстежується і коригується в заданому діапазоні. Використання термопари необхідно у процесах, де потрібно чітко відстежувати показники. Використовуються спеціальні датчики під назвою «термопари». Їх застосовують у широкому діапазоні температур для трансформації енергії тепла, що виділяється в електричну.

Для створення пристрою вибирають 2 дроти з різних металів (сплавів). Два кінці з’єднують зварюванням або скручуванням. Вони утворюють гарячий спай. Два кінці, що залишилися, використовуючи компенсаційні дроти, з’єднують з вимірювальним приладом або з керуючим пристроєм. З цього боку виходить холодний спай.

Щоб виключити швидке псування електродів, їх одягають у капсулу, заповнену газом, рідкою речовиною. У захисних цілях можуть надягати на термоелементи керамічні намисто.

Як функціонує термопара

В основу схеми закладено принцип дії появи струму в електричному ланцюзі замкнутого типу за наявності двох різних провідників та різниці температур між двома протилежними спаями.

Коли в ланцюзі підключений вольтметр, вона замкнена. Однак ЕРС в точках і температурних спайок врівноважується, тому струм відсутній. Якщо на гарячу спайку додати тепла, то сформується різниця потенціалів, після чого з’явиться електричний струм.

Які термопари часто зустрічаються

Застосовувані виготовлення мають різну температуру плавлення, по-різному реагують на окислюючу середу і зміну температур.

Неблагородні метали стануть у нагоді для температурних показників до +1400˚С, а благородні – до +1900˚С.

Неблагородні метали

•  
• J – залізо та константан. Має низьку ціну, рекомендовану для розрядженої атмосфери. Не допускається застосування нижче 0˚С і вище +500˚С. Небезпечним елементом є сірка, контактування з якою призводить до миттєвого руйнування висновків.
• Т – мідь та константан. Допускається застосування при мінусових температурах, проте +400˚С є критичним показником. Не боїться вологості, добре реагує на кисневу складову. Висновки пройшли стадію відпалу для нормалізації однорідності складу.
• K – хромель та алюмель. Широкий діапазон (-100…+1000˚С). Використовується в повітряному середовищі, де є середня або підвищена концентрація кисню. У середовищі, наближеному до вакуумної, хром мігрує зі з’єднання, внаслідок чого показання температури показуються неточно. Аналогічно небажано застосовувати тип До в режимі +200 … +500˚С.
• Е – хромель та константан. Бере участь у вимірюванні низьких температур. Відрізняється однорідність кожного електрода, тому вдається заміряти точні значення температури.
• N — них росив і нисив. Прототипом стала термопара K. Тут реалізована ідея додавання кремнію, який знижує подальше забруднення термопари в процесі експлуатації. Граничною температурою є +1200˚С, проте точний показник визначається діаметром електродів. При цьому помилка у вимірі значень при t= +200…+500˚С значно менша, ніж у типі К. Це – доопрацьований тип термопари, який вважається одним із найкращих серед неблагородних металів.

Шляхетні метали

• S – платина з родієм та платина. Здатна працювати у звичайному та окисному середовищі. Робочий діапазон, що рекомендується: +400…+1350˚С, короткочасний період допускає підйом температури до +1750˚С. Після досягнення +900˚C забруднюється вуглецем, кремнієм, воднем. Електроди поміщають у трубки з оксиду алюмінію без домішок.
• R – термопара, аналогічна попередньої, з максимальною температурою експлуатації до +1700˚CС, а середньої +1200 … 1400˚C.
• B — платина з родієм і платина з родієм. Дає неточні показання при t < 600˚C. Найчистіший діапазон: +600…+900˚С. Далі відбувається забруднення кремнієм, воднем, залізом та міддю.

Типи спаїв

Існує 6 варіантів спаїв, які складаються з 1 або 2 елементів.

• Один спай, що не стосується корпусу, позначений літерою І.
• Якщо він має торкання корпусу, то маркується, як Н.
• Пара спаїв, які не стосуються одне одного і внутрішньої поверхні корпусу, називається ІІ.
• Спай здвоєний, має одну загальну верхівку, не стосується корпусу – це 2І.
• Два окремих спаї, один стосується корпусу та заземлений – ІН.
• Обидва спаї без ізоляції, з’єднані з корпусом – ПН.

Щоб зменшити інерційність, у ряді перетворювачів виводять гарячий спай за кордон захисної колби. У вирішенні цієї проблеми допомагає заземлення на корпус: у результаті датчик швидше та точніше заміряє показники.

Види термопар за робочими показниками

1. Контактування з середовищем: стандартні, закриті від попадання вологи, що працюють в агресивному середовищі, здатні виконувати вимірювання у вибухонебезпечних складах.
2. Місце розташування: монтуються по поверхні, занурюються у середу.
3. Місце встановлення: розраховані на стаціонарне положення без переміщення та стійкі до вібрації.
4. Показник інерції: від 10 до ненормованого значення.
5. Кількість зон: на одне середовище та багатозонні.
6. Особливості застосування:

— для кріплення та переносні;

— для короткочасної установки та постійного застосування.

7. Тип термопар на одному об’єкті: одинарні, подвійні та потрійні.
8. Вид спаю: ізольований від металу, неізольований.
9. Контакт із середовищем: герметичний варіант, негерметичний.

Що таке багатоточкові термопари

Коли виникає потреба одночасно виконувати виміри в різних локаціях одного середовища, стануть у нагоді багатоточкові термопари. Їхнє завдання полягає у визначенні термічних показників уздовж осі перетворювача.

Немає процесу, де б при нагріванні були відсутні температурні коливання. Вимірювання показників в одному місці не гарантує їх стабільність в іншому. Для забезпечення контролю параметрів застосовують термопари з кількістю точок збирання до 60 штук. Конструкція має лише 1 металеву колбу та 1 точку введення.

Що можна сказати про недоліки та переваги термопар

Позитивні опції

• Застосування пристроїв у різних середовищах, включаючи агресивні.
• Значний температурний діапазон роботи: -250 ° С до +1900°С і вище (критичне значення досягає +2500°С).
• Точність виконання вимірів, похибка буває 0,01-2°С.
• Доступна ціна.
• Надійність у використанні.

Негативні моменти

• Чим більше оснащення додатковими опціями та роз’ємами, тим дорожче обійдеться покупка термопари.
• Наявність заводського градуювання.
• Необхідність в установці екрануючого захисту та високоточних датчиків.
• Неможливість усунути та скоригувати нелінійну залежність ЕРС у ході підвищення температури, коли вона виходить за межі, що обмежують.

