Меню

Ошибка холодного спая что это

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

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

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 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

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

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

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.

Буквенные обозначения и диапазон температур для различных типов термопар

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

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

Потенциометр
Источник

В автоматизации технологических процессов очень часто приходится снимать показатели о температурных изменениях, для их загрузки в системы управления, с целью дальнейшей обработки. Для этого требуются высокоточные, малоинерционные датчики, способные выдерживать большие температурные нагрузки в определённом диапазоне измерений. В качестве термоэлектрического преобразователя широко используются термопары – дифференциальные устройства, преобразующие тепловую энергию в электрическую.

Устройства также являются простым и удобным датчиком температуры для термоэлектрического термометра, предназначенного для осуществления точных измерений в пределах довольно широких температурных диапазонов. В частности, управляющая автоматика газовых котлов и других отопительных систем срабатывает от электрического сигнала, поступающего от сенсора на базе термопары. Конструкции датчика обеспечивают необходимую точность измерений в выбранном диапазоне температур.

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.

Схема строения термопары

Рис. 1. Схема строения термопары

Красным цветом выделено зону горячего спая, синим – холодный спай.

Электроды состоят из разных металлов (металл А и металл В), которые на схеме окрашены в разные цвета. С целью защиты термоэлектродов от агрессивной горячей среды их помещают в герметичную капсулу, заполненную инертным газом или жидкостью. Иногда на электроды надевают керамические бусы, как показано на рис. 2).

Термопара с керамическими бусами

Рис. 2. Термопара с керамическими бусами

Принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте. При замыкании цепи, например милливольтметром (см. рис. 3) в точках спаек возникает термо-ЭДС. Но если контакты электродов находятся при одинаковой температуре, то эти ЭДС компенсируют друг друга и ток не возникает. Однако, стоит нагреть место горячей спайки горелкой, то согласно эффекту Зеебека возникнет разница потенциалов, поддерживающая существование электрического тока в цепи.

Измерение напряжения на проводах ТП

Рис. 3. Измерение напряжения на проводах ТП

Примечательно, что напряжение на холодных концах электродов пропорционально зависит от температуры в области горячей спайки. Другими словами, в определённом диапазоне температур мы наблюдаем линейную термоэлектрическую характеристику, отображающую зависимость напряжения от величины разности температур между точками горячей и холодной спайки. Строго говоря, о линейности показателей можно говорить лишь в том случае, когда температура в области холодной спайки постоянна. Это следует учитывать при выполнении градуировок термопар. Если на холодных концах электродов температура будет изменяться, то погрешность измерения может оказаться довольно значительной.

В тех случаях, когда необходимо добиться высокой точности показателей, холодные спайки измерительных преобразователей помещают даже в специальные камеры, в которых температурная среда поддерживается на одном уровне специальными электронными устройствами, использующими данные термометра сопротивления (схема показана на рис. 4). При таком подходе можно добиться точности измерений с погрешностью до ± 0,01 °С. Правда, такая высокая точность нужна лишь в немногих технологических процессах. В ряде случаев требования не  такие жёсткие и погрешность может быть на порядок ниже.

Решение вопроса точности показаний термопар

Рис. 4. Решение вопроса точности показаний термопар

На погрешность влияют не только перепады температуры в среде, окружающей холодную спайку. Точность показаний зависит от типа конструкции, схемы подключения проводников, и некоторых других параметров.

Типы термопар и их характеристики

Различные сплавы, используемые для изготовления термопар, обладают разными коэффициентами термо-ЭДС. В зависимости от того, из каких металлов изготовлены термоэлектроды, различают следующие основные типы термопар:

  • ТПП13 – платинородий-платиновые (тип R);
  • ТПП10 – платинородий-платиновые (тип S);
  • ТПР – платинородий-платинродиевые (тип B);
  • ТЖК – железо-константановые (тип J);
  • ТМКн – медь-константановые (тип T);
  • ТНН – нихросил-нисиловые (тип N);
  • ТХА – хромель-алюмелевые (тип K);
  • ТХКн – хромель-константановые (тип E);
  • ТХК – хромель-копелевые (тип L);
  • ТМК – медь-копелевые (тип M);
  • ТСС – сильх-силиновые (тип I);
  • ТВР – вольфрамрениевые (типы A-1 – A-3).

Технические требования к термопарам задаются параметрами определёнными ГОСТ 6616-94, а их НСХ (номинальные статические характеристики преобразования), оптимальные диапазоны измерений, установленные классы допуска регулируются стандартами МЭК 62460, и определены ГОСТ Р 8.585-2001. Заметим, также, что НСХ в вольфрам-рениевых термопарах отсутствовали в таблицах МЭК до 2008 г. На сегодняшний день указанными стандартами не определены характеристики термопары хромель-копель, но их параметры по прежнему регулируются ГОСТ Р 8.585-2001. Поэтому импортные термопары типа L не являются полным аналогом отечественного изделия ТХК.

Классификацию термодатчиков можно провести и по другим признакам: по типу спаев, количеству чувствительных элементов.

Типы спаев

В зависимости от назначения термодатчика спаи термопар могут иметь различную конфигурацию. Существуют одноэлементные и двухэлементные спаи. Они могут быть как заземлёнными на корпус колбы, так и незаземленными. Понять схемы таких конструкций можно из рисунка 5.

Типы спаев

Рис. 5. Типы спаев

Буквами обозначено:

  • И – один спай, изолированный от корпуса;
  • Н – один соединённый с корпусом спай;
  • ИИ – два изолированных друг от друга и от корпуса спая;
  • 2И – сдвоенный спай, изолированный от корпуса;
  • ИН – два спая, один из которых заземлён;
  • НН – два неизолированных спая, соединённых с корпусом.

Заземление на корпус снижает инерционность термопары, что, в свою очередь, повышает быстродействие датчика и увеличивает точность измерений в режиме реального времени.

С целью уменьшения инерционности в некоторых моделях термоэлектрических преобразователей оставляют горячий спай снаружи защитной колбы.

Многоточечные термопары

Часто требуется измерение температуры в различных точках одновременно. Многоточечные термопары решают эту проблему: они фиксируют данные о температуре вдоль оси преобразователя. Такая необходимость возникает в химических и нефтехимических отраслях, где требуется получать информацию о распределении температуры в реакторах, колоннах фракционирования и в других ёмкостях, предназначенных для переработки жидкостей химическим способом.

Многоточечные измерительные преобразователи температуры повышают экономичность, не требуют сложного обслуживания. Количество точек сбора данных может достигать до 60. При этом используется только одна колба и одна точка ввода в установку.

Таблица сравнения термопар

Выше мы рассмотрели типы термоэлектрических преобразователей. У читателя, скорее всего, резонно возник вопрос: Почему так много типов термопар существует?

Дело в том, что заявленная производителем точность измерений возможна только в определённом интервале температур. Именно в этом диапазоне производитель гарантирует линейную характеристику своего изделия. В других диапазонах зависимость напряжения от температуры может быть нелинейной, а это обязательно отобразится на точности. Следует учитывать, что материалы обладают разной степенью плавкости, поэтому для них существует предельное значение рабочих температур.

Для сравнения термопар составлены таблицы, в которых отображены основные параметры измерительных преобразователей. В качестве примера приводим один из вариантов таблицы для сравнения распространённых термопар.

Таблица 1.

Тип термопары K J N R S B T E
Материал положительного электрода Cr—Ni Fe Ni—Cr—Si Pt—Rh (13 % Rh) Pt—Rh (10 % Rh) Pt—Rh (30 % Rh) Cu Cr—Ni
Материал отрицательного электрода Ni—Al Cu—Ni Ni—Si—Mg Pt Pt Pt—Rh (6 % Rh Cu—Ni Cu—Ni
Температурный коэффициент 40…41 55.2 68
Рабочий температурный диапазон, ºC 0 до +1100 0 до +700 0 до +1100 0 до +1600 0 до 1600 +200 до +1700 −185 до +300 0 до +800
Значения предельных температур, ºС −180; +1300 −180; +800 −270; +1300 – 50; +1600 −50; +1750 0; +1820 −250; +400 −40; +900
Класс точности 1, в соответствующем  диапазоне температур, (°C) ±1,5 от −40 °C до 375 °C ±1,5 от −40 °C до 375 °C ±1,5 от −40 °C до 375 °C ±1,0 от 0 °C до 1100 °C ±1,0 от 0 °C до 1100 °C ±0,5 от −40 °C до 125 °C ±1,5 от −40 °C до 375 °C
±0,004×T от 375 °C до 1000 °C ±0,004×T от 375 °C до 750 °C ±0,004×T от 375 °C до 1000 °C ±[1 + 0,003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °C ±[1 + 0,003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 ° ±0,004×T от 125 °C до 350 °C ±0,004×T от 375 °C до 800 °C
Класс точности 2 в соответствующем  диапазоне температур, (°C) ±2,5 от −40 °C до 333 °C ±2,5 от −40 °C до 333 °C ±2,5 от −40 °C до 333 °C ±1,5 от 0 °C до 600 °C ±1,5 от 0 °C до 600 °C ±0,0025×T от 600 °C до 1700 °C ±1,0 от −40 °C до 133 °C ±2,5 от −40 °C до 333 °C
±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C ±0, T от 333 °C до 750 °C ±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C ±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C ±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C ±0,0075×T от 133 °C до 350 °C ±0,0075×T от 333 °C до 900 °C
Цветовая маркировка выводов по МЭК Зелёный — белый Чёрный — белый Сиреневый — белый Оранжевый — белый Оранжевый — белый Отсутствует Коричневый — белый Фиолетовый — белый

Способы подключения

Каждая новая точка соединения проводов из разнородных металлов образует холодный спай, что может повлиять на точность показаний. Поэтому подключения термопары выполняют, по возможности, проводами из того же материала, что и электроды. Обычно производители поставляют изделия с подсоединёнными компенсационными проводами.

Некоторые измерительные приборы содержат схемы корректировки показаний на основе встроенного термистора. К таким приборам просто подключаются провода, соблюдая их полярность (см. рис. 6).

Компенсационные провода

Рис. 6. Компенсационные провода

Часто используют схему подключения «на разрыв». Измерительный прибор, подключают через проводник того же типа что и клеммы (чаще всего медь). Таким образом, в местах соединения отсутствует холодный спай. Он образуется лишь в одном месте: в точке присоединения провода к электроду термопары. На рисунке 7 показана схема такого подключения.

Схема подключения на разрыв

Рис. 7. Схема подключения на разрыв

При подключении термопары следует как можно ближе размещать измерительные системы, чтобы избежать использования слишком длинных проводов. Во всяком проводе возможны помехи, которые усиливаются с увеличением длины проволоки. Если от радиопомех можно избавиться путём экранирования проводки, то бороться с токами наводки гораздо сложнее.

В некоторых схемах используют компенсирующий терморезистор между контактом измерительного прибора и точкой холодного спая. Поскольку внешняя температура одинаково влияет на резистор и на свободный спай, то данный элемент будет корректировать такие воздействия.

И напоследок: подключив термопару к измерительному прибору, необходимо, пользуясь градуировочными таблицами, выполнить процедуру калибровки.

Применение

Термопары используются везде, где требуется измерение температуры в технологической среде. Они применяются в автоматизированных системах управления в качестве датчиков температуры. Термопары типа ТВР, у которых внушительный диаметр термоэлектрода, незаменимы там, где требуется получать данные о слишком высокой температуре, в частности в металлургии.

Газовые котлы, конвекторы, водонагревательные колонки также оборудованы термоэлектрическими преобразователями.

Преимущества

  • высокая точность измерений;
  • достаточно широкий температурный диапазон;
  • высокая надёжность;
  • простота в обслуживании;
  • дешевизна.

Недостатки

Недостатками изделий являются факторы:

  • влияние свободных спаев на показатели приборов;
  • ограничение пределов рабочего диапазона нелинейной зависимостью ТЭДС от степени нагревания, порождающей сложности в разработке вторичных преобразователей сигналов;
  • при длительной эксплуатации в условиях перепадов температур ухудшаются градуировочные характеристики;
  • необходимость в индивидуальной градуировке для получения высокой точности измерений, в пределах погрешности в 0,01 ºC.

Благодаря тому, что проблемы связанные с недостатками решаемы, применение термопар более чем оправдано.

Видео по теме

https://www.youtube.com/watch?v=YN5VryJaanM

Источник

Принцип работы термопары и компенсация напряжения на холодном спае

    Термопары —
маленькие, прочные и сравнительно
недорогие устройства. Вдобавок из всех
температурных датчиков они работают в
самом широком диапазоне температур.
Термопары незаменимы при измерении
высоких температур (вплоть до 2300 °С) в
агрессивных средах. Они вырабатывают
на выходе термоЭДС в диапазоне от
микровольт до милливольт, однако требуют
стабильного усиления для последующей
обработки. К тому же необходимо применять
компенсацию напряжения на холодном
спае, которая вкратце будет обсуждена
ниже. Они гораздо более линейны, чем
многие другие датчики, а их нелинейность
на сегодняшний день хорошо изучена и
описана в специальной литературе.

    В табл. 2
приведены наиболее распространенные
термопары. При их изготовлении обычно
применяют такие металлы, как железо,
платина, родий, рений, вольфрам, медь,
алюмель (сплав никеля с алюминием),
хромель (сплав никеля с хромом) и
константан (сплав меди и никеля).

Таблица
2

Хромель-алюмель

-184…1260

39

К

Платина (13%)/родий-платина

0…1593

11,7

R

Платина (10%)/родий-платина

0…1538

10,4

S

Медь-константан

-184…400

45

Т

    На рис. 1
представлены зависимости ЭДС от
температуры трех наиболее распространенных
типов термопар, у которых температура
опорного спая поддерживается равной 0
°С. Термопары типа J наиболее чувствительны
и развивают наибольшее выходное
напряжение при одном и том же изменении
температуры. С другой стороны, термопары
типа S являются наименее чувствительными.
Как видно из приведенных характеристик,
сигналы, развиваемые термопарами, очень
малы и требуют малошумящих усилителей
с большим коэффициентом усиления и
малым дрейфом. Это необходимо учитывать
при проектировании схем обработки
сигналов с термопарных датчиков.

