Как работает термопара. Термопары: принцип работы, устройство и применение в промышленности — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое термопара и как она работает. Каковы основные типы термопар. Как устроена термопара и из каких элементов состоит. Где применяются термопары в промышленности и быту. Каковы преимущества и недостатки использования термопар.

Содержание

Что такое термопара и принцип ее работы

Термопара — это устройство для измерения температуры, состоящее из двух разнородных электропроводящих проводников, соединенных между собой. Принцип работы термопары основан на термоэлектрическом эффекте, открытом немецким физиком Томасом Зеебеком в 1821 году.

Суть эффекта Зеебека заключается в том, что в замкнутой цепи из двух разнородных проводников возникает электрический ток, если места их соединения (спаи) находятся при разных температурах. Величина возникающего напряжения (термо-ЭДС) пропорциональна разности температур между горячим и холодным спаями.

Как работает термопара?

Два разнородных проводника соединяются в одной точке (горячий спай)
Горячий спай помещается в среду, температуру которой нужно измерить

Холодные концы проводников подключаются к измерительному прибору
При нагреве горячего спая возникает термо-ЭДС
Измерительный прибор фиксирует величину термо-ЭДС
По величине термо-ЭДС определяется температура среды

Основные типы термопар

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

Тип K (хромель-алюмель): -200…+1300°C
Тип J (железо-константан): -40…+750°C
Тип T (медь-константан): -250…+350°C
Тип E (хромель-константан): -200…+900°C
Тип N (нихросил-нисил): -270…+1300°C
Тип S (платина-платинородий): 0…+1600°C
Тип R (платина-платинородий): 0…+1600°C
Тип B (платина-платинородий): +600…+1700°C

Устройство и конструкция термопары

Термопара состоит из следующих основных элементов:

Два термоэлектрода из разнородных металлов или сплавов
Горячий спай — место соединения термоэлектродов
Защитный чехол для изоляции термоэлектродов
Головка для подключения удлинительных проводов
Удлинительные (компенсационные) провода

Конструкция термопары может быть открытой или закрытой. В открытой конструкции горячий спай непосредственно контактирует с измеряемой средой. В закрытой конструкции спай помещен в защитную гильзу.

Применение термопар в промышленности и быту

Термопары широко используются для измерения температуры в различных отраслях:

Металлургия — контроль температуры плавки металлов
Энергетика — измерение температуры в котлах и турбинах
Химическая промышленность — контроль температуры реакций
Пищевая промышленность — измерение температуры в печах
Автомобилестроение — датчики температуры двигателя

Бытовая техника — термостаты в утюгах, чайниках и др.

Преимущества и недостатки термопар

Преимущества термопар:

Широкий диапазон измеряемых температур (от -270°C до +2500°C)
Высокая точность измерений
Быстрый отклик на изменение температуры
Простота конструкции и надежность
Низкая стоимость
Возможность измерения температуры в труднодоступных местах

Недостатки термопар:

Нелинейность характеристики преобразования
Необходимость компенсации температуры холодного спая
Подверженность электромагнитным помехам
Ограниченный срок службы при высоких температурах
Возможность появления паразитных термо-ЭДС

Как выбрать термопару для конкретного применения?

При выборе термопары необходимо учитывать следующие факторы:

Диапазон измеряемых температур

Требуемая точность измерений
Условия эксплуатации (агрессивные среды, вибрации и т.д.)
Время отклика
Совместимость с измерительным оборудованием
Стоимость и срок службы

Правильный выбор типа термопары и ее конструкции позволит обеспечить надежное и точное измерение температуры в конкретных условиях применения.

Калибровка и поверка термопар

Для обеспечения точности измерений термопары необходимо периодически калибровать и поверять. Калибровка термопары включает следующие этапы:

Определение фактической характеристики преобразования термопары
Сравнение полученной характеристики с номинальной
Внесение поправок в измерительную систему

Поверка термопар проводится в аккредитованных лабораториях с использованием эталонных средств измерения температуры. При поверке определяется соответствие метрологических характеристик термопары установленным нормам.

Термопары в системах автоматического регулирования

Термопары широко применяются в системах автоматического регулирования температуры. Принцип работы такой системы заключается в следующем:

Термопара измеряет текущую температуру объекта
Сигнал от термопары поступает на регулятор
Регулятор сравнивает текущую температуру с заданной
При отклонении регулятор формирует управляющий сигнал
Исполнительное устройство изменяет подвод или отвод тепла
Температура объекта приводится к заданному значению

Такие системы позволяют автоматически поддерживать требуемую температуру в различных технологических процессах.