Поради від виробника по термопарам

• Використовуйте мініатюрний пристрій, виготовлений з тонкого дроту. Встановіть її в зону вимірювання показників, а зовні додайте подовжувальні дроти.
• Дріт термопари не повинен зазнавати натягу та наслідків вібрацій.
• По довжині термопар слід виключити значний термічний стрибок.
• Заборонено граничні температури використовувати як робочі, на регулярній основі. Вибирайте термопари з 10-15% запасом термічного показника.
• При виборі дроту великого перерізу необхідно переконатися, що він не внесе зміни у температуру середовища виміру.
• При значній довжині проводів і термопари проводи, що з’єднуються, додатково перекручують у місці висновків.
• За наявності агресивного середовища використовувати досить стійкий матеріал колби, куди поміщаються дроти.
• Використання комплексних термопар з декількома електродами зручне для одночасного вимірювання кількох параметрів: температури, перешкод у проходженні струму, вимірювання напруги, перевірки герметичності колби.

Що заважає отриманню точних значень температури у термопарах

У процесі роботи термопар виникають обставини, які дозволяють зробити точні виміри. Сюди входять 5 груп перешкод.

• При зростанні температури опір ізоляційного матеріалу в електродах знижується. Іноді це створює замикання дротів у середині термопари. І тоді відбувається зміщення зони ідентифікації температури, оскільки пристрій починає показувати значення середньої області. Також існує небезпека потрапляння домішок та речовин з ізоляції на електроди (при високих температурах), що здатне змінити їх вихідні властивості.
• При зварюванні, необхідному для створення якісного спаю, застосовують ще один метал. Зазвичай у нього температура плавлення виявляється нижче, тому при високих термічних значеннях пай розпадається. Якщо перегрівання зіпсує дріт термопари, газ заповнить місце розриву. Зварювання вийде невдалим, неміцним і перше підвищення температури роз’єднає електроди.
• Пофарбована ізоляція підступна. Пігменти здатні потрапити у рідину та утворити електроліт. Виникне гальванічний ефект, який внесе дисбаланс у заміри, що здійснюються.
• Термоелектрична неоднорідність вважається найскладнішим типом потенційних помилок. Вона формується від напруги у дроті під час неакуратного протягування, ударного впливу чи невміння правильно поводитися з термопарою. В інших випадках похибка формується під час відпалу, підготовки електродів, дифузії домішок. Зі зростанням градієнта температури прямо пропорційно збільшується похибка. Допускається застосування чохлів та металевих рукавів, здатних зробити нівелювання стрибків температури по всій довжині електродів.
• Витік струму також впливає на точність вимірів у термопарі. Важливе значення надають верхньому граничному показнику температури. Якщо пристрій знаходиться саме в цій межі, то подібна експлуатація впливає на величину термоелектричних показників. Це означає, що при довгостроково проведених процесах для верхньої термічної межі встановлюється значення на 250-300С нижче максимально допустимого значення. Щодо мінусових граничних значень, то в низькотемпературних умовах чутливість термопари зменшується. Натомість похибка у значеннях починає збільшуватися.
• Тонкий дріт у термопарі швидко забруднюється, у ньому виникають залишкові напруження. Щоб знизити ці негативні фактори, використовують дроти подовження. Їхнє завдання полягає у підключенні термопари до вольтметра. Провід товщі термопари при послідовному підключенні до електрода добре транспортує сигнал на потрібну відстань. Необхідно створювати умови для відносно невеликої температурної зміни вздовж дроту, оскільки він зазнає додаткових впливів у процесі натягу.

 

Компанія «Інтмакс» виготовляє термопар на замовлення. Враховуємо фактичні умови застосування, робимо розрахунки та створює вироби для успішної подальшої експлуатації.

23.12.2021 16:19:16

Перегляди: 242

Термопара: принцип действия, устройство

Существует множество разнообразных устройств и механизмов, позволяющих измерять температуру. Некоторые из них применяются в повседневной жизни, какие-то — для различных физических исследований, в производственных процессах и других отраслях.

Одним из таких устройств является термопара. Принцип действия и схему данного устройства мы рассмотрим в последующих разделах.

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.

Виды термопар

В каждой отрасли промышленности, где необходимы измерения температуры, в основном применяется термопара. Устройство и принцип работы различных видов данного агрегата приведены ниже.

Хромель-алюминиевые термопары

Данные схемы термопар применяются в большинстве случаев для производства различных датчиков и щупов, позволяющих контролировать температуру в промышленном производстве.

Их отличительными особенностями можно назвать довольно низкую цену и огромный диапазон измеряемой температуры. Они позволяют зафиксировать температуру от -200 до +13000 градусов Цельсия.

Нецелесообразно применять термопары с подобными сплавами в цехах и на объектах с высоким содержанием серы в воздухе, так как этот химический элемент негативно влияет как на хром, так и на алюминий, вызывая нарушения в функционировании устройства.

Хромель-копелевые термопары

Принцип действия термопары, контактная группа которой состоит из этих сплавов, такой же. Но эти устройства работают в основном в жидкости либо газообразной среде, обладающей нейтральными, неагрессивными свойствами. Верхний температурный показатель не превышает +8000 градусов Цельсия.

Применяется подобная термопара, принцип действия которой позволяет использовать ее для установления степени нагрева каких-либо поверхностей, например, для определения температуры мартеновских печей либо иных подобных конструкций.

Железо-константановые термопары

Данное сочетание контактов в термопаре не настолько распространено, как первая из рассматриваемых разновидностей. Принцип работы термопары такой же, однако подобная комбинация хорошо показала себя в разреженной атмосфере. Максимальный уровень замеряемой температуры не должен превышать +12500 градусов Цельсия.

Однако, если температура начинает подниматься выше +7000 градусов, существует опасность нарушения точности измерений в связи с изменением физико-химических свойств железа. Имеют место даже случаи коррозии железного контакта термопары при наличии в окружающем воздухе водных паров.

Платинородий-платиновые термопары

Наиболее дорогая в изготовлении термопара. Принцип действия такой же, однако отличается она от своих собратьев очень стабильными и достоверными показаниями температуры. Имеет пониженную чувствительность.

Основная область применения данных устройств — измерение высоких температур.

Вольфрам-рениевые термопары

Также применяются для измерения сверхвысоких температур. Максимальный предел, который можно зафиксировать с помощью данной схемы, достигает 25 тысяч градусов по шкале Цельсия.

Их применение требует соблюдения некоторых условий. Так, в процессе измерения температуры нужно полностью устранить окружающую атмосферу, которая оказывает негативное воздействие на контакты в результате процесса окисления.

