Термопара принцип работы простым языком: устройство и принцип работы простым языком, типы

Содержание

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

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

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

Принцип работы термопары

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

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

Термопара в электрической цепи

Спай термопары

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

Цепь термопары

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

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

Воздействие нагрева одного спая термопары

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

Холодный спай термопары

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

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

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

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

Цепь термопары с компенсирующим резистором

Рабочий спай термопары (горячий)

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

Рабочий спай и холодный спай

Типы термопары

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

Типы термопар и диапазон их температур

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

Помните, что минусовой провод во всех термопарах — красный.

Цвет изоляции проводов термопар

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

Неисправности термопары

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

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

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

Потенциометр

что это такое, принцип действия термопары, подключение преобразователя

В повседневной жизни каждого человека встречались приборы и устройства, одним из определяющих факторов работы которых была температура. Начиная от температуры в системах отопления и заканчивая промышленными предприятиями, процесс выпуска продукции которых связан со строгим соблюдением температуры, процедура контроля данного параметра очень важна как для жизнедеятельности, так и для энергосбережения. Одним из устройств по контролю температуры является термопара, или термоэлектрический преобразователь. Термопара – что это такое?

 

Термопара газового котла

Назначение

Термоэлектрический преобразователь, или термопара, является приспособлением, используемым для контроля температуры на промышленных предприятиях, в процессе научных исследований, при эксплуатации автоматики и в медицинских учреждениях.

Физическая величина, численно определяющая размер энергии тела, получаемой за счет движения молекул веществ, в зависимости от теплоты, называется температурой. Поскольку непосредственно температуру вещества измерить невозможно, то ее величину определяют, благодаря трансформации иных физических параметров вещества. В качестве таких физических параметров могут выступать давление, электрическое сопротивление, объем, интенсивность излучения, температурная электродвижущая сила, коэффициент расширения вещества и ряд других.

Существует два способа контроля температуры:

  • При непосредственном контакте с объектом с помощью термопар;
  • При отсутствии непосредственного контакта с объектом – пирометрия либо термометрия излучения используется при необходимости измерения очень больших температур.

Принцип действия термопары

Особенностью работы термопары является наличие термоэлектрического эффекта, или эффекта Зеебека, названного в честь ученого, открывшего данное явление в 19 веке.

Сущностью такого эффекта является наличие контактной разности потенциалов между разнородными проводниками. Соответственно, принцип работы термопары заключается в следующем.

При скрутке двух концов разнородных проводников или сплавов таким способом, чтобы они представляли собой закольцованную электрическую цепь, и если далее поддерживать противоположные окончания проводов при разной температуре, то в данной цепи сформируется термоэлектродвижущая сила, величина которой будет пропорциональна разности температур между скрутками проводников. Соответственно, цепь, состоящая из двух разнородных проводников либо сплавов, является термопарой, или термоэлементом.

Эффект термоэлектричества

Величина тока работающих термопар зависит от:

  1. Материала проводников;
  2. Разности температур на противоположных спайках.

Проводник термоэлектрического преобразователя, по которому электрический ток направлен от горячей спайки к холодной, является положительным, при обратном направлении электрического тока термоэлектрод является отрицательным.

Маркировка термопары осуществляется в следующем порядке:

  1. Принадлежность самого устройства;
  2. Материал положительного проводника;
  3. Материал отрицательного проводника.

Разновидности и конструктивные особенности

Виды термопар

Термопары ввиду своих структурных особенностей подразделяются на такие виды:

  1. По специфике применения:
  • Наружное;
  • Погружаемое.
  1. По особенностям предохраняющего кожуха:
  • без кожуха;
  • со стальным кожухом – устройство эксплуатируется для контроля температур до 600оС;
  • со стальным кожухом из специфического сплава – устройство необходимо для измерения температур до 1100оС;
  • с кожухом из фарфора – устройство применяется для контроля температур до 1300оС;
  • со стальным кожухом из тугоплавких сплавов – устройство эксплуатируется при температурах более 2000оС.
  1. По методу фиксации термопреобразователей:
  • С неподвижным чувствительным элементом;
  • С подвижным чувствительным элементом;
  • С подвижным креплением.
  1. По герметичности клемм:
  • С простой верхушкой;
  • С водонепроницаемой верхушкой;
  • Без колпачка, со специфической герметизацией выводных клемм.
  1. По изолированности:
  • Изолированные от влияния активных или неагрессивных сред;
  • Не изолированные.
  1. По герметизации от большого давления:
  • Не герметичные;
  • Герметичные.
  1. По стойкости к механическому влиянию:
  • Устойчивые к вибрации;
  • Ударостойкие;
  • Простые.
  1. По количеству контролируемых зон:
  • Рассчитанные на одну зону;
  • Рассчитанные на несколько зон.
  1. По скорости реакции на изменение температуры:
  • С высокой инерционностью. Скорость реагирования составляет до 210 секунд;
  • С посредственной собственной инерцией. Скорость реакции составляет до 60 секунд;
  • С малой инерционностью. Скорость реакции составляет до 40 секунд;
  • С ненормированной скоростью реакции.
  1. По длине функционирующей части:
  • Длиной от 120 мм до 1580 мм. Находят свое применение в однозонных термопарах;
  • Длиной до 20000 мм. Используются в многозонных термопарах.

К конструктивным особенностям термопар относятся:

  1. Рабочий спай двух проводников в основном образовывается путем электродуговой сварки предварительно скрученных термоэлектродов. Одним из способов соединения является пайка, однако подключение термопары вольфрам-рениевой или вольфрам-молибденовой обходится обычным скручиванием без дополнительной сварки;
  2. Проводники соединяются только в активной части. Остальная часть проводов строго изолируется;
  3. Изоляционным материалом может быть любой источник, вплоть до воздуха, однако температура измеряемой среды должна быть ниже 120оС. При температурах вещества до 1300оС применяются фарфоровые изоляторы. Поскольку при t> 2000оС фарфор теряет свои физические свойства и размягчается, то применяются трубки из окиси алюминия, магния, бериллия, тория, циркония;
  4. Для предотвращения механического влияния на термопару ее помещают в предохранительную трубку-кожух с герметизированным концом. Этот кожух должен обеспечивать изоляцию от внешней среды, предотвращать механические натяжения и обеспечивать хорошую теплопроводность. Выдерживание предельной температуры термопары в течение длительного времени и стойкость к активной среде контролируемого вещества являются основополагающими требованиями к трубке-кожуху.

Типы термопар и их характеристики

Термопара хромель-алюмель (ТХА)

Термопара хромель-алюмель ТП6

Термоэлектрический преобразователь хромель-алюмель предназначен для эксплуатации в агрессивных и благородных средах, а также допускается использовать в сухом водороде и вакууме, однако на короткое время. Отличительной особенностью ТХА является максимальная устойчивость к облучению внутри ядерного реактора. К недостаткам устройства относятся сравнительно высокая восприимчивость к механическим воздействиям и непостоянство температурной электродвижущей силы. Такие типы термопар применимы для измерения температуры вещества от -200оС до 1100оС и эксплуатируются  в основном в сталеварных печах, энергосиловой аппаратуре, отопительных приборах и научной работе.

В качестве положительного электрода выступает проводник никелевого сплава хромель НХ9,5, а роль отрицательного электрода занимает проволока никелевого сплава алюмель НМцАК2-2-1.

Термопара хромель-копель (ТХК)

Термопара хромель-копель ТХК 1199

Основными областями по применению термопар хромель-копель являются промышленные, производственные предприятия и сфера научных исследований. Наряду с остальными термопарами, устройство работает в основном для длительных измерений температуры до 600оС, хотя граничные пределы по температуре составляют от -253оС до 1100оС. Имеется максимальная восприимчивость из всех выпускаемых термопар, также присутствует паразитная большая восприимчивость к механическому воздействию на термодатчик. В качестве проводника для позитивного щупа используется никелевый сплав хромель НХ9,5, проволокой же для негативного щупа является медно-никелевый сплав копель МНМц43-0,5.

Термопара железо-константан (ТЖК)

Термопара железо-константан

Термоэлемент ЖК нашел применение в научных испытаниях и производственных предприятиях в агрессивных, благородных, восстановительных веществах и вакууме при -203оС<t<1100оС. Кроме высокой восприимчивости, к достоинствам ТЖК относится низкая себестоимость. Большая восприимчивость к механическому воздействию на электроды и маленькая коррозийная устойчивость металлического щупа являются негативными сторонами ТЖК. Сырьем для позитивного электрода термопары является малоуглеродистая сталь, отрицательный электрод состоит из медно-никелевого сплава константан МНМц40-1,5.

Термопара вольфрам-рений (ТВР)

Термопара вольфрам-рений

В производстве керамики, тугоплавких металлов, твердых сплавов, разливке стали, контроле температуры газовых потоков, низкотемпературной плазмы применяется термопара вольфрам-рений. Эти типы термопар считаются наилучшими термопарами в промышленности с рабочей t>1800оС. Веществами, с которыми эксплуатируется термопара, являются  сухой водород, азот, гелий, аргон и вакуум при температуре 1300оС<t<3000оС.

К достоинствам прибора ВР относятся:

  • Наилучшая механическая устойчивость при высоких температурах;
  • Стабильная работа при знакочередующихся нагрузках;
  • Устойчивость к многократным и стремительным теплосменам.
  • Простота в производстве и не восприимчивость к загрязнениям.

Отрицательными свойствами являются недостаточная воспроизводимость температурной электродвижущей силы, нестабильность работы при облучении.

Материалами позитивного и негативного проводников, соответственно, являются:

  1. ВР5 и ВР20;
  2. ВАР5 и ВР20;
  3. ВР10 и ВР20.

Термопара вольфрам-молибден (ТВМ)

Будучи очень дешевыми термопарами, эти типы термопар массово эксплуатируются для

измерения температуры в благородных средах, водороде, вакууме, при 1400оС<t<1800оС. К дополнительным преимуществам относятся большая механическая устойчивость и отсутствие суровых правил к химической чистоте от момента производства до установки и работы. Недостатками являются хрупкость элемента при больших температурах, низкое значение электродвижущей силы и восприимчивости, смена полюсов при t>1400оС.

Позитивные и негативные электроды изготавливаются из вольфрамовой и молибденовой проволоки, которые являются металлами технической чистоты.

Термопара платинородий-платина (ТПП)

Термопара платинородий-платина

Функциональность ТПП характеризуется максимальной достоверностью и устойчивостью, потому широко применяется в научных опытах и технике. Также за счет своих физических особенностей ТПП стала эталоном температурной шкалы МПТШ-68. Комфортный температурный диапазон – до 1600оС. Слабой стороной ТПП является повышенная восприимчивость к загрязнениям, очень высокая цена, нестабильная работа при облучении. В качестве материалов щупов выступают сплавы платинородия ПР10 или ПР13 для позитивного щупа и платина для негативного щупа.

Термопара платинородий-платинородий (ТПР)

Эти типы термопар, прежде всего, эксплуатируются при производстве цемента, стали и стекла, огнеупоров, ввиду возможности длительное время контролировать температуру более 1400оС. Помимо возможности применения в вакуумной среде, к дополнительным преимуществам ТПР относятся сравнительно большая устойчивость при очень больших температурах, лучшая механическая прочность, практически отсутствие хрупкости и минимальная восприимчивость к загрязнению. Проводник электропозитивного щупа изготовлен из платинородия ПР30, негативный щуп выполнен на платинородия ПР6.

Изложенный материал объясняет, что такое термопара, их разнообразие, специфические особенности и сферы использования. Становится понятен физический смысл и порядок определения температуры в той или иной среде.

