Как измерить температуру с помощью термопары: особенности, преимущества и недостатки метода

Как работает термопара для измерения температуры. Какие бывают типы термопар. Как правильно выбрать и использовать термопару. Каковы преимущества и недостатки термопар по сравнению с другими методами измерения температуры.

Принцип работы термопары для измерения температуры

Термопара представляет собой датчик температуры, состоящий из двух разнородных проводников, соединенных на одном конце. Принцип ее работы основан на термоэлектрическом эффекте — возникновении электродвижущей силы в замкнутой цепи из двух разнородных проводников, места соединения которых находятся при разных температурах.

При нагреве рабочего спая термопары в цепи возникает термоЭДС, величина которой зависит от разности температур между рабочим и свободными концами термопары. Измеряя эту термоЭДС, можно определить температуру.

Основные типы термопар и их характеристики

Существует несколько стандартных типов термопар, различающихся материалами проводников и диапазоном измеряемых температур:

• Тип K (хромель-алюмель): от -200°C до +1300°C
• Тип J (железо-константан): от -40°C до +750°C
• Тип T (медь-константан): от -250°C до +350°C
• Тип E (хромель-константан): от -200°C до +900°C
• Тип N (нихросил-нисил): от -270°C до +1300°C
• Тип S и R (платина-платинородий): от 0°C до +1600°C
• Тип B (платина-30% родий/платина-6% родий): от +600°C до +1700°C

Выбор типа термопары зависит от требуемого диапазона измерений, точности, стабильности показаний и условий эксплуатации.

Преимущества использования термопар для измерения температуры

Термопары имеют ряд важных преимуществ по сравнению с другими методами измерения температуры:

• Широкий диапазон измеряемых температур (от -270°C до +2500°C)
• Высокая точность измерений (до ±0.1°C)
• Быстрый отклик на изменение температуры
• Простота конструкции и надежность
• Возможность измерения температуры в труднодоступных местах
• Низкая стоимость по сравнению с другими высокотемпературными датчиками
• Устойчивость к механическим воздействиям и вибрациям

Недостатки и ограничения термопар

При использовании термопар следует учитывать некоторые их ограничения:

• Необходимость компенсации температуры холодного спая
• Нелинейная зависимость термоЭДС от температуры
• Возможность появления паразитных термоЭДС в местах соединений
• Подверженность электромагнитным помехам
• Деградация характеристик при длительной эксплуатации при высоких температурах
• Необходимость использования специальных удлинительных и компенсационных проводов

Правила выбора и использования термопар

Для корректного измерения температуры с помощью термопары необходимо соблюдать ряд правил:

1. Выбирать тип термопары в соответствии с диапазоном измеряемых температур
2. Использовать соответствующие удлинительные и компенсационные провода
3. Обеспечить надежный тепловой контакт рабочего спая с объектом измерения
4. Применять схемы компенсации температуры холодного спая
5. Использовать экранированные кабели для уменьшения влияния помех
6. Проводить периодическую калибровку термопары
7. Учитывать погрешность измерений, связанную с неоднородностью термоэлектродов

Сравнение термопар и термосопротивлений

Термопары и термосопротивления (например, платиновые RTD) имеют свои особенности применения:

• Термопары имеют более широкий диапазон измеряемых температур
• Термосопротивления обеспечивают более высокую точность и стабильность в узком диапазоне температур
• Термопары имеют более быстрый отклик на изменение температуры
• Термосопротивления требуют пропускания через них измерительного тока
• Термопары более устойчивы к механическим воздействиям и вибрациям
• Термосопротивления имеют более линейную характеристику

Выбор между термопарой и термосопротивлением зависит от конкретных условий применения и требований к измерениям.

Методы измерения термоЭДС термопары

Для измерения термоЭДС термопары используются различные методы:

• Прямое измерение с помощью милливольтметра
• Компенсационный метод с использованием потенциометра
• Измерение с помощью аналого-цифрового преобразователя
• Применение специализированных измерительных преобразователей

Выбор метода зависит от требуемой точности измерений, диапазона температур и условий эксплуатации. Наиболее распространенным в настоящее время является использование АЦП в составе микропроцессорных измерительных систем.

Применение термопар в промышленности и научных исследованиях

Термопары широко используются в различных областях промышленности и науки:

• Металлургия — контроль температуры плавки и обработки металлов
• Энергетика — измерение температуры в котлах, турбинах, реакторах
• Химическая промышленность — контроль технологических процессов
• Пищевая промышленность — мониторинг температуры при производстве и хранении продуктов
• Автомобильная промышленность — измерение температуры выхлопных газов
• Авиация и космонавтика — контроль температуры двигателей и конструкций
• Научные исследования — измерение температуры в экспериментальных установках

Широкое распространение термопар обусловлено их универсальностью, надежностью и возможностью работы в экстремальных условиях.

Измерение температуры с помощью термопар.

При измерении температуры с помощью термопар используются два основных метода: непосредственное измерение термоЭДС с помощью милливольтметра и компенсационный метод.

Так как значение термоЭДС, развиваемой термопарой, невелико, для непосредственного измерения ее необходимы высокочувствительные милливольтметры магнитоэлектрического типа. Прибора этого типа работают на основе взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и измеряемого тока, протекающего по подвижной рамке. Для создания достаточного вращающего момента при весьма небольшом токе рамка выполняется из большого числа витков медного провода. Противодействующий момент создается спиральными пружинами, по которым и подводится ток в рамку. Шкала милливольтметра градуируется непосредственно в градусах и на ней указывается тип термопары, для которой предназначен данный милливольтметр.

Обозначим через R_всопротивление милливольтметра, R_т – сопротивление термопары, R_п – сопротивление соединительных проводов. Ток, проходящий по рамке милливольтметра под действием термоЭДС

Е_тп,

I_в= Е_тп/( R_в+ R_т+ R_п). (1.1)

Из этой формулы видно, что показания прибора зависят не только от термоЭДС Е_тп, но и от сопротивленийR_в, R_т, R_п. Так как шкала прибора уже проградуирована для термопары определенного типа, то сопротивленияR_в и R_туже учтены при градуировке. А сопротивления внешней цепи также указываются на шкале (обычно 0,5; 5; 15 или 25 Ом).

Оценим показания прибора, шкала которого проградуирована в милливольтах. Напряжение на его зажимах U_в=I_вR_в.

С учетом (1.1)

U_в=E_тпR_в/(R_в+ R_т+R_п) (1.2)

Обозначим внешнее сопротивление цепи R_вн=R_n+R_п и выразим из (1.2.) термоЭДС

E_тп=U_в(R_в+ R_вн)/ R_в= U _в+ U _в(R_вн/ R_в) (1.3)

Из (1.3) видно, что измеряемое милливольтметром напряжение будет всегда меньше, чем ЭДС термопары, на

U _в(R_вн/ R_в). Эта величина будет тем меньше, чем больше сопротивление милливольтметраR_в по сравнению с внешним сопротивлениемR_вн.Обычно милливольтметры имеют кроме сопротивления рамки еще добавочное сопротивление из манганина, сто в сумме дает не менее 100 Ом.

Обычно градуировка термопар осуществляется при температуре холодного спая Т₂=0. на практике при измерении температуры Т₁холодный спай имеет Т₂0. Следовательно, по измеренной термоЭДС нельзя точно определить Т₂. необходимо вводить так называемую поправку на температуру холодных спаев. Существует несколько способов поддержания неизменной температуры холодных спаев. Например, можно поместить холодные спаи в ванну с тающим льдом, но это возможно лишь в лабораторных условиях или при наладке. Можно холодные спаи закапывать в землю на глубину нескольких метров, где температура довольно стабильна, или помещать холодные спаи в специальную коробку с тепловой изоляцией.