Для этого вольфрам-рениевые термопары обычно помещают в защитные кожухи, заполненные инертным газом, защищающим их элементы.

Выше была рассмотрена каждая существующая термопара, устройство, принцип работы ее в зависимости от применяемых сплавов. Теперь рассмотрим некоторые конструктивные особенности.

Конструкции термопар

Существует две основные разновидности конструкций термопар.

• С применением изоляционного слоя. Данная конструкция термопары предусматривает изолирование рабочего слоя устройства от электрического тока. Подобная схема позволяет использовать термопару в технологическом процессе без изоляции входа от земли.

• Без применения изоляционного слоя. Такие термопары могут подключаться лишь к измерительным схемам, входы которых не имеют контакта с землей. Если данное условие не соблюдается, в устройстве возникнет две независимых замкнутых схемы, в результате чего показания, полученные с помощью термопары, не будут соответствовать действительности.

Бегущая термопара и ее применение

Существует отдельная разновидность данного устройства, именуемая «бегущей». Принцип действия бегущей термопары мы сейчас рассмотрим более подробно.

Эта конструкция применяется в основном для определения температуры стальной заготовки при ее обработке на токарных, фрезерных и иных подобных станках.

Следует отметить, что в данном случае возможно использование и обычной термопары, однако, если процесс изготовления требует высокой точности температурного режима, бегущую термопару трудно переоценить.

При применении данного метода в заготовку заранее запаивают ее контактные элементы. Затем, в процессе обработки болванки, данные контакты постоянно подвергаются воздействию резца или иного рабочего инструмента станка, в результате чего спай (который является главным элементом при снятии температурных показателей) как бы «бежит» по контактам.

Этот эффект повсеместно применяется в металлообрабатывающей промышленности.

Технологические особенности конструкций термопар

При изготовлении рабочей схемы термопары производится спайка двух металлических контактов, которые, как известно, изготовлены из разных материалов. Место соединения носит название «спай».

Следует отметить, что делать данное соединение с помощью спайки необязательно. Достаточно просто скрутить вместе два контакта. Но такой способ производства не будет обладать достаточным уровнем надежности, а также может давать погрешности при снятии температурных показателей.

Если необходимо измерение высоких температур, спайка металлов заменяется на их сварку. Это связано с тем, что в большинстве случаев припой, применяемый при соединении, имеет низкую температуру плавления и разрушается при превышении ее уровня.

Схемы, при изготовлении которых была применена сварка, выдерживают более широкий диапазон температуры. Но и этот способ соединения имеет свои недостатки. Внутренняя структура металла при воздействии высокой температуры в процессе сваривания может измениться, что повлияет на качество получаемых данных.

Кроме того, следует контролировать состояние контактов термопары в процессе ее эксплуатации. Так, возможно изменение характеристик металлов в схеме вследствие воздействия агрессивной окружающей среды. Может произойти окисление либо взаимная диффузия материалов. В подобной ситуации следует заменить рабочую схему термопары.

Разновидности спаев термопар

Современная индустрия производит несколько конструкций, которые применяются при изготовлении термопар:

Особенностью термопар с открытым спаем является плохая сопротивляемость внешнему воздействию.

Следующие два типа конструкции могут применяться при измерении температур в агрессивных средах, оказывающих разрушительное влияние на контактную пару.

Кроме того, в настоящее время промышленность осваивает схемы производства термопар по полупроводниковым технологиям.

Погрешность измерений

Правильность температурных показателей, получаемых с помощью термопары, зависит от материала контактной группы, а также внешних факторов. К последним можно отнести давление, радиационный фон либо иные причины, способные повлиять на физико-химические показатели металлов, из которых изготовлены контакты.

Погрешность измерений состоит из следующих составных частей:

• случайная погрешность, вызванная особенностями изготовления термопары;

• погрешность, вызванная нарушением температурного режима «холодного» контакта;

• погрешность, причиной которой послужили внешние помехи;

• погрешность контрольной аппаратуры.

Преимущества использования термопар

К преимуществам использования подобных устройств для контроля температуры, независимо от области применения, можно отнести:

• большой промежуток показателей, которые способны быть зафиксированы с помощью термопары;

• спайку термопары, которая непосредственно участвует в снятии показаний, можно расположить в непосредственном контакте с точкой измерения;

• несложный процесс изготовления термопар, их прочность и долговечность эксплуатации.

Недостатки измерения температуры с помощью термопары

К недостаткам применения термопары следует отнести:

• Необходимость в постоянном контроле температуры «холодного» контакта термопары. Это отличительная особенность конструкции измерительных приборов, в основе которых лежит термопара. Принцип действия данной схемы сужает область ее применения. Они могут быть использованы только в том случае, если температура окружающего воздуха ниже температуры в точке измерения.

• Нарушение внутренней структуры металлов, применяемых при изготовлении термопары. Дело в том, что в результате воздействия внешней окружающей среды контакты теряют свою однородность, что вызывает погрешности в получаемых температурных показателях.

• В процессе измерения контактная группа термопары обычно подвержена негативному влиянию окружающей среды, что вызывает нарушения в процессе работы. Это опять же требует герметизации контактов, что вызывает дополнительные затраты на обслуживание подобных датчиков.

• Существует опасность воздействия электромагнитных волн на термопару, конструкция которой предусматривает длинную контактную группу. Это также может сказаться на результатах измерений.

• В некоторых случаях встречается нарушение линейной зависимости между электрическим током, возникающим в термопаре, и температурой в месте измерения. Подобная ситуация требует калибровки контрольной аппаратуры.

Заключение

Несмотря на имеющиеся недостатки, метод измерения температуры с помощью термопар, который был впервые изобретен и опробован еще в 19 веке, нашел свое широкое применение во всех отраслях современной промышленности.

Кроме того, существуют такие области применения, где использование термопар является единственным способом получения температурных данных. А ознакомившись с данным материалом, вы достаточно полно разобрались в основных принципах их работы.

Теория термопары | Приборы Fluke Process

Центр знаний

Термическое профилирование

Термическое профилирование

Термопары

Поиск в Центре знаний

Термопара является одним из наименее сложных датчиков, поэтому она может быть прочной и недорогой, что делает ее идеально подходящей для использования в промышленных приложениях.

Состоит из двух проволок из разнородных металлов, соединенных в точке измерения; называют горячим соединением. Выход датчика представляет собой напряжение, пропорциональное разнице температур между горячим спаем и холодным концом проводов. Генерируемое напряжение очень мало и нелинейно, что создает проблемы при проектировании для производителей приборов для термопар. Однако, если приборы спроектированы правильно, термопара обеспечивает очень недорогой датчик, который можно легко заменить в случае повреждения.