Видео

Оцените статью:

Принцип работы термопары: описание, устройство, схема

Принцип действия и устройство термопары предельно просты. Это обусловило популярность данного прибора и широкое применение во всех отраслях науки и техники. Термопара предназначается для измерения температур в широком диапазоне – от -270 до 2500 градусов по Цельсию. Устройство вот уже не одно десятилетие является незаменимым помощником инженеров и ученых. Работает надежно и безотказно, а показания температуры всегда правдивые. Более совершенного и точного прибора просто не существует. Все современные устройства функционируют по принципу термопары. Работают в тяжелых условиях.

Назначение термопары

Данное устройство преобразовывает тепловую энергию в электрический ток и позволяет измерять температуру. В отличие от традиционных ртутных градусников, способно работать в условиях как экстремально низких, так и экстремально высоких температур. Данная особенность обусловила широкое применение термопары в самых разнообразных установках: промышленные металлургические печи, газовые котлы, вакуумные камеры для химико-термической обработки, духовой шкаф бытовой газовой плиты. Принцип работы термопары всегда остается неизменным и не зависит от того, в каком устройстве она монтируется.

От надежной и бесперебойной работы термопары зависит работа системы аварийного отключения приборов в случае превышения допустимых лимитов температур. Поэтому данное устройство должно быть надежным и давать точные показания, чтобы не подвергать риску жизнь людей.

Принцип действия термопары

Термопара имеет три основных элемента. Это два проводника электричества из разных материалов, а также защитная трубка. Два конца проводников (их еще называют термоэлектродами) спаяны, а два других подключаются к потенциометру (прибор для измерения температуры).

Если говорить простым языком, принцип работы термопары заключается в том, что спай термоэлектродов помещается в среду, температуру которой необходимо измерить. В соответствии с правилом Зеебека, возникает разность потенциалов на проводниках (иначе – термоэлектричество). Чем больше температура среды – тем более значимой является разница потенциалов. Соответственно, стрелка прибора отклоняется больше.

В современных комплексах измерения на смену механическому устройству пришли цифровые индикаторы температуры. Однако далеко не всегда новый прибор превосходит по своим характеристикам старые аппараты еще советских времен. В технических вузах, да и в научно-исследовательских учреждениях, и по сей день пользуются потенциометрами 20-30-летней давности. И они демонстрируют поразительную точность и стабильность измерений.

Эффект Зеебека

На данном физическом явлении основан принцип работы термопары. Суть заключается в следующем: если соединить между собой два проводника из разных материалов (иногда используются полупроводники), то по такому электрическому контуру будет циркулировать ток.

Таким образом, если нагревать и охлаждать спай проводников, то стрелка потенциометра будет колебаться. Засечь ток также может позволить и гальванометр, подключенный в цепь.

В том случае, если проводники выполнены из одного и того же материала, то электродвижущая сила не будет возникать, соответственно, нельзя будет измерить температуру.

Схема подключения термопары

Наиболее распространенными способами подключения измерительных приборов к термопарам являются так называемый простой способ, а также дифференцированный. Суть первого метода заключается в следующем: прибор (потенциометр или гальванометр) напрямую соединяется с двумя проводниками. При дифференцированном методе спаивается не одни, а оба конца проводников, при этом один из электродов «разрывается» измерительным прибором.

Нельзя не упомянуть и о так называемом дистанционном способе подключения термопары. Принцип работы остается неизменным. Разница лишь в том, что в цепь добавляются удлинительные провода. Для этих целей не подойдет обычный медный шнур, так как компенсационные провода в обязательном порядке должны выполняться из тех же материалов, что и проводники термопары.

Материалы проводников

Принцип действия термопары основан на возникновении разности потенциалов в проводниках. Поэтому к подбору материалов электродов необходимо подходить очень ответственно. Различие в химических и физических свойствах металлов является основным фактором работы термопары, устройство и принцип действия которой основаны на возникновении ЭДС самоиндукции (разности потенциалов) в цепи.

Технически чистые металлы для применения в качестве термопары не подходят (за исключением АРМКО-железа). Обычно используются различные сплавы цветных и благородных металлов. Такие материалы имеют стабильные физико-химические характеристики, благодаря чему показания температуры всегда будут точными и объективными. Стабильность и точность – ключевые качества при организации эксперимента и производственного процесса.

В настоящее время наиболее распространены термопары следующих видов: E, J, K.

Термопара типа E

В качестве материалов для проводников используются константан и хромель. Изделия данного типа хорошо зарекомендовали себя по части надежности и точности показаний. Свидетельств тому – многочисленные положительные отзывы специалистов. Однако данный состав демонстрирует точность измерений лишь в положительном диапазоне температур до 600 градусов по Цельсию включительно.

Термопара типа J

По принципу работы термопара не отличается от предыдущей. Однако хромель уступил место технически чистому железу, что позволило существенно расширить диапазон рабочей температуры с сохранением стабильности показаний. Он составляет от -100 до 1200 градусов по Цельсию.

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

В случае выхода из строя термопары не подлежит ремонту. Теоретически можно, конечно, ее починить, но вот будет ли прибор после этого показывать точную температуру – это большой вопрос.

Иногда неисправность термопары не является явной и очевидной. В частности, это касается газовых колонок. Принцип работы термопары все тот же. Однако она выполняет несколько иную роль и предназначается не для визуализации температурных показаний, а для работы клапанов. Поэтому, чтобы выявить неисправность такой термопары, необходимо подключить к ней измерительный прибор (тестер, гальванометр или потенциометр) и нагреть спай термопары. Для этого не обязательно держать ее над открытым огнем. Достаточно лишь зажать его в кулак и посмотреть, будет ли отклоняться стрелка прибора.

Причины выхода из строя термопар могут быть разными. Так, если не надеть специальное экранирующее устройство на термопару, помещенную в вакуумную камеру установки ионно-плазменного азотирования, то с течением времени она будет становиться все более хрупкой до тех пор, пока не переломается один из проводников. Кроме того, не исключается и вероятность неправильной работы термопары из-за изменения химического состава электродов. Ведь нарушаются основополагающие принципы работы термопары.

Газовая аппаратура (котлы, колонки) также оснащается термопарами. Основной причиной выхода из строя электродов являются окислительные процессы, которые развиваются при высоких температурах.

В том случае, когда показания прибора являются заведомо ложными, а при внешнем осмотре не были обнаружены слабые зажимы, то причина, скорее всего, кроется в выходе из строя контрольно-измерительного прибора. В этом случае его необходимо отдать в ремонт. Если имеется соответствующая квалификация, то можно попытаться устранить неполадки самостоятельно.

Да и вообще, если стрелка потенциометра или цифровой индикатор показывают хоть какие-то «признаки жизни», то термопара является исправной. В таком случае проблема, совершенно очевидно, кроется в чем-то другом. И соответственно, если прибор никак не реагирует на явные изменения температурного режима, то можно смело менять термопару.

Однако прежде чем демонтировать термопару и ставить новую, нужно полностью убедиться в ее неисправности. Для этого достаточно прозвонить термопару обычным тестером, а еще лучше – померить напряжение на выходе. Только обычный вольтметр здесь вряд ли поможет. Понадобится милливольтметр или тестер с возможностью подбора шкалы измерения. Ведь разность потенциалов является очень маленькой величиной. И стандартный прибор ее даже не почувствует и не зафиксирует.

Преимущества термопары

Почему за столь долгую историю эксплуатации термопары не были вытеснены более совершенными и современными датчиками измерения температуры? Да по той простой причине, что до сих пор ей не может составить конкуренцию ни один другой прибор.

Во-первых, термопары стоят относительно дешево. Хотя цены могут колебаться в широком диапазоне в результате применения тех или иных защитных элементов и поверхностей, соединителей и разъемов.

Во-вторых, термопары отличаются неприхотливостью и надежностью, что позволяет успешно эксплуатировать их в агрессивных температурных и химических средах. Такие устройства устанавливаются даже в газовые котлы. Принцип работы термопары всегда остается неизменным, вне зависимости от условий эксплуатации. Далеко не каждый датчик другого типа сможет выдержать подобное воздействие.

Технология изготовления и производства термопар является простой и легко реализуется на практике. Грубо говоря – достаточно лишь скрутить или сварить концы проволок из разных металлических материалов.

Еще одна положительная характеристика – точность проводимых измерений и мизерная погрешность (всего 1 градус). Данной точности более чем достаточно для нужд промышленного производства, да и для научных исследований.

Недостатки термопары

Недостатков у термопары не так много, в особенности если сравнивать с ближайшими конкурентами (температурными датчиками других типов), но все же они есть, и было бы несправедливо о них умолчать.

Так, разность потенциала измеряется в милливольтах. Поэтому необходимо применять весьма чувствительные потенциометры. А если учесть, что не всегда приборы учета можно разместить в непосредственной близости от места сбора экспериментальных данных, то приходится применять некие усилители. Это доставляет ряд неудобств и приводит к лишним затратам при организации и подготовке производства.

Вопрос №3 Термопара. Принцип работы термопары.

Термопара (термоэлектрический преобразователь температуры) — термоэлемент, применяемый в

измерительных и преобразовательных устройствах, а также в системах автоматизации.

Международный стандарт на термопары МЭК 60584 (п.2.2) дает следующее определение термопары:

Термопара — пара проводников из различных материалов, соединенных на одном конце и формирующих

часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.

Для измерения разности температур зон, ни в одной из которых не находится вторичный преобразователь

(измеритель термо-ЭДС), удобно использовать дифференциальную термопару: две одинаковых термопары,

соединенных навстречу друг другу. Каждая из них измеряет перепад температур между своим рабочим

спаем и условным спаем, образованным концами термопар, подключёнными к клеммам вторичного

преобразователя, но вторичный преобразователь измеряет разность. их сигналов, таким образом, две

термопары вместе измеряют перепад температур между своими рабочими спаями.

Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Когда концы проводника находятся при разных температурах, между ними возникает разность потенциалов, пропорциональная разности температур. Коэффициент пропорциональности называют коэффициентом термоэдс. У разных металлов коэффициент термоэдс разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными коэффициентами термоэдс в среду с температурой Т1 , мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т2, которое будет пропорционально разности температур T1 и Т2.

Вопрос №4 Виды термометров сопротивления.

Термометр сопротивления — датчик для измерения температуры, сопротивление чувствительного элемента которого зависит от температуры. Может быть выполнен из металлического или полупроводникового материала. 6 последнем случае называется термистором.

Представляет собой резистор, выполненный из металлической проволоки или пленки и имеющий известную зависимость электрического сопротивления от температуры Наиболее распространённый тип термометров сопротивления — платиновые термометры Это объясняется тем, что платина имеет высокий температурный коэффициент сопротивления и высокую стойкость к окислению. Эталонные термометры изготавливаются из платины высокой чистоты с температурным коэффициентом не менее 0,003925. В качестве рабочих средств измерений применяются также медные и никелевые термометры. В стандарте приведены диапазоны, классы допуска, таблицы НСХ и стандартные зависимости сопротивление-температура. Стандарт соответствует международному стандарту МЭК 60751 (2008). В стандарте впервые отказались от нормирования конкретных номинальных сопротивлений. Сопротивление изготовленного термометра может быть любым. Промышленные платиновые термометры сопротивления в большинстве случаев используются со стандартной зависимостью сопротивление-температура (НСХ), что обуславливает погрешность не лучше 0,1 °С (класс АА при 0 °С). Термометры сопротивления на основе запыленной на подложку плёнки отличаются повышенной вибропрочностью, но меньшим диапазоном температур. Максимальный диапазон, в котором установлены классы допуска платиновых термометров для проволочных чувствительных элементов составляет 660 °С (класс С), для пленочных 600 °С (класс С).

Преимущества термометров сопротивления

Высокая точность измерений (обычно лучше ±1 °С), может доходить до 0,01 °С.