Если температура холодных спаев известна, то к показаниям измерительного прибора добавляют поправку, соответствующую термоЭДС при Т₂. Эту поправку следует брать из градуировочной кривой.

Поправку на температуру холодных спаев можно ввести и механическим путем: при отключенной термопаре сместить стрелку на шкале прибора на отметку, соответствующую температуре холодных спаев (обычно температуре окружающей среды). Применяют также схемы автоматической коррекции температурных погрешностей, в которых используются свойства терморезисторов изменять сопротивление в зависимости от температуры.

Рассмотрим принципиальную схему включения термопары и милливольтметра (рис 10.3). Измерительный прибор может находиться на довольно значительном удалении от термопары. Длина соединительных проводов может составлять несколько метров. В местах присоединения этих проводов также возникают термоЭДС. Для точной компенсации этих термоЭДС необходим определенный подбор материалов проводов и термопар. Для присоединения термопар служат специальные, так называемые компенсационные провода. Каждой паре материалов компенсационных проводов присваивают буквенное обозначение, а каждому материалу придают определенную расцветку, для чего используют оплетку из цветной пряжи или цветные опознавательные нити, проложенные в проводе.

Для термопар типа ТПП применяются компенсационные провода с обозначением П в красной и зеленой оплетке с зелено-белыми нитями внутри. Материал провода – медь в паре с медно-никелевым сплавом. Для термопар типа ТХА применяются провода с обозначением М в красной и коричневой оплетке с красно-белыми нитями из меди в паре с констаном. Для термопар ТХК применяют провода с обозначением ХК в фиолетово-желтой оплетке с нитями такого же цвета и материалом хромель-копель, т.е. компенсационными проводами могут быть и основные термоэлектроды.

Рассмотрим измерение температуры компенсационным методом с помощью термопары и автоматического потенциометра. На рис.10.4 показаны термопара ТП, вырабатывающая термоЭДС Е_д, и мостовая схема, вырабатывающая компенсирующее напряжениеU_к, снимаемое между точками А и Б. Разность этих напряжений подается на вход усилителя (У), который питает управляющую обмотку исполнительного электродвигателя (ЭД). Обмотка возбуждения ЭД постоянно подключена к источнику переменного напряжения, а скорость вращения ЭД зависит (примерно пропорционально) от напряжения на его управляющей обмотке. Электродвигатель (ЭД) через редуктор (Р) перемещает движок калиброванного реохорда (потенциометрического датчика)R_пдо тех пор, пока напряжениеU_кне сравняется с Е_д. Одновременно перемещается указатель на шкале прибора и перо самописца. ПриU_к=Е_днапряжение на входе усилителя равно нулю (U_к-Е_д=0) и электродвигатель (ЭД) остановится. Каждому значению выходного сигнала датчика Е_д=f(ТС) соответствует определенное положение указателя на шкале. Шкала проградуирована вС и на ней указан тип термопары, для которой выполнена градуировка.

Мостовая схема в данном случае служит не для измерения, а для выработки компенсирующего напряжения U_к и автоматической коррекции из-за изменения температуры холодного спая. Плечи моста состоят из проволочных резисторовR₁–R₄, выполненных из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления (например, из манганина), и терморезистораR_к, изготовленного из материала с большим температурным коэффициентом сопротивления (например, из меди или никеля). Резистор располагается вблизи холодных спаев термопары. Мост питается от источника постоянного тока Е – обычно это батарейка (например, сухой элемент типа ЭСЛ-30). При всяком изменении температуры холодных спаев термопары изменяется Е_ди одновременно меняется сопротивлениеR_к, что приводит к изменению компенсирующего напряженияU_кна туже величину, на какую изменилось Е_д. Следовательно, колебания окружающей температуры не изменяют показаний на шкале прибора. Регулировочное сопротивлениеR_рслужит для установки тока питания моста при разряде батареи (уменьшении Е).

Обычно на панели автоматического потенциометра имеется кнопка с самовозвратом, обозначенная словами «Установка рабочего тока». При нажатии этой кнопки, не показанной на рис.10.4, рабочая цепь прибора размыкается, а усилитель включается на разность ЭДС батарейки и специального, стабильного нормального элемента. Если батарейка разрядилась, то под действием разности этих ЭДС, усиленной усилителем, электродвигатель ЭД перемещает движок регулировочного резистора R_р, автоматически устанавливая требуемое значение тока питания моста.

Ответственной деталью в измерительной схеме является реохорд. Он выполнен из манганиновой проволоки, намотанной на медной изолированной основе. Движок реохорда выполнен в виде контактного ролика.

Бесконтактное измерение температуры.

О температуре нагретого тела можно судить на основании измерения параметров его теплового излучения, представляющего собой электромагнитные волны различной длины. Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называются пирометрами.Они позволяют измерять температуру в диапазоне от 100 до 6000С и выше.

Физические тела характеризуются либо непрерывным спектром излучения (твердые и жидкие вещества), либо избирательным (газы). Участок спектра в интервале длин волн 0,02…0,4 мкм соответствует ультрафиолетовому излучению, участок 0,4…0,76 мкм – видимому излучению, участок 0,76…400 мкм – инфракрасному излучению. Интегральное излучение – это суммарное излучение, испускаемое телом во всем спектре длин волн.

Монохроматическим называют излучение, испускаемое при определенной длине волны.

На основании законов излучения разработаны пирометры следующих типов:

• суммарного (полного) излучения, в которых измеряется полная энергия излучения;

• частичного излучения (квазимонохроматические), в которых измеряется энергия в ограниченном фильтром (или приемником) участке спектра;

• спектрального распределения, в которых измеряется интенсивность излучения фиксированных участков спектра.

В пирометрах полного излучения оценивается не менее 90% суммарного потока излучения источника. При измерении температуры реального тела пирометры этого типа показывают не действительную температуру, а так называемую радиационную температуру тела. Поэтому эти пирометры называют радиационными. При известном суммарном коэффициенте черноты тела возможен пересчет с радиационной температуры тела на его действительную температуру. Исходя из этого, пирометры полного излучения удобно использовать при измерении разностей температур в неизменных условиях наблюдения в диапазоне от 100…3500С. Основная допустимая погрешность в технических пирометрах возрастает с увеличением верхнего предела измерения температуры. Так, для 1000С — 12%, для 2000С — 20%.

В радиационном пирометре (рис 2.84) лучи нагретого тела поступают на линзу 1, которая направляет их через диафрагму 2 на приемник излучения 3. приемник излучения состоит из большого числа термопар (термобатарея), горячие спаи которых выполнены в виде секторных тонких пластинок. Сигнал с термопар, соединенных последовательно, подается на отсчетное устройство ОУ. Через окуляр 4 с фильтром 5 производится наведение пирометра на объект измерения. Приемники полного излучения подразделяются на электрические (термобатареи, болометры, тепловые индикаторы, пироэлектрические кристаллы), пневматические (детектор Голея) и оптические (жидкие кристаллы). Наибольшая чувствительность (10⁵В Вт^-1) у пневматических приемников. У электрических она составляет от 10 ^–4до10^–3В* Вт^-1.

Приемники полного излучения отличаются тем, что их спектральная чувствительность постоянна в широком диапазоне длин волн от дальней инфракрасной области до ближней ультрафиолетовой. Для увеличения поглощательной способности чувствительные поверхности приемников окрашивают в черный цвет. Для уменьшения теплоотвода в среду приемник помещают в вакуумированные или газонепроницаемые корпуса.

Термобатареи выполняются на основе термопар, соединенных последовательно (до 20 термопар). Их горячие спаи располагаются на узком участке поверхности, на который фиксируется излучение.