Теория термопар

Цепь термопары имеет как минимум два спая: измерительный спай (горячий спай) и эталонный или холодный спай. Эталонный спай — это точка, в которой два провода термопары соединяются с измерительным прибором (например, с регистратором данных). Это точка, где металлы меняются — от металлов термопары к металлу в измерительном приборе, которым в большинстве электронных регистраторов данных является медь.

Выходное напряжение термопары связано с разницей температур между измеряемым и эталонным спаями. Это результат явления, наблюдавшегося Томасом Зеебеком в 1821 году, когда цепь, состоящая из двух разнородных проводов, изменяла положение стрелки компаса, когда один из переходов нагревался.

Каждый тип термопары имеет свою характеристическую кривую напряжения Зеебека. Кривая Зеебека зависит от металлов, используемых в двух проводах термопары, а генерируемые напряжения измеряются в мВ. Почти все провода, используемые в термопарах, изготовлены из сплавов, и однородность сплава жизненно важна для точности измерительной системы.

Важно помнить, что напряжение генерируется не в горячем спае, а вдоль провода в местах, где есть температурный градиент. Там, где требуется наилучшая точность, это следует учитывать при проверке точности термопары перед ее использованием.

 

Типы термопар

Термопары делятся на две основные группы; изготовленные из неблагородных металлов и из благородных металлов. Неблагородные металлы — это более дешевые элементы, как правило, сплавы меди, железа или никеля. Точное соотношение металлов в сплавах не определено, но кривая отклика напряжение/температура определена. Таким образом, на микроскопическом уровне термопарные провода из недрагоценных металлов от двух разных поставщиков могут иметь разное соотношение металлов. Термопары из благородных металлов изготавливаются с использованием дорогих элементов, таких как платина и родий. Определены точные уровни и соотношения чистоты, а также кривые напряжение/температура.

Ниже перечислены некоторые часто используемые типы термопар и диапазон их использования.

Термопара типа	Область применения (исключая ограничение изоляции проводов)	Состав проволоки
Тип К	от -270 до 1370°C (от -454 до 2500°F)	Ni-Cr (+ve) и Ni-Al
Тип N	от -270 до 1300°C (от -454 до 2372F)	Ni-Cr-Si (+ve) и Ni-Si-Mg
Тип Т	от -270 до 400°C (от -454 до 752°F)	Cu (+ve) и Cu-Ni
Тип J	от -210 до 1200°C (от -346 до 2193°F)	Fe (+ve) и Cu-Ni
Тип Е	от -270 до 1000C (от -454 до 1832F)	Ni-Cr (+ve) и Cu-Ni
Тип R	от -50 до 1768C (от -58 до 3214F)	Pt-13% Rh (+ve) и Pt
Тип S	от -50 до 1768C (от -58 до 3214F)	Pt-10% Rh (+ve) и Pt
Тип В	от 0 до 1768C (от 32 до 3308F)	Pt-30% Rh (+ve) и Pt

 

Конструкция термопары

Одним из ключевых преимуществ термопар является то, что они просты в конструкции, что позволяет спроектировать их в соответствии с приложениями; например, в пищевой промышленности их можно заострить для легкого проникновения в продукт, а при термообработке металлов их можно приварить к продукту. Наконечники датчиков можно сплющить для лучшего теплового контакта или прикрепить к магнитам для быстрой установки

Изоляция проводов может быть гибкой, например, из ПТФЭ или стекловолокна с оплеткой для термостойкости, а при более высоких температурах они могут поставляться в металлической или керамической оболочке.

 

 

Приборы для термопар

Тщательная электронная и механическая конструкция приборов для термопар, таких как регистраторы данных, необходима для обеспечения максимально возможной точности. Механическая конструкция должна обеспечивать изотермический контакт датчика холодного спая с точкой, в которой провода термопары соединяются с медными дорожками/проводами печатной платы. Если датчик холодного спая не может точно отслеживать изменения температуры, это приведет к ошибке в окончательном измерении, равной разнице отслеживания. Крайне важно, чтобы эта область была свободна от температурных градиентов.

При напряжении термопары до 4 мкВ/Кл требуется усиление перед оцифровкой сигнала. Термопары, как правило, представляют собой длинные параллельные провода и часто используются в электрически агрессивных средах, где они будут вести себя как антенна, улавливающая мешающие сигналы; поэтому необходима тщательная электронная конструкция для фильтрации нежелательных сигналов.

 

Резюме

Термопары недороги, прочны и охватывают широкий диапазон температур. По оценкам, более половины всех показаний температуры в промышленности США производятся с использованием термопар. Выходные напряжения низкие и нелинейные, но если измерительный прибор или регистратор данных тщательно спроектированы, измерительная система может давать точные и воспроизводимые результаты.

Технология термопрофилирования

up

Что такое термопрофилирование?

Термопары: основы теории этих устройств для измерения температуры

Термопары

Основы теории этих устройств для измерения температуры
Джо Эскобар

Термопары используются во многих различных приложениях для измерения температуры. Однако, несмотря на их обильное использование в авиационных системах, многие механики не знают, как работают эти простые на вид устройства. Эта статья прольет свет на основные принципы работы термопар.

Теория
Термопары основаны на том принципе, что при соединении двух разнородных металлов будет генерироваться предсказуемое напряжение, связанное с разницей температур между измерительным спаем и эталонным спаем. Термоэлектрическое электромагнитное поле (ЭМП) генерируется внутри термопары, когда концы поддерживаются при разных температурах. Величина ЭДС пропорциональна и связана с разницей температур между двумя точками, а не только с температурой измерительного спая. Генерируемая ЭДС затем может быть измерена милливольтметром или потенциометром, встроенным в цепь, для определения температуры.

рисунок 1

Электростатический потенциал в металлах
В обычном металле разница температур между любыми двумя точками в металле приводит к разности электростатических потенциалов, если между ними не протекает электрический ток. две точки. Эта разница пропорциональна разнице температур между двумя точками (T1 и T2), как показано на рисунке 1.