Рис.
1

    Чтобы понять
поведение термопар, рассмотрим, как
изменяется их выходной сигнал при
изменении температуры чувствительной
части термопары (горячего спая). Рисунок
1 показывает связь между температурой
горячего спая и выходным сигналом,
развиваемым разными типами термопар
(во всех случаях температура холодного
спая поддерживается равной 0 °С). Очевидно,
что отдача термопар нелинейна, но природа
этой нелинейности до сих пор не вполне
ясна.

    Рисунок 2
показывает, как зависит от температуры
горячего спая коэффициент линейности
(Seebeck coefficient), то есть прирост выходного
напряжения, соответствующий росту
температуры горячего спая на 1 °С, иными
словами, первая производная зависимости
выходного сигнала от температуры.
Отметим, что мы по-прежнему рассматриваем
тот случай, когда температура холодного
спая поддерживается равной 0 °С.

Рис.
2

    При выборе
термопары для производства замеров
температур в достаточно широком диапазоне
следует выбирать ту термопару, коэффициент
линейности которой изменяется менее
других в рамках этого диапазона.

    Например, для
термопары типа J в диапазоне от 200 до 500
°С коэффициент линейности изменяется
менее чем на 1 мкВ/°С, что делает ее
идеальной для использования в этом
диапазоне.

    Приведенные
на рис. 1 и 2 данные полезны вдвойне:
во-первых, рис. 1 показывает диапазон и
чувствительность трех типов термопар,
так что разработчик может с одного
взгляда определить, что термопара типа
S имеет самый широкий диапазон измерений,
но типа J — более чувствительная;
во-вторых, знание коэффициента Сибека
(рис. 2) позволяет быстро определить,
какова линейность выбранной термопары.
Используя рис. 2, разработчик для работы
в диапазоне 400…800 °С выберет термопару
типа К, коэффициент линейности которой
в этой области минимальный, а для
диапазона 900…1700 °С — типа S. Поведение
коэффициента линейности термопары
оказывается определяющим в тех случаях,
когда некоторое отклонение от заданной
температуры критичнее, чем само значение
заданной температуры. Эти данные также
показывают, какими характеристиками
должны обладать устройства, работающие
в схеме управления совместно с той или
иной термопарой.

    Чтобы успешно
использовать термопары, необходимо
понимать основные принципы их работы.
Рассмотрим схемы, изображенные на рис.
3.

Рис.
3

    Если мы соединим
два разнородных металла при какой-либо
температуре, превышающей абсолютный
нуль (-273,16 °С), то между ними будет разность
потенциалов (так называемая, термоЭДС
— Thermoelectric EMF, или «контактная разность
потенциалов»), которая является функцией
температуры соединения (рис. 3, а). Если
мы соединим два провода в двух местах,
сформируются два спая (рис. 3, б) Если эти
спаи имеют разную температуру, то в цепи
образуется термоЭДС, по проводникам
потечет ток, величина которого определяется
значением термоЭДС и сопротивлением
проводников.

    Разорвав один
из проводников, мы увидим, что напряжение
в точках разрыва будет равным термоЭДС,
и если замерить это напряжение, то
полученное значение можно использовать,
чтобы определить разность температур
между двумя спаями (рис. 3, в).

    Необходимо
помнить, что термопара изменяет разницу
температур между двумя спаями, а не
абсолютную температуру в одном из них.
Определить температуру в измеряемом
спае мы можем лишь в том случае, если
знаем температуру второго спая (часто
называемого «опорным» или «холодным»).

    Но не так легко
измерить напряжение, образуемое
термопарой. Предположим, что мы подключили
вольтметр в контур схемы (рис. 3, г).
Провода, подключенные к вольтметру,
также образуют термопары в месте их
присоединения. Если обе эти дополнительные
термопары находятся под одинаковой
температурой (не имеет значения, какой),
то они не окажут воздействия на общую
термоЭДС системы. Если же их температуры
различаются, то могут возникнуть ошибки.
Поскольку каждая пара находящихся в
контакте разнородных металлов вырабатывает
термоЭДС (включая медь/припой, ковар/медь
(ковар — сплав, используемый для
формирования подложки микросхемы),
алюминий/ковар [в соединении внутри
микросхемы)), очевидно, что в реальных
рабочих контурах возникают гораздо
более серьезные проблемы, чем описано
выше. Поэтому необходимо постараться
обеспечить, чтобы все контакты разнородных
металлов в контуре вокруг термопары
(естественно, помимо спаев самой
термопары) находились при одинаковой
температуре.

    Термопары
создают напряжение, хотя и очень
маленькое, но не требующее токового
возбуждения. Показанная на рис. 3, г
термопара имеет два спая (T1 — температура
измерительного спая, Т2 — опорного).
Если Т2 = Т1, тогда V2 = V1 и выходное напряжение
V = 0. Выходное напряжение термопары
обычно определено как значение, полученное
при поддержании температуры холодного
спая, равной 0 °С. Отсюда и происхождение
термина «холодный спай» или «спай при
температуре тающего льда». Таким образом,
если измерительный спай будет помещен
в среду с нулевой температурой, на выходе
термопары будет нулевое напряжение.

    Чтобы проводить
высокоточные измерения, необходимо
тщательно поддерживать температуру
холодного спая, которая должна быть
строго определена (хотя не обязательно
равна 0°С). Простая реализация этого
требования представлена на рис. 4. Ванна
с тающим льдом может быть легко реализована
в любых условиях, хотя на практике это
не всегда удобно.

Рис.
4

    Сегодня «спай
при температуре тающего льда» с требуемой
для его реализации ванной со льдом и
водой успешно вытесняется электроникой.
Температурный датчик другого типа (чаще
полупроводниковый, а иногда и термистор)
измеряет температуру холодного спая,
а полученный результат используется
для формирования дополнительного
напряжения в цепи термопары, компенсирующего
разницу между фактической температурой
холодного соединения и его идеальным
значением (обычно 0 °С), как показано на
рис. 5. В идеале напряжение компенсации
должно подбираться строго в зависимости
от разности напряжений. Корректирующее
напряжение является функцией от
температуры опорного спая Т2, причем
более сложной, нежели простая линейная
зависимость, описываемая произведением
КхТ2, где К — простая константа. На
практике, поскольку холодные спаи обычно
находятся при температуре лишь на
несколько десятков градусов выше 0 °С
и ее значение колеблется в пределах ±10
°С, линейная аппроксимация компенсирующего
напряжения оказывается допустимой.
Другими словами, хотя реальное значение
корректирующего напряжения и определяется
многочленом в соответствии с формулой
V=K1хT+K2хT2+K3хT3+…,
но значения коэффициентов К2, К3и т. д. очень малы для всех известных
типов термопар. Значения этих коэффициентов
для всех термопар можно найти в справочной
литературе.

Рис.
5

    Когда используется
электронная компенсация напряжения на
холодном спае, на практике соединение
проводов с концами термопары заключают
в изотермический блок, как показано на
рис. 6. Когда соединения металл А — медь
и металл В — медь находятся при одной
температуре, это эквивалентно спаю
металл А — металл В, как показано на
рис. 5.

Рис.
6

    Схема, приведенная
на рис. 7, обеспечивает измерение
температуры от 0 °С до 250 °С при помощи
термопары типа К с компенсацией напряжения
холодного спая. Питание схемы осуществляется
однополярным напряжением от 3,3 до 12 В.
Причем схема была спроектирована таким
образом, чтобы коэффициент преобразования
составлял 10 мВ/°С.

Рис.
7

    Коэффициент
передачи термопары типа К приблизительно
равен 41 мкВ/°С. Следовательно, примененный
для компенсации датчик напряжения с
температурным коэффициентом 10 мВ/°С
ТМР35 используется с делителем на R1 и
R2, обеспечивающим требуемое значение
41 мкВ/°С. Ликвидация неизотермичности
между дорожками печатной платы и
проводами термопары предотвращает
появление ошибок в процессе измерения
при изменении температур. Такая
компенсация подходит для схем, работающих
при температуре окружающей среды от 20
до 50 °С.

    Если температура
рабочего спая термопары достигла 250 °С,
ее выходное напряжение будет составлять
10,151 мВ. Поскольку при этом выходной
сигнал схемы должен быть равен 2,5 В, то
усилитель должен иметь коэффициент
усиления, равный 246,3. Выбор R4, равного
4,99 кОм, предопределяет для R5 значение
1,22 МОм. Наиболее близкое однопроцентное
значение для R5 составляет 1,21 МОм, в связи
с чем для точной настройки размаха
выходного сигнала совместно с R5
используется потенциометр сопротивлением
50 кОм.

    Хотя ОР193
допускает питание от одного источника,
его выходные каскады не предназначены
для работы в режиме rail-to-rail и минимальное
значение сигнала на его выходе не должно
быть ниже +0,1 В. С этой целью резистор R3
добавляет ко входу ОУ небольшое
напряжение, увеличивающее выходной
сигнал на 0,1 В для питающего напряжения
5 В. Это смещение (соответствующее 10 °С)
должно быть вычтено после обработки
или считывания сигнала с выхода ОР193.
R3 также обеспечивает определение обрыва
термопары: если термопара отсутствует,
выходной сигнал становится больше чем
3 В. Резистор R7 балансирует входное
сопротивление ОР193 по постоянному току,
а пленочный конденсатор емкостью 0,1 мкФ
снижает помехи от термопары на его
неинвертирующем входе.

    AD594/AD595 —
инструментальный усилитель и компенсатор
напряжения холодного спая, выполненный
в одном чипе (рис. 9). Эта микросхема
осуществляет привязку к «точке таяния
льда» и содержит предварительно
откалиброванный усилитель, который
обеспечивает получение выходного
напряжения высокого уровня (10 мВ/°С)
непосредственно с выхода термопары.
AD594/AD595 может быть использована как
линейный усилитель-компенсатор либо в
качестве переключаемого контроллера,
используемого для постоянного или
мобильного управления и регулирования.
Схема может быть также использована
для прямого усиления компенсируемого
напряжения, выполняя при этом функции
преобразователя температуры в напряжение
с коэффициентом преобразования 10 мВ/°С.
В ряде случаев очень важно, чтобы чип
находился при той же температуре, что
и холодный спай термопары. Обычно это
достигается путем размещения обоих в
непосредственной близости друг от друга
и изоляции их от источников тепла.

    AD594/AD595 включает
датчик повреждения термопары, который
показывает, что либо один, либо оба конца
термопары отсоединены от микросхемы.
Аварийный выход достаточно гибкий и в
состоянии формировать ТТL-сигнал. Прибор
запитывается от одного положительного
источника (напряжение на нем может быть
всего 5 В), но подача отрицательного
напряжения позволяет измерить температуру
ниже 0 °С. Для уменьшения самонагрева
собственное потребление AD594/AD595 (без
нагрузки) снижено до 160 мкА, при этом
микросхемы в состоянии отдать в нагрузку
ток до ±5мА.

Рис.
8

    Благодаря
лазерной подгонке сопротивлений внутри
AD594 схема настроена на работу с термопарами
типа J (железо/константан), а AD595 — с
термопарами типа К (хромель/алюмель).
Напряжения смещения и коэффициенты
усиления микросхем могут изменяться
при помощи внешних элементов, так что
каждая из них может быть перекалибрована
под термопару любого другого типа.
Допустимо также с помощью внешних
элементов осуществить более точную
калибровку термопары для специальных
применений.

    AD594/AD595 выпускаются
в двух модификациях: «С» и «А», —
калибрующихся с точностью ±1 °С и ±3 °С
соответственно. Оба исполнения допускают
поддержание температуры холодного спая
в пределах от 0°С до 50 °С. Схема,
представленная на рис.9, непосредственно
работает с термопарой типа J (AD594) или
типа K AD595) и позволяет измерять температуру
от 0 °С до 300 °С.

Рис.
9

    AD596/AD597 —
монолитные контроллеры, оптимизированные
для использования в условиях любых
температур в различных случаях. В них
осуществляется компенсация напряжения
холодного спая и усиление сигналов с
J- или K-термопары таким образом, чтобы
получить сигнал, пропорциональный
температуре. Схемы могут быть подстроены
так, чтобы обеспечить выходное напряжение
10 мВ/°С непосредственно от термопар
типа J или K. Каждый из чипов размещен в
металлическом корпусе с десятью выводами
и настроен на работу при температуре
окружающей среды от 25 °С до 100 °С.

    AD596 усиливает
сигналы термопары, работающей в
температурном диапазоне от -200 °С до
+760 °С, рекомендованном для термопар
типа J, в то время как AD597 работает в
диапазоне от -200 °С до +1250 °С (диапазон
термопар типа K). Усилители откалиброваны
с точностью ±4 °С при температуре
окружающей среды 60 °С и характеризуются
температурной стабильностью 0,05°С/°С
при изменении температуры окружающей
среды в пределах от 25 °С до 100 °С.