Болометры – это термометры сопротивления, изготовленные либо из фольги проводящих металлов, либо из полупроводников (термисторов).

Тепловые быстродействующие индикаторы выполняются в виде тонкослойной термопары или болометра, в которых активный слой имеет хороший тепловой контакт с основанием. Они применяются для идентификации мощных сигналов, например лазерного излучения.

Пироэлектрические приемники –это кристаллы с определенным видом симметрии, в которых в зависимости от изменения температуры проявляется эффект спонтанной поляризации.

Пирометры полного излучения подразделяются на пирометры с преломляющей оптической системой (рис. 2.85, а) и пирометры с отражающей оптической системой (рис. 2.85,б).

В первом случае излучение от объекта измерения 1 через линзовый объектив 2 и диафрагму 3 поступает на приемник полного излучения 4. для наводки на объект измерения служит окуляр 6 с дымчатым фильтром 5 и диафрагмой 7. Отсчетным устройством является милливольтметр 9.

В пирометрах с отражающей оптической системой (рис.2.85 б) излучение от объекта измерения 1 попадает на приемник излучения 3 после прохождения через защитную полиэтиленовую пленку 2, диафрагму 4 и зеркальный объектив 5. Для наводки на объект излучения служит зрительная труба 6. Отсчет показаний производится по шкале милливольтметра 8. Полиэтиленовая пленка прозрачно для инфракрасного излучения и служит для защиты оптической системы пирометра от загрязнения потоков воздуха.

Пирометры частичного излучения работают в узком диапазоне волн, они называются квазимонохроматическими пирометрами. К данному типу относятся оптические и фотоэлектрические пирометры. Разновидностями оптических пирометров являются пирометр «с исчезающей нитью», пирометр «с оптическим круговым клином», фотоэлектрические монохроматические пирометры.

На рис. 2.86, а изображена схема оптического пирометра «с исчезающей нитью», принцип действия которого основан на сравнении яркости объекта измерения и яркости градуированного источника излучения в определенной длине волны.

Изображение излучателя 1 с линзой 2 и диафрагмой 4 объектива пирометра фокусируется в плоскости нити накаливания 5. Оператор через диафрагму 6, линзу окуляра 8, красный светофильтр 7 на фоне раскаленного тела видит нить лампы. Перемещая движок реостата 11, оператор изменяет силу тока, проходящего через лампу, и добивается уравнивания яркостей нити и излучателя. Момент «исчезания» нити на фоне объекта соответствует равенству яркостей нити и объекта излучения. Регистрирующий прибор 9 фиксирует силу тока, соответствующую этому моменту, и позволяет произвести считывание результата измерения температуры объекта излучения. Красный светофильтр 7 пропускает область излучения с шириной около 0,1 мкм и с эффективной длиной волны 0,65 мкм.

Данный тип пирометров позволяет измерять температуры в интервале 700…8000С. Основная допустимая погрешность измерения для интервала температур 1200…2000С составляет20С.

Пирометр с оптическим круговым клином является модификацией описанного выше. В нем яркостную температуру нити лампы накаливания поддерживают постоянной, а уравнивание яркостей осуществляется перемещением оптического клина, пропускающего больше или меньше света от объекта. По положению клина судят о яркостной температуре объекта излучения.

Фотоэлектрические пирометры основаны на использовании зависимости интенсивности излучения от температуры в узком интервале длин волн спектра. В качестве приемников в данных пирометрах используются фотодиоды, фотосопротивления, фотоэлементы и фотоумножители.

На рис. 2.86, б приведена схема фотоэлектрического монохроматического пирометра, в котором в качестве приемника применяется фотоэлемент. Поток от излучателя 1 с линзой 2 и диафрагмой 3 объектива фокусируется на отверстии 7 в держателе светофильтра 5 таким образом, чтобы изображение визируемого участка поверхности излучателя перекрывало данное отверстие. В этом случае величина светового потока, падающего на катод фотоэлемента 6, расположенного за светофильтром 5, определяется яркостью излучателя, т.е. его температурой. В держателе светофильтра 5 расположено еще одно отверстие 8, через которое на фотоэлемент попадает поток от лампы 17 обратной связи. Световые потоки от излучателя 1 и лампы 17 подаются на катод попеременно через отверстия 7 и 8 с частотой 50 Гц, что обеспечивается с помощью вибрирующей заслонки 9.

При различии световых потоков излучателя 1 и лампы 17 в токе фотоэлемента появится переменная составляющая, имеющая частоту 50 Гц и амплитуду, пропорциональную разности данных потоков. Усилитель 13 обеспечивает усиление переменной составляющей, а фазовый детектор 14 – последующее ее выпрямление. Полученный выходной сигнал подается на лампу 17, что вызывает изменение тока накаливания. Это будет происходить до тех пор, пока на катоде фотоэлемента световые потоки от двух источников не уравняются. Следовательно, ток лампы обратной связи однозначно связан с яркостной температурой объекта измерения.

В цепь лампы 17 включено калибровочное сопротивление 16, падение напряжения на котором пропорционально силе тока и измеряется быстродействующим потенциометром 15, снабженным температурной шкалой.

В фотоэлектрических пирометрах с пределами измерения 500…1100С применяется кислородно-цезиевый фотоэлемент, а в приборах со шкалой 800…4000С – вакуумный сурьмяно-цезиевый. Пределы допускаемой погрешности до 2000С не превышают1%.

Фотоэлектрические пирометры характеризуются малой инерционностью (до 10^-3с), поэтому их используют для регистрации быстропротекающих температурных процессов, а также для измерений температуры малых объектов.

Пирометры спектрального распределенияизмеряют цветовую температуру объекта по отношению интенсивностей излучения в двух определенных участках спектра. Основное преимущество таких пирометров заключается в независимости их показаний от излучательной способности объекта, а также от наличия дыма, пыли и испарений в пространстве между объектом и пирометром.

В пирометрах сравнения (рис. 2.87,а) отношение спектральных интенсивностей оценивается субъективно по цветовому ощущению, создаваемому смесью двух монохроматических пучков. Излучение от объекта измерения 1 чрез объектив 2, нейтральный оптический клин 3 и двойной светофильтр 4 направляется к фотометрическому кубику 5. Двойной светофильтр 4 выполнен в виде двух клиньев (красного и зеленого), относительным перемещением которых можно изменять соотношение между интенсивностями красного и зеленого цветов. На фотометрический кубик поступает также излучение от лампы 9 через матовое стекло 10, красный и зеленый светофильтр 11 и объектив 12. Через окуляр 6 глаз оператора 8 видит два участка, соответствующих излучению от объекта измерения 1 и лампы 9, окрашенных смесью зеленого и красного цветов с различным соотношением их интенсивности. Взаимным смещением оптических клиньев двойного светофильтра 4 уравнивают соотношение излучения объекта измерения 1 и излучения лампы 9. Для уравновешивания соотношения цветов необходимо равенство яркостей излучения объекта и лампы. Этого добиваются изменением положения нейтрального оптического клина 3. После уравновешивания положения нейтрального клина определяют яркостную температуру, а положение одного из клиньев двойного светофильтра определяет цветовую температуру объекта.

Оператор, работающий с пирометром сравнения, должен обладать хорошим цветоощущением.

В пирометрах спектрального отношения (рис.2.87,б) вводится модуляция светового потока. Световой поток от объекта измерения 1 прерывается обтюратором 4 с двумя светофильтрами, пропускающими излучение на двух длинах волн₁и₂к фотоэлементу 5. Переменная составляющая выходного сигнала фотоэлемента усиливается в усилителе 6 и подается на реверсивный двигатель 7, который перемещает уравновешивающий фильтр 3 до тех пор, пока не уравняются интенсивности излучения на обеих длинах волн. В положении равновесия перемещение фильтра 3 является мерой измеряемой температуры.