Возможность исключения влияния изменения сопротивления линий связи на результат измерения при использовании 3-х или 4-х проводной схемы измерений

Практически линейная характеристика

Недостатки термометров сопротивления

Малый диапазон измерений (по сравнению с термопарами)

Не могут измерять высокую температуру

особенности, описание, виды и принцип работы термоэлектрических датчиков

Термопара — это термоэлектрический преобразователь. Иными словами – это прибор, используемый для измерения температур в разных областях: в медицине, в промышленности, науке, в системах автоматики, а также в быту. В настоящее время термопары широко распространены и применяются практически повсюду. На практике чаще всего ис­пользуются термопары K типа, а также J и Т. С их помощью измеряют температуры воды, воздуха, газов, смазочных материалов и так далее.

Классификация по типам

При желании возможно создать такой прибор даже самостоятельно. Однако следует все же знать некоторые особенности таких преобразователей, их различие по типу применяемых материалов. А классифицируются виды термопар так:

  1. Тип E. Используется сплав хромель – константан. Эти датчики обладают высокой чувствительностью – до 68 мкВ/°C. Подходят для криогенного использования. Температуры, при которых возможно применение, колеблются от -50 °C до +740 °C.
  2. Тип J. Здесь применяют состав железо – константан. Используются для условий в температурных диапазонах от -40 °C до +750 °C. Имеет повышенную производительность –50 мкВ / °С.
  3. Термопары типа K выполняются на основе сплава хромеля и алюминия. Это, несомненно, самые популярные датчики широкого назначения. Обладают производительностью до 41 мкВ/°C. Применяются в температурных диапазонах от -200 °С до +1350 °C. В неокисляющих и инертных условиях датчики типа K используются до 1260 °C.
  4. Тип M. Эти термопары применяются в основном в вакуумных печах. Используются при температурах до +1400 °C.
  5. Регуляторы типа N - никросил-нисиловые. Они стабильны и стойки к окислению, имеют производительность 39 мкВ/ °C. Поэтому их используют при температурах от -270 °C до +1300 °C.
  6. Устройства типов B, R и S выпускаются из сплава родия и платины. Класс B, R и S - датчики довольно дорогие и имеют низкую производительность: всего 10 мкВ/° C. Используются благодаря высокой надежности исключительно для измерения высоких температур.
  7. Датчики на основе сплавов рения и вольфрама. В основном они работают в автоматике промышленных процессов, в производстве водорода и так далее. Не рекомендуется применять в кислотных средах.

Технические характеристики прибора

Примечательно, что термопарам не нужны никакие дополнительные источники питания. Они применяются для измерения температур достаточно большого диапазона: от -200 °C до +2000 °C. При этом они обладают меняющимися параметрами. Проблематично еще и то, что надо учитывать влияние температуры свободных концов на заключительные результаты измерений. Помимо этого, низкое выходное напряжение требует достаточно точных усилителей.

Ярким примером использования приборов, созданных по принципу термопар, служат компактные цифровые термометры. В настоящее время — это основной и, пожалуй, самый массовый прибор для осуществления статических и динамических измерений.

Выходным сигналом термопары является постоянное напряжение. Он достаточно просто преобразуется в цифровой код. А затем его можно измерить с помощью простейших приборов. Для этих целей можно взять, к примеру, малогабаритный цифровой мультиметр.

Измерительные приборы на основе термопар отличает высокая точность и чувствительность, а также правильность характеристик преобразования. Обычно напряжение на выходе колеблется от 0 до 50 мВ, а типичная производительность — от 10 до 50 мкВ/°C. Все зависит от используемых в датчике материалов.

Основной принцип работы

В основу принципа работы термопары положен термоэлектрический эффект, называемый иначе эффект Зеебека. Он гласит, что когда проводник подвергается воздействию, соответственно изменяется его сопротивление и напряжение.

Принцип действия термопары состоит в том, что если соединить последовательно два разнородных металлических проводника, то при этом образуется замкнутая электрическая цепь. Если затем нагреть это соединение, то в цепи возникнет электродвижущая сила (термо-ЭДС). Под ее воздействием в замкнутой цепи и возникает электрический ток.

Место нагрева, как правило, называют горячим спаем, соответственно холодный спай не нагревается. Значение термо-ЭДС измеряется путем подключения в разрыв электрической цепи гальванометра или микровольтметра. То есть она напрямую зависит от разности температур между холодным и горячим спаем.

Вследствие нагревания места соединения проводников термопары между свободными концами образуется разность потенциалов. Она легко преобразовывается в цифровой код. Возникает возможность определения температуры нагрева на месте соединения проводников.

Для точности проведения измерений холодный спай должен всегда иметь неизменную температуру. Поскольку этого довольно сложно добиться, применяются компенсационные схемы.

Достоинства и недостатки

Термопары обладают многими достоинствами в сравнении с аналогичными термоэлектрическими датчиками температуры. К плюсам, например, относят:

  • простая конструкция;
  • прочность;
  • надёжность;
  • универсальность;
  • низкая стоимость;
  • можно пользоваться в самых разных условиях;
  • можно измерять самые разные температуры;
  • точность произведенных измерений.

Однако, как и любой другой прибор, эти датчики имеют свои недостатки:

  • довольно низкое напряжение на выходе;
  • нелинейность.

Измерение температур с использованием термопар, изобретенное еще в XIX веке, достаточно широко применяется в современном производстве. Кроме того, существуют такие сферы деятельности, где применение этих датчиков становится порой единственным возможным способом получения необходимых измерений.

Как работает термопара видео

Наиболее экономичным и удобным видом топлива для обогрева дома или коттеджа по праву считают газ. Единственное условие — беспрекословное соблюдение всех правил установки газового оборудования и, по возможности, использование автоматического контроля нагревания оборудования. Перегрева отопительного котла лучше не допускать, иначе не избежать ужасных последствий. Еще одна опасность — утечка газа вследствие затухания огня. Чтобы избежать всех проблем и сложностей с газовым оборудованием, необходима термопара для газового котла.

Термопара для газового котла

Назначение термопары для газовых котлов

Для чего нужна и как работает термопара, знает каждый, кто хоть единожды сталкивался с установкой газового оборудования. Термопара — это своего рода контроллер, предохраняющий приборы от перегрева и некорректной работы.

Важно: термопара или термоэлектрический элемент является наиболее оптимальным средством измерения высоких температур, которые возникают в камере сгорания работающей установки газового котла. Кроме контролирующей функции, термопара конвертирует температуру в определенную энергию, например, электроток.

Чтобы в изначально подать топливо (в нашем случае газ) на запальник, нужно вручную открыть электромагнитный клапан. После нажатия на шток газ подается на запальник и термоэлемент нагревается. Достаточно 30 секунд нажатия, после этого отпадет необходимость самостоятельного удерживания клапана открытым, так как выработка напряжения термопарой уже началась, и агрегат будет работать без вашего участия.

Запальник газового котла

Температурные датчики. Классификация

Существует несколько основных типов термопар. Их различают по материалу изготовления. Основными материалами, используемыми для температурных датчиков, являются металлы — благородные и неблагородные. Именно их сочетание и стало основой классификации. Вот наиболее распространенные типы термоэлектрических элементов:

  • Тип К: Хромель и алюмель. Диапазон температур (длительно): от 0°С до +1100°С;
  • Тип J: Железо и константан. Диапазон температур (длительно): от 0°С до +700°С;
  • Тип N: Никросил и нисил. Диапазон температур (длительно): от 0°С до +1100°С;
  • Тип R: Платинородий(13 % Rh) и платина. Диапазон температур (длительно): от 0оС до +1600°С;
  • Тип S: Платинородий (10 % Rh ) и платина. Диапазон температур (длительно): от 0°С до +1600°С;
  • Тип B: Платинородий (30 % Rh) и платинородий (6 % Rh). Диапазон температур (длительно): от +200°С до +1700°С;
  • Тип T: Медь и константан. Диапазон температур (длительно): от -185°С до +300°С;
  • Тип Е: Хромель и константан. Диапазон температур (длительно): от -50°С до +800°С;

Типы термоэлектрических элементов

Безусловно, каждый тип термоэлемента используется в различных целях. Дорогие термопары используются в науке и промышленности, а более простые и дешевые идеальны для бытового использования — в газовых котлах или плитах.

Устройство и принцип действия термопары

Известно, что не каждый материал может постоянно находиться в открытом пламени. Как видно из описания типов термоэлектрических элементов, они изготавливаются из нескольких металлов, способных длительное время выдерживать высокие температуры. Когда термопара выходит из строя, газовый котел потребует немедленного ремонта, так как произойдет затухание горелочного устройства. Почему так происходит? Термопара работает вместе с отсекающим электромагнитным клапаном. При нарушениях в работе температурного датчика клапан закрывается, и подача газа немедленно прекращается.

Основной принцип работы термопары — термоэлектрический результат (или эффект Зеебека). Суть этого физического явления заключается в следующем:

  1. Два металла с разными физическими свойствами образуют замкнутую цепь;
  2. Место, где проводники соединены между собой путем качественной спайки, помещается в открытое пламя;
  3. На холодных концах спая возникнет напряжение — разница потенциалов.
  4. Если к ним подключить измерительное приспособление, цепь замкнется и появится электрический ток, напряжения которого будет достаточно для возникновения в катушке электромагнитного клапана индукции, которая пустит газ к запальнику.

Конструкция и принцип действия термопары

В тех случаях, когда вы не можете зажечь газовый котел, запальник тухнет, как только вы отпускаете кнопку подачи газа — можете быть уверены, что термопара вышла из строя.

Важно: качество спая металлов термопары играет очень важную роль. Место соединения помещают в зону открытого пламени, поэтому хороший спай увеличит срок службы термопары.

Для газовых котлов чаще всего используют универсальные термоэлектрические элементы типа К (хромель-алюмель), типа Е (хромель и константан) и типа J (железо и константан). Проводники в защитной оболочке, приварены к холодным концам металлов, а спай закрепляют зажимной гайкой в соответствующее место автоматики котла.

Остальные разновидности термопар в газовых котлах и установках не используются в силу того, что из-за использования дорогостоящих сплавов возрастает цена. А для газовых котлов достаточно хороши свойства простейших сплавов.

Чтобы проверить, как работает термопара, нужно подключить один ее конец к измерительному прибору — мультиметру, а другой нагреть при помощи обычного огня. Если устройство исправно, напряжение будет около 50мВ.

Принцип действия термопары достаточно прост, однако в процессе производства каждый вид термопары проходит калибровку, или, другими словами, корректировку относительно 0оС. Чем точнее измерительный прибор, которым проводят калибровку, тем точнее будет термопара. Кроме этого, добросовестный производитель не позволит себе сделать некачественную пайку металлов термопары. Поэтому старайтесь выбирать изделие проверенного бренда, покупая термодатчик для своего газового котла.

Также стоит учесть, что точка измерения не должна находиться далеко от измерительного прибора, в противном случае вам понадобится расширение проводов промежуточного соединения, а это достаточно дорого.

Преимущества и недостатки

Как любое устройство, термоэлектрические пары имеют ряд преимуществ и недостатков. К преимуществам относят:

  • Долговечность устройства при невысокой цене. Это обусловлено отсутствием движущихся деталей, сложных компонентов и невысокой ценой материала изготовления (для газовых котлов не используют платиносодержащие термопары).
  • Термопара для газового котла может работать как датчик контроля температуры и датчик контроля пламени.
  • Диапазон измеряемых температур достаточно широкий, от -250°C до +2500°С
  • Для отопительной техники достойная точность измерений.
  • Простота монтажа термопары.

Энергонезависимая система газ-контроль для плит и котлов

К недостаткам относят:

  • Невозможность ремонта термопары в случае некачественного спая. Выход один — максимально быстрая замена, ведь без температурного датчика работа котла остановится.
  • Если термопарные и удлинительные провода слишком длинные, может возникнуть эффект «антенны» для электромагнитных полей.
  • Нет высокой точности измерения температур (хотя это не столь важно для работы газового котла).