Термопара принцип работы простым языком

Содержание

Термопары: подробно простым языком
Принцип работы термопары
Спай термопары
Холодный спай термопары
Рабочий спай термопары (горячий)
Типы термопары
Неисправности термопары
Термопара ТХА, ТХК, хромель-алюмель, ТПП: принцип работы
Общие характеристики
Принцип действия термопары
Конструкция устройства
Разновидности термопары
Монтаж
Преимущества и недостатки применения измерителя
Термопара принцип работы
Что такое термопара, принцип действия
Устройство термопары
Принцип работы термопары. Эффект Зеебека
Компенсация температуры холодного спая (КХС)
Конструкция термопары
Удлиняющие (компенсационные) провода
Схема подключения термопары
Стандарты на цвета проводников термопар
Точность измерения
Быстродействие измерения
Устройство и принцип действия
Особенности устройства промышленной термопары
Недостатки термопары
Принцип работы термопары
Погрешность измерений
Устройство и принцип действия термопары
Схема подключения термопары
Как работает датчик пламени в газовом котле
Основные типы термопар для газового котла
Термопара в системе газового контроля
Видео

Термопары: подробно простым языком

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

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

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

Источник

Термопара ТХА, ТХК, хромель-алюмель, ТПП: принцип работы

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

Общие характеристики

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

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

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

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

ВИДЕО: Измерение температуры с помощью термопары

Принцип действия термопары

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

Схематическая работа устройства

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

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

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

Конструкция устройства

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

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

Термопара для котельного оборудования

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

Разновидности термопары

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

Принцип работы термопары

Монтаж

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

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

Термопара для печи

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

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

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

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

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

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

Преимущества и недостатки применения измерителя

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

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

Источник

Термопара принцип работы

Что такое термопара, принцип действия

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

Устройство термопары

Принцип работы термопары. Эффект Зеебека

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

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

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

Компенсация температуры холодного спая (КХС)

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

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

Конструкция термопары

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

Особенности конструкции термопар:

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

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

3) Способ изоляции подбирается с учетом верхнего температурного предела.

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

Удлиняющие (компенсационные) провода

Данный вид проводов необходим для удлинения концов термопары до вторичного прибора или барьера.

Провода не используются в случае наличия у термопары встроенного преобразователя с унифицированным выходным сигналом.

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

Схема подключения термопары

Стандарты на цвета проводников термопар

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

Точность измерения

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

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

Быстродействие измерения

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

Факторы, увеличивающие быстродействие:

Устройство и принцип действия

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

Особенности устройства промышленной термопары

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

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

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

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

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

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

Принцип работы термопары

Термопара в электрической цепи

Погрешность измерений

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

состоит из следующих составных частей:

случайная погрешность, вызванная особенностями изготовления термопары;

погрешность, вызванная нарушением температурного режима «холодного» контакта;

погрешность, причиной которой послужили внешние помехи;

погрешность контрольной аппаратуры.

Устройство и принцип действия термопары

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

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

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

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

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

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

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

Схема подключения термопары

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

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

Как работает датчик пламени в газовом котле

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

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

Основные типы термопар для газового котла

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

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

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

Термопара для газового котла типа J

Следующие образцы продукции находят применение в сфере тяжелой промышленности:

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

Термопара в системе газового контроля

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

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

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

Источник

Видео

Как работает термопара? | Термопары в соответствии с МЭК 60584-1 и ASTM E230

Термопара. Принцип действия

Измерение температуры с помощью термопары

Эффект Зеебека (термопара)

Служба КИП и А. Термопара, термометр сопротивления

Сравнение термосопротивления и термопары. Основы измерения температуры от Emerson

Чтобы термопара не сгорела, монтировать ее нужно так!

3 СПОСОБА КАК СДЕЛАТЬ ТЕРМОПАРУ

Как работает термометр сопротивления? Термометры сопротивления в соответствии МЭК 60751

Термопара. Химия – просто

Что такое термопара и как она работает?. Статья компании Технонагрев

Что такое термопара?

Термопара — это термоэлектрический преобразователь, который преобразует тепловую энергию в электрическую. Термопара состоит из соединения проводов, сделанных из разнородных металлов, для образования спая. Напряжение возникает при изменении температуры на стыке.

Концепция термопары основана на эффекте Зеебека, который утверждает, что если разнородные металлы соединяются в одной точке, они будут генерировать небольшое измеряемое напряжение при изменении температуры точки соединения. Величина напряжения зависит от величины изменения температуры и характеристик металлов.

Конструкция термопары состоит из двух изолированных проводов, подключенных к измерительному прибору с коаксиальной оболочкой, разделенной изолированным материалом. Термопары служат в качестве контрольно-измерительного прибора для различных типов оборудования.

Процесс термопары можно увидеть на изображении ниже, где температура повышается на стыке проводов слева, а изменение температуры отображается на датчике справа.

Измерение температуры термопарой

Как работает термопара?

Когда два провода термопары соединяются для образования спая, один из них подключается к корпусу термопары и измеряет температуру. Его называют горячим или измерительным спаем. Второй спай прикреплен к телу известной температуры и является опорным спаем. Термопара измеряет неизвестную температуру и сравнивает ее с известной температурой.

Идея термопары основана на трех принципах действия, открытых Зеебеком, Пельтье и Томсоном.