    Все вышеописанные
усилители не в состоянии компенсировать
нелинейность термопары: они способны
лишь корректировать и усиливать сигнал
с термопарного выхода. АЦП с высокой
разрешающей способностью, входящие в
семейство AD77хx, могут использоваться
для прямой оцифровки сигнала с выхода
термопары, без предварительного усиления.
Преобразование и линеаризацию осуществляет
микроконтроллер, сопряженный с таким
АЦП, как показано на рис.10. Два
мультиплексируемых входа АЦП используются
для прямой оцифровки сигнала с термопары
и с теплового датчика, находящегося в
контакте с ее холодным спаем. Вход PGA
(программируемого усилителя) программируется
на усиление от 1 до 128, и разрешающая
способность АЦП лежит в пределах от 16
до 22 бит в зависимости от того, какая из
микросхем выбрана пользователем.
Микроконтроллер осуществляет как
компенсацию напряжения холодного спая,
так и линеаризацию характеристики

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
Источник

Содержание

  • 1 Что такое термопара
  • 2 Принцип работы
    • 2.1 Конструкция устройства
    • 2.2 Холодный спай
    • 2.3 Рабочий спай термопары (горячий)
  • 3 Стандарты на цвета проводников термопар
  • 4 Схема подключения термопары
  • 5 Способы измерения температуры при помощи термопар
  • 6 Погрешность измерений
  • 7 Типы термопар и их характеристики
    • 7.1 Типы спаев
    • 7.2 Многоточечные термопары
  • 8 Плюсы и минусы устройства
  • 9 Удлинительные провода
  • 10 Эффект Зеебека
  • 11 Таблица сравнения термопар
  • 12 Аналоговые и цифровые термометры
    • 12.1 Аналоговые
    • 12.2 Цифровые
  • 13 Особенности устройства промышленной термопары
  • 14 Термопара типа K
  • 15 Способы монтажа
  • 16 Особенности применения наиболее распространённых термопар
    • 16.1 Тип J (железо-константановая термопара)
    • 16.2 Тип Е (хромель-константановая термопара)
    • 16.3 Тип Т (медь-константановая термопара)
    • 16.4 Тип К (хромель-алюмелевая термопара)
    • 16.5 Тип N (нихросил-нисиловая термопара)
    • 16.6 Общие советы по выбору термопар из неблагородных металлов
    • 16.7 Термопары из благородных металлов
    • 16.8 Тип R (платнородий-платиновая)
    • 16.9 Тип В (платнородий-платинородиевая)
  • 17 Компенсация температуры холодного спая (КХС)
  • 18 Рекомендации по эксплуатации
  • 19 Подключение к ПЛК
  • 20 Проверка работоспособности термопары

Что такое термопара

Термопары существуют благодаря такому явлению, как контактная разность потенциалов. Если два разных твердых проводника или полупроводника привести в плотный контакт друг с другом, то в окрестности места их соприкосновения образуются разделенные электрические заряды. При этом на внешних концах данных проводников возникнет разность потенциалов. Эта разность потенциалов окажется равна разности работ выхода для каждого металла, поделенной на заряд электрона.

Вопрос экспертуЗачем нужен вольтметр при подборе термопары?Вольтметром измерить контактную разность потенциалов не удастся, однако на вольт-амперной характеристике она себя проявит, так например она проявляет себя в транзисторе и в диоде на p-n переходе.

Понятно, что если сомкнуть такую пару в кольцо, то результирующая ЭДС будет равна нулю, а если с одной стороны ее все же оставить разомкнутой, то будет иметь место реальная ЭДС, величиной от десятых долей вольта до единиц вольт, в зависимости от того, что это за материалы.

Дополнительный материал: Как смастерить лабораторный блок питания самостоятельно.

Суть в том, что при соприкосновении, к примеру, двух металлов, система выходит из равновесия потому что химические потенциалы этих двух металлов не равны друг другу, в результате происходит диффузия электронов в сторону уменьшения их энергии, что в свою очередь приводит к изменению заряда и электрического потенциала приведенных в контакт металлов. Так в приконтактной области начинается рост электрического поля, и как следствие мы имеем то, что имеем.

Если теперь снова рассмотреть два этих проводника из разных металлов, только замкнутых в кольцо, когда суммарная ЭДС по замкнутому контуру станет равна нулю, то здесь получится два контактных места. Назовем эти места спаями. Итак, есть два спая двух разных проводников. Что если попробовать подогреть один из спаев, а второй оставить при комнатной температуре? Очевидно, что поскольку соединенные металлы разные, и в каждом спае присутствует контактная разность потенциалов, то спаи будут испытывать разное отклонение ЭДС, находясь при разных температурах.


Принцип работы термопары.

Эксперимент доказывает, что разность потенциалов между спаями будет пропорциональна разности их температур, так что можно ввести коэффициент пропорциональности, который называют термо-ЭДС. Для различных термопар термо-ЭДС будет разной. Если в разрезе такого кольца измерить напряжение, то в определенном интервале температур оно окажется почти строго пропорционально разности температур спаев. И даже если оставить только один спай (как на рисунке), и лишь его подогревать, а напряжение измерять между двумя концами, находящимися при одной и той же комнатной температуре, то все равно можно обнаружить очень четкую зависимость ЭДС от текущей температуры спая.

Чем отличаются параллельное и последовательное соединение конденсаторов. Читать далее Металлоискатель пират своими руками подробная инструкция. Читать далее Что такое подстроечный резистор: описание устройства и область его применения. Читать далее

Так и работают термопары. Описанное явление относится к термоэлектрическим, а сам эффект, на базе которого работают все термопары, называется эффектом Зеебека, в честь его первооткрывателя — Томаса Зеебека. Сегодня можно встретить промышленные термопары, у которых, в зависимости от требуемого измеряемого диапазона температур, электроды изготавливают из специально подобранных сплавов.

К примеру термопары из сплавов хромель и алюмель имеют коэффициент термо-ЭДС, равный 40 микровольт на °C, и предназначены для измерения температур в диапазоне от 0 до +1100°C. А пара медь-константан, столь популярная в качестве демонстрационного пособия, позволяет измерять температуры от -185 до +300°C.

Принцип работы

Работа любой термопары основывается на термоэлектрическом эффекте, который был открыт Т.И. Зеебеком в далёком 1821 году. Данный эффект заключается в том, что если последовательно соединить друг с другом два разнородных металлических проводника, образуя таким образом замкнутую электрическую цепь, и в одном месте соединения проводников произвести нагрев, то в цепи возникает электродвижущая сила (ЭДС). Данную электродвижущую силу называют термо-ЭДС. Под действием термо-ЭДС в замкнутой цепи начинает протекать электрический ток.

Как работает термопара.
Как работает термопара.

Место нагрева обычно называют горячим спаем. Место, где нет нагрева – холодный спай. Если в разрыв цепи подключить гальванометр или микровольтметр, то можно измерить величину термо-ЭДС, которая будет составлять несколько мили- или микровольт. Значение термо-ЭДС будет зависеть от величины нагрева в месте соединения проводников и от величины температуры в месте соединения проводников, где нагрев не происходит. Т.е. значение термо-ЭДС зависит от разности температур между холодным и горячим спаем. Также термо-ЭДС зависит и от рода самих проводников.

Таким образом, если место соединения разнородных проводников термопары нагреть, то между несоединёнными (свободными) концами проводников возникнет разность потенциалов, которую можно измерить электроизмерительным прибором. Благодаря современным преобразователям возникающую разность потенциалов можно преобразовать в определённое цифровое значение, т.е. вполне реально узнать значение температуры нагрева в месте соединения проводников термопары. Для того чтобы измерения были точными, температура холодного спая должна быть неизменной. Т.к. это не всегда возможно, используются специальные компенсационные схемы для компенсации температуры холодного спая.

Устройство термопары.
Устройство термопары.

Конструкция устройства

Современные термопары изготавливаются различной формы и длины. По конструктивному исполнению их можно разделить на две группы:

  • бескорпусные термопары;
  • термопары с защитным кожухом.

Первые представляют собой изделие, у которого место соединения двух проводников не закрыто и не защищено от внешних воздействий. Такое исполнение позволяет достичь быстрого времени измерения температуры и низкой инертности. Второй тип термопары выпускается в виде зонда. Зонд представляет собой металлическую трубку с внутренним изолятором, выдерживающим высокую температуру. Внутрь зонда помещается термоэлектрический элемент термопары. Благодаря такой конструкции термоэлемент защищён от влияния агрессивных сред различных технологических процессов.

Термопара типа J.
Термопара типа J.

Холодный спай

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.

Термопара газовой плиты.
Термопара газовой плиты.

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.

Из чего состоит термопара.
Из чего состоит термопара.

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.

Схема подключения термопары

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

Способы измерения температуры при помощи термопар

При измерениях следует определится, что Вы ставите в приоритет — оптимизацию для простоты или точности и гибкости.

Оптимизация для простоты

Суть в включении в схему измерения усилителя AD8495, специализированного на термопарах типа К. Выбор этого варианта не требует написание программы и имеет простой тракт сигнала.

Тип термопары

Диапазон температуры измерительного спая

Диапазон температуры эталонного спая

Точность при 25°С

Потребляемая мощность

K

-25…400°С

0…50°С

±3°С (группа А) ±1°С (группа С)

1,25 мВт

Оптимизация для точности и гибкости

Тут мы имеем для измерения малых напряжений термопары  схему со сверхточным АЦП  и измерение температуры спая высокоточным термодатчиком. Можно использовать с термопарами J-, K- и Т- типа. Управление видеться от микроконтроллера.

Тип термопары

Диапазон температуры
измерительного спая

Диапазон температуры эталонного спая

Точность

Потребляемая мощность

J,K,T

Полный диапазон

-Ю…85°С

-20…105°С

±0.2°С ±0,25°С

ЗмВт

ЗмВт

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.

Типы термопар и их характеристики

Различные сплавы, используемые для изготовления термопар, обладают разными коэффициентами термо-ЭДС. В зависимости от того, из каких металлов изготовлены термоэлектроды, различают следующие основные типы термопар:

  • ТПП13 – платинородий-платиновые (тип R);
  • ТПП10 – платинородий-платиновые (тип S);
  • ТПР – платинородий-платинродиевые (тип B);
  • ТЖК – железо-константановые (тип J);
  • ТМКн – медь-константановые (тип T);
  • ТНН – нихросил-нисиловые (тип N);
  • ТХА – хромель-алюмелевые (тип K);
  • ТХКн – хромель-константановые (тип E);
  • ТХК – хромель-копелевые (тип L);
  • ТМК – медь-копелевые (тип M);
  • ТСС – сильх-силиновые (тип I);
  • ТВР – вольфрамрениевые (типы A-1 – A-3).

Технические требования к термопарам задаются параметрами определёнными ГОСТ 6616-94, а их НСХ (номинальные статические характеристики преобразования), оптимальные диапазоны измерений, установленные классы допуска регулируются стандартами МЭК 62460, и определены ГОСТ Р 8.585-2001. Заметим, также, что НСХ в вольфрам-рениевых термопарах отсутствовали в таблицах МЭК до 2008 г. На сегодняшний день указанными стандартами не определены характеристики термопары хромель-копель, но их параметры по прежнему регулируются ГОСТ Р 8.585-2001. Поэтому импортные термопары типа L не являются полным аналогом отечественного изделия ТХК.

Классификацию термодатчиков можно провести и по другим признакам: по типу спаев, количеству чувствительных элементов.

Типы спаев

В зависимости от назначения термодатчика спаи термопар могут иметь различную конфигурацию. Существуют одноэлементные и двухэлементные спаи. Они могут быть как заземлёнными на корпус колбы, так и незаземленными. Понять схемы таких конструкций можно из рисунка 5.

Типы спаев
Рис. 5. Типы спаев

Буквами обозначено:

  • И – один спай, изолированный от корпуса;
  • Н – один соединённый с корпусом спай;
  • ИИ – два изолированных друг от друга и от корпуса спая;
  • 2И – сдвоенный спай, изолированный от корпуса;
  • ИН – два спая, один из которых заземлён;
  • НН – два неизолированных спая, соединённых с корпусом.

Заземление на корпус снижает инерционность термопары, что, в свою очередь, повышает быстродействие датчика и увеличивает точность измерений в режиме реального времени.

С целью уменьшения инерционности в некоторых моделях термоэлектрических преобразователей оставляют горячий спай снаружи защитной колбы.

Многоточечные термопары

Часто требуется измерение температуры в различных точках одновременно. Многоточечные термопары решают эту проблему: они фиксируют данные о температуре вдоль оси преобразователя. Такая необходимость возникает в химических и нефтехимических отраслях, где требуется получать информацию о распределении температуры в реакторах, колоннах фракционирования и в других ёмкостях, предназначенных для переработки жидкостей химическим способом.

Многоточечные измерительные преобразователи температуры повышают экономичность, не требуют сложного обслуживания. Количество точек сбора данных может достигать до 60. При этом используется только одна колба и одна точка ввода в установку.

Плюсы и минусы устройства

Термопара – старейший и до сих пор наиболее распространенный в промышленности температурный датчик. Действие термопары основано на эффекте, который впервые был открыт и описан Томасом Зеебеком в 1821 г. – возникновении тока в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при наличии градиента температур между спаями.

Поскольку генерирование Термо-ЭДС происходит по длине термоэлектрода, то показания термопары зависят от состояния термоэлектродов в зоне максимального температурного градиента. Поэтому поверку термопар следует проводить при той же глубине погружения в среду, что и на рабочем объекте. Учёт термоэлектрической неоднородности особенно важен для рабочих термопар из неблагородных металлов.

Плюсы и минусы термопарыШирокий диапазон рабочих температур, они являются самыми высокотемпературными из контактных датчиков.Спай термопары может быть непосредственно заземлён или приведён в прямой контакт с измеряемым объектом.Простота изготовления, надёжность и прочность конструкции.Необходимость контроля температуры холодных спаев.На большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.Зависимость Термо-ЭДС от температуры существенно не линейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.

В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового сенсора и автоматическое введение поправки к измеренной Термо-ЭДС. Возникновение термоэлектрической неоднородности в проводниках и, как следствие, изменение градуировочной характеристики из-за изменения состава сплава в результате коррозии и других химических процессов.

Материал электродов не является химически инертным и, при недостаточной герметичности корпуса термопары, может подвергаться влиянию агрессивных сред, атмосферы и т.д. Когда жесткие требования выдвигаются ко времени термической инерции термопары и необходимо заземлять рабочий спай, то следует обеспечить электрическую изоляцию преобразователя сигнала для устранения опасности возникновения утечек через землю.

В зависимости от материалов термоэлектродов различают термопары из благородных и неблагородных металлов. К первым относятся термопреобразователи платиновой группы (ТПП, ТПР). К неблагородным – ТВР, ТХА, ТХК, ТМК, ТНН, ТЖК и др. из серийно выпускаемых.