Выводы

Если вы приняли решение производить отопление вашего жилища с помощью газового котла, помните, что термопара — ключевой элемент безопасной работы агрегата. Устройство термопары достаточно простое и понятное. Цена более чем приемлема, а разъемы подключения стандартные. Поэтому если вам нужно заменить температурный датчик в случае поломки, проблем не возникнет. Единственное, что следует учесть — это тип и технические характеристики устройства.

Несмотря на то, что конструкция термоэлектрического элемента очень простая, она является одной из самых важных деталей современного газового оборудования. Выступая в роли датчика температуры, обеспечивая газ-контроль и наличие пламени, термопара — идеальный элемент защиты вашей безопасности в отапливаемом с помощью газового котла доме. В любой нештатной ситуации термодатчик и отсекающий клапан сработают таким образом, что подача газа прекратится.

Принцип действия и устройство термопары предельно просты. Это обусловило популярность данного прибора и широкое применение во всех отраслях науки и техники. Термопара предназначается для измерения температур в широком диапазоне – от -270 до 2500 градусов по Цельсию. Устройство вот уже не одно десятилетие является незаменимым помощником инженеров и ученых. Работает надежно и безотказно, а показания температуры всегда правдивые. Более совершенного и точного прибора просто не существует. Все современные устройства функционируют по принципу термопары. Работают в тяжелых условиях.

Назначение термопары

Данное устройство преобразовывает тепловую энергию в электрический ток и позволяет измерять температуру. В отличие от традиционных ртутных градусников, способно работать в условиях как экстремально низких, так и экстремально высоких температур. Данная особенность обусловила широкое применение термопары в самых разнообразных установках: промышленные металлургические печи, газовые котлы, вакуумные камеры для химико-термической обработки, духовой шкаф бытовой газовой плиты. Принцип работы термопары всегда остается неизменным и не зависит от того, в каком устройстве она монтируется.

От надежной и бесперебойной работы термопары зависит работа системы аварийного отключения приборов в случае превышения допустимых лимитов температур. Поэтому данное устройство должно быть надежным и давать точные показания, чтобы не подвергать риску жизнь людей.

Принцип действия термопары

Термопара имеет три основных элемента. Это два проводника электричества из разных материалов, а также защитная трубка. Два конца проводников (их еще называют термоэлектродами) спаяны, а два других подключаются к потенциометру (прибор для измерения температуры).

Если говорить простым языком, принцип работы термопары заключается в том, что спай термоэлектродов помещается в среду, температуру которой необходимо измерить. В соответствии с правилом Зеебека, возникает разность потенциалов на проводниках (иначе – термоэлектричество). Чем больше температура среды – тем более значимой является разница потенциалов. Соответственно, стрелка прибора отклоняется больше.

В современных комплексах измерения на смену механическому устройству пришли цифровые индикаторы температуры. Однако далеко не всегда новый прибор превосходит по своим характеристикам старые аппараты еще советских времен. В технических вузах, да и в научно-исследовательских учреждениях, и по сей день пользуются потенциометрами 20-30-летней давности. И они демонстрируют поразительную точность и стабильность измерений.

Эффект Зеебека

На данном физическом явлении основан принцип работы термопары. Суть заключается в следующем: если соединить между собой два проводника из разных материалов (иногда используются полупроводники), то по такому электрическому контуру будет циркулировать ток.

Таким образом, если нагревать и охлаждать спай проводников, то стрелка потенциометра будет колебаться. Засечь ток также может позволить и гальванометр, подключенный в цепь.

В том случае, если проводники выполнены из одного и того же материала, то электродвижущая сила не будет возникать, соответственно, нельзя будет измерить температуру.

Схема подключения термопары

Наиболее распространенными способами подключения измерительных приборов к термопарам являются так называемый простой способ, а также дифференцированный. Суть первого метода заключается в следующем: прибор (потенциометр или гальванометр) напрямую соединяется с двумя проводниками. При дифференцированном методе спаивается не одни, а оба конца проводников, при этом один из электродов «разрывается» измерительным прибором.

Нельзя не упомянуть и о так называемом дистанционном способе подключения термопары. Принцип работы остается неизменным. Разница лишь в том, что в цепь добавляются удлинительные провода. Для этих целей не подойдет обычный медный шнур, так как компенсационные провода в обязательном порядке должны выполняться из тех же материалов, что и проводники термопары.

Материалы проводников

Принцип действия термопары основан на возникновении разности потенциалов в проводниках. Поэтому к подбору материалов электродов необходимо подходить очень ответственно. Различие в химических и физических свойствах металлов является основным фактором работы термопары, устройство и принцип действия которой основаны на возникновении ЭДС самоиндукции (разности потенциалов) в цепи.

Технически чистые металлы для применения в качестве термопары не подходят (за исключением АРМКО-железа). Обычно используются различные сплавы цветных и благородных металлов. Такие материалы имеют стабильные физико-химические характеристики, благодаря чему показания температуры всегда будут точными и объективными. Стабильность и точность – ключевые качества при организации эксперимента и производственного процесса.

В настоящее время наиболее распространены термопары следующих видов: E, J, K.

Термопара типа E

В качестве материалов для проводников используются константан и хромель. Изделия данного типа хорошо зарекомендовали себя по части надежности и точности показаний. Свидетельств тому – многочисленные положительные отзывы специалистов. Однако данный состав демонстрирует точность измерений лишь в положительном диапазоне температур до 600 градусов по Цельсию включительно.

Термопара типа J

По принципу работы термопара не отличается от предыдущей. Однако хромель уступил место технически чистому железу, что позволило существенно расширить диапазон рабочей температуры с сохранением стабильности показаний. Он составляет от -100 до 1200 градусов по Цельсию.

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

В случае выхода из строя термопары не подлежит ремонту. Теоретически можно, конечно, ее починить, но вот будет ли прибор после этого показывать точную температуру – это большой вопрос.

Иногда неисправность термопары не является явной и очевидной. В частности, это касается газовых колонок. Принцип работы термопары все тот же. Однако она выполняет несколько иную роль и предназначается не для визуализации температурных показаний, а для работы клапанов. Поэтому, чтобы выявить неисправность такой термопары, необходимо подключить к ней измерительный прибор (тестер, гальванометр или потенциометр) и нагреть спай термопары. Для этого не обязательно держать ее над открытым огнем. Достаточно лишь зажать его в кулак и посмотреть, будет ли отклоняться стрелка прибора.

Причины выхода из строя термопар могут быть разными. Так, если не надеть специальное экранирующее устройство на термопару, помещенную в вакуумную камеру установки ионно-плазменного азотирования, то с течением времени она будет становиться все более хрупкой до тех пор, пока не переломается один из проводников. Кроме того, не исключается и вероятность неправильной работы термопары из-за изменения химического состава электродов. Ведь нарушаются основополагающие принципы работы термопары.

Газовая аппаратура (котлы, колонки) также оснащается термопарами. Основной причиной выхода из строя электродов являются окислительные процессы, которые развиваются при высоких температурах.

В том случае, когда показания прибора являются заведомо ложными, а при внешнем осмотре не были обнаружены слабые зажимы, то причина, скорее всего, кроется в выходе из строя контрольно-измерительного прибора. В этом случае его необходимо отдать в ремонт. Если имеется соответствующая квалификация, то можно попытаться устранить неполадки самостоятельно.

Да и вообще, если стрелка потенциометра или цифровой индикатор показывают хоть какие-то «признаки жизни», то термопара является исправной. В таком случае проблема, совершенно очевидно, кроется в чем-то другом. И соответственно, если прибор никак не реагирует на явные изменения температурного режима, то можно смело менять термопару.

Однако прежде чем демонтировать термопару и ставить новую, нужно полностью убедиться в ее неисправности. Для этого достаточно прозвонить термопару обычным тестером, а еще лучше – померить напряжение на выходе. Только обычный вольтметр здесь вряд ли поможет. Понадобится милливольтметр или тестер с возможностью подбора шкалы измерения. Ведь разность потенциалов является очень маленькой величиной. И стандартный прибор ее даже не почувствует и не зафиксирует.

Преимущества термопары

Почему за столь долгую историю эксплуатации термопары не были вытеснены более совершенными и современными датчиками измерения температуры? Да по той простой причине, что до сих пор ей не может составить конкуренцию ни один другой прибор.

Во-первых, термопары стоят относительно дешево. Хотя цены могут колебаться в широком диапазоне в результате применения тех или иных защитных элементов и поверхностей, соединителей и разъемов.

Во-вторых, термопары отличаются неприхотливостью и надежностью, что позволяет успешно эксплуатировать их в агрессивных температурных и химических средах. Такие устройства устанавливаются даже в газовые котлы. Принцип работы термопары всегда остается неизменным, вне зависимости от условий эксплуатации. Далеко не каждый датчик другого типа сможет выдержать подобное воздействие.

Технология изготовления и производства термопар является простой и легко реализуется на практике. Грубо говоря – достаточно лишь скрутить или сварить концы проволок из разных металлических материалов.

Еще одна положительная характеристика – точность проводимых измерений и мизерная погрешность (всего 1 градус). Данной точности более чем достаточно для нужд промышленного производства, да и для научных исследований.

Недостатки термопары

Недостатков у термопары не так много, в особенности если сравнивать с ближайшими конкурентами (температурными датчиками других типов), но все же они есть, и было бы несправедливо о них умолчать.

Так, разность потенциала измеряется в милливольтах. Поэтому необходимо применять весьма чувствительные потенциометры. А если учесть, что не всегда приборы учета можно разместить в непосредственной близости от места сбора экспериментальных данных, то приходится применять некие усилители. Это доставляет ряд неудобств и приводит к лишним затратам при организации и подготовке производства.

Термопа́ра (термоэлектрический преобразователь) — устройство, применяемое в промышленности, научных исследованиях, медицине, в системах автоматики. Применяется в основном для измерения температуры.

Международный стандарт на термопары МЭК 60584 (п.2.2) даёт следующее определение термопары: Термопара — пара проводников из различных материалов, соединённых на одном конце и формирующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.

Для измерения разности температур зон, ни в одной из которых не находится вторичный преобразователь (измеритель термо-ЭДС), удобно использовать дифференциальную термопару: две одинаковые термопары, соединённые навстречу друг другу. Каждая из них измеряет перепад температур между своим рабочим спаем и условным спаем, образованным концами термопар, подключёнными к клеммам вторичного преобразователя, но вторичный преобразователь измеряет разность их сигналов, таким образом, две термопары вместе измеряют перепад температур между своими рабочими спаями.

Содержание

Принцип действия [ править | править код ]

Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Между соединёнными проводниками имеется контактная разность потенциалов; если стыки связанных в кольцо проводников находятся при одинаковой температуре, сумма таких разностей потенциалов равна нулю. Когда же стыки находятся при разных температурах, разность потенциалов между ними зависит от разности температур. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными от нуля коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой Т1, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т2, которое будет пропорционально разности температур Т1 и Т2.

Способы подключения [ править | править код ]

Наиболее распространены два способа подключения термопары к измерительным преобразователям: простой и дифференциальный. В первом случае измерительный преобразователь подключается напрямую к двум термоэлектродам. Во втором случае используются два проводника с разными коэффициентами термо-ЭДС, спаянные в двух концах, а измерительный преобразователь включается в разрыв одного из проводников.