рисунок 2

Термопары
В предыдущем примере подключенный вольтметр фактически измеряет падение потенциала на всем металле между его клеммами, включая полосу металла и провода, используемые для ее подключения к клеммам вольтметра. Чтобы уравновесить дополнительное падение потенциала, вызванное соединительными проводами, в термопаре используется полоска металла, отличного от первой, которая присоединяется последовательно к первой, так что концы также находятся между температурами T1 и T2 (см. Рисунок 2). . Термопара состоит из двух разнородных металлических проводов или полупроводниковых стержней, сваренных между собой на концах. Один из двух спаев, называемый горячим или измерительным спаем, подвергается воздействию измеряемой температуры. Другой спай, называемый холодным или эталонным спаем, поддерживается при известной эталонной температуре.
В таблице на этой странице показаны свойства и конструкция различных термопар. В стандартной практике отрицательный вывод имеет красный цвет. Кроме того, отрицательный вывод обычно короче положительного, а большой штырь на разъеме термопары является отрицательным проводником. Термопары
выбираются для применения в зависимости от их температурного диапазона, химической стойкости термопары или материала оболочки, стойкости к истиранию и вибрации, а также требований к установке. Двумя типами, общими для самолетов, являются тип J и тип K.

Типы термопар

Тип Материал положительного вывода Материал отрицательного вывода Темп.

J

Iron

Constantan

200-1400 ºF
95-760 ºC

K

Chromel

Alumel

200-2300 ºF
95-1260 ºC

T

Медь

Константан

-330-660 ºF
-200-350 ºC

B

Platinum 30%, Rhodium

Platinum 6% Rhodium

2500-3100 ºF
1370-1700 ºC

R

Platinum 13 %, Rhodium

Platinum

1600-2640 ºF
870-1450 ºC

S

Платина 10%, Rhodium

Platinum

1800-2640 ºF

1800-2640 ºF
90-14013503503

1800-2640 учреди. Термопары типа J
Термопары типа J состоят из положительного провода из железа и отрицательного провода из константана (45% никеля и 55% меди). Железный провод является положительным (магнитным) проводом и имеет черный цвет. Свинец из константана отрицательный (немагнитный) и окрашен в красный цвет.
Термопары типа J можно использовать при температуре от 0 до 870 градусов Цельсия для проводов самых больших размеров, хотя провода меньшего сечения должны работать при соответственно более низких температурах. Это рекомендуемые термопары для использования в восстановительной атмосфере.

Тип K
Термопары типа K состоят из положительного ветвь из Chromel® (90 процентов никеля и 10 процентов хрома) имеет желтый цвет, а отрицательная ветвь Alumel® (95 процентов никеля, 2 процента алюминия, 2 процента марганца и 1 процент кремния) имеет красный цвет. Их можно использовать от -36 до 1260 градусов по Цельсию.
Существуют различия, которые могут изменить величину тока, вырабатываемого термопарами в каждой группе типов. Это толщина проволоки и длина термопары.

Толщина проволоки
Толщина проволоки влияет на температурный диапазон и чувствительность термопары. Термопары с более толстой проволокой имеют более длительный срок службы при более высоких рабочих температурах, а более тонкая проволока имеет более высокую степень чувствительности.

Длина термопары
Также берется длина термопары во внимание. Он должен быть достаточно длинным, чтобы эффекты теплопроводности от измерительного спая термопары не влияли на эталонный спай.

Поиск и устранение неисправностей
При осмотре термопар их можно проверить с помощью омметра. Они должны показывать низкое сопротивление. В качестве предостережения: индикаторы могут быть повреждены напряжением, создаваемым мультиметром. Перед проверкой сопротивления убедитесь, что измеритель и зонд отсоединены.
Всякий раз, когда необходимо заменить термопару, чрезвычайно важно заменить ее термопарой того же типа и состава, как указано в руководстве по техническому обслуживанию. Даже, казалось бы, незначительное действие по замене термопары на термопару другой длины или толщины провода может повлиять на работу системы.

Thermocouple color codes

Type

Sheath Color

Negative Lead

Positive Lead

J

Black

Red

White

K

Желтый

Красный

Желтый

T

Синий

Красный

Синий

B

Grey

RED

GREY

R/S

Green

RED

Black

Что является датчиком термопары и как он работает

. эксперт

В этой статье мы обсудим, как сегодня измеряют температуру с помощью термопар, достаточно подробно, чтобы вы:

• См. , что такое термопары и как они работают
• Узнайте об основных типах доступных термопар и о том, как они используются
• Понять , как термопары могут быть подключены к вашей системе сбора данных

Вы готовы начать? Пойдем!

Перейти к разделу

Введение?

Что такое термопара?

Типы термопар

Как работает термопара?

Компенсация холодного спая

Линеаризация

Проблемы и растворы измерения термопары

Применение термопары

Преимущества и недостатки термопапл

Сравнение температурных датчиков: Термо окрыз. Термопара для вашего применения

Измерительные устройства Dewesoft для термопар

Введение

Знаете ли вы, что температура САМОЕ часто регистрируемое физическое измерение? Знание температуры имеет решающее значение для правильной работы всего, от человеческого тела до автомобильного двигателя и всего, что между ними.

Температура измеряется одним или несколькими датчиками температуры. На сегодняшний день на рынке доступно несколько вариантов:

• Термопарные датчики [эта статья]
• Датчики RTD
• Термисторные датчики
• Инфракрасные датчики температуры

В этой статье будут обсуждаться термопарные датчики. Вы также можете сразу перейти к сравнению различных типов датчиков температуры.

Что такое термопара?

Термопара — это датчик, используемый для измерения температуры. Термопара является очень популярным датчиком благодаря относительно низкой стоимости, взаимозаменяемости, широкому диапазону измерения и надежности.

Типовой термопарный датчик
Hartke, Wikimedia Commons, общественное достояние

Термопары широко используются во всех отраслях промышленности, от автоматизации производства и управления процессами до автомобильной, аэрокосмической, военной, энергетической, металлургической, медицинской и многих других.

Имеют стандартные типы соединителей, что делает их взаимозаменяемыми и легкодоступными. На измерительном конце датчика они могут быть такими же простыми, как два металла, скрученных вместе, или они могут быть заключены в прочный зонд для использования в суровых промышленных условиях.

Длинный зонд термопары, подключенный к измерителю
Harke / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Хотя термопары довольно популярны, их точность намного выше 1° C с ними не так просто достичь. Но несмотря на это, благодаря своим многочисленным преимуществам, они остаются сегодня наиболее популярным типом датчиков, используемых для промышленных измерений.