термосопротивление или термопару? Советы по применению.

Измерение температуры

Из четырёх величин Международной системы единиц (СИ), неразрывно связанных с человеческой деятельностью: массой, длиной, временем и температурой, последняя оставалась полной загадкой для человечества вплоть до 18 века. Но и сегодня немногие, пользующиеся различными средствами измерения температуры, понимают, что же они измеряют. 

То же давление легко воспринимается, так как оно связано с силой и может быть без труда определено количественно. С температурой невозможно связать количественную величину. В быту мы оцениваем температуру по ощущениям: горячо, тепло, холодно. Казалось бы, если одно тело горячее другого, то и его температура должна быть больше. Но это не так.Попробуйте взять в разогретой сауне в руку деревянный ковшик и металлический ковшик. Совершенно разные ощущения, хотя температура одна. Но если мы хотим сравнить температуру одинаковых по своей природе объектов, то можем сделать это с высокой точностью. 

Рукой можно определить, повышена ли температура другого человека, т. е. фактически измерить её с точностью ±0,5⁰С. Также находясь в помещении можно с точностью до 1…2⁰С определить её температуру. Человек хорошо чувствует этот физический параметр и в то же время мало кто сможет чётко сказать, что же это такое — температура. 

Забегая вперёд можно сказать, что совершенно обратная ситуация творится с влажностью воздуха. Очень трудно определить влажность воздуха по своим ощущениям. В то же время эта характеристика прекрасно понимается в количественном выражении. Грубо – это количество молекул воды в единице объёма. (См. статью: Что такое влажность воздуха? Как правильно измерять влажность? Давление водяного пара. Таблицы и примеры расчета.) 

Существуют несколько определений температуры. Но мы воспользуемся здесь одним, который наиболее близок людям, занимающимся практическими измерениями и исходит из нулевого закона термодинамики. По нему если два тела находятся в состоянии теплового равновесия, то они имеют одинаковую температуру. Таким образом, если мы обеспечим хороший тепловой контакт термометра с измеряемой средой, то по прошествии некоторого времени, необходимого для установления теплового равновесия, температуры термометра и среды будут одинаковы. Естественно, что данный вывод будет верен, только если наша система изолирована от других тел и не совершается никакой работы. Ну а само понимание физической природы температуры приходит только после изучения статистической механики, где температура представлена как мера кинетической энергии тела. 

Принято считать, что первый термометр, работающий на расширении воздуха, был изобретён Галилеем примерно в 1592 г. А в 1641 году появился первый, реально работающий спиртовой стеклянный термометр, созданный герцогом Тосканским. С этого момента началось быстрое развитие термометрии. В начале 18-ого века Фаренгейт первым изготовил ртутный стеклянный термометр и предложил температурную шкалу, в которой одной из фиксированных точек служила температура человеческого тела, которую он принял за 96 градусов, а другой – температура таяния льда -32 градуса. Ну а кульминационной точкой в развитии практической термометрии явилось принятие в 1927 году Международной температурной шкалы МТШ-27. В дальнейшем температурная шкала совершенствовалась и расширялась практически до 0 К.  

Температура — параметр, который можно измерить только косвенно, по изменению других физических параметров. Термометрию различают на первичную и вторичную. В первичной термометрии температура явно описывается через другие физические параметры, например для газовых термометров это давление и объём. Примерами вторичных термометров являются термометры сопротивления и термопары. В промышленности термометры сопротивления и термопары являются основными средствами контроля температуры, закрывая диапазон измерения от минус 200 до + 2500⁰С и более. 
 

Термометры сопротивления

Основной стандарт в странах таможенного союза, устанавливающий общие технические требования к техническим термометрам сопротивления: ГОСТ 6651-2009. Он практически полностью соответствует МЭК 60751. Ниже приведены некоторые параметры из этого документа. 

Таблица 1.

Тип ТС	Обозначение	Температурный коэффициент,     a	Класс допуска	Сопротивление при 0⁰С, Ом
Платиновый	Pt	0,00385	АА, А, В, С	10,50,100,500,1000
	П	0,00391
Медный	М	0,00428	А, В, С

 Таблица 2.  

Класс допуска	Допуск, ⁰С	Диапазон измерений (максимальный), ⁰С
		Платиновый ТС		Медный ТС
		Проволочный ЧЭ	Плёночный ЧЭ	—
АА	±(0,1+0,0017Т)	-50…+250	0…+150
А	±(0,15+0,002Т)	-100…+450	-30…+300	-50…+120
В	±(0,3+0,005Т)	-196…+660	-50…+500	-50…+200
С	±(0,6+0,01Т)	-196…+660	-50…+600	-180…+200

 

В последнее время платиновые термосопротивления активно начали вытеснять медные и термопары. Связано это с появлением на рынке недорогих платиновых плёночных термочувствительных элементов, которые в отличие от медных являются более стабильными и работают в более широком диапазоне температур. А по сравнению с термопарами — обеспечивают более высокую точность измерения и не требуют использования дорогого термокомпенсационного кабеля. Однако в России медные термометры до сих пор находят широкое применение. Одно из основных преимуществ меди — это очень хорошая линейная зависимость её сопротивления от температуры в диапазоне от минус 50 до + 200⁰С и более высокая чем у платины чувствительность. Свыше 200⁰С медь начинает очень быстро окисляться на воздухе, поэтому обычно верхний предел измерения для медных термосопротивлений устанавливается до 180⁰С. При производстве используется проволока диаметром от 30 до 80 мкм. При дальнейшем уменьшении диаметра стоимость проволоки резко возрастает, а изготовление термосопротивления с заданными параметрами становится проблематичным. 

Также следует обращать внимание на максимальный измерительный ток. Например, для термометров сопротивления, изготовленных из проволоки диаметром 30 мкм уже при токе 0,2мА становится заметным явление саморазогрева от протекающего тока, а значит, использование таких термометров с большинством измерительных приборов становится невозможным. Обычно диаметр используемой проволоки определяется исходя из диаметра зонда, в который будет устанавливаться проволочный чувствительный элемент. Например, для зонда диаметром 2 мм используют проволоку диаметром 30 мкм, 4 мм – 40 мкм, 5…6 мм – 50 мкм, 8…10 мм- 80 мкм. 

Большое значение имеет схема соединения проводников термосопротивления. Различают три основных схемы: 2-х, 3-х и 4-х проводную. 

При двухпроводной схеме к сопротивлению ЧЭ добавляется сопротивление внешних проводов, что приводит к появлению дополнительной погрешности измерения. Ясно, что такой способ можно использовать только для ЧЭ с большим сопротивлением. Из наиболее употребляемых — это Pt1000. Легко подсчитать, что для обеспечения точности измерения 0,1⁰С общее сопротивление внешних проводников не должно быть больше 3,8 Ом.  

В трёхпроводной схеме подключения автоматически из полного сопротивления вычитается сопротивление внешних проводов. Но это только в случае, если сопротивление проводников 1 и 2 трёхпроводной схемы равны между собой. Тем не менее, 3-х проводная схема подключения термосопротивлений на сегодняшний момент является самой популярной. Практически все вторичные приборы (измерители, регуляторы) имеют входные цепи, рассчитанные под эту схему. Трёхпроводная схема позволяет увеличить расстояние от датчика до прибора до 50…100 метров. При этом не обязательно, чтобы сам термометр сопротивления был изготовлен по 3-х проводной схеме. Можно использовать и датчики с двумя клеммами, подключив к одной клемме один провод, а ко второй – два. 