Для дистанционного подключения термопар используются удлинительные или компенсационные провода. Удлинительные провода изготавливаются из того же материала, что и термоэлектроды, но могут иметь другой диаметр. Компенсационные провода используются в основном с термопарами из благородных металлов и имеют состав, отличный от состава термоэлектродов. Требования к проводам для подключения термопар установлены в стандарте МЭК 60584-3.
Следующие основные рекомендации позволяют повысить точность измерительной системы, включающей термопарный датчик [1] :

— Миниатюрную термопару из очень тонкой проволоки следует подключать только с использованием удлинительных проводов большего диаметра;
— Не допускать по возможности механических натяжений и вибраций термопарной проволоки;
— При использовании длинных удлинительных проводов, во избежание наводок, следует соединить экран провода с экраном вольтметра и тщательно перекручивать провода;
— По возможности избегать резких температурных градиентов по длине термопары;
— Материал защитного чехла не должен загрязнять электроды термопары во всем рабочем диапазоне температур и должен обеспечить надежную защиту термопарной проволоки при работе во вредных условиях;
— Использовать удлинительные провода в их рабочем диапазоне и при минимальных градиентах температур;
— Для дополнительного контроля и диагностики измерений температуры применяют специальные термопары с четырьмя термоэлектродами, которые позволяют проводить дополнительные измерения сопротивления цепи для контроля целостности и надежности термопар.

Применение термопар [ править | править код ]

Для измерения температуры различных типов объектов и сред, а также в качестве датчика температуры в автоматизированных системах управления. Термопары из вольфрам-рениевого сплава являются самыми высокотемпературными контактными датчиками температуры [2] . Такие термопары незаменимы в металлургии для контроля температуры расплавленных металлов.

Для контроля пламени и защиты от загазованности в газовых котлах и в других газовых приборах (например, бытовые газовые плиты). Ток термопары, нагреваемой пламенем горелки, удерживает в открытом состоянии газовый клапан. В случае пропадания пламени ток термопары снижается и клапан перекрывает подачу газа.

В 1920—1930-х годах термопары использовались для питания простейших радиоприемников и других слаботочных приборов. Вполне возможно использование термогенераторов для подзарядки АКБ современных слаботочных приборов (телефоны, камеры и т. п.) с использованием открытого огня.

Приёмник излучения [ править | править код ]

Исторически термопары представляют один из наиболее ранних термоэлектрических приёмников излучения [3] . Упоминания об этом их применении относятся к началу 1830-х годов [4] . В первых приёмниках использовались одиночные проволочные пары (медь — константан, висмут — сурьма), горячий спай находился в контакте с зачернённой золотой пластинкой. В более поздних конструкциях стали применяться полупроводники.

Термопары могут включаться последовательно, одна за другой, образуя термобатарею (англ.). Горячие спаи при этом располагают либо по периметру приёмной площадки, либо равномерно по её поверхности. В первом случае отдельные термопары лежат в одной плоскости, во втором параллельны друг другу [5] .

Преимущества термопар [ править | править код ]

  • Высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01 °С).
  • Большой температурный диапазон измерения: от −250 °C до +2500 °C.
  • Простота.
  • Дешевизна.
  • Надёжность.

Недостатки [ править | править код ]

  • Для получения высокой точности измерения температуры (до ±0,01 °С) требуется индивидуальная градуировка термопары.
  • На показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового датчика и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.
  • Эффект Пельтье (в момент снятия показаний необходимо исключить протекание тока через термопару, так как ток, протекающий через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный).
  • Зависимость ТЭДС от температуры существенно нелинейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.
  • Возникновение термоэлектрической неоднородности в результате резких перепадов температур, механических напряжений, коррозии и химических процессов в проводниках приводит к изменению градуировочной характеристики и погрешностям до 5 К.
  • На большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.

Типы термопар [ править | править код ]

Технические требования к термопарам определяются ГОСТ 6616-94. Стандартные таблицы для термоэлектрических термометров — номинальные статические характеристики преобразования (НСХ), классы допуска и диапазоны измерений приведены в стандарте МЭК 60584-1,2 и в ГОСТ Р 8.585-2001.

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

Точный состав сплава термоэлектродов для термопар из неблагородных металлов в МЭК 60584-1 не приводится. НСХ для хромель-копелевых термопар ТХК и вольфрам-рениевых термопар определены только в ГОСТ Р 8.585-2001. В стандарте МЭК данные термопары отсутствуют. По этой причине характеристики импортных датчиков из этих металлов могут существенно отличаться от отечественных, например импортный Тип L и отечественный ТХК не взаимозаменяемы. При этом, как правило, импортное оборудование не рассчитано на отечественный стандарт.

В настоящее время стандарт МЭК 60584 пересматривается. Планируется введение в стандарт вольфрам-рениевых термопар типа А-1, НСХ для которых будет соответствовать российскому стандарту, и типа С по стандарту АСТМ [6] .

В 2008 г. МЭК ввел два новых типа термопар: золото-платиновые и платино-палладиевые. Новый стандарт МЭК 62460 устанавливает стандартные таблицы для этих термопар из чистых металлов. Аналогичный Российский стандарт пока отсутствует.

Сравнение термопар [ править | править код ]

Таблица ниже описывает свойства нескольких различных типов термопар [7] . В пределах колонок точности, T представляет температуру горячего спая, в градусах Цельсия. Например, термопара с точностью ±0,0025×T имела бы точность ±2,5 °C при 1000 °C.

Измерение термопара и градуировка термопар

Принцип действия и устройство термопары предельно просты. Это обусловило популярность данного прибора и широкое применение во всех отраслях науки и техники. Термопара предназначается для измерения температур в широком диапазоне – от -270 до 2500 градусов по Цельсию. Устройство вот уже не одно десятилетие является незаменимым помощником инженеров и ученых. Работает надежно и безотказно, а показания температуры всегда правдивые. Более совершенного и точного прибора просто не существует. Все современные устройства функционируют по принципу термопары. Работают в тяжелых условиях.

Назначение термопары

Данное устройство преобразовывает тепловую энергию в электрический ток и позволяет измерять температуру. В отличие от традиционных ртутных градусников, способно работать в условиях как экстремально низких, так и экстремально высоких температур. Данная особенность обусловила широкое применение термопары в самых разнообразных установках: промышленные металлургические печи, газовые котлы, вакуумные камеры для химико-термической обработки, духовой шкаф бытовой газовой плиты. Принцип работы термопары всегда остается неизменным и не зависит от того, в каком устройстве она монтируется.

От надежной и бесперебойной работы термопары зависит работа системы аварийного отключения приборов в случае превышения допустимых лимитов температур. Поэтому данное устройство должно быть надежным и давать точные показания, чтобы не подвергать риску жизнь людей.

Применение термопар

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

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

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

Принцип действия термопары

Термопара имеет три основных элемента. Это два проводника электричества из разных материалов, а также защитная трубка. Два конца проводников (их еще называют термоэлектродами) спаяны, а два других подключаются к потенциометру (прибор для измерения температуры).

Если говорить простым языком, принцип работы термопары заключается в том, что спай термоэлектродов помещается в среду, температуру которой необходимо измерить. В соответствии с правилом Зеебека, возникает разность потенциалов на проводниках (иначе – термоэлектричество). Чем больше температура среды – тем более значимой является разница потенциалов. Соответственно, стрелка прибора отклоняется больше.

В современных комплексах измерения на смену механическому устройству пришли цифровые индикаторы температуры. Однако далеко не всегда новый прибор превосходит по своим характеристикам старые аппараты еще советских времен. В технических вузах, да и в научно-исследовательских учреждениях, и по сей день пользуются потенциометрами 20-30-летней давности. И они демонстрируют поразительную точность и стабильность измерений.

ООО «СиБ Контролс»

Принцип работы термопар

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

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

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

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

Мы можем выразить эту связь математически следующим образом:

Vmeter = VJ1 − VJ2

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

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

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

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

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

Эффект Зеебека

На данном физическом явлении основан принцип работы термопары. Суть заключается в следующем: если соединить между собой два проводника из разных материалов (иногда используются полупроводники), то по такому электрическому контуру будет циркулировать ток.

Таким образом, если нагревать и охлаждать спай проводников, то стрелка потенциометра будет колебаться. Засечь ток также может позволить и гальванометр, подключенный в цепь.

В том случае, если проводники выполнены из одного и того же материала, то электродвижущая сила не будет возникать, соответственно, нельзя будет измерить температуру.

Схема подключения термопары

Наиболее распространенными способами подключения измерительных приборов к термопарам являются так называемый простой способ, а также дифференцированный. Суть первого метода заключается в следующем: прибор (потенциометр или гальванометр) напрямую соединяется с двумя проводниками. При дифференцированном методе спаивается не одни, а оба конца проводников, при этом один из электродов «разрывается» измерительным прибором.

Нельзя не упомянуть и о так называемом дистанционном способе подключения термопары. Принцип работы остается неизменным. Разница лишь в том, что в цепь добавляются удлинительные провода. Для этих целей не подойдет обычный медный шнур, так как компенсационные провода в обязательном порядке должны выполняться из тех же материалов, что и проводники термопары.

Физическая основа работы термопары

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

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

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

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

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

Материалы проводников

Принцип действия термопары основан на возникновении разности потенциалов в проводниках. Поэтому к подбору материалов электродов необходимо подходить очень ответственно. Различие в химических и физических свойствах металлов является основным фактором работы термопары, устройство и принцип действия которой основаны на возникновении ЭДС самоиндукции (разности потенциалов) в цепи.

Технически чистые металлы для применения в качестве термопары не подходят (за исключением АРМКО-железа). Обычно используются различные сплавы цветных и благородных металлов. Такие материалы имеют стабильные физико-химические характеристики, благодаря чему показания температуры всегда будут точными и объективными. Стабильность и точность – ключевые качества при организации эксперимента и производственного процесса.

В настоящее время наиболее распространены термопары следующих видов: E, J, K.

Термопара типа K

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

Виды устройств

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

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

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

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

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

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

Проверка работы термопары

В случае выхода из строя термопары не подлежит ремонту. Теоретически можно, конечно, ее починить, но вот будет ли прибор после этого показывать точную температуру – это большой вопрос.

Иногда неисправность термопары не является явной и очевидной. В частности, это касается газовых колонок. Принцип работы термопары все тот же. Однако она выполняет несколько иную роль и предназначается не для визуализации температурных показаний, а для работы клапанов. Поэтому, чтобы выявить неисправность такой термопары, необходимо подключить к ней измерительный прибор (тестер, гальванометр или потенциометр) и нагреть спай термопары. Для этого не обязательно держать ее над открытым огнем. Достаточно лишь зажать его в кулак и посмотреть, будет ли отклоняться стрелка прибора.

Причины выхода из строя термопар могут быть разными. Так, если не надеть специальное экранирующее устройство на термопару, помещенную в вакуумную камеру установки ионно-плазменного азотирования, то с течением времени она будет становиться все более хрупкой до тех пор, пока не переломается один из проводников. Кроме того, не исключается и вероятность неправильной работы термопары из-за изменения химического состава электродов. Ведь нарушаются основополагающие принципы работы термопары.

Газовая аппаратура (котлы, колонки) также оснащается термопарами. Основной причиной выхода из строя электродов являются окислительные процессы, которые развиваются при высоких температурах.

В том случае, когда показания прибора являются заведомо ложными, а при внешнем осмотре не были обнаружены слабые зажимы, то причина, скорее всего, кроется в выходе из строя контрольно-измерительного прибора. В этом случае его необходимо отдать в ремонт. Если имеется соответствующая квалификация, то можно попытаться устранить неполадки самостоятельно.

Да и вообще, если стрелка потенциометра или цифровой индикатор показывают хоть какие-то «признаки жизни», то термопара является исправной. В таком случае проблема, совершенно очевидно, кроется в чем-то другом. И соответственно, если прибор никак не реагирует на явные изменения температурного режима, то можно смело менять термопару.

Однако прежде чем демонтировать термопару и ставить новую, нужно полностью убедиться в ее неисправности. Для этого достаточно прозвонить термопару обычным тестером, а еще лучше – померить напряжение на выходе. Только обычный вольтметр здесь вряд ли поможет. Понадобится милливольтметр или тестер с возможностью подбора шкалы измерения. Ведь разность потенциалов является очень маленькой величиной. И стандартный прибор ее даже не почувствует и не зафиксирует.