Типы термопар

Сочетание различных видов металлов дает нам различные диапазоны измерения. Они называются «типами термопар», и мы знаем несколько из них:

• Термопара типа K: , в которой сочетаются хром и алюминий, что обеспечивает широкий диапазон измерений от −200 °C до +1350 °C (от −330 °F до +2460 °F).
• Термопара типа J
• Термопара типа T
• Термопара типа E
• Термопара типа R
• Термопара типа S
• Термопара типа B
• Термопара типа N
• Термопара типа C

Термопары типов J, K, T и E также известны как 9.0209 Термопары из недрагоценных металлов . Термопары типов R, S и B известны как термопары из благородных металлов и используются в высокотемпературных приложениях. Вот самые популярные типы термопар, используемые сегодня:

ANSI	МЭК	Используемые сплавы	Самый широкий диапазон	Магнитный?	Комментарии
Дж	Дж	Железо-Константан	от -40° до 750°C от -40° до 1382°F	Да	Лучше для высоких, чем для низких температур
К	К	Хромель-Алюмель	от −200° до 1350 °C от −330° до 2460 °F	Да	Самый широкий ассортимент, самый популярный. Никель магнитится.
Т	Т	Медь (Cu)	от -270 до 400°C от -454 до 752°F	№	Подходит для низких температур и влажной среды.
Е	Е	Хромель-Константан	от −50° до 740 °C	№	Подходит для криогенного использования.
Н	Н	Никросил (никель-хром-кремний)	от -270 до 1300°C от -450 до 2372°F	№	Широкий диапазон температур, более стабильный, чем тип K
Б	Б	Платина-30% родия (Pt-30% родия)	от 0 до 1820°C от 32 до 3308°F	№	Высокая температура, не вставлять в металлические трубки
Р	Р	Платина-13% родий (Pt-13% родий)	от -50 до 1768°C от -58 до 3214°F	№	Высокая температура, не вставлять в металлические трубки
С	С	Платина-10% родий (Pt-10% родий)	от -50 до 1768°C от -58 до 3214°F	№	Высокая температура, не вставлять в металлические трубки
С W3 W5	С W3 W5	Вольфрам-3% рений (W-3% Re)	от 0 до 2320°C от 32 до 4208°F	№	Предназначен для применения при высоких температурах, но не в окислительных средах

Подробное сравнение термопар доступно на изображении ниже. Щелкните изображение, чтобы увеличить:

Как работает термопара?

Термопары основаны на эффекте Зеебека , который гласит, что когда пара разнородных металлов, соприкасающихся друг с другом на каждом конце, подвергается изменениям температуры, они создают небольшой потенциал напряжения. И делают они это пассивно, т.е. им не нужно питаться от преобразователя сигнала.

Как это возможно? Создаем ли мы бесплатную энергию из ничего? Вовсе нет — это просто физика!

Учтите, что электроны переносят как электричество, так и тепло. Возьмите кусок оголенного медного провода и обхватите его рукой с одного конца. Заряженные теплом вашей кожи, электроны будут распространяться от области, где вы прикасаетесь к ней, к более прохладному дальнему от вас концу, создавая температурный градиент по длине провода. Тепло превратилось в энергию.

Это явление было первоначально открыто итальянским ученым Алессандро Вольта (в честь которого мы назвали «вольт») в 1794 году. Но немецкий физик Томас Иоганн Зеебек заново открыл его в 1821 году. , а между этими концами была разница температур, что на стыках создавался небольшой потенциал напряжения.

Мы называем этот потенциал Напряжение Зеебека , а создание этого потенциала из тепловой энергии — «Эффект Зеебека». Основываясь на наблюдениях Зеебека 200 лет назад, физики могут определить коэффициент Зеебека, то есть величину термоэлектрического напряжения, вызванного разницей температур в данном материале.

Термопара обнаруживает изменения температуры пары разнородных металлов, когда они вступают в контакт друг с другом

Десятилетия исследований, проб и ошибок привели к сегодняшнему пониманию того, какие металлы дают нам наилучшие результаты, когда мы их соединяем для создания термопары. Различные комбинации обеспечивают различные эффективные диапазоны измерений. И, конечно же, каждый металл имеет экологические свойства, что в дальнейшем определяет, где и как их можно использовать.

Наука, стоящая за термопарами, в настоящее время достаточно развита, и сегодня на рынке доступны «типы» отраслевых стандартов, такие как тип K , в котором сочетаются хромель и алюмель, что обеспечивает очень широкий диапазон измерений. Подробнее о типах термопар ниже.

Звучит очень просто — возьмите пару проводов термопары, подключите один конец к системе сбора данных или вольтметру и начните измерять температуру, верно? Ну, есть немного больше, чем это.

Есть два дополнительных шага, которые необходимо выполнить, чтобы преобразовать выходной сигнал датчика термопары в пригодное для использования показание температуры: компенсация холодного спая и линеаризация . Давайте посмотрим на каждый из них, чтобы увидеть, как они работают и что они делают.

Компенсация холодного спая

Для проведения абсолютных измерений термопара должна быть «привязана» к известной температуре на другом конце кабелей датчика. В прежние времена эта ссылка была ледяной баней с почти замороженной дистиллированной водой, которая имеет известную температуру 0 ° C (32 ° F). Но поскольку его неудобно носить с собой, был создан другой метод с использованием крошечного термистора или RTD, экранированного от окружающей среды, для измерения температуры окружающей среды. Это называется « Компенсация холодного спая ” (CJC).

CJC внутри модуля термопары Dewesoft IOLITE TH. Белые провода подключаются к термистору, встроенному в белую термопасту.

«Горячий спай » — это измерительный конец блока термопары, а другой конец — «холодный спай », также известный как эталонный спай термопары, где расположен чип CJC. Таким образом, хотя температура холодного спая может варьироваться, она обеспечивает известный эталон, по которому измерительная система может определить температуру на измерительном конце датчика с очень хорошей и воспроизводимой точностью.

Линеаризация

Малое выходное напряжение термопарного датчика не является линейным, т. е. оно не изменяется линейно при изменении температуры. Линеаризация может выполняться самим преобразователем сигналов или с помощью программного обеспечения, работающего внутри системы сбора данных.

Кривые линеаризации для наиболее популярных типов термопар
Изображение из учебного онлайн-курса Dewesoft PRO

Проблемы измерения термопар и их решения измерительная система не изолирована. Устройства сбора данных Dewesoft решают эту проблему с помощью дифференциального

формирование сигнала . Почти все модули формирования сигнала Dewesoft имеют гальваническую развязку в дополнение к тому, что они являются дифференциальными. Это лучшие способы подавления синфазных напряжений, попадающих в сигнальную цепь.

Еще один способ уменьшить шум — разместить дигитайзер как можно ближе к датчику. Избегание длинных сигнальных линий является проверенной стратегией для обеспечения максимальной точности сигнала и снижения затрат. Ознакомьтесь с нашими модульными устройствами сбора данных SIRIUS и KRYPTON, чтобы найти лучшие в своем классе решения здесь.

Неправильный CJC приводит к неверным показаниям. Эта сборка должна быть защищена от изменений температуры окружающей среды, чтобы обеспечить надежный эталон. Dewesoft использует отдельный чип CJC для каждого канала в своих высококачественных CJC, которые вырезаются из цельного алюминиевого блока и тщательно собираются для достижения наилучших возможных эталонных значений.