Четырёхпроводная схема используется в основном только для точных измерений и в эталонных приборах. Данная схема позволяет автоматически компенсировать влияние на результат измерения не только сопротивления проводников, но и ЭДС в местах контактов.  

Советы при выборе и монтаже термометров сопротивления

 

Есть банальные истины, которыми нужно руководствоваться при выборе подходящего датчика температуры. Конечно же, нужно в первую очередь обратить внимание на диапазон измерения и точность. Во-вторых, нужно решить вопрос с основным конструктивным исполнением: в клеммной головке, или с кабельным выводом. Датчики с кабельным выводом более миниатюрны и менее инерционны. Они уже полностью готовы к подключению к вторичному прибору. Но вышеперечисленные преимущества одновременно являются и их недостатками. Миниатюрный корпус – следовательно, небольшой размер чувствительного элемента и малый измерительный ток. Жёстко присоединённый кабель несёт за собой худшую, чем для датчиков в клеммной головке степень защиты от воды. Эти датчики заведомо дороже из-за высокой стоимости применяемого высокотемпературного кабеля. Они менее надёжны при механических воздействиях опять-таки из-за наличия кабеля. С термосопротивлением в клеммной головке не обязательно использовать высокотемпературный кабель. Минус этих датчиков в одном – габаритных размерах, что бывает важно в ряде случаем. 

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

Датчики температуры воздуха лучше устанавливать в тех местах помещения, которые наиболее важны для контроля. При плохой конвекции воздуха в помещении градиент температуры может составить до 5-ти и более градусов. 

При экспресс контроле температуры поверхности теплоёмкость датчика должна быть минимальной. Дело в том, что самое большое зло при контактном способе измерения температуры поверхности состоит в том, что датчик уменьшает температуру поверхности в месте установки. Процесс восстановления начальной температуры может идти очень долго, что зачастую приводит к неправильным результатам и выводам. Примером может служить ситуация с «занижением» показаний медицинских электронных термометров. 

Термопары

По сравнению с термометрами сопротивления термопары обладают рядом очень больших преимуществ и таких же больших недостатков. По большому счёту эти два класса приборов очень органично дополняют друг друга. И задача киповца — определить, какой датчик температуры ему нужен для той или иной задачи. 

Технические требования, классификация, методы испытаний преобразователей термоэлектрических приведены в ГОСТ 6616-94. Номинальные статические характеристики приведены в ГОСТ Р 8.585-2001. В Таблице 3 представлены технические параметры наиболее применяемых в России термопар. 

Таблица 3. 

Тип ТП	Обозн. типа	Маркировка цветовая оболочки и жил +/-		Диап. измер., ⁰С	Класс допуска, пределы допускаемого отклонения для диапазона измерения,⁰С			Температура, ⁰С и чувствительность, мкВ/С
		IEC 584-3	ANSI MC96-1
Медь-константан ТМКн	Т	Кор. красн/бел	Син. син/ красн	-200…+350	1	±0,5	— 40…+125	-200 0 100	15 39 46
						±0,004Т	+125…+350
					2	±1,0	— 40…+133
						±0,0075Т	+133…+350
					3	±0,015Т	— 200… -67
						±1,0	-67…+40
Хромель-копель ТХК	L	—	—	-200…  +800	2	±2,5	— 40…+ 300	-200 0 100 500	22 62 72 87
						±0,0075Т	+300…+ 800
					3	±0,015Т	-200… — 100
						±2,5	-100… +100
Хромель-алюмель ТХА	K	Зел. зел/ бел	Жёл. жёл/ красн	-200…+1300	1	±1,5	-40…+375	-200 0 100 500 1000	15 39 41 42 39
						±0,004Т	+375…+1000
					2	±2,5	-40… + 333
						±0,0075	+333…+1200
					3	±0,015Т	-200…-167
						±2,5	-167…+ 40
Платинородий-платина ТПП13 ТПП 10	R   S	Жёл. жёл/ бел	Зел. чёрн/ красн	0…+1600	1	±1,0	0…+1100	0 100 500 1000	5 7,5 11 13
						±(1+0,003 (Т-1100))	+1100…+1600
					2	±1,5	20…+600
						±0,0025Т	+600…+1600
Платинородий-платинородий ТПР	B	_	Чёрн. чёрн/ красн	+600… +1700	2	±0,0025Т	+600…+1700	0 100 500 1000 1500	-0,2 1 5 9 11
					3	±4,0	— +600…+800
						±0,005Т	+800…+1700
Вольфрамрений-вольфрамрений ТВР	А-1 А-2 А-3	_	_	0…+2500	2	±0,005Т	+1000…+2500	0 500 1000 1500 2000	12 17 15 13 10
					3	±0,007Т	+1000…+2500
						Индивид.	0…+1000

*У российских термопар маркировка наносится на положительный термоэлектрод. 

Термопары имеют очень большой диапазон рабочих температур. При этом, чем больше максимальная рабочая температура термопары, тем меньше её чувствительность. С этим фактом связан большой ассортимент применяемых термопар. При помощи термопар можно измерять температуру очень маленьких объектов. Для этого достаточно сварить между собой две термоэлектродные проволоки маленького диаметра. Естественно, что такая термопара имеет и очень незначительную инерционность. Термопара из недрагоценных металлов малой длины дешевле термосопротивления. Однако при увеличении длины стоимость её значительно возрастает. В то же время термопары значительно уступают термосопротивлениям в точности измерения. Связано это с рядом причин. Сигнал с термопары значительно более нелинеен. Для получения абсолютной измеренной температуры необходимо знать температуру холодного спая термопары. А это означает, что общая погрешность измерения сложится из двух: погрешности измерения разности температур рабочего и холодного спая термопары и погрешности измерения температуры холодного спая. На практике же всё ещё сложнее. Очень непросто измерить с хорошей точностью температуру выводов термопары на входе вторичного прибора. На практике эта погрешность составляет около 1⁰С. При измерении высоких температур значение данной погрешности несколько нивелируется. 

Советы по выбору и применению термопар

Для использования в диапазоне до +200⁰С лучше применять платиновые или медные термосопротивления. В случае контроля температуры очень небольшого объекта малой теплоёмкости можно использовать термопару медь-константан, которая замечательна тем, что очень легко сваривается над поверхностью раствора медного купороса, имеет самую высокую чувствительность и очень низкую стоимость. 
Для диапазона до +800⁰С в России используется термопара ХК(L) хромель-копель. Данные термопары имеют очень высокую чувствительность в широком диапазоне начиная от -200⁰С. В других странах данный тип термопары не применяется. Самыми популярными в промышленности являются термопары типа ХА(К) хромель-алюмелевые. Теоретический диапазон их использования составляет от -200 до +1300⁰С. Термопары типа К замечательны хорошей линейностью характеристики от 0 до 1000⁰С. В реальности наиболее высокотемпературные термопары работают до 1100⁰С. Так как при высокой температуре от +800⁰С термоэлектродные проволоки начинают активно окисляться, то единственным путём увеличить срок службы термопары и температуру эксплуатации является увеличение диаметра термоэлектродных проволок до 2…3 мм. При температуре выше 800⁰С нержавеющую сталь кожуха меняют на специальную высокотемпературную сталь или керамику. 

Для измерения температуры вплоть до +1700⁰С применяют термопары, изготовленные из драгоценных металлов платиновой группы. Они отличаются высокой стабильностью параметров, но имеют крайне низкую чувствительность при низких температурах и очень высокую стоимость. Наиболее высокотемпературные термопары – вольфрам-рениевые. Но они не могут работать в окислительной атмосфере при температуре уже выше 500⁰С. Оболочку этих датчиков необходимо наполнять инертным газом. Так как герметичный корпус для высоких температур изготовить проблематично, то для продолжительной работы по внутренней полости этих термопар постоянно пропускают инертный газ. 