Конструктивные особенности

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

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

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

Вам это будет интересно Принцип работы электронных и механических реле времени

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

Преимущества термопары

Почему за столь долгую историю эксплуатации термопары не были вытеснены более совершенными и современными датчиками измерения температуры? Да по той простой причине, что до сих пор ей не может составить конкуренцию ни один другой прибор.

Во-первых, термопары стоят относительно дешево. Хотя цены могут колебаться в широком диапазоне в результате применения тех или иных защитных элементов и поверхностей, соединителей и разъемов.

Во-вторых, термопары отличаются неприхотливостью и надежностью, что позволяет успешно эксплуатировать их в агрессивных температурных и химических средах. Такие устройства устанавливаются даже в газовые котлы. Принцип работы термопары всегда остается неизменным, вне зависимости от условий эксплуатации. Далеко не каждый датчик другого типа сможет выдержать подобное воздействие.

Технология изготовления и производства термопар является простой и легко реализуется на практике. Грубо говоря – достаточно лишь скрутить или сварить концы проволок из разных металлических материалов.

Еще одна положительная характеристика – точность проводимых измерений и мизерная погрешность (всего 1 градус). Данной точности более чем достаточно для нужд промышленного производства, да и для научных исследований.

Недостатки термопары

Недостатков у термопары не так много, в особенности если сравнивать с ближайшими конкурентами (температурными датчиками других типов), но все же они есть, и было бы несправедливо о них умолчать.

Так, разность потенциала измеряется в милливольтах. Поэтому необходимо применять весьма чувствительные потенциометры. А если учесть, что не всегда приборы учета можно разместить в непосредственной близости от места сбора экспериментальных данных, то приходится применять некие усилители. Это доставляет ряд неудобств и приводит к лишним затратам при организации и подготовке производства.

Как работают термопары? Краткое руководство

Термопары - это надежные датчики температуры, которые используются во многих промышленных приложениях. Узнайте, что такое термопары, как они работают и почему они так популярны.

Термопары - это электрические устройства, используемые для измерения температуры. Их точность, быстрое время реакции и способность выдерживать сильные вибрации, высокое давление и экстремальные температуры делают их идеальными для широкого спектра применений. Но как работает термопара?

Принцип работы термопары

Принцип работы термопары основан на эффекте Зеебека или термоэлектрическом эффекте, который относится к процессу преобразования тепловой энергии в электрическую.Эффект описывает электрическое напряжение, возникающее при соединении двух разных проводников, и то, как создаваемое напряжение изменяется в зависимости от температуры.

Базовая конструкция термопары состоит из двух разнородных металлических проводов, каждая из которых имеет разные электрические свойства при разных температурах. Два металла соприкасаются - касаются друг друга, скручиваются или свариваются - на одном конце; это точка измерения . На другом конце находится точка подключения , названная так потому, что она подключается к считывателю напряжения.Когда температура изменяется в точке измерения, изменяется и электронная плотность каждой металлической проволоки. Эта изменяющаяся электронная плотность составляет напряжение , которое измеряется в точке подключения.

Обратите внимание, что термопары фактически не измеряют абсолютную температуру. Вместо этого они измеряют разность температур между точкой измерения и точкой подключения. Вот почему термопарам также требуется компенсация холодного спая , которая гарантирует, что температура окружающей среды на соединительных выводах холодного спая не влияет на результат измерения, что позволяет получать более точные показания.

Металлические пары в термопарах

Для того, чтобы термопара работала хорошо, два ее провода должны обеспечивать как можно больший контраст в индивидуальных электроотрицательностях. Это сделано для того, чтобы устройство считывания напряжения могло обнаружить наибольшую разницу термоэлектрических напряжений.

Термопары из недрагоценных металлов , известные как типы J, T, K, E и N, производят более высокие термоэлектрические напряжения, чем более дорогие благородные металлы, известные как типы R, S и B. выдерживает температуру до 3092 ° F (1700 ° C) или даже выше.Некоторые из обычных пар металлов - это железо и медь-никель (тип J), медь и медь-никель (тип T), а также никель-хром и никель-алюминий (тип K). Термопары из благородных металлов обычно изготавливаются из платины и родия (типы S, R и B).

WIKA USA производит широкий спектр высококачественных термопар с различными температурными диапазонами, конфигурациями и материалами. Для получения дополнительной информации о том, как работает термопара, посмотрите это короткое видео или свяжитесь с нашими специалистами по измерению температуры.

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

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

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

Принцип работы термопары

Принцип работы термопары зависит от трех эффектов.

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

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

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

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

Конструкция термопары

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

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

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

Работа термопары

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

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

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

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

Измерение выхода термопары

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

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

Преимущества термопары

Ниже приведены преимущества термопар.

  1. Термопара дешевле, чем другие приборы для измерения температуры.
  2. Термопара имеет быстрое время отклика.
  3. Имеет широкий температурный диапазон.

Недостатки термопар

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

Никелевый сплав, сплав платина / родий, сплав вольфрама / рения, хромель-золото, сплав железа - это названия сплавов, используемых для изготовления термопары.

Конструкция

, принцип работы и его применение

В 1821 году физик по имени Томас Зеебек обнаружил, что, когда два разных металлических провода были соединены на обоих концах одного соединения в цепи при воздействии температуры на соединение, возникнет быть потоком тока через цепь, известную как электромагнитное поле (ЭМП).Энергия, производимая цепью, называется эффектом Зеебека. Используя эффект Томаса Зеебека в качестве ориентира, оба итальянских физика, а именно Леопольдо Нобили и Македонио Меллони, в 1826 году совместно разработали термоэлектрическую батарею, которая называется тепловым умножителем, она была основана на открытии термоэлектричества Зеебека путем объединения гальванометра как а также термобатарея для расчета излучения. Некоторые люди идентифицировали Нобили как первооткрывателя термопары.

Что такое термопара?

Термопару можно определить как своего рода датчик температуры, который используется для измерения температуры в одной конкретной точке в виде ЭДС или электрического тока. Этот датчик состоит из двух разнородных металлических проводов, соединенных вместе в одном стыке. На этом переходе можно измерить температуру, а изменение температуры металлической проволоки стимулирует напряжения.


Термопара

Величина ЭДС, генерируемая в устройстве, очень мала (милливольт), поэтому для расчета e.м.ф, вырабатываемые в схеме. Обычными устройствами, используемыми для расчета ЭДС, являются потенциометр уравновешивания напряжения и обычный гальванометр. Из этих двух балансировочный потенциометр используется физически или механически.

Принцип работы термопары

Принцип работы термопары в основном зависит от трех эффектов, а именно Зеебека, Пельтье и Томпсона.

См. Эффект Бека

Эффект этого типа возникает между двумя разнородными металлами.Когда тепло поступает к любому из металлических проводов, поток электронов переходит от горячего металлического провода к холодному. Следовательно, постоянный ток стимулирует цепь.

Эффект Пельтье

Этот эффект Пельтье противоположен эффекту Зеебека. Этот эффект утверждает, что разница температур может быть сформирована между любыми двумя разнородными проводниками путем применения изменения потенциала между ними.

Эффект Томпсона

Этот эффект утверждает, что, когда два несопоставимых металла соединяются вместе, и если они образуют два соединения, то напряжение вызывает общую длину проводника из-за градиента температуры.Это физическое слово, которое демонстрирует изменение скорости и направления температуры в определенном месте.

Конструкция термопары

Конструкция устройства показана ниже. Он состоит из двух разных металлических проводов, соединенных вместе на конце разветвления. Соединение мыслит как измерительный конец. Конец соединения подразделяется на три типа: незаземленный, заземленный и открытый.

Конструкция термопары

Незаземленный переход

В этом типе спая проводники полностью отделены от защитной крышки.Применения этого соединения в основном включают работы по установке высокого давления. Основное преимущество использования этой функции - уменьшение эффекта паразитного магнитного поля.

Заземленное соединение

В этом типе соединения металлические провода, а также защитная крышка соединяются вместе. Эта функция используется для измерения температуры в кислой атмосфере и обеспечивает устойчивость к шуму.

Открытый переход

Открытый переход применяется в областях, где требуется быстрое реагирование.Этот тип спая используется для измерения температуры газа. Металл, из которого изготовлен датчик температуры, в основном зависит от расчетного диапазона температуры.

Обычно термопара конструируется с двумя разными металлическими проводами, а именно железом и константаном, которые входят в детектирующий элемент путем соединения в одном спайе, называемом горячим спаем. Он состоит из двух спайов, один спай подключается с помощью вольтметра или передатчика, где холодный спай, а второй спай связан в процессе, который называется горячим спаем.

Как работает термопара?

Схема термопары показана на рисунке ниже. Эта схема может быть построена из двух разных металлов, и они соединяются вместе путем образования двух переходов. Два металла соединены сваркой.

На приведенной выше диаграмме соединения обозначены P & Q, а температуры обозначены T1, & T2. Когда температуры спая отличаются друг от друга, в цепи возникает электромагнитная сила.

Цепь термопары

Если температура на конце перехода превращается в эквивалент, то в цепи возникает эквивалент, а также обратная электромагнитная сила, и ток через нее не протекает. Точно так же температура на конце перехода становится несбалансированной, а затем в этой цепи индуцируется изменение потенциала.

Величина индукции электромагнитной силы в цепи зависит от материалов, используемых для изготовления термопар. Полный ток по цепи рассчитывается измерительными приборами.

Электромагнитная сила, индуцированная в цепи, рассчитывается по следующему уравнению:

E = a (∆Ө) + b (∆Ө) 2

Где ∆Ө - это также разница температур между горячим концом спая термопары. в качестве эталонного конца спая термопары a и b являются константами.

Типы термопар

Прежде чем переходить к обсуждению типов термопар, необходимо учесть, что термопара должна быть защищена защитным кожухом для изоляции от атмосферных температур.Такое покрытие значительно минимизирует коррозионное воздействие на устройство.

Итак, существует множество типов термопар. Давайте рассмотрим их подробнее.

Тип K - также называется термопарой никель-хромового / никель-алюминиевого типа. Это наиболее часто используемый тип. Он отличается повышенной надежностью, точностью и недорого, а также может работать в расширенных диапазонах температур.

K Тип

Диапазон температур:

Провода для термопар - от -454F до 2300F (-270 0 C до 1260 0 C)

Удлинительный провод (0 0 C до 200 0 C)

Этот тип K имеет уровень точности

Standard +/- 2.2C или +/- 0,75%, а специальные пределы составляют +/- 1,1C или 0,4%

Тип J - это смесь железа / константана. Это также наиболее часто используемый тип термопар. Он отличается повышенной надежностью, точностью и недорого. Это устройство может работать только в меньших диапазонах температур и имеет короткий срок службы при работе в высоком диапазоне температур.

J Тип

Диапазон температур:

Провода для термопар - от -346F до 1400F (-210 0 C до 760 0 C)

Удлинительный провод (0 0 C до 200 0 C)

Этот тип J имеет уровень точности

Standard +/- 2.2C или +/- 0,75%, а специальные пределы составляют +/- 1,1C или 0,4%

Тип T - это смесь меди / константана. Термопара Т-типа обладает повышенной стабильностью и обычно применяется для низкотемпературных применений, таких как морозильные камеры со сверхнизкими температурами и криогенная техника.

T Тип Термопара

Диапазон температур:

Провода для термопар - от -454F до 700F (-270 0 C до 370 0 C)

Удлинительный провод (0 0 C до 200 0 C )

Этот тип T имеет уровень точности

Standard +/- 1.0C или +/- 0,75%, а специальные пределы составляют +/- 0,5C или 0,4%

Тип E - это смесь никель-хрома / константана. По сравнению с термопарами типов K и J, он обладает большей сигнальной способностью и повышенной точностью при работе при ≤ 1000F.