Провода для термопар дороже простых медных проводов, что является еще одной причиной того, что холодный спай должен располагаться как можно ближе к источнику сигнала (но при этом избегать резких перепадов температуры окружающей среды).

Такие системы, как одноканальный изолированный модуль термопары Dewesoft KRYPTON ONE , обеспечивают максимальную эффективность в этой области, позволяя распределять холодный эталон в любом месте, где датчики расположены и взаимосвязаны на расстоянии до 100 м (328 футов) друг от друга. Сигнал преобразуется в цифровую форму прямо в точке измерения и передается через EtherCAT в главную измерительную систему, что устраняет шумы и длинные дорогие кабели термопар.

Применения для измерения термопар

Тестовый образец в верхней части печи оснащен термопарами типа K (обратите внимание на желтые разъемы сбоку печи)
Achim Hering / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by /3.0)

Температура является наиболее часто измеряемой физической характеристикой в ​​мире, а термопары являются наиболее популярным датчиком для измерения температуры. Таким образом, существуют буквально миллионы и миллионы применений термопар во всех отраслях и секторах. Вот лишь некоторые из них:

• Электростанции (температура является показателем перегрева компонентов)
• Бытовые приборы, в которых недостаточно термисторов
• Управление промышленными процессами и автоматизация производства
• Производство продуктов питания и напитков
• Металлургические и целлюлозно-бумажные комбинаты
• Экологический мониторинг и исследования
• Научные исследования и разработки (НИОКР)
• Производство и испытания фармацевтических и медицинских товаров
• Автомобильные системы и приложения для испытаний, испытания в жаркую и холодную погоду, испытания тормозов, испытания ADAS, анализ горения и многое другое
• Системы авиационных и ракетных двигателей и испытания
• Производство и испытания спутников и космических аппаратов

Преимущества и недостатки термопар

Преимущества термопар:

• Автономный источник питания (пассивный)
• Простой в использовании
• Взаимозаменяемость, простота подключения
• Относительно недорогой
• Широкий выбор датчиков термопар
• Широкий диапазон температур для многих типов
• Более высокие температурные возможности, чем у других датчиков
• Не зависит от уменьшения или увеличения сопротивления

Недостатки термопары:

• Выход требует линеаризации
• Требуется «холодный эталонный» спай CJC
• Низковольтные выходы чувствительны к шуму
• Не так стабильны, как RTD
• Не так точны, как RTD

Сравнение датчиков температуры: термопары, термометры сопротивления и термисторы

Сенсор	Термистор	Термопара	РДТ (Pt100)
Диапазон температур	Самый узкий от -40°C до 300°C	Самый широкий Тип J от -210 до 1200°C Тип K от 95 до 1260°C Другие типы могут работать от -270°C до 3100°C	Узкий -200- до 600°C Возможно до 850°C
Ответ	Быстро	От среднего до быстрого Зависит от размера сенсора, диаметра провода и конструкции	Медленно Зависит от размера датчика и конструкции
Долговременная стабильность	Бедный	Очень хорошо	Лучший (от ±0,5°C до ±0,1°C/год)
Точность	Ярмарка	Хорошо	Лучше 0,2 %, 0,1 % и 0,05 %
Линейность	Экспоненциальный	Нелинейный Обычно это делается в программном обеспечении	Достаточно хорошо Но рекомендуется линеаризация
Строительство	Хрупкий	Адекватный Чехлы и трубки улучшают хрупкость, но увеличивают время отклика	Хрупкий Чехлы и трубки улучшают хрупкость, но увеличивают время отклика
Размер	Очень маленький	Маленький	Больше
Проводка	Очень просто	Простой	Комплекс
Возбуждение/требуемая мощность	Нет	Нет	Требуется
Внешние требования	Нет	CJC (компенсация холодного спая) и линеаризация сигнала	Формирователь сигналов RTD
Стоимость	Самый низкий  Типы с низкой точностью очень недороги, но есть и более точные и более дорогие. Доступны модели NTC и PTC (с отрицательным и положительным температурным коэффициентом).	Низкий Типы R и S, в которых используется платина, дороже	Самый высокий

Типичные характеристики

Выбор правильной термопары для вашего применения

Чтобы правильно выбрать датчик для ваших измерений, важно учитывать ряд различных факторов:

• Каковы максимальная и минимальная температуры, которые необходимо измерять?
• Какой бюджет?
• Какой диапазон точности нужен?
• В какой атмосфере он будет использоваться? (окисляющие, инертные и др.)
• Каков необходимый срок службы сенсора?
• Какова требуемая реакция (как быстро он должен реагировать на изменения температуры)?
• Будет ли использование термопары периодическим или непрерывным?
• Будет ли термопара изгибаться или сгибаться в течение срока службы?
• Будет ли он погружаться в воду и на какую глубину?

Основываясь на ответах на эти вопросы и сверяясь с приведенной выше таблицей типов термопар, можно выбрать наилучший общий датчик(и) для вашего приложения.

Учебное видео по термопаре

В этом видеоролике с конференции Dewesoft по измерениям объясняются основные характеристики и принципы работы термопар, а также измерение температуры с помощью устройств и программного обеспечения Dewesoft DAQ.

Измерительные устройства Dewesoft для термопар

Dewesoft предлагает несколько систем сбора данных, которые могут эффективно измерять, сохранять и отображать температуру. И они могут сделать это, подключив самые популярные в мире датчики температуры для промышленных приложений сбора данных: термопары. Системы Dewesoft могут измерять, сохранять, анализировать и визуализировать температуру от одного до сотен каналов в режиме реального времени.

Обратите внимание, что программное обеспечение для сбора данных Dewesoft X позволяет отображать температуру, выдаваемую любым датчиком, в выбранной вами температурной шкале. Единицей измерения по умолчанию является градус Цельсия, но программное обеспечение обеспечивает простое и простое преобразование в шкалу Фаренгейта (F) или в шкалу Кельвина (K), базовую единицу измерения температуры в Международной системе единиц (СИ).

Dewesoft X настолько гибок, что при необходимости вы можете одновременно отображать заданное измерение в нескольких единицах измерения.

SIRIUS Измерение с помощью термопары

SIRIUS — флагман в линейке продуктов Dewesoft. Они представляют собой высочайшую производительность системы сбора данных в сочетании с самым мощным программным обеспечением сбора данных на рынке, DEWESoft X. Для подключения термопар к системам сбора данных SIRIUS мы используем наши популярные адаптеры Dewesoft Sensor Interface (DSI) для взаимодействия с несколькими входными модулями SIRIUS.