Эффект Зеебека:

Эффект Зеебека возникает, когда два разных или непохожих металла соединяются вместе на двух стыках, и на двух стыках создается электродвижущая сила (ЭДС), которая различна для разных типов металлов

Эффект Пельтье:

ЭДС создается в цепи, когда два разнородных металла соединяются с образованием двух стыков из-за разной температуры двух стыков цепи

Эффект Томсона:

Эффект Томсона — это когда тепло поглощается по длине стержня, концы которого находятся при разных температурах. Температура тепла связана с протеканием тока до температуры вдоль стержня

Как работает термопара

Схема термопары показана на изображении ниже, где A и B — два разнородных провода, которые соединены, образуя спай. Два перехода имеют разные температуры, чтобы генерировать в цепи ЭДС Пельтье, которая является функцией температур двух переходов.

Термопара

Электроны переносят тепло и электричество. Если кусок медной проволоки нагреть с одного конца, электроны будут двигаться по проволоке к более холодному концу и создавать температурный градиент вдоль проволоки. Тепло превратилось в энергию. Тот же принцип, открытый Вольтом и Зеебеком, применим к термопаре.

Если температура спаев термопары одинакова, на стыках будет генерироваться равная и противоположная ЭДС, и ток будет равен нулю. Если переходы имеют разные температуры, ЭДС не будет равняться нулю, и ток будет течь по цепи так же, как тепло, протекающее по медному проводу. Поток ЭДС через цепь зависит от металлов и температуры двух переходов, которая измеряется измерителем.

ЭДС в цепи термопары очень мала, в милливольтах, и требует высокочувствительного прибора для определения генерируемой ЭДС. Обычно используются гальванометры и потенциометры, уравновешивающие напряжение, причем потенциометр используется наиболее часто.

Потенциометр измеряет разность потенциалов, сравнивая неизвестное напряжение с опорным напряжением. Он может обеспечить высокоточные измерения. Он представляет собой трехконтактный переменный резистор и действует как регулируемый делитель напряжения. Гальванометр измеряет очень малые электрические токи. Они используются для измерения нулевого отклонения или нулевого тока.

Потенциометр и Гальванометр

Чтобы термопара могла произвести абсолютное измерение, она должна быть привязана к известной температуре, такой как замерзание, на другом конце кабеля датчика. Горячий спай является измерительным узлом, а холодный спай, как показано на диаграмме ниже, является точкой отсчета, где располагается микросхема компенсации холодного спая. Температура холодного спая может варьироваться, но является справочной.

Холодный спай можно зафиксировать, погрузив его в воду для поддержания постоянной температуры.

Окружающий воздух может влиять на эталонную температуру. Его можно откалибровать и отрегулировать с помощью устройства компенсации холодного спая.

Простое изображение термопары

Использование защитной гильзы

В некоторых случаях применения термопар требуется использование защитной гильзы. Это устройство используется для защиты термопары от технологической среды и состоит из закрытой трубы или твердого стержня, установленного внутри указанной среды. Защитные гильзы чаще всего используются на нефтеперерабатывающих или химических заводах, чтобы продлить срок службы термопар. В зависимости от области применения могут использоваться различные типы защитных гильз. Некоторые из этих типов включают:

Прямые защитные гильзы
Ступенчатые защитные гильзы
Конические защитные гильзы

Защитные гильзы также классифицируются по способу их подключения к термопаре или термистору. Эти типы подключений могут включать:

Соединения под сварку внахлест
Фланцевые соединения
Резьбовые соединения
Соединения с уплотнительным кольцом
Сварные соединения

Компания Технонагрев производит различные термопары для промышленных систем нагрева. Ознакомиться с нашим ассортиментом и характеристиками термопар можно на странице товара. Звоните нам для получения дополнительной информации или оставляйте свои вопросы в форме на сайте.

Термопара принцип работы

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

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

Устройство термопары

Принцип работы термопары.

Эффект Зеебека

Работа термопары обусловлена возникновением термоэлектрического эффекта, открытым немецким физиком Томасом Зеебеком (Tomas Seebeck) в 1821 г. Явление основано на возникновении электричества в замкнутом электрическом контуре при воздействии определенной температуры окружающей среды.

Электрический ток возникает при наличии разницы температур между двумя проводниками (термоэлектродами) различного состава (разнородных металлов или сплавов) и поддерживается сохранением места их контактов (спаев). Устройство выводит на экран подсоединенного вторичного прибора значение измеряемой температуры.

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

Компенсация температуры холодного спая (КХС)

Конструкция термопары

Особенности конструкции термопар:

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

3) Способ изоляции подбирается с учетом верхнего температурного предела.

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

4) Защитный чехол.

Удлиняющие (компенсационные) провода

Данный вид проводов необходим для удлинения концов термопары до вторичного прибора или барьера.

Схема подключения термопары

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

Стандарты на цвета проводников термопар

Точность измерения

Быстродействие измерения

Факторы, увеличивающие быстродействие:

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

Устройство и принцип действия

Особенности устройства промышленной термопары

Недостатки термопары

Принцип работы термопары

Термопара в электрической цепи

Погрешность измерений

состоит из следующих составных частей:

случайная погрешность, вызванная особенностями изготовления термопары;
погрешность, вызванная нарушением температурного режима «холодного» контакта;
погрешность, причиной которой послужили внешние помехи;
погрешность контрольной аппаратуры.