Удлинительные провода

Удлинительные провода используются либо для связи термопар с системой управления / контроля, либо для соединения их с удаленным измерительным преобразователем. Удлинительные провода термопар, за очень редким исключением, выполняются из того же металла, что и провода термопар. Если металлы не соответствуют друг другу, на каждом конце удлинительного провода создаются дополнительные холодные спаи, которые существенно влияют на измерение температуры. На рисунке 6a видно, что если медные провода используются для подключения термопары, создается «предварительный холодный спай», который может вызывать значительную погрешность, существенно варьирующуюся с изменением температуры окружающей среды вокруг спая 1. Измеряемое напряжение термопары с медными удлинительными проводами не равно измеряемому напряжению термопары с правильными удлинительными проводами. Фактически, если используются медные удлинительные провода, почти невозможно получить какую-либо температуру технологического процесса с приемлемой точностью по измеряемому напряжению.

Термопара

Международная кодировка цветов изоляции термопар

Тип термопары Североамериканский стандарт ASTM Е230 Международный стандарт IEC 60584 Стандарт Великобритании BS 1843 Немецкий стандарт DIN 43710 Японский стандарт JIS С1610 Французский стандарт NFC 42-324
Цвет проводов термопары Цвет удлинительных проводов
В не применяется

не применяется

не применяется

 — Проводник: Красный

+ Проводник: Серый

Оболочка: Серый

 — Проводник: Белый

+ Проводник: Серый

Оболочка: Серый

 не применяется

не применяется

не применяется

 — Проводник: Серый

+ Проводник: Красный

Оболочка: Серый

 — Проводник: Серый

+ Проводник: Красный

Оболочка: Серый

 не применяется

не применяется

не применяется
Е — Проводник:Красный

+ Проводник: Пурпурный

Оболочка: Коричневый

 — Проводник: Красный

+ Проводник: Пурпурный

Оболочка: Пурпурный

 — Проводник: Белый

+ Проводник: Пурпурный

Оболочка: Пурпурный

 — Проводник: Синий

+ Проводник: Коричневый

Оболочка: Коричневый

 — Проводник: Чёрный

+ Проводник: Красный

Оболочка: Чёрный

 — Проводник: Белый

+ Проводник: Красный

Оболочка: Пурпурный

 — Проводник: Пурпурный

+ Проводник: Желтый

Оболочка: Пурпурный
J — Проводник:Красный

+ Проводник: Белый

Оболочка: Коричневый

 — Проводник: Красный

+ Проводник: Белый

Оболочка: Чёрный

 — Проводник: Белый

+ Проводник: Чёрный

Оболочка: Чёрный

 — Проводник: Синий

+ Проводник: Желтый

Оболочка: Чёрный

 — Проводник: Синий

+ Проводник: Красный

Оболочка: Синий

 — Проводник: Белый

+ Проводник: Красный

Оболочка: Желтый

 — Проводник: Чёрный

+ Проводник: Желтый

Оболочка: Чёрный
К — Проводник:Красный

+ Проводник: Желтый

Оболочка: Коричневый

 — Проводник: Красный

+ Проводник: Желтый

Оболочка: Желтый

 — Проводник: Белый

+ Проводник: Зеленый

Оболочка: Зеленый

 — Проводник: Синий

+ Проводник: Коричневый

Оболочка: Красный

 — Проводник: Зелёный

+ Проводник: Красный

Оболочка: Зелёный

 — Проводник: Белый

+ Проводник: Красный

Оболочка: Синий

 — Проводник: Пурпурный

+ Проводник: Желтый

Оболочка: Желтый
N — Проводник:Красный

+ Проводник: Оранжевый

Оболочка: Коричневый

 — Проводник: Красный

+ Проводник: Оранжевый

Оболочка: Оранжевый

 — Проводник: Белый

+ Проводник: Розовый

Оболочка: Розовый

 — Проводник: Синий

+ Проводник: Оранжевый

Оболочка: Оранжевый

 не применяется

не применяется

не применяется

 не применяется

не применяется

не применяется

 не применяется

не применяется

не применяется
R не применяется

не применяется

не применяется

 — Проводник: Красный

+ Проводник: Чёрный

Оболочка: Зелёный

 — Проводник: Белый

+ Проводник: Оранжевый

Оболочка: Оранжевый

 — Проводник: Синий

+ Проводник: Белый

Оболочка: Зелёный

 — Проводник: Белый

+ Проводник: Красный

Оболочка: Белый

 — Проводник: Белый

+ Проводник: Красный

Оболочка: Чёрный

 — Проводник:Зелёный

+ Проводник: Желтый

Оболочка: Зелёный
S не применяется

не применяется

не применяется

 — Проводник: Красный

+ Проводник: Чёрный

Оболочка: Зелёный

 — Проводник: Белый

+ Проводник: Оранжевый

Оболочка: Оранжевый

 — Проводник: Синий

+ Проводник: Белый

Оболочка: Зелёный

 — Проводник: Белый

+ Проводник: Красный

Оболочка: Белый

 — Проводник: Белый

+ Проводник: Красный

Оболочка: Чёрный

 — Проводник:Зелёный

+ Проводник: Желтый

Оболочка: Зелёный
Т — Проводник:Красный

+ Проводник:Синий

Оболочка: Коричневый

 — Проводник: Красный

+ Проводник: Синий

Оболочка: Синий

 — Проводник: Белый

+ Проводник: Коричневый

Оболочка: Коричневый

 — Проводник: Синий

+ Проводник: Белый

Оболочка: Синий

 — Проводник: Коричневый

+ Проводник: Красный

Оболочка: Коричневый

 — Проводник: Белый

+ Проводник: Красный

Оболочка: Коричневый

 — Проводник: Синий

+ Проводник: Желтый

Оболочка: Синий

В некоторых случаях, когда экономические соображения могут не позволять использовать дорогостоящие удлинительные провода из редких металлов, таких как платиновые сплавы, используемые в термопарах типа R, S и B, можно использовать в узком диапазоне менее дорогие медные сплавы, которые имеют э.д.с., похожую на э.д.с. самой термопары. Такие выводы называются «компенсационными проводами» и они несколько снижают вышеуказанную погрешность.

Имеется множество факторов, отрицательно влияющих на измерения с помощью дистанционно смонтированных термопар, включая:

  • возможные погрешности, которые могут вноситься в измерение с помощью термопар из-за ЭМП и РЧП при применении удлинительных проводов или компенсационных проводов,
  • стоимость специальных проводов,
  • стоимость замены удлинительных проводов термопар на регулярной основе
  • возможность ошибок при подключении проводов из-за несоблюдения цветовой кодировки.

Учитывая все это, настоятельно рекомендуется применять измерительные преобразователи, монтируемые непосредственно на первичный преобразователь, везде, где это возможно.

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.

Читайте также:  Какова температура воспламенения дерева? Древесные материалы.

Подключение термопары

Таблица сравнения термопар

Выше мы рассмотрели типы термоэлектрических преобразователей. У читателя, скорее всего, резонно возник вопрос: Почему так много типов термопар существует?

Дело в том, что заявленная производителем точность измерений возможна только в определённом интервале температур. Именно в этом диапазоне производитель гарантирует линейную характеристику своего изделия. В других диапазонах зависимость напряжения от температуры может быть нелинейной, а это обязательно отобразится на точности. Следует учитывать, что материалы обладают разной степенью плавкости, поэтому для них существует предельное значение рабочих температур.

Для сравнения термопар составлены таблицы, в которых отображены основные параметры измерительных преобразователей. В качестве примера приводим один из вариантов таблицы для сравнения распространённых термопар.

Таблица 1.

Тип термопары K J N R S B T E
Материал положительного электрода Cr—Ni Fe Ni—Cr—Si Pt—Rh (13 % Rh) Pt—Rh (10 % Rh) Pt—Rh (30 % Rh) Cu Cr—Ni
Материал отрицательного электрода Ni—Al Cu—Ni Ni—Si—Mg Pt Pt Pt—Rh (6 % Rh Cu—Ni Cu—Ni
Температурный коэффициент 40…41 55.2 68
Рабочий температурный диапазон, ºC 0 до +1100 0 до +700 0 до +1100 0 до +1600 0 до 1600 +200 до +1700 −185 до +300 0 до +800
Значения предельных температур, ºС −180; +1300 −180; +800 −270; +1300 – 50; +1600 −50; +1750 −250; +400 −40; +900
Класс точности 1, в соответствующем  диапазоне температур, (°C) ±1,5 от −40 °C до 375 °C ±1,5 от −40 °C до 375 °C ±1,5 от −40 °C до 375 °C ±1,0 от 0 °C до 1100 °C ±1,0 от 0 °C до 1100 °C ±0,5 от −40 °C до 125 °C ±1,5 от −40 °C до 375 °C
±0,004×T от 375 °C до 1000 °C ±0,004×T от 375 °C до 750 °C ±0,004×T от 375 °C до 1000 °C ±[1 + 0,003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °C ±[1 + 0,003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 ° ±0,004×T от 125 °C до 350 °C ±0,004×T от 375 °C до 800 °C
Класс точности 2 в соответствующем  диапазоне температур, (°C) ±2,5 от −40 °C до 333 °C ±2,5 от −40 °C до 333 °C ±2,5 от −40 °C до 333 °C ±1,5 от 0 °C до 600 °C ±1,5 от 0 °C до 600 °C ±0,0025×T от 600 °C до 1700 °C ±1,0 от −40 °C до 133 °C ±2,5 от −40 °C до 333 °C
±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C ±0, T от 333 °C до 750 °C ±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C ±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C ±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C ±0,0075×T от 133 °C до 350 °C ±0,0075×T от 333 °C до 900 °C
Цветовая маркировка выводов по МЭК Зелёный — белый Чёрный — белый Сиреневый — белый Оранжевый — белый Оранжевый — белый Отсутствует Коричневый — белый Фиолетовый — белый

Аналоговые и цифровые термометры

Аналоговые

Эти устройства обычно недороги и не требуют сложного ухода. Главная их проблема – шкала. Либо она показывает температуру с высокой точностью, но измерительный интервал при этом очень мал, либо охватывает широкий температурный диапазон, но точность показаний – приблизительна.

Цифровые

Такие устройства дороже, по сравнению с аналоговыми, но их точность гораздо выше. Позволяют производить измерения в широком интервале, применяются в быту и технике.

Конструктивные составляющие цифрового термометра:

  • чувствительный элемент (обычно это терморезистор);
  • аналогово-цифровой преобразователь, который трансформирует электрический сигнал от терморезистора в цифровой;
  • дисплей;
  • элемент питания;
  • вводы-выводы сигналов, необходимые для взаимодействия с другими устройствами.

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.

Термопара типа K

Это, пожалуй, самый распространенный и применяемый повсюду тип термопары. Пара хромель — алюминий отлично работает при температурах от -200 до 1350 градусов по Цельсию. Данный тип термопары отличается большой чувствительностью и фиксирует даже незначительный скачок температуры. Благодаря такому набору параметров, термопара применяется и на производстве, и для научных исследований. Но есть у нее и существенный недостаток – влияние состава рабочей атмосферы. Так, если данный вид термопары будет работать в среде CO2, то термопара будет давать некорректные показания. Данная особенность ограничивает применение устройств такого типа. Схема и принцип работы термопары остаются неизменными. Разница лишь в химическом составе электродов.

Проверка работы термопары

Способы монтажа

Так как термопары изготавливаются с использованием таких же размеров , что и ТС, описанные выше способы монтажа применимы и к термопарам. См. п. 3.2.3.3 выше в разделе, посвященном ТС.

Особенности применения наиболее распространённых термопар

Технические характеристики зависят напрямую от материалов, из которых они произведены.

Тип J (железо-константановая термопара)

  • Не рекомендуется использовать ниже 0°С, т.к. конденсация влаги на железном выводе приводит к образованию ржавчины.
  • Наиболее подходящий тип для разряженной атмосферы.
  • Максимальная температура применения – 500°С, т.к. выше этой температуры происходит быстрое окисление выводов. Оба вывода быстро разрушаются в атмосфере серы.
  • Показания повышаются после термического старения.
  • Преимуществом является также невысокая стоимость.

Тип Е (хромель-константановая термопара)

  • Преимуществом является высокая чувствительность.
  • Термоэлектрическая однородность материалов электродов.
  • Подходит для использования при низких температурах.

Тип Т (медь-константановая термопара)

  • Может использоваться ниже 0°С.
  • Может использоваться в атмосфере с небольшим избытком или недостатком кислорода.
  • Не рекомендуется использование при температурах выше 400°С.
  • Не чувствительна к повышенной влажности.
  • Оба вывода могут быть отожжены для удаления материалов, вызывающих термоэлекрическую неоднородность.

Тип К (хромель-алюмелевая термопара)

  • Широко используются в различных областях от -100°С до +1000°С (рекомендуемый предел, зависящий от диаметра термоэлектрода).
  • В диапазоне от 200 до 500°С возникает эффект гистерезиса, т.е показания при нагреве и охлаждении могут различаться. Иногда разница достигает 5°С.
  • Используется в нейтральной атмосфере или атмосфере с избытком кислорода.
  • После термического старения показания снижаются.
  • Не рекомендуется использовать в разряженной атмосфере, т.к. хром может выделяться из Ni-Cr вывода (так называемая миграция), термопара при этом изменяет ТЭДС и показывает заниженную температуру.
  • Атмосфера серы вредна для термопары, т.к. воздействует на оба электрода.

Термопара типа К.
Термопара типа К.

Тип N (нихросил-нисиловая термопара)

  • Это относительно новый тип термопары, разработанный на основе термопары типа К. Термопара типа К может легко загрязняться примесями при высоких температурах. Сплавляя оба электрода с кремнием, можно тем самым загрязнить термопару заранее, и таким образом снизить риск дальнейшего загрязнения во время работы.
  • Рекомендуемая рабочая температура до 1200°С (зависит от диаметра проволоки).
  • Кратковременная работа возможна при 1250°С.
  • Высокая стабильность при температурах от 200 до 500°С (значительно меньший гистерезис, чем для термопары типа К).
  • Считается самой точной термопарой из неблагородных металлов.