Системы сбора данных SIRIUS доступны в широком спектре физических конфигураций, от модульных «слоев», которые подключаются к вашему компьютеру через USB или EtherCAT, стоечных систем R3 и автономных систем R1, R2, R4 и R8. которые включают встроенный компьютер.

Линейка продуктов SIRIUS DAQ

Адаптеры для термопар серии DSI-THx имеют стандартный мини-лезвийный входной разъем и короткий термопарный кабель, металлы которого соответствуют типу. Адаптер DSI-THx совместим с четырьмя популярными типами термопар: J, K, T и C. 

Адаптер DSI-TH-K от Dewesoft (также доступны типы J, T и C)

Адаптеры DSI используют встроенный интерфейс TEDS для автоматической настройки в ПО Dewespft X DAQ. Просто подключите адаптер термопары DSI-TH к входу DB9 выбранного модуля SIRIUS, проверьте свои настройки на экране настройки оборудования в программном обеспечении DEWESoft X, и вы готовы начать измерения.

Вот перекрестная ссылка модулей SIRIUS и их совместимости с адаптером DSI-TH8x:

	Двухъядерные модули SIRIUS	Модули SIRIUS HD (высокой плотности)	Модули SIRIUS HS (высокоскоростные)
	СТГ, СТГМ, ЛВ	HD-STG, HD-LV	HS-СТГ, HS-LV
DSI-THx 1	√	√	√

1) Примечание. Адаптеры DSI-TH доступны в типах K, J, T, E и C
2) Примечание. Некоторые модули сбора данных SIRIUS имеют варианты входных разъемов, отличные от DB9.. Пожалуйста, выберите DB9 для идеальной совместимости адаптера DSI.

Измерение термопары KRYPTON

Модуль сбора данных с термопарой KRYPTON, испытываемый на вибрационном вибростенде

Устройства сбора данных KRYPTON представляют собой наиболее защищенную линейку продуктов, доступных от Dewesoft. Созданные для работы в условиях экстремальных температур, ударов и вибрации, KRYPTON имеют класс защиты IP67, защищая их от воды, пыли и других факторов. Они подключаются к любому компьютеру с ОС Windows (включая защищенную модель KRYPTON-CPU со степенью защиты IP67 от Dewesoft) через EtherCAT и могут находиться на расстоянии до 100 метров (328 футов), что позволяет размещать их рядом с источником сигнала. Как и SIRIUS, они используют самое мощное программное обеспечение для сбора данных на рынке — Dewesoft X.  

KRYPTONi-8xTH — изолированный 8-канальный регистратор данных с термопарами и сбор данных

KRYPTONi-16xTH — изолированный 16-канальный регистратор данных с термопарами и сбор данных

Термопары могут быть подключены непосредственно к KRYPTON-TH канальный модуль формирования сигнала и к одноканальному модулю формирования сигнала высоковольтной термопары HV-TH-1.

Экран настройки программного обеспечения Dewesoft X, на котором показаны 8 универсальных входов термопар модуля термопар KRYPTON

Экран настройки канала модуля термопары KRYPTON, показывающий настройки датчика и усилителя и предварительный просмотр аналогового сигнала в реальном времени.

	Многоканальные модули KRYPTON
	ТГ	СТГ
Термопары	Собственный вход термопары (УНИВЕРСАЛЬНЫЙ — каждому каналу можно задать любой тип в программном обеспечении, выбираемый из следующих девяти типов: J, K, T, E, R, S, B, N, C)	Требуется небольшой DSI-THx 1)

1) Примечание. Доступны адаптеры DSI-THx типов K, J, T, C и E. -1xSTG-1 универсальный модуль сбора данных сигналов

Одноканальный KRYPTON ONE обеспечивает максимальную модульность:

	Модули одноканальные КРИПТОН-1
	ТН-ХВ-1	СТГ-1
Термопары	Собственный вход для термопары типа K с классом изоляции CAT III 600 В и CAT II 1000 В.	Требуется небольшой DSI-THx 1)

1) Примечание. Доступны адаптеры DSI-TH типов K, J, T, E и C. мощная система сбора данных. С помощью IOLITE можно записывать сотни аналоговых и цифровых каналов на полной скорости, одновременно отправляя данные в реальном времени на любой ведущий контроллер EtherCAT стороннего производителя.

Слева: Система для монтажа в стойку IOLITer с 12 слотами для входных модулей
Справа: настольная система IOLITE с 8 слотами для модулей ввода

Они обеспечивают высокую производительность системы сбора данных, а также управление в режиме реального времени через EtherCAT в сочетании с самым мощным программным обеспечением сбора данных на рынке, DEWESoft X.

Вот крестик -ссылка на входные модули IOLITE и их совместимость с термопарами, а также адаптеры DSI, изготовленные для измерения термопар:

Многоканальные модули IOLITE
	8xTH	6xСТГ
Термопары	Собственные входы для термопар (8 каналов на модуль) Доступны следующие типы: K, J, T, R, S, N, E, C, U, B	Через DSI-THx 1) (до 6 каналов на модуль)

1) Примечание. Доступны адаптеры DSI-TH типов K, J, T, E и C. изоляция каналов до 1000В. Данные собираются одновременно со всех 8 каналов с частотой дискретизации до 100 отсчетов в секунду с использованием 24-битного дельта-сигма АЦП.

Те же характеристики частоты дискретизации и изоляции относятся к модулю 6xSTG, за исключением того, что он имеет шесть каналов вместо восьми. 6xSTG — очень универсальный модуль, способный выполнять тензометрические, резистивные измерения и измерения низкого напряжения, в дополнение к его совместимости с адаптерами серии DSI.

DEWE-43A и MINITAURs Измерение термопар

DEWE-43A — чрезвычайно портативная портативная система сбора данных. При подключении к компьютеру через запирающийся USB-разъем он имеет восемь универсальных аналоговых входов. Его «старший брат» называется MINITAURs — это, по сути, DEWE-43A в сочетании с компьютером и несколькими другими функциями в одном портативном корпусе. Универсальные входы обеих систем совместимы с адаптерами Dewesoft DSI, что позволяет подключать датчик термопары к любому или ко всем из восьми входных каналов.

Слева: портативная система сбора данных DEWE-43A
Справа: модель MINITAURs со встроенным компьютером

Адаптеры DSI-THx доступны для нескольких популярных типов термопар, включая типы J, K, T и C. Адаптеры DSI используют сенсорную технологию TEDS для автоматической настройки в ПО Dewesoft X DAQ.