E Тип

Диапазон температур:

Провода для термопар - от -454F до 1600F (-270 0 C до 870 0 C)

Удлинительный провод (0 0 C до 200 0 C)

Этот тип T имеет уровень точности

Standard +/- 1.7C или +/- 0,5%, а специальные пределы составляют +/- 1,0C или 0,4%.

Тип N - считается термопарой Nicrosil или Nisil. Уровни температуры и точности типа N аналогичны типу K. Но этот тип более дорогой, чем тип K.

N Тип

Диапазон температур:

Провода для термопар - от -454F до 2300F (-270 0 C до 392 0 C)

Удлинительный провод (0 0 C до 200 0 C)

Этот T-образный тип имеет уровень точности

Standard +/- 2.2C или +/- 0,75%, а специальные пределы составляют +/- 1,1C или 0,4%.

Тип S - считается термопарой платина / родий или 10% / платина. Термопары типа S используются в высокотемпературных приложениях, например, в биотехнологических и фармацевтических организациях. Он даже используется для приложений с меньшим температурным диапазоном из-за его повышенной точности и стабильности.

S Тип

Диапазон температур:

Провода для термопар - от -58F до 2700F (-50 0 C до 1480 0 C)

Удлинительный провод (0 0 C до 200 0 C)

Этот тип T имеет уровень точности

Standard +/- 1.5C или +/- 0,25%, а специальные пределы составляют +/- 0,6C или 0,1%.

Тип R - считается термопарой платина / родий или 13% / платина. Термопары типа S используются в высокотемпературных приложениях. Этот тип включает большее количество родия, чем тип S, что делает устройство более дорогим. Характеристики и производительность типов R и S почти одинаковы. Он даже используется для приложений с меньшим температурным диапазоном из-за его повышенной точности и стабильности.

R Тип

Диапазон температур:

Провода для термопар - от -58F до 2700F (-50 0 C до 1480 0 C)

Удлинительный провод (0 0 C до 200 0 C)

Этот T-тип имеет уровень точности

Standard +/- 1,5C или +/- 0,25%, а специальные пределы составляют +/- 0,6C или 0,1%

Тип B - Он рассматривается как 30% платино-родиевого или 60% платиново-родиевого термопары. Это широко используется в приложениях с более высокими температурами.Из всех вышеперечисленных типов тип B имеет самый высокий температурный предел. При повышенных температурах термопара типа B будет сохранять повышенную стабильность и точность.

Тип B Термопара

Диапазон температур:

Провод для термопары - от 32F до 3100F (0 0 C до 1700 0 C)

Удлинительный провод (0 0 C до 100 0 C)

Этот T-тип имеет уровень точности

Стандарт +/- 0,5%

Типы S, R и B считаются термопарами из благородных металлов.Они выбраны потому, что они могут работать даже в высокотемпературных диапазонах, обеспечивая высокую точность и длительный срок службы. Но по сравнению с типами из недрагоценных металлов они более дорогие.

При выборе термопары необходимо учитывать множество факторов, которые подходят для их применения.

  • Проверьте, какие диапазоны низких и высоких температур необходимы для вашего применения?
  • Какой бюджет термопары использовать?
  • Какой процент точности использовать?
  • В каких атмосферных условиях работает термопара, например, в инертном газе или окисляющем.
  • Каков ожидаемый уровень реакции, что означает, насколько быстро устройство должно реагировать на изменения температуры?
  • Какой срок службы требуется?
  • Проверить перед работой, погружено ли устройство в воду и на какую глубину?
  • Будет ли использование термопары прерывистым или непрерывным?
  • Будет ли термопара подвергаться скручиванию или изгибу в течение всего срока службы устройства?

Как узнать, что у вас плохая термопара?

Чтобы узнать, правильно ли работает термопара, необходимо провести тестирование устройства.Прежде чем приступить к замене устройства, необходимо убедиться, что оно действительно работает или нет. Для этого вполне достаточно мультиметра и базовых знаний электроники. В основном существует три подхода к тестированию термопары с помощью мультиметра, и они объясняются ниже:

Тест сопротивления

Для выполнения этого теста устройство должно быть помещено в линию газового прибора, а необходимое оборудование - цифровой мультиметр и крокодил. клипы.

Процедура - Подсоедините зажимы типа «крокодил» к участкам мультиметра.Присоедините зажимы к обоим концам термопары, где один конец будет загнут в газовый клапан. Теперь включите мультиметр и запишите варианты считывания. Если мультиметр показывает малые значения сопротивления, значит, термопара в идеальном рабочем состоянии. Или, если показание составляет 40 Ом или более, значит, оно не в хорошем состоянии.

Тест на разрыв цепи

Используемое оборудование - зажимы «крокодил», зажигалка и цифровой мультиметр. Здесь вместо измерения сопротивления рассчитывается напряжение.Теперь зажигалкой нагрейте один конец термопары. Когда мультиметр показывает напряжение в диапазоне 25-30 мВ, значит, он исправен. Или же, когда напряжение близко к 20мВ, необходимо заменить устройство.

Тест замкнутой цепи

Используемое оборудование - зажимы типа «крокодил», адаптер термопары и цифровой мультиметр. Здесь адаптер помещается внутрь газового клапана, а затем термопара помещается на один край адаптера. Теперь включите мультиметр.Когда показание находится в диапазоне 12-15 мВ, устройство находится в исправном состоянии. Или же, когда показание напряжения падает ниже 12 мВ, это указывает на неисправное устройство.

Итак, используя описанные выше методы тестирования, можно узнать, исправна ли термопара.

В чем разница между термостатом и термопарой?

Различия между термостатом и термопарой:

Характеристика Термопара Термостат
Диапазон температур от -454 до 327250 9024 302 0 F
Диапазон цен Меньше Высокий
Стабильность Обеспечивает меньшую стабильность Обеспечивает среднюю стабильность
Чувствительность меньше Термопара Лучшая термопара
Линейность Умеренная Плохая
Стоимость системы Высокая Средняя

Преимущества и недостатки

К преимуществам термопар можно отнести следующие.

  • Точность высокая
  • Он прочный и может использоваться в суровых условиях, а также в условиях высокой вибрации.
  • Тепловая реакция быстрая
  • Рабочий диапазон температур широкий.
  • Широкий диапазон рабочих температур
  • Стоимость низкая и чрезвычайно стабильная

К недостаткам термопар можно отнести следующее.

  • Нелинейность
  • Наименьшая стабильность
  • Низкое напряжение
  • Требуется ссылка
  • наименьшая чувствительность
  • Повторная калибровка термопары сложна

Приложения

Некоторые из применений термопар включают следующее.

  • Они используются в качестве датчиков температуры в термостатах в офисах, домах, офисах и на предприятиях.
  • Они используются в промышленности для контроля температуры металлов в чугуне, алюминии и металле.
  • Они используются в пищевой промышленности для криогенных и низкотемпературных применений. Термопары используются в качестве тепловых насосов для термоэлектрического охлаждения.
  • Используются для измерения температуры на химических заводах, нефтяных заводах.
  • Они используются в газовых машинах для обнаружения пилотного пламени.
В чем разница между RTD и термопарой?

Еще одна важная вещь, которую следует учитывать в случае термопары, - это то, чем она отличается от устройства RTD. Итак, таблица объясняет различия между RTD и термопарой.

RTD Термопара
RTD широко подходит для измерения меньшего диапазона температур, который находится между (-200 0 C до 500 0 C) Термопара подходит для измерения более высокого диапазона температур, который находится между (-180 0 C до 2320 0 C)
Для минимального диапазона переключений он демонстрирует повышенную стабильность Они имеют минимальную стабильность, а также результаты не точен при многократных испытаниях
Он имеет большую точность, чем термопара Термопара имеет меньшую точность
Диапазон чувствительности больше и может даже рассчитывать минимальные изменения температуры изменения температуры
RTD-устройства имеют хорошее время отклика Therm омические пары обеспечивают более быстрый отклик, чем RTD
Выходной сигнал имеет линейную форму Выходной сигнал имеет нелинейную форму
Они более дорогие, чем термопары Они экономичны, чем RTD
Какова продолжительность жизни?

Срок службы термопары зависит от области применения, когда она используется.Таким образом, невозможно точно предсказать срок службы термопары. При правильном уходе за устройством он прослужит долго. В то время как при постоянном использовании они могут быть повреждены из-за эффекта старения.

Кроме того, из-за этого будет снижена выходная мощность и сигналы будут иметь низкую эффективность. Цена термопары тоже не высока. Таким образом, рекомендуется изменять термопару каждые 2-3 года. Это ответ на вопрос . Каков срок службы термопары ?

Итак, это все о термопаре.Наконец, исходя из приведенной выше информации, мы можем сделать вывод, что измерение выхода термопары может быть рассчитано с использованием таких методов, как мультиметр, потенциометр и усилитель с помощью выходных устройств. Основное назначение термопары - обеспечить последовательные и прямые измерения температуры в нескольких различных приложениях.

Что такое термопара и как она работает? Принцип работы термопары

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

Принцип работы

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

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

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

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

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

Диаграммы

Как это работает

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

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

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

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

Устройства, используемые для измерения ЭДС

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

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

Ссылка

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

Изображения предоставлены

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

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

Этот пост является частью серии: Что такое термопары? Как работают термопары?

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

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

Принцип работы термопар - ваше электрическое руководство

Привет друзья,

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

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

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

Принцип работы термопары основан на эффекте Зеебака. Этот эффект утверждает, что когда замкнутая цепь образуется путем соединения двух разнородных металлов на двух стыках, и стыки поддерживаются при разных температурах, тогда электродвижущая сила (например.м.д.) индуцируется в этой замкнутой цепи.

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

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

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

Данный э.м.ф. порядка милливольт. И е.м.ф. можно измерить с помощью прибора PMMC, подключив его в схему, как показано на рисунке.

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

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

Эталонный спай, или холодный спай, обычно подключается к измерительному прибору и поддерживается при 0 o C. Для точного измерения температуры температура эталонного спая должна оставаться постоянной или должна обеспечиваться соответствующая компенсация, если она должна измениться. Чтобы уменьшить погрешности, большинство термопар теперь оснащены приборами, обеспечивающими автоматическую компенсацию опорного значения.

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

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

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

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

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

E = a (∆θ) + b (∆θ) 2

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

как правило, «a» очень велико по сравнению с «b», поэтому «b» можно пренебречь. Таким образом, приведенное выше выражение может быть аппроксимировано следующим образом:

E = a (∆θ)

∆θ = E / a

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

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

Типы термопар

T - Термопара типа

Положительный провод - Cu
Отрицательный провод - Constantan

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

E - Термопара типа

Положительный провод - Chromel
Отрицательный провод - Constantan

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

J - Тип термопары

Положительный провод - железо
Отрицательный провод - Constantan

Его можно использовать при температуре до 1000 o C. Это очень распространенный тип термопар.Его стабильность высокая.

K - Тип термопары

Положительный провод - Chromel
Отрицательный провод - Alumel

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

S - Тип термопары

Положительный провод - Платина 10% Родий
Отрицательный провод - Платина

Его можно использовать при температурах до 1400 o C. Он имеет очень высокую точность, поэтому используется для очень высоких требований к точности.

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

Преимущества:

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

Недостатки:

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


Спасибо, что прочитали о «принципе работы термопары».

Приборы | Все сообщения

© www.yourelectricalguide.com/ принцип работы термопары.

Датчик термопары

: подробный обзор | Принцип работы термопары

Датчик термопары - один из многих типов датчиков температуры, используемых для измерения различных переменных в промышленных приложениях. Они часто используются для измерения и регулирования температуры выхлопных газов газовых турбин, дизельных двигателей, высокотемпературных печей и т. Д. Термопары используются не только в промышленности, но и в некоторых бытовых и коммерческих приложениях.В термостатах датчики пламени и дыма, приборы, работающие на газе или жидком топливе, и т. Д. Объединены в пары с датчиками термопар для контроля повышения рабочей температуры. Поскольку датчики термопар имеют большое значение и являются широко используемыми типами датчиков температуры, важно знать об этом грамотно. В этом посте обсуждается, что такое термопары и как они работают.