Устройство и принцип действия термопары

Схема термопары

Схема подключения термопары

Как работает датчик пламени в газовом котле

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

Основные типы термопар для газового котла

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

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

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

Термопара для газового котла типа J

Следующие образцы продукции находят применение в сфере тяжелой промышленности:

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

Термопара в системе газового контроля

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

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

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

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

Что такое термопара? Как они работают?

Что такое термопара? Как они работают?
Термопара – это устройство для измерения температуры. Он состоит из двух разнородных металлических проводов, соединенных вместе, образуя соединение. Когда спай нагревается или охлаждается, в электрической цепи термопары возникает небольшое напряжение, которое можно измерить и которое соответствует температуре.
Теоретически для изготовления термопары можно использовать любые два металла, но на практике обычно используется фиксированное число типов. Они были разработаны для улучшения линейности и точности и состоят из специально разработанных сплавов.
Термопары могут быть изготовлены практически для любого применения. Они могут быть надежными, быстродействующими и измерять очень широкий диапазон температур.
Посмотрите наш ассортимент термопар
A title
Image Box text
Вам нужны термопары
для вашего приложения?
проверить диапазон
Наш ассортимент термопар
Быстрый просмотр
Быстрый просмотр
Быстрый просмотр
Быстрый просмотр
Быстрый просмотр
Быстрый просмотр
Быстрый просмотр
Быстрый просмотр
Что делает термопара?
Термопара — это просто датчик, который используется для измерения температуры. Эта конструкция датчика состоит из двух разнородных металлических проводов, которые соединены вместе на одном конце и подключены к прибору, способному принимать входной сигнал термопары и измерять показания. Термопары могут обеспечивать измерение температуры в широком диапазоне температур в зависимости от того, какой тип термопары вы используете.
Откройте для себя наш ассортимент термопар
Пример термопары, изготовленной по параметрам процесса
Схема термопары
Что делает термопара?
Термопара — это просто датчик, который используется для измерения температуры. Эта конструкция датчика состоит из двух разнородных металлических проводов, которые соединены вместе на одном конце и подключены к прибору, способному принимать входной сигнал термопары и измерять показания. Термопары могут обеспечивать измерение температуры в широком диапазоне температур в зависимости от того, какой тип термопары вы используете.
Типы термопар
Датчик термопары
Что такое датчик термопары?
Что понимается под термопарой? Теперь у нас есть понимание того, как работает термопара и что такое термопары, один из популярных вопросов — что такое зонд термопары?
Датчик термопары представляет собой конструкцию датчика, в которой он изготовлен. Независимо от того, является ли датчик термопарой типа K, J, T, N, все эти типы термопары могут быть изготовлены в трубке, корпусе или конструкции одинакового размера. Чтобы получить представление о типовых доступных конструкциях, ознакомьтесь с некоторыми из наших датчиков термопар.
Как выглядит термопара? Термопары выглядят по-разному из-за конструкций, в которых они изготовлены. Хотя сама термопара представляет собой два оголенных провода, соединенных вместе, эти два провода можно поместить в различные конструкции, чтобы защитить их и продлить срок службы.
Термопара типа K
Что такое термопара типа K?
Популярный вопрос: что такое термопара типа K?
Термопара типа K изготовлена из двух разнородных металлов: никель-хром / никель-алюмель. Термопара типа K является наиболее популярным типом термопары, поскольку она недорогая, точная, надежная (в зависимости от конструкции, используемой для вашего приложения) и охватывает широкий диапазон температур.
Термопары типа K могут использоваться в самых разных областях благодаря своим возможностям в широком диапазоне температур. Максимальная постоянная температура составляет около 1100 °C.
Термопары с вилкой или кабелем можно идентифицировать по цветовой маркировке. В этом случае тип K зеленый. Если у вас есть кабель, зеленая ножка — плюс, а белая — минус.
Термопара типа K
Термопара типа J
Что такое термопара типа J?
Так что же такое термопара типа J? Термопары типа J также очень распространены. Он имеет меньший диапазон температур, чем термопары типа K, с диапазоном от 0 до 600 ° C. Тип J состоит из двух разнородных металлов: железа / медно-никелевого сплава (также известного как константан). С точки зрения стоимости они очень похожи на тип K.
Одно из самых популярных применений типа J – в производстве пластмасс.
Термопары с вилкой или кабелем можно определить по цветовой маркировке. В данном случае тип J — черный. Если у вас есть кабель, черная ножка будет положительной, а белая — отрицательной.
Термопара типа J
Подробнее о термопарах
Что такое термопара?
Как работает термопара?
Цветовой код термопары
Типы термопар
Ведущие производители термопар
Объяснение термопары | Принципы работы
В этой статье мы познакомим вас с одним из наиболее часто используемых датчиков температуры — термопарой.
Мы обсудим основы их работы, что необходимо учитывать при выборе термопары, а затем проблемы, связанные с внедрением термопар в промышленное применение.