Для контроля температуры поверхности или воздуха лучше применять гибкую термопару без защитного чехла. Для контроля поверхности нужно обеспечить хороший тепловой контакт с поверхностью не только рабочего конца термопары, но и термоэлектродов на расстоянии не менее 50 мм, чтобы уменьшить теплоотвод от места контроля. При использовании термопары при высокой температуре в окислительной или агрессивной атмосфере может наблюдаться деградация параметров, связанная с окислением и изменением химического состава термоэлектродов. Необходимо периодически контролировать качество термопары хотя бы по её полному сопротивлению постоянному току. Для использования в экстремальных условиях в течение непродолжительного времени существуют ТП разового применения и ТП кратковременного применения.  

Директор НПК «Рэлсиб» Игорь Ландочкин

                          

 

---

Измерение температуры с помощью термопар ~ Изучение приборостроения и техники управления

Датчики температуры:
Температура – ​​это мера средней молекулярной кинетической энергии в веществе. Отсюда следует, что с увеличением кинетической энергии вещества увеличивается и температура. Измерение температуры основано на передаче тепловой энергии от технологического материала к измерительному устройству. Следовательно, измерительное устройство должно быть зависимым от температуры.

Существует два основных типа промышленных датчиков температуры, а именно:

1) Контактные

2) Бесконтактные

Контактные датчики температуры являются наиболее распространенной и широко используемой формой измерения температуры. Три основных типа:

1) Термопары

2) Термометры сопротивления (RTD)

3) Термисторы

Все эти типы температурных устройств различаются по электрическому сопротивлению для изменения температуры. Скорость и пропорция изменений различаются между тремя типами, а также различаются внутри типовых классов.

Бесконтактные датчики температуры:

Измерение температуры бесконтактными средствами является более специализированным и может выполняться с помощью следующих технологий:

1) Инфракрасный

2) Акустический

Термопары: Термопары
состоит из двух проводов из разнородных металлов, таких как железо и константан, электрически соединенных на одном конце. Применение тепла к соединению двух металлов создает напряжение между двумя проводами. Это напряжение называется ЭДС. (электродвижущая сила) и пропорциональна температуре.

Большинство металлов для термопар создают зависимость между двумя температурами и ЭДС. следующим образом:

e = a(T1 — T2) + b(T12 — T22)

e — ЭДС, a и b — константы термопары, T1 и T2 — температуры. Зависимость практически линейна в рабочем диапазоне.

Для термопары требуется эталонный спай, включенный последовательно с сенсорным спаем. Поскольку два перехода находятся при разных температурах, возникает тепловая ЭДС. Эталонный спай используется для корректировки измерения сенсорного спая. Схема соединения термопары/прибора показана на диаграмме ниже:

Термопары сварены плавлением, образуя чистое соединение, которое поддерживает целостность цепи, а также обеспечивает высокую точность. Заземленные соединения обеспечивают хороший тепловой контакт с защитой от окружающей среды. Незаземленные и изолированные соединения обеспечивают электрическую изоляцию от оболочки сенсора.

Термопары обычно заключены в защитную металлическую оболочку. Материалом оболочки может быть нержавеющая сталь, выдерживающая температуры до 870 oC. Для температур до 1150 oC используется Inconel. Оксид металла может быть уплотнен в оболочке. Это обеспечивает механическую поддержку, а также электрически изолирует соединение термопары. Термопара с минеральной изоляцией в металлической оболочке стала общепринятой нормой в большинстве отраслей промышленности. Они используют различные термостойкие и коррозионностойкие оболочки и имеют чрезвычайно высокую чистоту (99,4%) изоляции из оксида магния.

Большинство термопар изготавливаются с различными конфигурациями наконечников. Для максимальной чувствительности и быстрого отклика переход из разнородного металла может быть незащищенным. Однако такая конструкция делает термопару более хрупкой. Наконечники с защитным кожухом типичны для промышленного применения и доступны как в заземленном, так и в незаземленном исполнении:

Термопары с заземленным наконечником имеют меньшее время отклика и большую чувствительность, чем незаземленные наконечники
термопары, но они уязвимы для контуров заземления: замкнутых путей для электрического тока между проводящей оболочкой термопары и какой-либо другой точкой в ​​цепи термопары. Чтобы избежать этого потенциально неприятного эффекта, большинство промышленных термопар часто имеют незаземленную конструкцию.

Преимущества термопарных датчиков:

• Низкая стоимость
• Маленький размер
• Прочный
• Широкий диапазон действия
• Достаточно стабильный
• Точно для больших изменений температуры
• Обеспечить быстрый ответ

Недостатки термопарных датчиков :

• Очень слабый выход, милливольты
• Ограниченная точность при небольших колебаниях температуры
• Чувствителен к электрическим помехам
• Нелинейный
• Сложное преобразование ЭДС в температуру

Типы термопар:
Существует множество различных типов термопар, каждый из которых имеет свой собственный цветовой код для проводов из разнородных металлов. Вот таблица, показывающая буквенное обозначение ANSI для типов термопар и их стандартные цвета, а также некоторые отличительные характеристики типов металлов, помогающие определить полярность, когда цвета проводов не видны четко:

Буквенный дизайн ANSI	Нога (клеммы)	Металлический состав	Точка плавления		Диапазон температур
			°С	°F
Б	P	Платина – 30 % родия	1825	3320	0–1820 °C  32–3308 °F
	Н	Платина – 6% родий
Е	Р	Хромель	1220	2230	-270 — 1000 °C -454 — 1832 °F
	Н	Константан
Дж	Р	Железо	1220	2230	-200 — 1200 °C -328 — 2192 °F
	Н	Константан
К	Р	Хромель	1400	2550	-270 — 1372 °C -454 — 2501 °F
	Н	Алумель
Н	Р	Никросил	1340	2440	-270 — 1300 °C -454 — 2372 °F
	Н	Нисил
Р	Р	Платина – 13% родий	1770	3215	-50 — 1768 °C -58 — 3214 °F
	Н	Чистая платина
С	Р	Платина – 13% родий	1770	3215	-50 — 1768 °C -58 — 3214 °F
	Н	Чистая платина
Т	Р	Медь	1080	1980	-270 — 400 °C -454 — 752 °F
	Н	Константан

Примечание P означает Положительная клемма . N обозначает отрицательную клемму

Кривые основных значений для термопар
Кривые ниже представляют собой график зависимости тепловых напряжений различных типов термопар, выделенных в таблице выше, от температуры:

Проблемы с термопарами:
провода могут быть повреждены чрезмерным нагревом. Если в проводах возникнет короткое замыкание, его может быть невозможно обнаружить. Чувствительное оборудование больше не будет измерять температуру на чувствительном соединении, а вместо этого будет измерять температуру на коротком замыкании.

Если новая термопара была установлена, но не соприкасается с защитной гильзой, возникает воздушный зазор, который влияет на время отклика и может привести к отклонению температуры от фактической температуры. Можно использовать термопасту, и ее следует наносить только на кончик, где происходит измерение температуры. Глубина введения также является фактором, так как чем глубже введение, тем точнее измерение. Термопаста может компенсировать некоторую нехватку длины, но она ограничена, если нехватка слишком велика.

Замена термопар в защитных гильзах может быть очень сложной задачей. Важно убедиться, что отверстие защитной гильзы очищено. Во время переналадки или просто со временем возможно (и, следовательно, вероятно!) скопление материала на дне колодца, который может изолировать термопару от оболочки и препятствовать передаче тепла.

Еще одна проблема, когда новая термопара имеет другую массу, чем старая. Это может повлиять на время отклика и, хотя может не повлиять на точность, может повлиять на стабильность системы с замкнутым контуром.

Заземление может быть еще одной проблемой, когда точность и отклик могут различаться между заземленными и незаземленными устройствами.

Режимы отказа термопарных датчиков:
Разомкнутая цепь в термопарном детекторе означает, что нет пути для протекания тока, поэтому это приведет к низким (за пределами шкалы) показаниям температуры.

Короткое замыкание в детекторе термопары также приведет к заниженным показаниям температуры, поскольку оно создает путь тока утечки на землю и меньшее измеряемое напряжение.

Основы термопар | Измерение температуры | Основы сбора данных

В этом разделе представлены основы термопар, способы их выбора и ключевые моменты их использования.

«Измерение температуры» — в этом руководстве опубликовано все, от базовых знаний до передовых методов!

В этом руководстве объясняются методы измерения температуры объектов, которые нельзя измерить с помощью термопар или термометров сопротивления, причем это объяснение доступно даже новичкам.

Получить PDF для более подробной информации

Термопары представляют собой датчики температуры, состоящие из металлических проводников двух различных типов.
Термопары, в основном используемые для промышленного применения, имеют следующие характеристики по сравнению с другими термометрами (такими как ртутные термометры и термисторы).

1. Быстрый ответ
2. Способен измерять широкий диапазон температур от -200°C до +1700°C (от -328°F до +309°C).2°F)
3. Возможность измерения температуры в определенной точке или на небольшом пространстве
4. Простая обработка и анализ информации благодаря информации о температуре, полученной в виде электрических сигналов (термоэлектродвижущие силы)
5. Низкая цена и доступность

В 1821 году немецкий ученый по имени Томас Иоганн Зеебек обнаружил, что когда два разных металла соединяются и к обоим соединениям прикладывается разность температур, между этими металлами возникает напряжение и протекает ток.
Это явление названо «эффектом Зеебека» в честь его первооткрывателя. Эта электрическая мощность, которая генерирует ток в цепи, называется термоэлектродвижущей силой, и было подтверждено, что ее полярность и величина определяются только материалами двух типов проводников и разностью температур между обоими концами.

Используя эффект Зеебека (объясненный выше), термопара генерирует напряжение в соответствии с разностью температур T между соединением двух типов металлов (температурный спай) T1 и спаем со стороны прибора (эталонный спай) T0.
Измерение температуры с помощью термопары измеряет это напряжение с помощью прибора.

1. Непосредственное считывание температуры при температуре эталонного спая 0°C (32°F) (компенсация холодного спая)
2. Измерение температуры холодного спая (компенсация холодного спая) и добавление ее к разности температур ΔT

Трудно поддерживать температуру холодного спая 0°C (32°F) во время измерения. Вместо этого температуру спая для измерения температуры можно получить, измерив температуру вокруг клеммы и добавив к ней термоэлектродвижущую силу с 0°C (32°F) в качестве эталона. Это известно как компенсация холодного спая.

На рисунке показано изображение термопары, помещенной в стакан с горячей жидкостью.
Предполагается, что жидкость имеет однородную температуру 100°C (212°F) (температурный градиент отсутствует).
В это время в секции термопары в жидкости не создается термоЭДС. ТермоЭДС возникает только при наличии градиента температуры.
Поскольку в сенсорной части термопары создается термоэлектродвижущая сила, эта часть с температурным градиентом является сенсорной секцией.

Информация, которую необходимо знать наряду с термопарами

Щелкните здесь, чтобы ознакомиться с базовыми сведениями о регистраторах температуры.

Скачать PDF

Доступны следующие восемь типов термопар в соответствии с комбинацией двух типов металлических проводников.

Тип символ	Составляющий материал		Диапазон измерения
	+ электрод	− электрод
Б	Платино-родиевый сплав , содержащий 30% родия	Платино-родиевый сплав , содержащий 6% родия	от +600 до +1700°C (от +1112 до +3092°F)
Р	Платино-родиевый сплав , содержащий 13% родия	Платина	0. ..+1100°C (32…+2012°F)
С	Платино-родиевый сплав , содержащий 10% родия	Платина	от +600 до +1600°C (от +1112 до +2912°F)
Н	Сплав, в основном состоящий из никеля, хрома и кремния	Сплав, в основном состоящий из никеля и кремния	от -200 до +1200°C (от -328 до +2192°F)
К	Сплав, в основном состоящий из никель и хром	Сплав, в основном состоящий из никеля и алюминия	от -200 до +1200°C (от -328 до +2192°F)
Е	Сплав, в основном состоящий из никеля и хрома	Сплав, в основном состоящий из меди и никеля	от -200 до +900°C (от -328 до +1652°F)
Дж	Железо	Сплав, в основном состоящий из меди и никеля	от -40 до +750°C (от -40 до +1382°F)
Т	Медь	Сплав, в основном состоящий из меди и никеля	от -200 до +350°C (от -328 до +662°F)

Термопары B, R и S называются термопарами из благородных металлов, а термопары N, K, E, J и T называются термопарами из неблагородных металлов.
Термопары из благородных металлов, которые содержат металлы с высокой температурой плавления, такие как платина и родий, обычно используются для измерения температуры +1000°C (+1832°F) или выше, а термопары из неблагородных металлов часто используются для измерения температур ниже +1000°C (+1832°F).
В таблице ниже перечислены характеристики каждого типа термопары.

B термопары	Имеет более высокую температуру плавления, механическую прочность и длительный срок службы из-за более высокого содержания родия по сравнению с термопарами из других благородных металлов. Эти термопары обладают чрезвычайно низкой электродвижущей силой и не способны измерять низкие температуры. В основном эти термопары выбираются для измерения еще более высокого диапазона температур, который не может быть измерен с помощью термопар R или S.
Термопары R и S	Выбирается, когда требуется долговечность в диапазоне высоких температур. Среди всех термопар из благородных металлов чаще всего используются термопары R.
N термопары	Выберите эти термопары, если вы хотите измерять высокие температуры в диапазоне +1000°C (+1832°F) или выше по низкой цене.
К термопары	В настоящее время наиболее широко используются в промышленности из-за их более низкой цены по сравнению с термопарами из благородных металлов. Во-первых, рассмотрите возможность использования термопар K, поскольку они обладают хорошей линейностью электродвижущей силы, а также обладают высокой термостойкостью и коррозионной стойкостью.
E термопары	Отличаются чрезвычайно высокой электродвижущей силой на 1°C (1,8°F) и превосходным разрешением. Выберите эти термопары, если вы хотите измерять температуру с особенно высокой точностью.
Дж термопары	Отличаются второй по величине электродвижущей силой на 1°C (1,8°F) (после термопар E), а также превосходным разрешением. Еще одной особенностью является более низкая цена, чем у термопар Е.
T термопары	Отличаются хорошими характеристиками электродвижущей силы в диапазоне низких температур (от -200 до +300°C/от -328 до 572°F). Выберите эти термопары, если вы хотите измерить диапазон низких температур с высокой точностью.

Выборка термопар по температуре

Информация, которую необходимо знать наряду с термопарами

Щелкните здесь, чтобы ознакомиться с базовыми сведениями о регистраторах температуры.

Скачать PDF

Волокна сердцевины термопары, как правило, защищены от внешнего воздуха, чтобы обеспечить устойчивость к окислению и долговечность в агрессивных средах.
Термопара, в которой область между ее металлической оболочкой и парой волокон сердцевины термопары заполнена порошкообразной неорганической изоляцией, называется «термопарой оболочкового типа».

1. Отличные свойства на изгиб и ударопрочность благодаря высокой механической прочности
2. Превосходная стойкость к коррозии и давлению

Благодаря вышеперечисленным особенностям использование этих термопар постепенно расширялось с тех пор, как они были введены в практику более 10 лет назад.

Поперечное сечение термопары кожухового типа

Выберите идеальный тип соединения в соответствии с вашим приложением.

Заземлен

Термопара оболочкового типа, измерительный спай которой был создан путем приваривания волокон сердцевины непосредственно к кончику оболочки. Этот тип отличается быстрым откликом, но его нельзя использовать в шумных или опасных местах, поскольку волокна сердцевины заземлены на оболочку.

Без заземления

Термопара оболочкового типа, измерительный спай которой выполнен с изолированными от оболочки волокнами сердцевины. Хотя он имеет более низкую чувствительность, чем заземленный тип, этот тип может выдерживать длительное использование и может использоваться даже в шумных или опасных местах без каких-либо повреждений.

Открытый

Термопара с оболочкой, измерительный спай которой выполнен с волокнами сердцевины, выходящими из оболочки. Этот тип имеет самую высокую чувствительность среди трех типов и реагирует даже на небольшое изменение температуры. Этот тип используется, когда требуется быстрое реагирование, например, во время испытаний двигателя, но в основном утилизируется после использования из-за его чрезвычайно низкой прочности.

Скачать PDF

Компенсационные провода относятся к проводникам, используемым для соединения термопар и приборов для измерения температуры.
Поскольку они имеют почти такую ​​же характеристику термоэлектродвижущей силы, что и термопары в диапазоне рабочих температур (от 0°C до +60°C/от 32°F до +140°F), они в основном используются для удлинения термопар.

Допустим следующий температурный градиент.

20°C (68°F) (компенсация холодного спая) + 30°C (54°F) + 25°C (45°F) + 25°C (45°F) = 100°C (212°F)

Поскольку секция измерения температуры имеет градиент температуры, термоэлектродвижущая сила, соответствующая этой разности температур, генерируется также на проводе компенсационного вывода. Прибор вычисляет сумму генерируемых термоэлектродвижущих сил и отображает результаты в виде температуры.

20°C (68°F) (компенсация холодного спая) + 0(0) + 0(0) + 25°C (45°F) = 45°C (113°F)

Если медный провод вместо компенсационного провода используется, как показано выше, термоЭДС не возникает даже на участке с температурным градиентом. Эта проблема приводит к ошибке в результатах измерения температуры.

Можно ли использовать медные провода при отсутствии градиента температуры?

В тех случаях, когда фактически отсутствует градиент температуры, не возникает и термоЭДС. Следовательно, медные токоподводящие провода можно использовать для удлинения участка без температурного градиента, где не создается термоэлектродвижущая сила.

Для соединения термопары с компенсационным проводом можно без проблем использовать обычную клеммную колодку при условии отсутствия температурного градиента в соединительной части. Однако становится невозможным выполнить точное измерение, если возникает разница температур. В этом случае используйте специальный разъем, который имеет характеристику термоэлектродвижущей силы, эквивалентную характеристике соответствующей термопары.

Термопары можно использовать даже после удлинения на 1 км и более. Однако инструменты обычно имеют определенное «сопротивление входного сигнала», то есть максимальное сопротивление входных сигналов, которое может быть подключено. Обратите внимание, что точное измерение становится невозможным, если общее значение сопротивления термопар превышает это значение.

Скачать PDF

Калибровка термопар относится к операции, которая определяет соотношение между значением, показанным используемой термопарой, и истинной температурой. В основном калибровка проводится раз в полгода. Методы калибровки в основном подразделяются на метод фиксированной точки и метод сравнения.

Метод фиксированной точки

Метод фиксированной точки — это метод калибровки, при котором точное значение температуры дается в фиксированной точке температуры.

Как показано слева, для выполнения калибровки измеряется температура фиксированной точки.
Поскольку фиксированная точка температуры находится в состоянии фазового равновесия вещества, всегда воспроизводится определенная температура.

Фиксированная точка	Температура
Температура кипения азота	-195,798°C (-320,436°F)
Температура кипения кислорода	-182,954°C (-297,317°F)
Точка замерзания	0°С (32°F)
Температура кипения воды	99,974°C (211,953°F)
Тройная точка воды	0,01°С (32,018°F)
Точка замерзания олова	231,928°C (449,470°F)
Температура замерзания цинка	419,527°C (787,148°F)
Температура замерзания алюминия	660,323°C (1220,581°F)
Точка замерзания серебра	961,78°C (1763,204°F)
Точка замерзания золота	1064,18°C (1947,524°F)
Температура замерзания платины	1768°C (3214,4°F)

Что такое тройная точка воды (0,01°C) (32,018°F)?

Тройная точка воды — это температура, при которой газ, жидкость и твердое тело сосуществуют, и обычно реализуется стеклянной ячейкой, называемой ячейкой тройной точки воды.
Эта точка часто используется для метода с фиксированной точкой, поскольку она обеспечивает наилучшую точность ±0,001°C (±0,0018°F).

Метод сравнения

Метод сравнения — это метод калибровки, при котором произвольно установленная температура ванны с постоянной температурой измеряется стандартной термопарой для получения погрешности по сравнению с измеряемой одновременно термопарой при калибровке.

Хотя точность ниже, чем у метода с фиксированной точкой, этот метод позволяет выполнять калибровку при дополнительной температуре.

Термопара тоже имеет свой срок службы. Хотя это сильно зависит от рабочей температуры и атмосферы, термопары из благородных металлов прослужат около 2000 часов, а термопары из неблагородных металлов — около 10 000 часов при нормальной температуре или ниже в окислительной атмосфере. При верхнем пределе температуры срок службы срок службы значительно сократится примерно до 50–250 часов. Поскольку срок службы термопары приближается к концу, она больше не показывает надлежащую температуру и в конечном итоге будет отключена. Для обеспечения точности измерений обязательно регулярно обслуживайте и заменяйте термопары.

Скачать PDF

Иногда измерение температуры с помощью термопар может дать неточные значения. Ниже приводится краткое изложение типичных проблем, возникающих при измерении с использованием термопар.
На рисунке справа показано правильное измерение с использованием термопары. Суммарная термоэлектродвижущая сила составляет 1,00 мВ + 3,00 мВ + 10,00 мВ = 14,00 мВ, что дает измеренное значение 100°C (212°F).
(Каждое значение термоэлектродвижущей силы приведено только для справки.)

Неправильная полярность термопары и компенсационного провода препятствует точному измерению.
Неправильная полярность приводит к тому, что общая термоэлектродвижущая сила составляет −6,00 мВ, в результате чего прибор показывает неправильную температуру.

В случаях, когда существует температурный градиент, использование подводящего провода из меди или аналогичного материала вместо компенсационного подводящего провода препятствует точному измерению.
В результате такого подводящего провода общая термоэлектродвижущая сила составляет 11,00 мВ, в результате чего прибор показывает неправильную температуру.

Использование термопары и компенсационного провода, типы которых отличаются от используемых в приборе, препятствует точному измерению.
Использование этих несоответствующих типов приводит к общей термоэлектродвижущей силе 7,50 мВ, в результате чего прибор показывает неправильную температуру.

Скачать PDF

• Измерение температуры Что такое температура?
• Измерение температуры Основы термометров сопротивления

ИНДЕКС

Для тех, кто хочет узнать
больше о температуре!

В этом руководстве объясняются методы измерения температуры движущихся объектов и объектов с малой теплоемкостью,
которые невозможно измерить с помощью термопар или термометров сопротивления, таким способом, который легко понять даже новичкам.