Общие советы по выбору термопар из неблагородных металлов

  • Температура применения ниже нуля – тип Е, Т
  • Комнатные температуры применения – тип К, Е, Т
  • Температура применения до 300°С – тип К
  • Температура применения от 300 до 600°С – тип N
  • Температура применения выше 600°С – тип К или N

Термопары из благородных металлов

  • Рекомендуемая максимальная рабочая температура 1350°С.
  • Кратковременное применение возможно при 1600°С.
  • Загрязняется при температурах выше 900°С водородом, углеродом, металлическими примесями из меди и железа. При содержании железа в платиновом электроде на уровне 0,1%, ТЭДС изменяется более, чем на 1 мВ (100°С) при 1200°С и 1,5 мВ (160°С) при 1600°С. Такая же картина наблюдается при загрязнении медью. Таким образом, термопары нельзя армировать стальной трубкой, или следует изолировать электроды от трубки газонепроницаемой керамикой.
  • Может применяться в окислительной атмосфере.
  • При температуре выше 1000°С термопара может загрязняться кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных керамических материалов. Важно использовать керамические трубки, состоящие из высокочистого оксида алюминия.
  • Не рекомендуется применять ниже 400°С, т.к ТЭДС в этой области мала и крайне нелинейна.

Что такое термопара: об устройстве простыми словами
Термопары из благородных металлов

Тип R (платнородий-платиновая)

Свойства те же, что и у термопар типа S.

Тип В (платнородий-платинородиевая)

  • Рекомендуемая максимальная температура рабочего диапазона 1500°С (зависит от диаметра проволоки).
  • Кратковременное применение возможно до 1750°С.
  • Может загрязняться при температурах выше 900°С водородом, кремнием, парами меди и железа, но эффект меньше, чем для термопар типа S и R.
  • При температуре выше 1000°С термопара может загрязняться кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных керамических материалов. Важно использовать керамические трубки, состоящие из высокочистого оксида алюминия.
  • Может использоваться в окислительной среде.
  • Не рекомендуется применение при температуре ниже 600°С, где ТЭДС очень мала и нелинейна.

Сводная таблица типов термопар
Сводная таблица типов термопар.

Компенсация температуры холодного спая (КХС)

Напряжение, измеряемое на холодном спае, зависит от разницы температур горячего и холодного спаев; поэтому, необходимо знать температуру холодного спая, чтобы рассчитать температуру горячего спая. Этот процесс называется «компенсацией холодного спая» (КХС). КХС выполняется управления, устройством аварийных отключений или другим устройством формирования сигнала. В идеале измерение КХС выполняется как можно ближе к точке измерения, потому что длинные провода термопары очень чувствительны к электрическим помехам, и сигнал в них ухудшается.

Компенсация холодного спая

Рисунок 2a — Компенсация холодного спая

Точное проведение КХС имеет решающее значение для точности измерения температуры. Точность КХС зависит от двух факторов: точности измерения эталонной температуры и близости точки эталонного измерения к холодному спаю. Во многих измерительных преобразователях используется изотермическая клеммная колодка (часто выполненная из меди) со встроенным прецизионным термистором, ТС или транзистором для измерения температуры колодки.

СОВЕТ: Следует использовать полевые измерительные преобразователи, а не преобразователи с подключением проводами напрямую к диспетчерской.

Рекомендации по эксплуатации

Точность и целостность системы измерений на основе термопарного датчика может быть увеличена, если соблюдать определенные условия. Не допускать вибраций и механических натяжений термопарных проводников. При применении миниатюрной термопары из тонкой проволоки. Необходимо применять ее только в контролируемом месте, а за этим местом следует применять удлинительные проводники. Рекомендуется применять проволоку большого диаметра, не изменяющую температуру измеряемого объекта. Использовать термодатчик только в интервале рабочих температур.

Градуировка и проверка термопар
Таблица – Градуировка и проверка термопар.

Избегать резких перепадов температуры по длине термодатчика. При работе с длинными термодатчиками и удлинительными проводниками, необходимо соединить экран вольтметра с экраном провода. Для вспомогательного контроля и температурной диагностики используют специальные температурные датчики с 4-мя термоэлектродами, позволяющими выполнять вспомогательные температурные измерения, сопротивления, напряжения, помех для проверки надежности и целостности термопар.

Проводить электронную запись событий и постоянно контролировать величину сопротивления термоэлектродов. Применять удлиняющие проводники в рабочем интервале и при наименьших перепадах температур. Применять качественный защитный чехол для защиты термопарных проводников от вредных условий.

Подключение к ПЛК

Холодные концы подключаются (непосредственно или с помощью компенсационных проводов, которые должны быть выполнены из тех же металлов, что и термопара) к клеммам соответствующего аналогового входа (с соблюдением полярности!) промышленного контроллера, который программно выполняет компенсацию температуры холодного спая и рассчитывает температуру в точке измерения.

При внутренней компенсации контроллер использует температуру модуля, к которому подключена термопара. При более точной внешней компенсации эталонная температура холодного спая измеряется с помощью дополнительного термометра сопротивления, который подключается к специальному входу контроллера.

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.

Что такое термопара, принцип действия, основные виды и типы

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.

Источники

  • https://ElectroInfo.net/teorija/chto-takoe-termopara-ob-ustrojstve-prostymi-slovami.html
  • https://odinelectric.ru/kipia/chto-takoe-termopara
  • https://doorchange.ru/sovety/termopara-ustrojstvo-i-klassifikatsiya-montazh-i-printsip-raboty.html
  • https://termopara.org/spravka/izmerenie-temperatury-s-pomoshchyu-termopary
  • https://principraboty.ru/termopara-princip-raboty/
  • https://www.asutpp.ru/termopary.html
  • https://expluataciya-holodilnika.ru/zapchasti/termopara/
  • https://t-s-i.ru/kotly/konstrukciya-termopary.html
  • https://eti.su/articles/izmeritelnaya-tehnika/izmeritelnaya-tehnika_1518.html

[свернуть]

Источник

Термопара подключена к мультиметр отображение комнатной температуры в ° C

Термоэлектрический эффект
Термоэлектрический силовой модуль Seebeck.jpg

Принципы

  • Термоэлектрический эффект
    • Эффект Зеебека
    • Эффект Пельтье
    • Эффект Томсона
    • Коэффициент Зеебека
  • Эффект Эттингсгаузена
  • Эффект Нернста

Приложения

  • Термоэлектрические материалы
  • Термопара
  • Термобатарея
  • Термоэлектрическое охлаждение
  • Термоэлектрический генератор
  • Радиоизотопный термоэлектрический генератор
  • Автомобильный термоэлектрический генератор

А термопара представляет собой электрическое устройство, состоящее из двух разнородных электрические проводники формирование электрическое соединение. Термопара производит зависящий от температуры Напряжение в результате термоэлектрический эффект, и это напряжение можно интерпретировать как измерение температура. Термопары — широко используемый тип Датчик температуры.[1]

Коммерческие термопары недороги,[2] сменные, поставляются со стандартными разъемы, и может измерять широкий диапазон температур. В отличие от большинства других методов измерения температуры, термопары имеют автономное питание и не требуют внешнего возбуждения. Основное ограничение термопар — точность; системные ошибки менее одной степени Цельсия (° C) может быть трудно достичь.[3]

Термопары широко используются в науке и промышленности. Приложения включают измерение температуры для печи, газовая турбина выхлоп дизельные двигатели, и другие производственные процессы. Термопары также используются в домах, офисах и на предприятиях в качестве датчиков температуры в термостаты, а также как датчики пламени в устройства для обеспечения безопасности для газовых приборов.

Принцип действия

В 1821 г. Немецкий физик Томас Иоганн Зеебек обнаружил, что когда разные металлы соединяются на концах и между соединениями существует разница температур, наблюдается магнитное поле. В то время Зеебек называл это следствие термомагнетизмом. Позже было показано, что наблюдаемое им магнитное поле возникает из-за термоэлектрического тока. На практике представляет интерес напряжение, генерируемое на единственном стыке двух разных типов проводов, поскольку его можно использовать для измерения температуры при очень высоких и низких температурах. Величина напряжения зависит от типа используемого провода. Как правило, напряжение находится в диапазоне микровольт, и необходимо соблюдать осторожность, чтобы получить пригодное для использования измерение. Несмотря на то, что ток протекает очень мало, мощность может генерироваться одним спайом термопары. Производство электроэнергии с использованием нескольких термопар, как в термобатарея, обычное дело.

К-тип термопара (хромель –Алюмель ) в стандартной конфигурации измерения термопары. Измеренное напряжение сценарий V можно использовать для расчета температуры стиль сценария T_mathrm {смысл}при условии, что температура стиль сценария T_mathrm {ref} известен.

Стандартная конфигурация для использования термопары показана на рисунке. Вкратце, желаемая температура Тсмысл получается с использованием трех входов — характеристической функции E(Т) термопары измеренное напряжение V, а температура эталонных спаев Тссылка.Решение уравнения E(Тсмысл) = V + E(Тссылка) дает ТсмыслЭти детали часто скрыты от пользователя, так как блок эталонного соединения (с Тссылка термометр), вольтметр и программа для решения уравнений объединены в один продукт.

Физический принцип: эффект Зеебека

Эффект Зеебека относится к электродвижущая сила при наличии температурного градиента в проводящем материале. В условиях разомкнутой цепи, когда нет внутреннего протекания тока, градиент напряжения (стиль скрипта oldsymbol abla V) прямо пропорционален градиенту температуры (стиль сценария oldsymbol abla T):

oldsymbol abla V = -S (T) oldsymbol abla T,

куда S (Т) зависит от температуры материальная собственность известный как Коэффициент Зеебека.

Стандартная конфигурация измерения, показанная на рисунке, показывает четыре температурных диапазона и, следовательно, четыре составляющих напряжения:

  1. Меняться от стиль сценария T_mathrm {метр} к стиль сценария T_mathrm {ref}, в нижнем медном проводе.
  2. Меняться от стиль сценария T_mathrm {ref} к стиль сценария T_mathrm {sense}, в алюмелевой проволоке.
  3. Меняться от стиль сценария T_mathrm {sense} к стиль сценария T_mathrm {ref}, в хромелевой проволоке.
  4. Меняться от стиль сценария T_mathrm {ref} к стиль сценария T_mathrm {метр}, в верхнем медном проводе.

Первый и четвертый вклады полностью компенсируются, потому что эти области связаны с одинаковым изменением температуры и одинаковым материалом. стиль сценария T_mathrm {метр} не влияет на измеряемое напряжение. Второй и третий вклады не отменяются, так как они связаны с разными материалами.

Измеренное напряжение оказывается равным

V = int_ {T_mathrm {ref}} ^ {T_mathrm {sense}} left (S _ {+} (T) - S _ {-} (T) ight), dT,

куда стиль сценария S _ {+} и стиль сценария S _ {-} являются Коэффициенты Зеебека проводов, подключенных к положительной и отрицательной клеммам вольтметра соответственно (хромель и алюмель на рисунке).

Характеристическая функция

Нет необходимости выполнять интеграл для каждого измерения температуры. Скорее, поведение термопары фиксируется характеристическая функция стиль сценария E (T), с которым нужно только проконсультироваться по двум аргументам:

V = E (T_mathrm {смысл}) - E (T_mathrm {ref}).

В терминах коэффициентов Зеебека характеристическая функция определяется как

E (T) = int ^ T S _ {+} (T ') - S _ {-} (T') dT '+ mathrm {const}

В постоянная интеграции в этом неопределенный интеграл не имеет значения, но условно выбирается так, чтобы стиль сценария E (0, {} ^ {circ} {m C}) = 0.

Производители термопар и организации по метрологическим стандартам, такие как NIST предоставить таблицы функции стиль сценария E (T) которые были измерены и интерполированы в диапазоне температур, для определенных типов термопар (см. внешняя ссылка раздел для доступа к этим таблицам).

Требование к эталонному спайу

Блок эталонного спая внутри измерителя температуры Fluke CNX t3000. Два белых провода подключаются к термистор (залит белым термопастом) для измерения температуры эталонных спаев.

Чтобы получить желаемое измерение стиль сценария T_mathrm {sense}, недостаточно просто измерить сценарий V.Температура эталонных спаев. стиль сценария T_mathrm {ref} должны быть уже известны. Здесь часто используются две стратегии:

  • Метод «ледяной бани»: блок эталонного спая погружают в полузамороженную ванну с дистиллированной водой при атмосферном давлении. Точная температура точки плавления фаза перехода действует как естественный термостат, фиксация стиль сценария T_mathrm {ref} до 0 ° C.
  • Датчик холодного спая (известный как «компенсация холодного спая«): Блок эталонного спая может изменяться по температуре, но температура измеряется в этом блоке с помощью отдельного датчика температуры. Это вторичное измерение используется для компенсации изменения температуры в соединительном блоке. Спай термопары часто подвергается воздействию в экстремальных условиях окружающей среды, в то время как эталонный спай часто устанавливается рядом с прибором. Полупроводниковый термометр устройства часто используются в современных термопарах.

В обоих случаях значение стиль сценария V + E (T_mathrm {ref}) вычисляется, то функция стиль сценария E (T) является искал для подходящего значения. Аргумент, в котором происходит это совпадение, — это значение стиль сценария T_mathrm {sense}.

Практические проблемы

В идеале термопары должны быть очень простыми измерительными приборами, каждый тип которых должен характеризоваться точным стиль сценария E (T) В действительности на термопары влияют такие факторы, как неопределенность в производстве сплава, эффекты старения и ошибки / недоразумения при проектировании схем.

Конструкция схемы

Распространенная ошибка в конструкции термопар связана с компенсацией холодного спая. Если допущена ошибка при оценке {displaystyle T_ {mathrm {ref}}}, при измерении температуры появится ошибка. Для простейших измерений провода термопары подключаются к меди вдали от горячей или холодной точки, температура которой измеряется; предполагается, что этот эталонный спай имеет комнатную температуру, но эта температура может изменяться.[4] Из-за нелинейности кривой напряжения термопары погрешности {displaystyle T_ {mathrm {ref}}} и {displaystyle T_ {mathrm {sense}}} как правило, неравные ценности. Некоторые термопары, такие как тип B, имеют относительно плоскую кривую напряжения около комнатной температуры, что означает большую погрешность при комнатной температуре. {displaystyle T_ {mathrm {ref}}} означает лишь небольшую ошибку в {displaystyle T_ {mathrm {sense}}}.

Соединения должны быть выполнены надежным способом, но для этого существует множество возможных подходов. Для низких температур соединения могут быть спаяны или припаяны; однако найти подходящий поток и это может не подходить для чувствительного перехода из-за низкой температуры плавления припоя. поэтому контрольные и удлинительные соединения обычно выполняются с помощью винтовых соединений. клеммные колодки.Для высоких температур наиболее распространенным подходом является точечная сварка или же обжимать с использованием прочного материала.[5]

Один из распространенных мифов относительно термопар заключается в том, что соединения должны быть сделаны чисто, без участия третьего металла, чтобы избежать нежелательных дополнительных ЭДС.[6]Это может быть следствием еще одного распространенного заблуждения о том, что напряжение генерируется на стыке.[7] Фактически, стыки в принципе должны иметь одинаковую внутреннюю температуру; следовательно, на переходе не возникает напряжения. Напряжение создается в результате теплового градиента вдоль провода.

Термопара выдает слабые сигналы, часто по величине микровольт. Для точных измерений этого сигнала требуется усилитель с низким входное напряжение смещения и с осторожностью, чтобы избежать термо-ЭДС от самонагрева внутри самого вольтметра. Если провод термопары по какой-либо причине имеет высокое сопротивление (плохой контакт в местах соединения или очень тонкие провода, используемые для быстрого теплового отклика), измерительный прибор должен иметь высокое сопротивление. входное сопротивление для предотвращения смещения измеряемого напряжения. Полезная функция в контрольно-измерительных приборах термопар позволяет одновременно измерять сопротивление и обнаруживать неисправные соединения в проводке или в местах соединения термопар.

Металлургические марки

Хотя тип провода термопары часто описывается его химическим составом, фактическая цель состоит в том, чтобы произвести пару проводов, соответствующих стандартизованным стиль сценария E (T) изгиб.

Примеси влияют на каждую партию металла по-разному, производя переменные коэффициенты Зеебека. Чтобы соответствовать стандартному поведению, производители проводов для термопар намеренно добавляют дополнительные примеси, чтобы «легировать» сплав, компенсируя неконтролируемые изменения исходного материала.[5]В результате существуют стандартные и специализированные сорта проводов для термопар, в зависимости от уровня точности, требуемого для поведения термопары. Классы точности могут быть доступны только в согласованных парах, когда один провод модифицируется для компенсации недостатков другого провода.

Особый случай проводов термопар известен как «удлинительный класс», он предназначен для переноса термоэлектрической цепи на большее расстояние. Удлинительные провода соответствуют заявленным стиль сценария E (T) кривой, но по разным причинам они не предназначены для использования в экстремальных условиях и поэтому не могут использоваться на чувствительном соединении в некоторых приложениях. Например, удлинительный провод может иметь другую форму, например, очень гибкий, многожильный и пластиковой изоляцией или быть частью многожильного кабеля для переноса многих цепей термопар. с дорогими термопарами из благородных металлов удлинительные провода могут даже быть сделаны из совершенно другого, более дешевого материала, который имитирует стандартный тип в ограниченном диапазоне температур.[5]

Старение термопар

Термопары часто используются при высоких температурах и в реактивной атмосфере печи. В этом случае практический срок службы ограничен старением термопары. Термоэлектрические коэффициенты проводов в термопаре, которая используется для измерения очень высоких температур, могут изменяться со временем, и соответственно падает измерительное напряжение. Простое соотношение между разностью температур спаев и измеряемым напряжением является правильным только в том случае, если каждый провод однороден (однороден по составу). По мере старения термопар в процессе их проводники могут терять однородность из-за химических и металлургических изменений, вызванных экстремальным или длительным воздействием высоких температур. Если старый участок цепи термопары подвергается воздействию температурного градиента, измеренное напряжение будет отличаться, что приведет к ошибке.

Старые термопары модифицируются только частично; например, не затронуты детали вне печи. По этой причине устаревшие термопары нельзя вынуть из места их установки и повторно откалибровать в ванне или испытательной печи для определения ошибки. Это также объясняет, почему иногда может наблюдаться ошибка, когда состаренная термопара частично вытаскивается из печи — когда датчик отводится назад, старые секции могут подвергаться воздействию повышенных температурных градиентов от горячего к холодному, поскольку состаренная часть теперь проходит через охладитель. огнеупорная область, вносящая значительную ошибку в измерения. Аналогичным образом, устаревшая термопара, которую вставляют глубже в печь, может иногда обеспечивать более точные показания, если ее толкать дальше в печь, градиент температуры возникает только в свежем участке.[8]

Типы

Определенные комбинации сплавов стали популярными в качестве промышленных стандартов. Выбор комбинации определяется стоимостью, доступностью, удобством, температурой плавления, химическими свойствами, стабильностью и производительностью. Разные типы лучше всего подходят для разных приложений. Обычно их выбирают на основе необходимого температурного диапазона и чувствительности. Термопары с низкой чувствительностью (типы B, R и S) имеют соответственно более низкое разрешение. Другие критерии выбора включают химическое инертность материала термопары и магнитный или нет. Стандартные типы термопар перечислены ниже с положительным электрод (при условии {displaystyle T_ {ext {sense}}> T_ {ext {ref}}}), а затем отрицательный электрод.

Термопары из никелевого сплава

Характерные функции для термопар, которые достигают промежуточных температур, которые покрываются термопарами из никелевого сплава типов E, J, K, M, N, T. Также показаны сплав благородного металла типа P и чистые комбинации благородных металлов золото-платина и платина – палладий.

Тип E

Тип E (хромель –константан ) имеет высокий выход (68 мкВ / ° C), что делает его подходящим для криогенный использовать. Кроме того, он немагнитный. Широкий диапазон составляет от −50 ° C до +740 ° C, а узкий диапазон — от −110 ° C до +140 ° C.

Тип J

Тип J (утюг –константан ) имеет более ограниченный диапазон (от -40 ° C до +750 ° C), чем тип K, но более высокую чувствительность, около 50 мкВ / ° C.[2] В Точка Кюри утюга (770 ° C)[9] вызывает плавное изменение характеристики, определяющей верхнюю границу температуры. Обратите внимание: европейский / немецкий тип L является вариантом типа J с другой спецификацией для выхода ЭДС (ссылка DIN 43712: 1985-01[10]).

Тип K

Тип К (хромель –Алюмель ) является наиболее распространенной термопарой общего назначения с чувствительностью примерно 41 мкВ / ° C.[11] Он недорогой, и доступно большое количество датчиков в диапазоне от –200 ° C до +1350 ° C (от –330 ° F до +2460 ° F). Тип K был указан в то время, когда металлургия был менее продвинутым, чем сегодня, и, следовательно, характеристики могут значительно различаться между образцами. Один из составляющих металлов, никель, является магнитным; Характерной чертой термопар, изготовленных из магнитного материала, является то, что они претерпевают отклонения на выходе, когда материал достигает своей Точка Кюри, что происходит для термопар типа K при температуре около 185 ° C.

Они очень хорошо работают в окислительной атмосфере. Однако, если в основном восстановительная атмосфера (например, водород с небольшим количеством кислорода) вступает в контакт с проволокой, хром в хромелевом сплаве окисляется. Это снижает выходную ЭДС, и показания термопары низкие. Это явление известно как зеленая гниль, из-за цвета поврежденного сплава. Хромелевый провод не всегда имеет ярко-зеленый цвет, но на нем образуется пятнистая серебристая корка и он становится магнитным. Простой способ проверить наличие этой проблемы — проверить, являются ли два провода магнитными (обычно хромель немагнитен).

Водород в атмосфере — обычная причина зеленой гнили. При высоких температурах он может диффундировать через твердые металлы или неповрежденную металлическую защитную гильзу. Даже оболочка из оксида магния, изолирующая термопару, не удерживает водород.[12]

Зеленая гниль не возникает в атмосфере, достаточно богатой кислородом или бескислородной. Герметичная защитная гильза может быть заполнена инертным газом или может быть добавлен поглотитель кислорода (например, расходуемая титановая проволока). В качестве альтернативы в защитную гильзу можно ввести дополнительный кислород. Другой вариант — использовать термопару другого типа для атмосфер с низким содержанием кислорода, где может возникнуть зеленая гниль; Подходящей альтернативой является термопара типа N.[13]

Тип M

Тип M (82% Ni / 18%Пн –99,2% Ni / 0,8%Co по весу) используются в вакуумных печах по тем же причинам, что и для типа C (описанного ниже). Верхняя температура ограничена 1400 ° C. Он используется реже, чем другие типы.

Тип N

Тип N (Никросил –Нисил ) термопары подходят для использования при температуре от −270 ° C до +1300 ° C, благодаря своей стабильности и стойкости к окислению. Чувствительность составляет около 39 мкВ / ° C при 900 ° C, что немного ниже по сравнению с типом K.

Разработано в Организация оборонной науки и технологий (DSTO) Австралии, автор Ноэль А. Берли, термопары типа N преодолевают три основных характерных типа и причины термоэлектрической нестабильности в стандартных материалах термоэлементов из недрагоценных металлов:[14]

  1. Постепенный и обычно кумулятивный дрейф термо-ЭДС при длительном воздействии повышенных температур. Это наблюдается во всех материалах термоэлементов из недрагоценных металлов и в основном связано с изменениями состава, вызванными окисление, науглероживание, или же нейтронное облучение что может произвести трансмутация в ядерный реактор среды. В случае термопар типа K атомы марганца и алюминия из провода KN (отрицательный) мигрируют в провод KP (положительный), что приводит к дрейфу вниз из-за химического загрязнения. Этот эффект носит кумулятивный и необратимый характер.
  2. Кратковременное циклическое изменение термо-ЭДС при нагревании в диапазоне температур около 250–650 ° C, которое имеет место в термопарах типов K, J, T и E. Такая нестабильность ЭДС связана со структурными изменениями, такими как магнитные ближний порядок в металлургическом составе.
  3. Не зависящее от времени возмущение термо-ЭДС в определенных диапазонах температур. Это происходит из-за зависящих от состава магнитных превращений, которые возмущают термо-ЭДС в термопарах типа K в диапазоне примерно 25–225 ° C, а в типе J — выше 730 ° C.

Сплавы термопар Nicrosil и Nisil демонстрируют значительно улучшенную термоэлектрическую стабильность по сравнению с другими стандартными сплавами термопар из недрагоценных металлов, поскольку их состав существенно снижает термоэлектрическую нестабильность, описанную выше. Это достигается в первую очередь за счет увеличения концентраций растворенных веществ (хрома и кремния) в основе никеля по сравнению с теми, которые требуются для перехода от внутреннего режима окисления к внешнему, а также путем выбора растворенных веществ (кремний и магний), которые предпочтительно окисляются с образованием диффузии. -барьерные и, следовательно, ингибирующие окисление пленки.[15]

Термопары типа N являются подходящей альтернативой типу K для условий с низким содержанием кислорода, когда тип K склонен к зеленой гнили. Они подходят для использования в вакууме, инертной атмосфере, окислительной атмосфере или сухой восстановительной атмосфере. Они плохо переносят присутствие серы.[16]

Тип Т

Тип Т (медь –константан ) термопары подходят для измерений в диапазоне от –200 до 350 ° C. Часто используется в качестве дифференциального измерения, так как только медный провод касается датчиков. Поскольку оба проводника немагнитны, нет Точка Кюри а значит нет резкого изменения характеристик. Термопары типа T имеют чувствительность около 43 мкВ / ° C. Обратите внимание, что медь имеет гораздо более высокую теплопроводность чем сплавы, обычно используемые в конструкциях термопар, поэтому необходимо проявлять особую осторожность при термическом закреплении термопар типа T. Подобный состав встречается в устаревшем типе U в немецкой спецификации DIN 43712: 1985-01. [17]

Термопары из сплава платина / родий

Характерные функции для типов высокотемпературных термопар, включая термопары из сплава Pt / Rh, W / Re, Pt / Mo и Ir / Rh. Также показана термопара из чистого металла Pt – Pd.

Термопары типов B, R и S используют платина или платина /родий сплав для каждого проводника. Это одни из самых стабильных термопар, но они имеют меньшую чувствительность, чем другие типы, примерно 10 мкВ / ° C. Термопары типов B, R и S обычно используются только для высокотемпературных измерений из-за их высокой стоимости и низкой чувствительности.

Тип B

Термопары типа B (70% Pt / 30% Rh – 94% Pt / 6% Rh по массе) подходят для использования при температуре до 1800 ° C. Термопары типа B производят такой же выходной сигнал при 0 ° C и 42 ° C, ограничивая их использование ниже примерно 50 ° C. Функция ЭДС имеет минимум около 21 ° C, что означает, что компенсация холодного спая выполняется легко, поскольку напряжение компенсации по существу является постоянным для эталонного значения при типичных комнатных температурах.[18]

Тип R

Термопары типа R (87% Pt / 13% Rh – Pt по массе) используются от 0 до 1600 ° C.

Тип S

Термопары типа S (90% Pt / 10% Rh – Pt по массе), аналогичные типу R, используются при температурах до 1600 ° C. Перед введением Международная температурная шкала 1990 г. (ITS-90), прецизионные термопары типа S использовались в качестве практических стандартных термометров для диапазона от 630 ° C до 1064 ° C, на основе интерполяции между точками замерзания сурьма, серебро, и золото. Начиная с ИТС-90, платиновые термометры сопротивления приняли этот диапазон как стандартные термометры.[19]

Термопары из вольфрама и сплава рения

Эти термопары хорошо подходят для измерения чрезвычайно высоких температур. Типичное применение — водород и инертная атмосфера, а также вакуумные печи. Они не используются в окислительных средах при высоких температурах из-за охрупчивание.[20] Типичный диапазон составляет от 0 до 2315 ° C, который может быть расширен до 2760 ° C в инертной атмосфере и до 3000 ° C для кратких измерений.[21]

Чистый вольфрам при высоких температурах подвергается рекристаллизации и становится хрупким. Поэтому в некоторых приложениях типы C и D предпочтительнее, чем тип G.

В присутствии водяного пара при высокой температуре вольфрам реагирует на оксид вольфрама, который улетучивается, и водород. Затем водород вступает в реакцию с оксидом вольфрама, снова образуется вода. Такой «круговорот воды» может привести к эрозии термопары и возможному выходу из строя. Поэтому в условиях высокотемпературного вакуума желательно избегать присутствия следов воды.[22]

Альтернативой вольфраму / рению является вольфрам / молибден, но зависимость напряжение-температура слабее и имеет минимум около 1000 К.

Температура термопары ограничена также другими используемыми материалами. Например оксид бериллия, популярный материал для высокотемпературных применений, имеет тенденцию увеличивать проводимость с температурой; В конкретной конфигурации датчика сопротивление изоляции падает с мегаом при 1000 К до 200 Ом при 2200 К. При высоких температурах материалы подвергаются химической реакции. При 2700 К оксид бериллия слабо реагирует с вольфрамом, сплавом вольфрам-рений и танталом; при 2600 К молибден реагирует с ВеО, вольфрам не реагирует. BeO начинает плавиться примерно при 2820 К, оксид магния около 3020 К.[23]

Тип C

(95% мас. / 5% Re – 74% мас. / 26% Re, по массе)[20] Максимальная температура, измеряемая термопарой типа c, составляет 2329 ℃.

Тип D

(97% мас. / 3% Re – 75% мас. / 25% Re по массе)[20]

Тип G

(W – 74% W / 26% Re, по весу)[20]

Другие

Термопары хромель-золото / железный сплав

Характеристики термопары при низких температурах. Термопара на основе AuFe демонстрирует стабильную чувствительность к низким температурам, тогда как обычные типы быстро выравниваются и теряют чувствительность при низкой температуре.

В этих термопарах (хромель –золото /утюг сплав), отрицательный провод выполнен из золота с небольшой долей (0,03–0,15 ат.%) железа. Нечистая золотая проволока придает термопаре высокую чувствительность при низких температурах (по сравнению с другими термопарами при этой температуре), тогда как хромелевая проволока сохраняет чувствительность, близкую к комнатной. Его можно использовать для криогенный приложения (1,2–300 К и даже до 600 К). И чувствительность, и диапазон температур зависят от концентрации железа. Чувствительность обычно составляет около 15 мкВ / К при низких температурах, а самая низкая допустимая температура варьируется от 1,2 до 4,2 К.

Тип П (сплав благородных металлов) или «Платинел II»

Тип P (55%Pd / 31% Pt / 14% Au – 65% Au / 35% Pd, по массе) термопары дают термоэлектрическое напряжение, имитирующее тип K в диапазоне от 500 ° C до 1400 ° C, однако они изготовлены исключительно из благородных металлов и так показывает повышенную коррозионную стойкость. Эта комбинация также известна как Platinel II.[24]

Термопары из сплава платина / молибден

Термопары из сплава платины и молибдена (95% Pt / 5% Mo – 99,9% Pt / 0,1% Mo по весу) иногда используются в ядерных реакторах, поскольку они показывают низкий дрейф от ядерная трансмутация индуцируется нейтронным облучением, по сравнению с сплавами платина / родий.[25]

Термопары из сплава иридий / родий

Использование двух проводов иридий /родий из сплавов можно получить термопару, которая может использоваться при температуре до 2000 ° C в инертной атмосфере.[25]

Термопары из чистых благородных металлов Au – Pt, Pt – Pd

Термопары, изготовленные из двух различных благородных металлов высокой чистоты, могут показывать высокую точность даже без калибровки, а также низкий уровень дрейфа. Используются две комбинации: золото-платина и платина-палладий.[26] Их основные ограничения — низкие температуры плавления металлов (1064 ° C для золота и 1555 ° C для палладия). Эти термопары имеют тенденцию быть более точными, чем тип S, и из-за их экономичности и простоты даже рассматриваются как конкурентные альтернативы термопарам. платиновые термометры сопротивления которые обычно используются как стандартные термометры.[27]

Термопары HTIR-TC (стойкие к высокотемпературному облучению)

HTIR-TC предлагает прорыв в измерении высокотемпературных процессов. Его характеристики: прочный и надежный при высоких температурах, до 1700 ° C; устойчивы к облучению; умеренная цена; доступны в различных конфигурациях — адаптируются к каждому применению; легко устанавливается. Первоначально разработанный для использования в ядерных испытательных реакторах, HTIR-TC может повысить безопасность эксплуатации будущих реакторов. Эта термопара была разработана исследователями из Национальной лаборатории Айдахо (INL). [28][29]

Сравнение типов

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

Тип Диапазон температур (° C) Класс допуска (° C) Цветовой код
Непрерывный В ближайщем будущем Один Два IEC[30] BS ANSI
Низкий Высоко Низкий Высоко
K 0 +1100 −180 +1370 −40 – 375: ±1.5
375 – 1000: ±0.004×Т		 −40 – 333: ±2.5
333 – 1200: ±0.0075×Т

IEC Type K Thermocouple.svg

BS Type K Thermocouple.svg

Цветовой код марки термопары MC 96.1 K.svg
J 0 +750 −180 +800 −40 – 375: ±1.5
375 – 750: ±0.004×Т		 −40 – 333: ±2.5
333 – 750: ±0.0075×Т

IEC Type J Thermocouple.svg

BS Type J Thermocouple.svg

Цветовой код класса термопары MC 96.1 J.svg
N 0 +1100 −270 +1300 −40 – 375: ±1.5
375 – 1000: ±0.004×Т		 −40 – 333: ±2.5
333 – 1200: ±0.0075×Т

IEC Тип N Thermocouple.svg

BS Type N Thermocouple.svg

Цветовой код класса термопары MC 96.1 N.svg
р 0 +1600 −50 +1700 0 – 1100: ±1.0
1100 – 1600: ±0.003×(Т − 767)		 0 – 600: ±1.5
600 – 1600: ±0.0025×Т

BS Type N Thermocouple.svg

BS Type R Thermocouple.svg

 Не определено
S 0 +1600 −50 +1750 0 – 1100: ±1.0
1100 – 1600: ±0.003×(Т − 767)		 0 – 600: ±1.5
600 – 1600: ±0.0025×Т

BS Type R Thermocouple.svg

 Не определено
B +200 +1700 0 +1820 Нет в наличии 600 – 1700: ±0.0025×Т Нет стандарта Нет стандарта Не определено
Т −185 +300 −250 +400 −40 – 125: ±0.5
125 – 350: ±0.004×Т		 −40 – 133: ±1.0
133 – 350: ±0.0075×Т

IEC Type T Thermocouple.svg

BS Type T Thermocouple.svg

Цветовой код класса термопары MC 96.1 T.svg
E 0 +800 −40 +900 −40 – 375: ±1.5
375 – 800: ±0.004×Т		 −40 – 333: ±2.5
333 – 900: ±0.0075×Т

IEC Type E Thermocouple.svg

BS Type E Thermocouple.svg

Цветовой код класса термопары MC 96.1 E.svg
Хромель / AuFe −272 +300 Нет данных Нет данных Воспроизводимость 0,2% напряжения.
Каждый датчик требует индивидуальной калибровки.

Изоляция термопары

Типичная недорогая термопара типа K (со стандартным типом K соединитель ). Хотя провода могут выдерживать и работать при высоких температурах, пластиковая изоляция начинает разрушаться при 300 ° C.

Провода, из которых состоит термопара, должны быть изолированный друг от друга повсюду, кроме чувствительного стыка. Любой дополнительный электрический контакт между проводами или контакт провода с другими проводящими объектами может изменить напряжение и дать ложные показания температуры.

Пластмассы являются подходящими изоляторами для низкотемпературных частей термопары, тогда как керамическая изоляция может использоваться при температуре примерно до 1000 ° C. Другие проблемы (истирание и химическая стойкость) также влияют на пригодность материалов.

Когда изоляция провода разрушается, это может привести к непреднамеренному электрическому контакту в месте, отличном от желаемой точки измерения. Если такая поврежденная термопара используется в замкнутом контуре управления термостат или другой регулятор температуры, это может привести к неконтролируемому перегреву и, возможно, серьезному повреждению, так как ложное показание температуры обычно ниже, чем температура чувствительного перехода. Неудачная изоляция также обычно выхлопные газы, что может привести к загрязнению технологического процесса. Для частей термопар, используемых при очень высоких температурах или в приложениях, чувствительных к загрязнению, единственной подходящей изоляцией может быть вакуум или же инертный газ; механическая жесткость проводов термопар используется для их разделения.

Таблица изоляционных материалов

Эта секция нужны дополнительные цитаты для проверка. Пожалуйста помоги улучшить эту статью к добавление цитат в надежные источники. Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. (Июнь 2014 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)
Тип изоляции Максимум. постоянная температура Максимум. однократное чтение Сопротивление истиранию Влагостойкость Химическая устойчивость
Лента слюдяно-стеклянная 649 ° C / 1200 ° F 705 ° C / 1300 ° F Хороший Справедливый Хороший
Лента TFE, лента TFE – стекло 649 ° C / 1200 ° F 705 ° C / 1300 ° F Хороший Справедливый Хороший
Тесьма из стекловидного кремнезема 871 ° C / 1600 ° F 1093 ° C / 2000 ° F Справедливый Бедные Бедные
Двойная стеклянная оплетка 482 ° C / 900 ° F 538 ° C / 1000 ° F Хороший Хороший Хороший
Эмаль – стеклянная тесьма 482 ° C / 900 ° F 538 ° C / 1000 ° F Справедливый Хороший Хороший
Двойная стеклянная пленка 482 ° C / 900 ° F 427 ° C / 800 ° F Справедливый Хороший Хороший
Стеклянная оплетка без пропитки 482 ° C / 900 ° F 427 ° C / 800 ° F Бедные Бедные Справедливый
Лента Skive TFE, стекловолокно TFE 482 ° C / 900 ° F 538 ° C / 1000 ° F Хороший Отлично Отлично
Двойная хлопковая тесьма 88 ° C / 190 ° F 120 ° C / 248 ° F Хороший Хороший Бедные
Стекло «S» со связующим 704 ° C / 1300 ° F 871 ° C / 1600 ° F Справедливый Справедливый Хороший
Керамическое волокно Nextel 1204 ° C / 2200 ° F 1427 ° C / 2600 ° F Справедливый Справедливый Справедливый
Поливинил / нейлон 105 ° C / 221 ° F 120 ° C / 248 ° F Отлично Отлично Хороший
Поливинил 105 ° C / 221 ° F 105 ° C / 221 ° F Хороший Отлично Хороший
Нейлон 150 ° C / 302 ° F 130 ° C / 266 ° F Отлично Хороший Хороший
ПВХ 105 ° C / 221 ° F 105 ° C / 221 ° F Хороший Отлично Хороший
FEP 204 ° C / 400 ° F 260 ° C / 500 ° F Отлично Отлично Отлично
ТФЭ в оболочке и плавленый 260 ° C / 500 ° F 316 ° C / 600 ° F Хороший Отлично Отлично
Каптон 316 ° C / 600 ° F 427 ° C / 800 ° F Отлично Отлично Отлично
Тефзель 150 ° C / 302 ° F 200 ° C / 392 ° F Отлично Отлично Отлично
PFA 260 ° C / 500 ° F 290 ° C / 550 ° F Отлично Отлично Отлично
T300 * 300 ° С – Хороший Отлично Отлично

Температурные характеристики изоляции могут варьироваться в зависимости от того, из чего состоит весь конструкционный кабель термопары.

Примечание: T300 — это новый высокотемпературный материал, который недавно был одобрен UL для рабочих температур 300 ° C.

Приложения

Термопары подходят для измерения в широком диапазоне температур от -270 до 3000 ° C (кратковременно в инертной атмосфере).[21] Приложения включают измерение температуры для печи, газовая турбина выхлоп дизель двигатели, другие производственные процессы и туманные машины. Они менее подходят для приложений, где требуется измерять меньшую разницу температур с высокой точностью, например диапазон 0–100 ° C с точностью до 0,1 ° C. Для таких приложений термисторы, кремниевые зонные датчики температуры и термометры сопротивления подходят больше.

Стальная промышленность

Термопары типов B, S, R и K широко используются в стали и утюг промышленности для мониторинга температуры и химического состава на протяжении всего процесса производства стали. Одноразовые погружные термопары типа S регулярно используются в электродуговая печь процесс для точного измерения температуры стали перед выпуском резьбы. Кривую охлаждения небольшого стального образца можно проанализировать и использовать для оценки содержания углерода в жидкой стали.

Безопасность газового прибора

Подключение термопар в газовых приборах. Концевой шар (контакт) слева изолирован от примерка изоляционным Шайба. Линия термопары состоит из медного провода, изолятора и внешней металлической (обычно медной) оболочки, которая также используется в качестве земля.[31]

Много газ -питание отопительных приборов, таких как духовки и водные нагреватели использовать пилотное пламя для розжига основной газовой горелки при необходимости. Если пилотное пламя погаснет, может выделиться несгоревший газ, что представляет опасность взрыва и здоровья. Чтобы предотвратить это, некоторые приборы используют термопару в безотказный цепь, чтобы определить, когда горит контрольная лампа. Наконечник термопары помещается в пилотное пламя, создавая напряжение, которое приводит в действие клапан подачи, который подает газ в пилотное пламя. Пока пилотное пламя горит, термопара остается горячей, а пилотный газовый клапан остается открытым. Если контрольная лампочка гаснет, температура термопары падает, что вызывает падение напряжения на термопаре и закрытие клапана.

Если зонд можно легко разместить над пламенем, выпрямительный датчик может часто использоваться вместо этого. Имея частично керамическую конструкцию, они также могут быть известны как стержни пламени, датчики пламени или электроды обнаружения пламени.

Воспламенитель пламени (вверху) и датчик пламени

Некоторые комбинированные клапаны основной горелки и запального газа (в основном Honeywell ) уменьшите потребляемую мощность до диапазона, соответствующего одной универсальной термопаре, нагреваемой пилотом (разомкнутая цепь 25 мВ падает наполовину с катушкой, подключенной к источнику 10–12 мВ, 0,2–0,25 А, как правило) путем подбора размеров катушки до иметь возможность удерживать клапан в открытом состоянии против легкой пружины, но только после того, как начальное усилие включения будет обеспечено пользователем, нажав и удерживая ручку для сжатия пружины во время зажигания пилота. Эти системы можно идентифицировать по «нажатию и удерживанию в течение x минут» в инструкциях по пилотному освещению. (Требуемый ток удержания для такого клапана намного меньше, чем требуется для более крупного соленоида, предназначенного для втягивания клапана из закрытого положения.) Для подтверждения срабатывания клапана и удерживающих токов изготавливаются специальные испытательные наборы, поскольку обычный миллиамперметр нельзя использовать, так как он создает большее сопротивление, чем катушка газового клапана. Помимо проверки напряжения холостого хода термопары и непрерывности постоянного тока, близкого к короткому замыканию, через катушку газового клапана термопары, самым простым неспециализированным тестом является замена заведомо исправного газового клапана.

Некоторые системы, известные как системы управления милливольтом, расширяют концепцию термопары для открытия и закрытия главного газового клапана. Напряжение, создаваемое пилотной термопарой, не только активирует пилотный газовый клапан, оно также проходит через термостат для питания главного газового клапана. Здесь требуется большее напряжение, чем в описанной выше системе безопасности пилотного пламени, и термобатарея используется, а не одна термопара. Такая система не требует для своей работы внешнего источника электричества и, таким образом, может работать во время сбоя питания, при условии, что все другие связанные компоненты системы позволяют это. Это исключает общие печи с принудительной подачей воздуха поскольку для работы двигателя нагнетателя требуется внешнее электрическое питание, но эта функция особенно полезна для обесточенных конвекционные обогреватели. Подобный предохранительный механизм отключения газа с использованием термопары иногда используется для обеспечения зажигания основной горелки в течение определенного периода времени, перекрывая клапан подачи газа основной горелки, если этого не произойдет.

Из-за беспокойства по поводу потери энергии из-за постоянного запального пламени разработчики многих новых устройств перешли на беспилотное зажигание с электронным управлением, также называемое прерывистым зажиганием. При отсутствии постоянного запального пламени отсутствует риск скопления газа, если пламя погаснет, поэтому этим приборам не нужны пилотные предохранительные выключатели на основе термопар. Поскольку эти конструкции теряют преимущество работы без постоянного источника электроэнергии, в некоторых устройствах все еще используются стоячие пилоты. Исключение составляет более поздняя модель мгновенного действия (также известная как «без танка»). водные нагреватели которые используют поток воды для выработки тока, необходимого для зажигания газовой горелки; В этих конструкциях также используется термопара в качестве предохранительного устройства отключения в случае, если газ не загорится или если пламя погаснет.

Датчики излучения на термобатареях

Термобатареи используются для измерения интенсивности падающего излучения, обычно видимого или инфракрасного света, которое нагревает горячие спаи, в то время как холодные спаи находятся на радиаторе. Возможно измерение радиационного интенсивности всего несколько мкВт / см2 с имеющимися в продаже датчиками на термобатареях. Например, некоторые лазер мощность счетчики основаны на таких датчиках; они особенно известны как термобатарейный лазерный датчик.

Принцип действия датчика термобатареи отличается от принципа действия датчика болометр, так как последний зависит от изменения сопротивления.

Производство

Термопары, как правило, могут использоваться при испытании прототипов электрических и механических устройств. Например, распределительное устройство при испытании на допустимую нагрузку по току могут быть установлены термопары, которые контролируются во время испытания на нагрев, чтобы подтвердить, что повышение температуры при номинальном токе не превышает проектных пределов.

Производство энергии

Термопара может вырабатывать ток для непосредственного управления некоторыми процессами без необходимости в дополнительных схемах и источниках питания. Например, мощность от термопары может активировать клапан при возникновении разницы температур. В электроэнергия генерируемый термопарой, преобразуется из высокая температура который необходимо подводить к горячей стороне для поддержания электрического потенциала. Необходим непрерывный перенос тепла, поскольку ток, протекающий через термопару, имеет тенденцию вызывать охлаждение горячей стороны и нагревание холодной стороны ( Эффект Пельтье ).

Термопары можно подключать последовательно, чтобы сформировать термобатарея, где все горячие спаи подвергаются более высокой температуре, а все холодные спаи — более низкой температуре. Выход представляет собой сумму напряжений на отдельных переходах, что дает большее напряжение и выходную мощность. В радиоизотопный термоэлектрический генератор, то радиоактивный распад из трансурановые элементы в качестве источника тепла использовался для питания космических кораблей в миссиях слишком далеко от Солнца, чтобы использовать солнечную энергию.

Термобатареи с подогревом керосиновые лампы использовались для запуска безбатарейное радио приемники в изолированных местах.[32] Существуют коммерчески производимые фонари, которые используют тепло от свечи для работы нескольких светодиодов, а также вентиляторы с термоэлектрическим приводом для улучшения циркуляции воздуха и распределения тепла в помещении. дровяные печи.

Технологические установки

Химическое производство и нефтеперерабатывающие заводы обычно используют компьютеры для регистрации и предельного тестирования множества температур, связанных с процессом, обычно исчисляемых сотнями. В таких случаях несколько выводов термопары будут подведены к общему эталонному блоку (большому медному блоку), содержащему вторую термопару каждой цепи. Температура блока, в свою очередь, измеряется термистор. Для определения температуры в каждом месте измерения используются простые вычисления.

Термопара как вакуумметр

Термопару можно использовать как вакуумметр в диапазоне примерно от 0,001 до 1 торр абсолютное давление. В этом диапазоне давления длина свободного пробега газа сопоставима с размерами вакуумная камера, и режим потока не является ни чисто вязкий ни чисто молекулярный.[33] В этой конфигурации спай термопары прикреплен к центру короткого нагревательного провода, который обычно запитывается постоянным током около 5 мА, и тепло отводится со скоростью, зависящей от теплопроводности газа.

Измеряемая температура на спайе термопары зависит от теплопроводность окружающего газа, который зависит от давление газа. Разность потенциалов, измеряемая термопарой, пропорциональна квадрат давления на от низкого до среднего вакуума классифицировать. При более высоких (вязкий поток) и более низких (молекулярный поток) давлениях теплопроводность воздуха или любого другого газа практически не зависит от давления. Термопара была впервые использована в качестве вакуумметра Фоге в 1906 году.[34] Математическая модель термопары как вакуумметра довольно сложна, как подробно объяснил Ван Атта:[35] но можно упростить до:

{displaystyle P = {frac {B (V ^ {2} -V_ {0} ^ {2})} {V_ {0} ^ {2}}},}

куда п давление газа, B постоянная, зависящая от температуры термопары, состава газа и геометрии вакуумной камеры, V0 — напряжение термопары при нулевом давлении (абсолютное), а V — напряжение, показываемое термопарой.

Альтернатива — это Датчик Пирани, который работает аналогичным образом, примерно в том же диапазоне давления, но представляет собой только двухконтактное устройство, измеряющее изменение сопротивления тонкого электрически нагреваемого провода в зависимости от температуры, а не с помощью термопары.

Смотрите также

  • Датчик теплового потока
  • Болометр
  • Джузеппе Доменико Ботто
  • Термистор
  • Термоэлектрическая мощность
  • Список датчиков
  • Международная температурная шкала 1990 г.
  • Биметалл (механический)

Рекомендации

  1. ^ «Термопарные датчики температуры». Temperatures.com. Получено 2007-11-04.
  2. ^ а б Рамсден, Эд (1 сентября 2000 г.). «Измерение температуры». Датчики. Получено 2010-02-19.
  3. ^ «Технические примечания: точность термопары». МЭК 584-2 (1982) + A1 (1989). Получено 2010-04-28.
  4. ^ «Как предотвратить ошибки измерения температуры при установке датчиков и преобразователей термопар» (PDF). acromag.com. Акромаг. Получено 3 февраля 2017.
  5. ^ а б c Ван, Т. П. (1990) «Материалы термопар» в Справочник ASM, Vol. 2. ISBN  978-0-87170-378-1
  6. ^ Pyromation, Inc. «Теория термопар» (2009).
  7. ^ Роу, Мартин (2013). «Термопары: просто, но неправильно», Сеть EDN.
  8. ^ Керлин, Т. И Джонсон, М. (2012). Практическая термометрия термопар (2-е изд.). Парк Исследовательского Треугольника: ISA. С. 110–112. ISBN  978-1-937560-27-0.
  9. ^ Бушоу, К. Х. Дж. Энциклопедия материалов: наука и техника, Эльзевир, 2001 ISBN  0-08-043152-6, п. 5021, таблица 1.
  10. ^ https://www.beuth.de/en/standard/din-43710/2941650
  11. ^ Руководство по использованию термопар при измерении температуры (4-е изд.). ASTM. 1993. С. 48–51. ISBN  978-0-8031-1466-1.
  12. ^ «Помощь термопарам в работе … — Transcat». www.transcat.com.
  13. ^ https://blog.wika.us/products/tempera-products/green-rot-affects-type-k-thermocouples/
  14. ^ Берли, Ноэль А. Термопары Nicrosil / Nisil типа N. www.omega.com.
  15. ^ Сравнение термопары типа N и термопары типа K на заводе по производству кирпича. jms-se.com.
  16. ^ https://www.wika.us/landingpage_thermocouple_sensor_en_us.WIKA
  17. ^ https://www.beuth.de/en/standard/din-43710/2941650
  18. ^ «Теория термопар». Capgo. Получено 17 декабря 2013.
  19. ^ «Дополнительная информация для ITS-90». Международное бюро мер и весов. Архивировано из оригинал на 2012-09-10. Получено 2 февраля 2018.
  20. ^ а б c d OMEGA Engineering Inc. «Калибровочные эквиваленты вольфрам-рениевых термопар «.
  21. ^ а б Поллок, Дэниел Д. (1991). Термопары: теория и свойства. CRC Press. С. 249–. ISBN  978-0-8493-4243-1.
  22. ^ https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/jres/67C/jresv67Cn4p337_A1b.pdf
  23. ^ https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a285423.pdf
  24. ^ Другие типы термопар. dugantech.com.
  25. ^ а б Термоэлектричество: теория, термометрия, инструмент, выпуск 852 Дэниела Д. Поллока.
  26. ^ 5629 Gold Platinum Термопара В архиве 2014-01-05 в Wayback Machine. fluke.com.
  27. ^ BIPM — «Методы аппроксимации ИТС-90» В архиве 2014-02-01 в Wayback Machine Глава 9: Платиновые термопары.
  28. ^ http://core.materials.ac.uk/search/detail.php?id=3629
  29. ^ https://www.science.gov/topicpages/h/high-temperature+irradiation-resistant+thermocouples.html
  30. ^ МЭК 60584-3: 2007
  31. ^ Водонагреватели, устойчивые к воспламенению легковоспламеняющихся паров: Руководство по обслуживанию (238-44943-00D) (PDF). Брэдфорд Уайт. стр. 11–16. Получено 11 июн 2014.
  32. ^ Новый ученый. Reed Business Information. 10 января 1974 г. С. 67–. ISSN  0262-4079. Получено 28 мая 2012.
  33. ^ Габланян, М. Х. (1997) Технология высокого вакуума: Практическое руководство, второе изд., Marcel Dekker Inc., стр. 19–22, 45–47 и 438–443, ISBN  0-8247-9834-1.
  34. ^ Фоге, В. (1906) Physik Zeit., 7: 498.
  35. ^ Ван Атта, К. М. (1965) Вакуумная наука и инженерия, McGraw-Hill Book Co., стр. 78–90.

внешняя ссылка

  • Принцип работы термопары — Кембриджский университет
  • Термопара
  • Дрейф термопары — Кембриджский университет
  • Два способа измерения температуры с помощью термопар
  • Руководство по проектированию термопар
  • Ноу-хау в области термопар с минеральной изоляцией
  • Насадка для термопары — грунтовка

Таблицы данных термопар:

  • Текстовые таблицы: База данных термопар NIST ITS-90 (B, E, J, K, N, R, S, T)
  • Таблицы PDF: J K Т E N р S B
  • Python упаковка thermocouples_reference содержащие характеристические кривые многих типов термопар.
  • р упаковка [1] Измерение температуры с помощью термопар, датчиков RTD и IC.
  • Таблица данных: Размеры проводов термопар
Источник

0 0 голоса
Рейтинг статьи
Подписаться
Уведомить о
guest

0 комментариев
Старые
Новые Популярные
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии

А вот еще интересные материалы:

  • Яшка сломя голову остановился исправьте ошибки
  • Ясность цели позволяет целеустремленно добиваться намеченного исправьте ошибки
  • Ясность цели позволяет целеустремленно добиваться намеченного где ошибка
  • Ошибка центра обновлений 0x80070005
  • Ошибка холодильника самсунг rd что означает

    • ➤