Если вы решаете, какие инструменты будут размещены на машине или в процессе, чем больше у вас информации, тем лучше.
Сказав все это, давайте начнем наше знакомство с термопарами…
Термопары – основы
Термопара — чрезвычайно простое устройство, используемое для измерения температуры.
Термопары, как правило, недороги, долговечны и могут быть изготовлены в различных формах и размерах.
Горячий спай термопары
Термопара состоит из двух разнородных металлических проводов. Непохожий — это просто причудливый способ сказать Различный , но по какой-то неизвестной причине это слово чаще всего используется при обсуждении термопар.
В любом случае металлические провода соединяются вместе только в одном месте, обычно на конце термопары.
Многие производители называют этот переход разными именами. Горячий спай, измерительный спай, точка измерения или сенсорный спай. Все эти термины относятся к одному и тому же… месту соединения разнородных металлов, которое будет измерять температуру.
Выходное соединение термопары
Провода на противоположном конце от измерительного соединения остаются доступными для подключения к какому-либо измерительному прибору, такому как датчик температуры, простой электронный дисплей или даже непосредственно к ПЛК. плата входа термопары.
Холодный спай термопары
Проводные клеммы измерительного прибора чаще всего называются холодным спаем .
В то время как горячий спай относится к наконечнику термопары, который будет подвергаться воздействию интересующего источника тепла, холодный спай относится к соединениям проводов термопары, которые происходят непосредственно на измерительном приборе, который обычно не подвергается воздействию одинаковая тепловая энергия.
Термоэлектрический эффект
Все термопары работают одинаково. Они генерируют небольшое напряжение при воздействии тепла.
Если вам интересна подробная физика того, как это работает, вы можете исследовать такие темы, как Термоэлектрический эффект или Эффект Зеебека , но, говоря проще, когда вы нагреваете кусок металла, электроны в металле хотят больше двигаться и будут стремиться двигаться через металл в сторону от тепла.
Поскольку электроны заряжены отрицательно, более холодный конец куска металла будет иметь отрицательный заряд по сравнению с более горячим концом.
Работа термопары
Работа термопары основана на движении электронов в металлических проводах из-за разницы температур между горячим и холодным спаями.
Если бы два провода термопары были сделаны из одного и того же типа металла, электроны в обоих проводах удалялись бы от тепла примерно с одинаковой скоростью, поэтому вы не могли бы реально измерить разницу в заряде двух проводов. провода.
Но если вы помните, термопары состоят из двух разных типов металлических проводов… и эти провода соединяются вместе только в горячем спае… чувствительном конце термопары.
Различные металлы в этих проводах или, точнее, электроны в этих разных металлических проводах по-разному реагируют на тепло.
Провода термопары
При воздействии тепла электроны одного из проводов будут двигаться с определенной скоростью. Электроны из другого провода захотят двигаться с другой скоростью.
— Провод, в котором больше движущихся электронов, оказывается более отрицательно заряженным в холодном спае… и поэтому будет называться отрицательным выводом провода .
— Провод с более медленными электронами не будет накапливать столько заряда, поэтому он называется положительным проводом .
Эту разницу заряда между положительным и отрицательным проводами можно измерить и использовать для расчета тепла в горячем спае.
Это основной принцип работы термопары, поэтому давайте более подробно рассмотрим конкретную термопару, чтобы убедиться, что она у нас есть.
Термопара типа K
Рассмотрим внимательно термопару типа K. Термопара типа K, вероятно, является наиболее часто используемой термопарой в промышленных приложениях, потому что она предсказуемо реагирует в очень широком диапазоне температур (скажем, от -330 ° F до примерно +2460 ° F).
Точные диапазоны температур будут немного меняться в зависимости от того, как производитель строит корпус зонда и какие изоляционные материалы используются, но с таким широким диапазоном вы можете понять, почему он подходит практически для любого применения…
Термопары типа К изготовлены из металлических сплавов Хромель и Алюмель .
Когда мы нагреем проволоку, вы заметите, что электроны в хромелевой проволоке движутся не так сильно, как электроны в алюмелевой проволоке.
За очень короткий период времени вы можете увидеть, что алюмелевая проволока имеет больше электронов, собирающихся на холодном спае… более холодный конец… что означает, что алюмелевая проволока будет иметь отрицательный заряд по сравнению с хромелевой проволокой.
Эту разницу в заряде, также называемую напряжением, можно измерить.
Напряжение термопары
Чем больше тепла вы подаете на металлические провода, тем больше двигаются электроны и тем больше они удаляются от тепла.
При использовании двух разных типов металлической проволоки разница в напряжении будет увеличиваться и уменьшаться при изменении температуры в точке измерения.
Напряжения термопары очень малы. Фактическое изменение напряжения на градус Цельсия ничтожно мало. Например, для типа K изменение составляет около 41 мкВ/°C. Кроме того, интересно, что все напряжения T/C равны 0 мВ при 0 °C.
Поскольку производители термопар тщательно выбирают металлические сплавы при изготовлении термопар, любой может преобразовать эти напряжения в температуры с помощью стандартных вычислений.
На самом деле, большинство производителей предоставляют графики зависимости напряжения от температуры, чтобы вы могли получить представление о разнице температур между горячим и холодным спаями.
Как выбрать термопару
Существует множество различных типов термопар. У большинства производителей есть руководства по выбору, которые помогут вам решить, что купить.

Кроме того, у большинства известных производителей есть специалисты по технической поддержке, которые ответят на ряд вопросов, чтобы помочь выбрать правильный тип термопары для вашего приложения.
I) Диапазон и точность
Вам необходимо учитывать такие вещи, как диапазон измеряемых температур и желаемую точность.
Это поможет сократить количество двух разных металлических проводов, которые вам нужно использовать. Тип термопары зависит от типа металлов, используемых в сенсорных проводах.
1) Термопара типа K
Как мы упоминали ранее, термопара типа K изготовлена из проволоки из сплава хромель и алюмель . Его можно использовать для измерения температуры от -330 °F до более +2460 °F. Этот температурный диапазон может охватывать широкий спектр применений.
Необходимо иметь в виду, что точность термопары типа K может составлять всего около плюс-минус 5 °F во всем диапазоне. Иногда это нормально, но иногда требуется большая точность.
2) Термопара типа T
Если вы ищете криогенное приложение, требующее большей точности, но вам не нужно беспокоиться о высоких температурах, вы можете рассмотреть термопару типа T.
Термопара типа T изготовлена из медной проволоки и медно-никелевой проволоки. Термопары типа T обычно имеют точность в пределах одного или двух градусов… так что их точность примерно в два раза выше, чем у термопар типа K.
Термопары типа T обычно могут измерять даже ниже -330 °F, но верхняя граница диапазона обычно составляет чуть более 600 °F. Они более точны, но имеют более ограниченный диапазон измерений.
Это обычные компромиссы для термопар. Металлические пары, которые могут сделать больше, часто менее точны… что-то вроде мастера на все руки , но не мастера сценария . Если вы хотите большей точности, вам либо нужны более дорогие металлы, либо вам нужно сузить диапазон температур.
II) Типы термопар
Витая проволока
В дополнение к различным ТИПАм термопар существуют различные СТИЛИ термопар.
Во многих приложениях для измерения температуры можно обойтись простым использованием провода термопары со скрученными концами.
В этом случае необходимо позаботиться о защите провода от вибрации или физического повреждения, но возможность использовать только пару гибких проводов может решить множество механических проблем с получением положения точки измерения в нужной области. мера.
Защитная оболочка
В тех случаях, когда требуется дополнительная защита, провода помещаются в зонд, который представляет собой своего рода защитную оболочку и изоляционный материал для защиты проводов.
Датчики термопары бывают незаземленными , заземленными и открытыми Тип соединения. Тип зонда термопары, который вы выберете, также будет зависеть от вашего приложения.
1) Термопары с открытым спаем — это когда сенсорные провода соединены вместе за пределами конца оболочки зонда.
Термопары с открытым спаем имеют самое быстрое время отклика на изменения температуры, но поскольку чувствительный спай открыт, он более уязвим к поломке. Эти зонды обычно используются для измерения газов.
Для агрессивных сред и жидкостей лучше всего подходят заземленные или незаземленные термопары.
2) A Заземление зонда происходит, когда чувствительное соединение находится в прямом контакте с концом оболочки.
Это ускоряет передачу тепла на конце оболочки, что улучшает время отклика термопары, но также делает измерительные провода более уязвимыми для электрических помех, таких как контуры заземления. Это может снизить точность заземленного пробника.
3) Незаземленный щуп – это когда измерительный спай соединяется непосредственно внутри конца щупа. Это означает, что между чувствительным соединением и самым кончиком зонда имеется небольшой слой изолирующего материала.
Изолирует провод датчика от электрических помех, но теплопередача замедляется из-за изоляционного материала. Таким образом, незаземленный датчик имеет тенденцию быть более точным, но медленнее реагировать.
Проблемы с термопарами
Как уже говорилось, точность термопары очень чувствительна к типу металла, используемого в проводке. К сожалению, это затрудняет установку в промышленных условиях.
A) Компенсация холодного спая
Одна проблема, с которой вам нужно разобраться, называется Компенсация холодного спая .
Ранее в этой статье мы заявили, что сигнал термопары основан на разнице температур между горячим и холодным спаями. Но нам нужно сделать небольшую коррекцию сигнала, чтобы преобразовать эту температуру разница в абсолютную температуру.
Например, если температура в реакторе составляет 700 °F, а температура наружного воздуха в месте расположения холодного спая измерительного прибора составляет 70 °F, милливольт термопары покажет только температуру 664 °F.
Хуже того, поскольку температура окружающей среды повышается и понижается в течение дня и ночи, измеренное значение может меняться, даже если температура реактора остается постоянной.
К счастью, большинство измерительных приборов могут выполнять компенсацию холодного спая… либо со стандартным встроенным оборудованием, либо с дополнительным компенсация холодного спая надстройка.
Компоненты компенсации холодного спая измеряют температуру металла на соединениях проводки холодного спая, а затем вносят поправку в расчет сигнала.
Таким образом, реактор теперь будет показывать истинные 700 °F, и показания не изменятся… ни днем, ни ночью… до тех пор, пока не изменится температура реактора. Таким образом, по большей части с компенсацией холодного спая довольно легко справиться.
B) Дистанционный мониторинг температуры
Более серьезной проблемой для термопар является необходимость измерения температуры в удаленном месте.
1) Удлинительный провод и клеммная колодка
Если вам необходимо удлинить проводку термопары, вы должны использовать так называемый удлинительный провод термопары , чтобы уменьшить количество ошибок.
Попытка соединить стандартную медную сигнальную проводку или даже использовать стандартные клеммные колодки для расширения сигнала термопары может привести к созданию дополнительных холодных спаев в цепи и внесению дополнительных ошибок сигнала .
Удлинительные провода для термопар продаются по типу… как и термопары.
Удлинительный провод термопары изготовлен из того же типа металла, что и термопара, поэтому, когда вам нужно удлинить цепь, необходимо использовать удлинительный провод термопары того же типа, что и термопара.
Аналогичным образом, если для подключения проводки необходимо использовать клеммные колодки, клеммные колодки должны быть изготовлены из тех же металлов, что и отдельные провода.
Если у вас есть термопара типа K, вам необходимо использовать удлинительный провод типа K и специальные клеммные колодки из хромеля и алюмеля.
Попытка удлинить термопару с помощью стандартной медной проволоки приведет к ошибкам в измерениях, поскольку движение электронов будет нарушено различными металлами.
2) Преобразователь температуры
Не рекомендуется прокладывать удлинительный провод термопары на большие расстояния из-за чувствительности сигнала к электрическим помехам.
Если вы пытаетесь пройти более 50–100 футов, вам необходимо рассмотреть возможность использования преобразователя температуры, который преобразует милливольтовый сигнал в сигнал другого типа, например, 4–20 мА.
3) Удаленный ввод/вывод
Если вам необходимо выполнить несколько измерений температуры в удаленном месте, удаленный блок ввода/вывода от вашего ПЛК может оказаться хорошим вариантом.
Примеры подключения термопары
Пример #1
Давайте рассмотрим два разных примера. Во-первых, у нас есть склад-холодильник на одном конце промышленного предприятия. Диспетчерская или главная стойка более централизованной системы управления находится в нескольких сотнях футов.
Простой холодильный склад может не требовать большой автоматизации, но вам может потребоваться убедиться, что температура внутри склада остается низкой.
Вы можете попробовать использовать удлинительный провод термопары, который стоит дешево, но теперь вы знаете, что уровень сигнала термопары не может передаваться на большое расстояние. Что теперь делать?
Вы можете установить стойку удаленного ввода-вывода из системы ПЛК, а затем поместить плату ввода-вывода термопары в удаленную стойку, но стойка и плата ввода-вывода могут увеличить общую стоимость решения.
Вместо этого вы можете приобрести недорогой преобразователь температуры, который преобразует милливольтовый сигнал от термопары в стандартный сигнал 4–20 мА, который может легче передаваться на большее расстояние с большей устойчивостью к электрическим помехам.
Пример #2
Что делать, если вам нужно провести несколько измерений на одном и том же складе? Что, если бы в здании было несколько зон HVAC, которые необходимо оптимизировать для снижения затрат на электроэнергию?
Теперь, когда нужно провести несколько измерений, покупка нескольких преобразователей для преобразования сигналов может обойтись дороже, чем удаленная стойка ввода-вывода… приложение и обратите внимание на некоторые проблемы, которые могут возникнуть.
Резюме
Надеюсь, вам понравилась прогулка по миру термопар. В то время как наука о том, как электроны движутся через металл, может показаться среднему человеку сложной, простое соединение двух разных металлических проводов для измерения температуры довольно просто и недорого.
Существуют и другие типы датчиков температуры, которые можно использовать для решения проблем, связанных с установкой, например RTD… но это для другой статьи…
Если вы еще не читали следующую статью по теме, возможно, вы захотите взглянуть на нее:
— Что такое датчик температуры? (RTD, термопара, термистор)
Хотя эта статья может быть полезной сама по себе и поможет вам быстро узнать все, что вам нужно знать о термопарах, другая статья даст вам хорошую общую информацию о нескольких различных типах датчиков температуры.
Если у вас есть какие-либо вопросы о термопарах или о датчиках температуры в целом, задайте их в комментариях ниже, и мы свяжемся с вами менее чем через 24 часа.
У вас есть друг, клиент или коллега, которым может пригодиться эта информация? Пожалуйста, поделитесь этой статьей.
Как работает термопара и ее ограничения?
Термопара
Термопара — это датчик, используемый для измерения температуры. Термопары состоят из двух проволочных стержней из разных металлов. Проволочные ножки свариваются вместе на одном конце, создавая соединение. В этом соединении измеряется температура. Когда соединение испытывает изменение температуры, создается напряжение. Термопара создает зависящее от температуры напряжение в результате термоэлектрического эффекта [поясняется ниже], и это напряжение можно интерпретировать как измерение температуры. Основным ограничением термопар является точность; системные ошибки менее одного градуса могут быть труднодостижимы.
Эффект Зеебека :
Известен по имени немецкого физика Томаса Иоганна Зеебека. Эффект Зеебека — это явление, при котором разница температур между двумя разнородными электрическими проводниками или полупроводниками создает разницу напряжений между двумя веществами. Когда к одному из двух проводников или полупроводников прикладывается тепло, нагретые электроны движутся к более холодному. Причина этого движения электронов кроется в металлической связи металлов и, в частности, в свободных делокализованных электронах. Делокализованные электроны — это электроны в молекуле, ионе или твердом металле, которые не связаны ни с одним атомом или ковалентной связью. Делокализованный означает, что электроны могут свободно перемещаться по структуре, что приводит к таким свойствам, как проводимость.
Если металлическую проволоку нагреть только с одного конца, колебания решетки и движения свободных электронов на этом участке усиливаются. Из-за тяжелых столкновений они начинают распространяться и диффундировать к холодному концу. Там кинетическая энергия электронов ниже, и электроны не отталкиваются снова тяжелыми столкновениями. Таким образом, на горячем конце провода меньше электронов, чем на холодном. В результате между двумя концами возникает электрическое напряжение, также известное как термоэлектрическое напряжение, а процесс преобразования разности температур в напряжение называется термоэлектрическим эффектом.
Напряжения, создаваемые эффектом Зеебека, малы, обычно всего несколько микровольт (миллионных долей вольта) на кельвин разницы температур на переходе. Если разница температур достаточно велика, некоторые устройства с эффектом Зеебека могут производить несколько милливольт (тысячных долей вольта). Многочисленные такие устройства могут быть соединены последовательно для увеличения выходного напряжения или параллельно для увеличения максимального отдаваемого тока.
Линейное приближение эффекта Зеебека можно увидеть в следующем уравнении: ∆V = S x [Th – Tc], ∆V- разность потенциалов между двумя разнородными металлами, S — коэффициент Зеебека в В/К (обычно в мкВ/°C), [Th – Tc] = разница температур между горячим и холодным спаями
Коэффициент Зеебека специфичен для двух проводников, которые используются для построения термопары, и имеет нелинейную зависимость от температуры. Использование линейной аппроксимации эффекта Зеебека может привести к значительным ошибкам измерения. Важно знать, что измерение температуры не может быть определено исключительно по ЭДС, генерируемой термопарой. Вместо этого должны быть известны следующие три параметра: [1] термоэлектрическое напряжение из-за температурного градиента между горячим и холодным спаем [2] тип термопары [3] температура холодного спая. При наличии этой информации, как объяснялось выше, температура на горячем спае Th = V [термопара] / [k x Tc] + Tc,
Th — температура горячего спая в градусах по Цельсию, Tc — температура холодного спая в градусах по Цельсию, [Th – Tc] – разность температур между горячим и холодным спаями, k – коэффициент Зеебека как функция Tc в мкВ/°C
Термопара:
Если простую проволоку, такую как описанную выше, подвергнуть воздействию источника тепла, проволока нагреется равномерно. Из-за отсутствия температурного градиента между концами термоэлектрическое напряжение не могло быть измерено.
Следовательно, требуются два разных проводника, различающихся по силе эффекта Зеебека (например, медь и железо). Различные провода теперь соединены на одном конце. Это соединение служит измерительным спаем («горячий спай») и подвергается воздействию измеряемой температуры. Другие концы ведут к так называемому эталонному спаю («холодному спаю»), температура которого обычно равна температуре окружающей среды. Теперь между измерительным спаем и эталонным спаем и, следовательно, между концами соответствующих проводов возникает градиент температуры. Это приводит к термоэлектрическому эффекту с следствием электрического напряжения. Так как это разные металлы, то и термоэлектрический эффект разный по силе. Например, по сравнению с медью, железо имеет термоэлектрическое напряжение примерно в 6 раз выше.
Поскольку два металла соединены друг с другом в измерительном соединении, они имеют одинаковый электрический потенциал. В результате электрические потенциалы на опорном спае различаются, и возникает электрическое напряжение, которое можно измерить вольтметром.
В горячем спае вы получаете температуру Th, как описано выше.
Температура на горячем спае Th = V термопары / [k x Tc] + Tc,
Th — температура горячего спая в градусах Цельсия, Tc — температура холодного спая в градусах Цельсия, [Th – Tc] разница температур между горячим и холодным спаем переходы, k — коэффициент Зеебека как функция Tc в мкВ/°C
Ограничения термопары: их много. Объяснены только три ограничения.
Плохое тепловое/электрическое соединение в горячем спае. Если два проводника неправильно соединены друг с другом в горячем спае, может генерироваться неправильное термоэлектрическое напряжение. Для термопары с неизолированным проводом существует несколько различных способов соединения двух выводов вместе. Провода могут быть скручены вместе, спаяны вместе или сварены вместе. Для приложений с чрезмерными механическими вибрациями скручивание проводов вместе не рекомендуется. Для высокотемпературных применений соединение не следует спаивать из-за возможности оплавления припоя.