Обзор термопар

Датчик термопары - это чувствительное к температуре устройство, состоящее из двух проводов из разнородного материала.Из-за разного состава эти провода обладают разной электропроводностью. Разница в электропроводности порождает дифференциальное электрическое соединение, между которым дополнительно создается зависящее от температуры напряжение. Эта активность называется термоэлектрическим эффектом. Это измеренное напряжение в дальнейшем используется для интерпретации температуры.

Датчики термопары доступны в различных моделях и сборках. Они изготавливаются в виде зондов для термопар, термопар с переходным соединением, термопар с разъемами, термопар с неизолированным проводом и т. Д.Хотя термопарные датчики обеспечивают универсальность, функциональность и принцип работы остаются неизменными.

Обсудим принцип работы термопар.

Знать о принципе работы термопар

Термопара работает согласно эффекту Зеебека.

Эффект Зеебека можно описать как генерацию дифференциального напряжения из-за разницы в электропроводности двух разных материалов.Названный в честь французского ученого Томаса Йохана Зеебека, который подтвердил, что если два разнородных металла соединяются и нагреваются, разница в повышении температуры этих двух металлов приводит к возникновению электродвижущей силы (ЭДС). Та же самая концепция перевернута в применении термопары.

Когда электрический ток проходит через два сваренных разнородных металла, возникает разница напряжений, которая проецируется в обратном направлении для расчета разницы температур. Когда электрический ток проходит через переход, из-за ограничений проводимости и сопротивления металлов происходит повышение температуры.Оба материала нагреваются при разных температурах, и разница в проводимости дает два разных напряжения для двух разных металлов.

Хотя принцип работы датчиков термопары несложен, он все же зависит от нескольких различных факторов. Для точного измерения недостаточно измерения разности напряжений.

Одним из наиболее важных факторов для точного измерения температуры датчиком термопары является эталонная температура на стыке (Tref).Важно знать точное значение Tref, чтобы избежать поправочного коэффициента при вычислении напряжения и температуры. Есть два конкретных метода, используемых для определения и идентификации Tref. Ниже приведены методы, которые способствуют точности показаний датчика термопары.

  • Ледяная баня Метод: В этом методе соединительный блок погружается в ванну с полузамороженной дистиллированной водой, чтобы заморозить температуру соединения. После погружения Tref устанавливается на 0 ° C для справки по расчетам.
  • Метод компенсации холодного спая: В этом методе температура точки стыка будет изменяться, но она постоянно измеряется с помощью второго датчика температуры. Измеряется Tref в точке соединения, а затем точный Tref на момент считывания используется в качестве поправочного коэффициента.

Компенсация показаний температуры выполняется одним из этих двух методов для безошибочной работы датчиков термопар.

Хотя введение и принцип работы термопар убедительны, важно также обратить внимание на качество этого датчика. Качество сборки датчиков термопар обеспечивает точность считывания. Следовательно, необходимо покупать термопары у проверенных производителей или поставщиков, таких как The Transmitter Shop. Компания уже несколько лет поставляет промышленное технологическое оборудование, такое как термопары, преобразователи, датчики и т. Д. Можно найти продукцию премиум-качества от таких ведущих брендов, как Rosemount, Foxboro, Honeywell и т. Д.

Похожие сообщения

Что такое термопара? - Определение, конструкция, работа, плюсы и минусы

В этой статье описаны определение, конструкция, принцип работы, выбор материала, преимущества и недостатки термопары.

Определение:

Термопара - это комбинация двух разных металлических полос, соединенных вместе таким образом, чтобы образовать петлю. Когда два перехода поддерживаются при разных температурах, в контуре возникает электрический ток и развивается ЭДС.Величина развиваемой ЭДС зависит от металлов и разницы температур горячего и холодного спая. Такая комбинация двух металлов широко известна как термопара.

Термопара используется в качестве датчика температуры в промышленности. Термочувствительный датчик представляет собой модифицированную версию, в которой два разных металла соединены на одном конце, а другой конец подключен к считывающему устройству или милливольтметру. Когда переход нагревается или охлаждается, на открытом конце металла возникает ЭДС, которая очень мала по величине.По этой причине для измерения этой генерируемой ЭДС подключен мили-вольтметр. Измеренная ЭДС прямо пропорциональна температуре перехода, и, следовательно, температуру можно откалибровать с помощью измеренной ЭДС. Термопара - это активный преобразователь.

Строительство:

Термопара в основном состоит из проводов (называемых термоэлементами), изоляции, оболочки и средств для внешнего подключения. Один конец термоэлемента, состоящий из двух разных металлов, сварен вместе, образуя соединение.Это соединение фактически является точкой измерения.

На рисунке ниже показана конструкция термопары.

Термоэлемент заключен в жесткую металлическую оболочку, обычно изготовленную из инконеля. Измерительный узел образован в нижней части корпуса. Наполнитель из оксида магния окружает термоэлемент. Это наполнение действует как амортизатор и предотвращает повреждение проволоки от вибрации. Он также действует как рассеивающая тепло среда горячего спая.

Использование оболочки значительно замедляет отклик по мере увеличения массы термопары.Однако в приложениях, где время отклика является основным фактором, используются термопары в голой или тонкой оболочке. Чувствительность термопары можно увеличить за счет уменьшения массы измерительного спая. Одним из способов уменьшения массы является сварка встык двух проводов термопары. В случаях, когда механическая прочность стыкового шва недостаточна, две проволоки скручивают вместе, а концы сваривают.

Измерительный переход может быть присоединен к оболочке или нет.В зависимости от соединения точки соединения с оболочкой существует три различных типа конструкции термопары: незаземленная, заземленная и открытая термопара.

Заземленная термопара:

В заземленной термопаре спай соединен с металлической оболочкой. Этот тип термопары используется для измерения температуры в агрессивной среде. Однако в измерении отсутствуют помехи.

Незаземленная термопара:

В незаземленной термопаре спай не соединен с металлической оболочкой.Он широко используется в системах высокого давления. В датчике этого типа измерения не подвержены влиянию паразитного магнитного поля.

Открытая термопара:

Открытая термопара имеет самый быстрый отклик и поэтому используется в приложениях, требующих быстрого отклика. Используется для измерения температуры газа. Но основным недостатком является то, что термоэлемент очень подвержен коррозии, поскольку он остается открытым и, следовательно, не рекомендуется.

Выбор материала провода термопары:

В промышленных приложениях выбор материалов, используемых для изготовления термопары, зависит от диапазона измеряемых температур, типа атмосферы, в которой будет находиться материал, выходной ЭДС и ее стабильности, механической прочности и точности, необходимой для измерения. .Материалы термопар делятся на две категории: тип редкого металла с использованием платины, родия и т. Д. И тип основного металла.

Из нескольких комбинаций разнородных металлов получается хорошая термопара для промышленного использования. Эти комбинации, помимо линейного отклика и высокой чувствительности, должны быть физически прочными, чтобы выдерживать высокую температуру, быстрые изменения температуры, а также влияние коррозии и восстановительной атмосферы.

Материал для обычных типов термопар указан в таблице ниже.

Основной металл Тип

Положительный провод: Медь Утюг Хромель
Отрицательный провод: Константан Константан Константан
Темп. Диапазон (° C): -250 к 400 от -200 до 850 от -200 до 850
Характеристики: Устойчив к окислительной и восстановительной атмосфере до 350 ° C.

Требуется защита от кислотных паров

Низкая стоимость. Корродирует в присутствии влаги, кислорода и серосодержащих газов. Подходит для восстановительной атмосферы. Подходит для окислительной, но не для восстановительной атмосферы.

Редкий металл Тип

Положительный провод: Платина 90% и родий 10% Вольфрам 95% и рений 5% Фодий
Отрицательный провод: Платина Вольфрам 72% и рений 26% Иридий
Темп.Диапазон (° C): 0 до 1400 0 до 2600 0 до 2100
Характеристики: Низкая ЭДС. Хорошо для окислительной атмосферы, но плохо для восстановительной атмосферы. Только для использования в неокислительной атмосфере. Низкая ЭДС. Хорошо для окислительной атмосферы, но плохо для восстановительной атмосферы.

Принцип работы термопары:

Термопара работает на эффекте Бека.Эффект Бека говорит о том, что, когда два разнородных металла соединяются вместе, чтобы сформировать соединение, и если разница температур между переходом сохраняется между переходами, в нем индуцируется ЭДС. Эта ЭДС называется термоэлектрической ЭДС. Если соединение образует замкнутый контур, то эта ЭДС вызовет ток через контур. Это свойство используется для измерения температуры системы.

В датчике термопары один конец двух разнородных металлов соединен вместе, а другой конец подключен к милливольтметру.Это показано на рисунке ниже.

Два разных типа металлических проводов A и B соединены на одном конце, образуя соединение. На этом переходе измеряется температура и называется обнаруживающим переходом . Другой конец соединен с мили-вольтметром для измерения ЭДС E. ЭДС, создаваемая термопарой, определяется как

.

E = а (ΔƟ) + b (ΔƟ) 2

где (ΔƟ) = разница между температурой горячего спая и эталонного спая в ° C, а a и b являются константами.

Поскольку термоэлектрическая ЭДС зависит от разницы температур между горячим и эталонным спаями, температура последнего должна оставаться абсолютно постоянной, чтобы калибровка между температурой и измеренным напряжением оставалась правильной и не возникало ошибок, связанных с изменением температуры окружающей среды. . Для этого контролируется температура холодного спая. Эталонный спай обычно составляет 0 ° C при использовании ледяной бани. Здесь следует отметить, что комбинация металлов должна быть выбрана таким образом, чтобы повышение температуры всегда приводило к линейному увеличению ЭДС i.е. значение «b» должно быть незначительным.

Измерение выхода термопары:

ЭДС на выходе термопары в результате разницы температур между горячим и холодным спаями может быть легко измерена с помощью мили-вольтметра. Миливольтметр подключается к холодной ноге. Отклонение пропорционально току, протекающему в цепи. Если сопротивление счетчика Rm, а сопротивление внешней цепи Re, ток в цепи I = E / (Rm + Re).

Чтобы обеспечить ток, достаточный для отклонения движения, сопротивление измерителя должно быть небольшим, поскольку чувствительность термопары довольно мала, и они создают выходное напряжение, которое составляет несколько мВ / 100 ° C.

Компенсация за свинец:

Во многих промышленных приложениях желательно размещать эталонный спай в точке, удаленной от детектирующего спая. Следовательно, соединительный провод от головки термопары к счетчику очень длинный и обычно имеет разную температуру по всей длине.Это вызывает ошибку, которой можно избежать, используя соединительные провода, изготовленные из того же материала, что и провода термопары. Реализация такой схемы может оказаться невозможной из-за стоимости. В этом случае материалы выбираются таким образом, чтобы соотношение между ЭДС и температурой было таким же или почти таким же, как для проводов термопар. Затем эти провода назывались Compensating Leads .

Преимущество:

Ниже приведены преимущества термопары:

  • Термопары дешевле RTD.
  • Он отслеживает изменения температуры с небольшой задержкой по времени и поэтому подходит для регистрации сравнительно быстрых изменений температуры.
  • Термопары очень удобны для измерения температуры в одной конкретной точке прибора.

Недостаток:
  • Они имеют меньшую точность и поэтому не могут использоваться для точных работ.
  • Для обеспечения длительного срока службы термопар в условиях их эксплуатации их следует защищать металлической защитной трубкой с открытым или закрытым концом или колодцем.Чтобы предотвратить загрязнение термопары, при использовании драгоценных металлов, таких как платина или ее сплав, защитная трубка / лунка должна быть химически инертной и герметичной.
  • Термопара удалена от измерительного прибора.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *