Что такое термопара и как она работает. Какой физический смысл имеет постоянная термопары. В каких единицах измеряется постоянная термопары. Для чего используются термопары в промышленности и науке.
Что такое термопара и принцип её работы
Термопара — это датчик температуры, состоящий из двух разнородных металлических проводников, соединенных между собой. Принцип работы термопары основан на термоэлектрическом эффекте (эффекте Зеебека):
- При нагреве места соединения двух разных металлов (спая) в цепи возникает электродвижущая сила (термоЭДС)
- Величина термоЭДС зависит от разности температур горячего и холодного спаев термопары
- Измеряя термоЭДС, можно определить температуру горячего спая термопары
Таким образом, термопара преобразует тепловую энергию в электрическую, что позволяет измерять температуру.
Физический смысл постоянной термопары
Постоянная термопары (обозначается α) — это коэффициент пропорциональности между термоЭДС и разностью температур спаев термопары. Физический смысл постоянной термопары заключается в следующем:
- Характеризует чувствительность термопары
- Показывает, какая термоЭДС возникает при разности температур спаев в 1°C
- Зависит от материалов проводников термопары
Чем больше постоянная термопары, тем выше её чувствительность и точность измерений. Как определяется постоянная термопары?
Единицы измерения постоянной термопары
Постоянная термопары измеряется в микровольтах на градус Цельсия (мкВ/°C). Это означает:
- 1 мкВ/°C — при разности температур спаев в 1°C возникает термоЭДС 1 микровольт
- Типичные значения: от 10 до 70 мкВ/°C для разных типов термопар
- Чем выше значение, тем чувствительнее термопара
Например, для хромель-алюмелевой термопары постоянная составляет около 41 мкВ/°C. Это значит, что при разности температур спаев 100°C возникнет термоЭДС 4100 мкВ.
Типы термопар и их характеристики
Существуют различные типы термопар, отличающиеся материалами проводников и характеристиками:
- Хромель-алюмель (тип К): диапазон -200…+1300°C, постоянная ~41 мкВ/°C
- Медь-константан (тип Т): диапазон -250…+400°C, постоянная ~43 мкВ/°C
- Железо-константан (тип J): диапазон -40…+750°C, постоянная ~52 мкВ/°C
- Платина-платинородий (тип S): диапазон 0…+1600°C, постоянная ~10 мкВ/°C
Выбор типа термопары зависит от требуемого диапазона температур, точности, стоимости и других факторов. Какие термопары наиболее распространены в промышленности?
Применение термопар в промышленности и науке
Термопары широко используются для измерения и контроля температуры в различных сферах:
- Металлургия — измерение температуры расплавов металлов
- Энергетика — контроль температуры в котлах и турбинах
- Химическая промышленность — измерение температуры в реакторах
- Пищевая промышленность — контроль температуры в печах
- Авиация и космос — измерение температуры двигателей
- Научные исследования — прецизионные измерения температуры
Преимущества термопар — широкий диапазон измерений, высокая точность, быстродействие, надежность и невысокая стоимость. Это делает их одним из самых распространенных датчиков температуры.
Как рассчитать постоянную термопары
Постоянную термопары можно определить экспериментально или рассчитать теоретически:
- Экспериментальный метод:
- Измерить термоЭДС при двух известных разностях температур спаев
- Рассчитать постоянную как отношение разности термоЭДС к разности температур
- Теоретический расчет:
- Использовать формулу α = (S1 — S2) / e, где S1 и S2 — коэффициенты Зеебека материалов термопары, e — заряд электрона
Точное значение постоянной термопары важно для правильной калибровки измерительных приборов. Как влияет постоянная на точность измерений?
Влияние постоянной термопары на точность измерений
Постоянная термопары напрямую влияет на точность измерения температуры:
- Чем выше постоянная, тем больше термоЭДС при той же разности температур
- Большая термоЭДС легче измеряется, что повышает точность
- Высокая постоянная позволяет измерять малые перепады температур
- При низкой постоянной точность падает из-за влияния помех
Поэтому для прецизионных измерений выбирают термопары с высокой постоянной. Однако это не единственный фактор, влияющий на точность.
Факторы, влияющие на постоянную термопары
- Чистота и состав материалов проводников
- Температура (постоянная может меняться с температурой)
- Механические напряжения в проводниках
- Химические реакции и окисление в месте спая
- Магнитные поля
Поэтому для обеспечения стабильности характеристик термопар важно учитывать эти факторы при их изготовлении и эксплуатации. Как проводится калибровка термопар?
Калибровка термопар
Для обеспечения точности измерений термопары необходимо периодически калибровать:
- Помещение термопары в среду с известной температурой (например, в кипящую воду)
- Измерение возникающей термоЭДС
- Сравнение измеренной термоЭДС с табличным значением
- Корректировка показаний прибора или замена термопары при больших отклонениях
Частота калибровки зависит от условий эксплуатации и требуемой точности. Для ответственных измерений калибровку проводят чаще.
Преимущества и недостатки термопар
Термопары имеют ряд достоинств и недостатков по сравнению с другими датчиками температуры:
Преимущества термопар:
- Широкий диапазон измеряемых температур (от -200°C до +2500°C)
- Высокая точность измерений (до 0,1°C)
- Быстродействие и малая инерционность
- Простота конструкции и надежность
- Низкая стоимость
Недостатки термопар:
- Нелинейность характеристики преобразования
- Необходимость компенсации температуры холодного спая
- Подверженность влиянию электромагнитных помех
- Ограниченный срок службы при высоких температурах
Несмотря на недостатки, термопары остаются одним из самых распространенных типов датчиков температуры благодаря своим преимуществам.
5.6. Термопары
Термопара (термоэлектрическая пара, термоэлемент) — это датчик температуры, состоящий из двух сваренных (спаянных) разнородных по составу проводников тока, называемых термоэлектродами. Их спай, называемый главным, помещают, в среду измеряемой температуры. Два другие конца соединяют с проводами, идущими к измерительным приборам. Места соединения с проводами образуют побочные спаи термопары.
Пусть проводник M1(металлическая проволока) припаян своими концами к двум отрезкам другого проводника Мг, присоединенного к гальванометру V (рис. 97, а. Если оба спая находятся при одной и той же температуре («t1=t2), то никакой разности потенциалов не возникает. Когда же спаи находятся при различных температурах (t1≠t2), гальванометр V покажет наличие тока в цепи и определенное напряжение на концах проводников М2. Это напряжение иногда называют термоэлектрической силой (аббревиатура т.э.с). Ее значение зависит от природы контактирующих металлов и разницы температур tx и
t2.
Возникновение тока в рассмотренной системе было открыто в 1821 г. Зеебеком и получило название эффекта Зеебека. Зеебек Томас Иоганн (1770-1831) — немецкий физик и химик. Градиент температур создает в проводнике градиент концентраций носителей заряда (электронов), отчего возникают два диффузионных потока носителей заряда вдоль и против градиента температур, создающих избыток отрицательных зарядов на одном конце проводника М2, а на другом — положительных. Напряжение, определяемое гальванометром V, зависит от различия подвижностей «горячих» и «холодных» электронов.
Схема установки для измерения температуры в сосуде 9 при помощи термопары включает термопару 1-2 (рис. 97, б) со спаем 3, компенсационные провода 4, побочные спаи 5 которых «смещены в сосуд Дьюара 6 с тающим льдом, соединительные провода 7 и измерительный прибор 8.
Рис. 97. Схемы действия термопары (в) и измерения температуры с ее помощью (б) и способы защиты проволок термопар
Термопары служат преимущественно для измерения температур в интервале 300-1500 °С.
Если требуется измерить температуру выше 600 °С с большой точностью, то термопары почти незаменимы. Применяют термопары и для измерения очень низких температур.
Соединение термоэлектропроводов 1 и 2 осуществляют либо спайкой, либо сваркой в восстановительной атмосфере или под слоем расплавленной буры Na2(B4O7)*10h3O в восстановительном пламени паяльной горелки. Диаметр термоэлектропроводов не выходит за пределы 0,05-0,8 мм. Перед изготовлением термопары проволоку обязательно отжигают для снятия разнообразных натяжений. Отжиг проводят в муфельных печах 10 — 15 мин при 700-900 °С в инертной атмосфере. Проволоку для высокотемпературных термопар отжигают при температурах, близких к температурам применения. В частности, платиновую проволоку отжигают накаливанием ее током 1 ч до 1450 °С. После отжига проволоку проверяют на однородность. Оба ее конца присоединяют проводниками к милливольтметру, а места соединений проводников и проволоки погружают в тающий лед. Затем отдельные участки проволоки между ее концами нагревают.
Сваренные или спаянные проволоки необходимо тщательно защищать от возможных загрязнений и любого механическое воздействия (надлом, скручивание, изгиб й т.п.) и от контакта как друг с другом, так и с другими проводниками.
Поэтому рекомендуют один из проводников помещать в тонкую трубочку 7 (рис- 97, в) из кварцевого стекла (до 1000 °С), фарфора или корунда (до 1500 °С). и оксида магния (до 2000 °С). Еще лучше использовать трубочки 3 с двумя каналами; они предпочтительнее-
Если измеряемая среда не агрессивна по отношению к металлам термопары, термопару вводят в нагретое пространство незащищенной, в противном случае термопару помещают в кварцевую пробирку 2.
Компенсирующие провода — это провода 4 (см. рис. 97, б), связывающие термопару 1-2 (через холодный спай) с проводниками 7, идущими к гальванометру.
Спаи проводников и компенсационных проводов 5 погружают в сосуд Дьюара с ледяной кашицей. Компенсационные провода позволяют удалить от нагреваемого спая термопары холодный спай на нужное расстояние. Компенсационные провода изготавливают из металлов или сплавов, имеющих одинаковые т.э.с. с проводниками термопар. Например, для хромель-копелевой термопары применяют провода, изготовленные один из сплава хромель, а другой из сплава копель. Для Pt-(Pt, Rh) термопары берут один провод медный, а другой из сплава меди (99,4%) и никеля (0,6%). Диаметр проводов в большинстве случаев не превышает 1,0-1,5 мм.
Термопара Ле Шателье состоит из чистой платины и сплава, содержащего 90% Pt и 10% Rh. Такую термопару применяют как эталонную для точных измерений температур: при 1000 °С (погрешность составляет ±0,2 °С с хорошей воспроизводимостью). Обе проволоки термопары следует тщательно защищать от попадания на их поверхность соединений железа, от соприкосновения с газами, содержащими соединения углерода и серы.
Термоэлектроды не должны быть в контакте с парами фосфора, мышьяка, сурьмы и селена. Все эти вещества быстро диффундируют в нагретый металл и изменяют значение т.э.с. термопары. Рекомендуемый температурный интервал применения термопары Ле Шателье 250-1300 °С. Нагревать термопару долго выше 1000 °С и кратковременно выше 1500 °С недопустимо, так как платина становится хрупкой из-за ее рекристаллизации. В табл. 8 приведены значения т.э.с, отвечающие температурам горячего спая, если холодный спай находится при 0 °С.
Для измерения температур ниже 0 °С термопара Ле Шателье
неприменима: т.э.с. изменяется немонотонно и при -142 °С
наблюдается минимум функции т.э.с. =f(Т).(Ле Шателье Анри Луи (1850-1936) — французский физико-химик и металловед, автор закона смешения химического равновесия (1884 г.) и изобретатель термооэлектрического пирометра.)
Хромель-алюмелевую термопару применяют при измерении температур от -100 до +1300 °С, а при длительном использовании — только до 900 °С.
Хромель — сплав, содержащий 89% Ni, 9-10% Сг, 1% Со, 0,3% Fe и до 0,2% углерода. Алюмель — сплав состава: 94% Ni, 1,8-2,5% Al, 0,85-2,0% Si, 1,8-2,2% Мп и 0,6-1,0% Co. Зависимость т.э.с. такой термопары от измеряемой температуры приведена в табл. 9 (холодный спай термопары имеет температуру 0 °С ). Зависимость т.э.с. =f(t) близка к линейной.
Медь-константановую термопару применяют при измерении температур от -200 до +400 °С. Константан — сплав на основе меди, содержащий 39-41% Ni и 1-2% Мп. Значения т.э.с. для этой термопары приведены в табл. 10 (холодный спай термопары имеет 0 °С).
Медь-константановая термопара относится к числу наиболее чувствительных к воздействию температур термоэлементов. Нагревать ее выше 350 °С в атмосфере воздуха не рекомендуется из-за интенсивного окисления меди. Термопару следует помешать либо в инертную, либо в восстановительную атмосферу Знаки плюс и минус у значений т.э.с. свидетельствуют о перемене направления движения носителей заряда в термопаре с переходом от температур ниже 0 «С к более высоким.
С переменой знаков у т.э.с. происходит и изменение в отклонении стрелки гальванометра от одного направления к другому.
Железо-константановую термопару применяют для измерения температур от -200 до +700 °С и кратковременно до 1000 °С. Выше 700 °С такие примеси железа, как углерод, кремний, марганец и некоторые другие, начинают оказывать существенное влияние на воспроизводимость т.э.с. В частности, примесь углерода в железе, находящаяся в виде перлита (твердого раствора) и цементита Fe3C, при 720-740 °С испытывает фазовый переход. Обратное превращение образовавшейся новой фазы в перлит наблюдается при 680-700 °С, поэтому значения т.э.с. при нагревании и охлаждении не совпадают.
К достоинствам железо-константановых термопар следует отнести устойчивость железа и константана к воздействию до 600 °С окислительной атмосферы, лишенной влаги, и сравнительно высокое значение т.э.с. Чувствительность термопары с изменением температуры практически остается постоянной, составляя 50 мкВ/°С.
В табл. 11 приведены значения функции Т.Э.С. =f(t), когда холодный спай термопары имеет 0 °С.
Хромель-копелевую термопару применяют для продолжительного измерения температуры до 600 °С и кратковременного — до 800 °С. Копель — сплав на основе меди, содержащий 42-44% Ni и 0,1-1,0% Мп. Сплав термически устойчив к химическому воздействию воздуха до 600 oC. Изменение т.э.с, отнесенное к одному градусу у этой термопары, намного больше, чем у других термопар.
Высокотемпературные термопары изготавливают из металлов, умеющих температуры плавления выше 2500 °С. Их применяют измерения температур выше 1500 °С.
Например, рений-вольфрамовая термопара рекомендуется для измерения темпера, тур до 2800 °С. В табл. 12 приведены значения т.э.с. для этой термопары.
Термопары с содержанием рения до 25% изготовить легче, чем термопары из чистого вольфрама. Этот сплав менее склонен, чем вольфрам, к разрушению после нагрузки при высокой температуре в атмосфере водорода или после сварки.
Вольфрамовый сплав с 25% Re применяют в качестве отрицательного термоэлектрода. Положительным термоэлектродом служит сплав вольфрама с 3% Re.
Термопара W, Re3 — W, Re25 устойчива в нейтральной и слабо восстановительной атмосфере. В окислительной атмосфере, в присутствии углеводородных газов, термопара разрушается из-за образования оксидов или карбидов вольфрама. Т.э.с. термопары хорошо воспроизводится.
Другие части:
5.6. Термопары. Часть 1
5.6. Термопары. Часть 2
К оглавлению
Сравнительная таблица постоянной термопары и рабочего диапазона температур для термопар из различных материалов
Материалы термопары | Постоянная , мкВ/К | Рабочий диапазон температур, º С |
Медь-константан (40% Ni + 60% Cu) | 41,6 | (-200) ÷ (+600) |
Железо-константан | 52 | (-190) ÷ (+800) |
Хромель-алюмель | 42 | (0) ÷ (+1000) |
Платина-платина + 10% родия | 6,4 | (-140) ÷ (+1600) |
Для
повышения чувствительности измерительной
схемы термопары можно соединять
последовательно в термобатареи (рис.
8). ЭДС такой батареи будет равна
сумме ЭДС отдельных термопар.
Для измерения энергии теплового излучения применяют термостолбики. Они представляют собой термобатарею из большого числа термопар, расположенных так, что излучение может падать только на четные или нечетные спаи. Термостолбики обладают очень высокой чувствительностью, по сравнением с отдельной термопарой.
Термобатареи представляют интерес и как генераторы электрического тока. Они непосредственно преобразуют тепловую энергию в электрическую. Однако КПД их низок (примерно 0,1%), и поэтому на практике они мало используются. Более высоким КПД обладают термоэлементы, изготовленные не из металлов, а из полупроводников (их КПД имеет величину порядка 6 – 8 %, а постоянная С ≈ 10-3 В/К).
Существуют
также термоэлектрические приборы для
измерения токов и напряжений. Они
представляют собой амперметры или
вольтметры в сочетании с термопреобразователем (термопарой или термобатареей).
При
прохождении тока по проводнику
термопреобразователя (рис. 9) в нем
выделяется ленц-джоулево тепло, которое
нагревает один из спаев термопары, и
величину возникшей термо-ЭДС фиксирует
прибор. Тепло, выделяемое переменным
током, практически не зависит от его
частоты, поэтому термоэлектрическими
приборами можно измерять в цепях как
постоянного, так и переменного тока.
СХЕМА УСТАНОВКИ
В данной работе опытным путём определяют зависимость термо-ЭДС от разности температур спаев термопары, рассчитывают её постоянную С и отношение концентраций свободных электронов.
По указанию преподавателей работа может выполняться в двух вариантах.
Вариант 1. Измерения термо-ЭДС гальванометром
Соберите установку в соответствии с рис. 10.
Согласно закону Ома в замкнутой цепи (рис. 10) ЭДС (в вашем случае термо-ЭДС) равна:
где R — сопротивление гальванометра; r — сопротивление термопары.
Гальванометр
подбирают с много большим сопротивлением
(R>>r),
тогда ε=IR,
т.е. показания гальванометра в вольтах
мало отличаются от измеряемой термо-ЭДС.
Присоедините термопару к гальванометру, запишите начальные значения температур tº1 и tº2 и показание гальванометра N0 в таблицу 2 (столбцы 1,2,4).
Включите электроплитку и, нагревая, через каждые 10-20° до температур, указанных на установке (или рекомендуемых преподавателем), запишите показания термометров и гальванометра Ni (При этом следите за температурой холодного спая tº2 и, если она изменяется, запишите новые значения tº2 одновременно с tº1 в таблицу 2.
Рассчитайте термо-ЭДС εi, ∆tº = tº1 — tº2 для каждого измерения и постоянную термопары по формулам:и, где- цена деления вольтметра в вольтах;Ni — показания гальванометра.
Постройте график зависимости термо-ЭДС от разности температур спаев∆tº.
Рассчитайте отношение концентраций свободных электронов по формуле (15): ,
= 1,38×10-23;= 1,6×10-19 Кл.
14
Таблица 2
Экспериментальные данные, полученные в ходе выполнения лабораторной работы по варианту 1
t1º С нагр. | t2º С хол. | ∆tº C | Ni | β, В | εi, В | C, | |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
ТермоЭДС (явление Зеебека)
Немецкий физик Т.
Зеебек (1770-1831) обнаружил, что в замкнутой цепи состоящей из разнородных проводников, контакты между которыми имеют различную температуру, возникает электрический ток. Рассмотрим замкнутую цепь, состоящую из последовательно соединенных разнородных проводников 1 и 2 с температурой спаев Т1 (контакт А) и Т2 (контакт В), причем T1>T2 (рис 4).
Электродвижущая сила, возникающая в цепи, равна сумме скачков потенциалов в обоих контактах:
(2)
Таким образом, в замкнутой цепи появляется ЭДС, прямо пропорциональная разности температур в контактах. Эта ЭДС называется термоэлектродвижущей силой.
Теория метода и описание установки
|
При одинаковых температурах спаев суммарная контактная разность потенциалов равна нулю. Если спай 1 поддерживать при температуре Т1, а спай 2 – при Т2 и Т1>Т2, то контактная разность потенциалов на спаях будет равна соответственно Dj1 иDj2, причем Dj1>Dj2 . Разность потенциалов на спаях равна термоЭДС.
. (3)
В цепи возникает ток, называемый термоэлектрическим током I,величина которого определяется термоЭДС и сопротивлением цепи
, (4)
где Ri – внутреннее сопротивление термоэлемента, R0 — внешнее сопротивление цепи.
Для некоторых термопар можно представить
. (5)
—термоэлектродвижущая сила, возникающая при разности температур в 10 С, является величиной постоянной для каждой пары металлов, образующих термопару.
Если разность потенциалов измеряется чувствительным гальванометром, то отклонение его подвижной части будет пропорционально силе тока.
На зависимости между отклонением подвижной части гальванометра и разности температур основан термоэлектрический метод измерения температур. Для этого термопара должна быть предварительно проградуирована. Результаты градуировки изображаются в виде графика.
Градуировкой термопары называется определение экспериментальным путем зависимости термоэлектродвижущей силы , возникающей в термопаре, от разности температур DT ее спаев
.
Экспериментальная установка (рис.6) состоит из термопары, изготовленной из двух разнородных металлических проволок. Концы проволок спаяны (спай 1 и 2). Первый спай находится в сосуде с водой при температуре Т1, а второй на электроплитке при температуре Т2.
Температура контролируется термометрами.
Измерения и обработка результатов измерений
1.Включают электроплитку и нагревают спай 2. В цепи возникнет термоток, и стрелка гальванометра отклонится. Фиксируют показания гальванометра через равные, заданные преподавателем интервалы температур.
2.Полученные значения токов заносят в таблицу
| № опыта | Т1 | Т2 | Т1— Т2 | I=CnГ | e0 |
| . . . . n |
С — постоянная гальванометра по току
1. На основе опытных данных строят график ,откладывая по оси «х» разность температур, а по оси «y» — термоток
2.
Для определения e0 точки графика соединяют прямой линией. На этой прямой берут две точки при температуре Т1 и Т2. Зная внутреннее сопротивление гальванометра rГ (оно указано на приборе), определяем e0.
.
Задачи
1. Термопара никель-хром, один спай которой помещен в печь, а другой – в среду с температурой 150С, соединена последовательно с гальванометром, стрелка которого отклоняется на 25 делений. Постоянная термопары равна 0,5·10-6 В/град. Внутренние сопротивление гальванометра 2·103 Ом, цена деления 10-8 А/дел. Определить температуру печи.
2. Почему при повышении температуры происходит увеличение количества эмиттирующих электронов из металлов?
а) Увеличивается скорость свободно движущихся электронов. б) Увеличивается число свободных электронов, обладающих кинетической энергией, превышающей работу выхода электронов из металла.
в) Уменьшается глубина потенциальной ямы, соответствующая значению потенциальной энергии электрона в контактном электрическом поле. г) Контактное электрическое поле ускоряет вылет свободных электронов из металла. д) Нет ответа.
3. Может ли эмиттировать из железа электрон, летящий перпендикулярно его поверхности со скоростью 1000 км/с, если работа выхода электрона из железа равна 4,36 эВ?
4.
В каком случае возникает контактная разность потенциалов ( ≠ 0) между крайними проводниками А и В в соединении трех проводников как показано на рисунке?
5. Определить контактную разность потенциалов при постоянной температуре в месте соединения меди и алюминия, если работа выхода свободных электронов у алюминия 3,74 эВ, а у меди 4,47 эВ.
Контрольные вопросы
1.
Работа выхода электрона.
2. Причины возникновения контактной разности потенциалов
3. Законы Вольта.
4. ТермоЭДС (явление Зеебека)
5. Устройство термопары.
6. Что значит проградуировать термопару?
7. Постоянная термопары?
Литература
1. Савельев И. В. Курс общей физики. М.: Наука. Т.3, 1987. § 62.
3. Яворский Б. М. Курс физики. М.: Наука. Т. 2. § 9,3.
2. Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высшая школа. 2002, § 246, 247
Лабораторная работа 2.10
Предыдущая12345678910111213141516Следующая
Железо-константановая термопара — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1
Cтраница 1
Железо-константановые термопары в атмосфере воздуха при высоких температурах быстро окисляются и выходят из строя.
В защитной атмосфере эти термопары работают удовлетворительно только до темтЩй — туры 760 С, при более высокой температуре вследствие науглероживания железного электрода показания термопар нарушаются.
[1]
Железо-константановые термопары в атмосфере воздуха при высоких температурах быстро окисляются и выходят из строя. В защитной атмосфере эти термопары работают удовлетворительно только до темшра-туры 760 С, при более высокой температуре вследствие науглероживания железного электрода показания термопар нарушаются. [2]
Железо-константановые термопары могут быть заменены другими, рассчитанными на измерение температур до 750 С. [3]
Спай железо-константановой термопары помещен внутри картофельного бурта; второй ее спай находится в тающем льде. Какова температура Т внутри бурта, если стрелка гальванометра термопары отклонена на п 40 делений. Цена деления гальванометра г 10 — 6 А, его сопротивление г 10 Ом.
Сопротивление R проводов термопары пренебрежимо мало. Постоянная термопары а 5 10 — 5 В / К.
[4]
Спай железо-константановой термопары помещен внутри картофельного бурта; второй ее спай находится в тающем льде. [5]
К достоинствам железо-константановых термопар следует отнести устойчивость железа и константана к воздействию до 600 С окислительной атмосферы, лишенной влаги, и сравнительно высокое значение т.э.с. Чувствительность термопары с изменением температуры практически остается постоянной, составляя 50 мкВ / С. В табл. 11 приведены значения функции т.э.с. У ( 7), когда холодный спай термопары имеет О С. [6]
Температуры измеряются железо-константановыми термопарами; термоэлектродвижущая сила преобразуется в соответствующие, давления сжатого воздуха на контрольном щите с помощью — — лтектронных слепых пневматических преобразователей. Преобразователи воздействуют на миниатюрные регистрирующие или показывающие приборы, которые одновременно действуют как регуляторы, поддерживая заданные температуры.
Все расходы в технологических процессах измеряются преобразователями перепада давления, работающими по принципу пневматическо и компенсации сил, сигналы которых передаются на смонтированные на щите приборы дистанционной регистрации и регулирования расхода.
[7]
В эмалировочном производстве железо-константановые термопары применяются для измерения температуры в муфелях при обжиге легкоплавких эмалей. [8]
Замер температур производится железо-константановыми термопарами, установленными в специальных карманах вблизи внутренней стенки цилиндра. Термопары удлиняют компенсационными проводами. [9]
| График систематических погрешностей датчика ДТВ-074.| Схема прибора для измерения температуры вращающихся тел фирмы Hartman und Braun. [10] |
Температура воздуха измеряется железо-константановой термопарой. Вентилятор приводит в движение электродвигатель ( рис.
XV. Преимуществом прибора является сравнительно высокая точность измерения температурь недостатком — сложность конструкции.
[11]
Для измерения температуры установлены две железо-константановые термопары. [12]
Из числа нестандартных термопар сравнительно широко применяются медь-константановые и железо-константановые термопары. В этом случае следует учитывать, что железо в присутствии влаги может ржаветь и его термоэлектрические свойства в связи с этим изменятся. Нестандартные термопары при изготовлении обязательно градуируются. [13]
Это устройство состоит из 10UO — 1500 спаев железо-константановых термопар и позволяет измерять малые разности температур с точностью около 2 10 — 7 градуса. Так как теплопроводность термопар препятствует измерению разностей температур, превышающих 10 — 3 градуса в разбавленных растворах, то возрастание температуры, сопровождающее разбавление раствора в одной половине калориметра, должно быть в значительной мере уравновешено посредством электрического нагревания чистого растворителя в другой половине.
Назначение термопар состоит в том, чтобы определять разность между теплотой разбавления и точно измеренной теплотой, выделяющейся при электрическом нагревании. В идеальном случае термопары должны служить в качестве нуль-иистру-мепта. Пользуясь гальванометром Пашен а и специально сконструированным потенциометром, Гукер, Пикард и Планк [5] понизили теплопроводность, применяя медь-константановыо термопары из последовательно соединенных 60 спаев, и благодаря этому смогли лучше изолировать друг от друга обе части калориметрической системы. С помощью точной регулировки температуры термостата разность температур между калориметром и окружающей средой уменьшается до 10 — градуса, а так как эта величина соизмерима с изменениями температуры, происходящими при разбавлении растворов с малыми концентрациями, то измерения можно рассматривать как адиабатические и изотермические.
[14]
Температура в печи измеряется термометром сопротивления и контролируется железо-константановой термопарой.
[15]
Страницы: 1 2 3
Термопары и термосопротивления — Терморегуляторы Термодат — промышленные приборы нового поколения для измерения и регулирования температуры
Для измерения температуры служат первичные преобразователи температуры — термодатчики (термопреобразователи).
В промышленности, как правило, используются две разновидности датчиков температуры — термопары и термосопротивления. С приборами Термодат могут быть использованы термопары любого отечественного или иностранного производителя, при условии, что они имеют стандартную градуировку по ГОСТ Р 50342-92.
С приборами Термодат могут использоваться термосопротивления любого отечественного или иностранного производителя, при условии, что они имеют стандартную градуировку по ГОСТ Р 50353-92, при этом термосопротивления должны быть электрически изолированы от корпуса. Следует отметить, что приборы Термодат имеют универсальный вход, к которому также можно подключить пирометры (с градуировкой 20-РК15 и 21-РС20), а также другие датчики с унифицированным сигналом напряжения 0-50мВ или тока 0-20 мА (0-5мА, 4-20мА).
Термоэлектрические преобразователи (термопары)
Существует несколько типов термопар. Самые распространенные термопары — хромель-алюмель ХА(К) и хромель-копель ХК(L). Другие типы — платина-платинородий ПП(S и R), железо-константан ЖК(J), медь-константан МК(T), вольфрам-рений ВР и некоторые другие менее распространены. Приборы Термодат могут работать с термопарой любого типа. В памяти прибора прошиты градуировочные таблицы, тип градуировочной таблицы и соответствующее обозначение в меню указывается в паспорте прибора. Перед установкой прибора на оборудование следует установить тип используемой термопары. Тип термопары устанавливается в третьем уровне режима настройки приборов. В многоканальных приборах ко всем каналам должны быть подключены термопары одного типа.
Следует помнить, что термопара по принципу действия измеряет температуру между «горячим спаем» (рабочим спаем) и свободными концами («холодными спаями») термоэлектродов. Поэтому термопары следует подключать к прибору непосредственно, либо с помощью удлиннительных проводов, изготовленных из тех же термоэлектродных материалов.
Температура «холодных спаев» в приборах Термодат измеряется в зоне подключения термопар (вблизи клеммной колодки) специальным термодатчиком и автоматически учитывается при вычислении температуры. Для достижения наибольшей точности и правильного измерения температуры холодных спаев, необходимо следить, чтобы в зоне контактной колодки отсутствовали большие градиенты температуры, конвективные потоки (обдув, ветер, сквозняки), а также лучистый нагрев от горячих тел. Если включить прибор Термодат, а вместо термопары к входу прибора подключить перемычку (закоротить вход), то прибор должен показать измеренную температуру в зоне контактной колодки (температуру «холодного спая»). Сразу после включения эта температура близка к температуре окружающей среды, а затем несколько повышается по мере саморазогрева прибора. Это нормальный процесс, так как задача термокомпенсационного датчика измерять не температуру окружающей среды, а температуру холодных спаев. При необходимости термокомпенсационный датчик можно подстроить.
Подстройку следует выполнять в соответствии с инструкцией по калибровке.
Если у Вас возникли сомнения в правильности работы прибора, исправности термопары, компенсационного провода, в качестве первого теста мы рекомендуем погрузить термопару в кипящую воду. Показания прибора не должны отличаться от 100 градусов более чем на 1-2 градуса. Более тщательную проверку и настройку прибора Термодат можно выполнить в соответствии с инструкцией по калибровке.Приборы Термодат имеют высокое входное сопротивление, поэтому сопротивление термопары и компенсационных проводов и их длина в принципе не влияют на точность измерения. Однако, чем короче термопарные провода, тем меньше на них электрические наводки. В любом случае длина термопарных проводов не должна превышать 100м. Если требуется измерять температуру на больших расстояниях, то лучше использовать двухблочные системы с выносным блоком (приборы типа Термодат-22). В этих приборах связь между измерительным блоком и блоком индикации цифровая, расстояние межу ними может превышать 200м.
Следует учитывать, что конструктивно термопары изготавливаются двух типов — изолированные или неизолированные от корпуса (горячий спай либо изолирован, либо приварен к защитному чехлу). Одноканальные приборы могут работать с любыми термопарами, а многоканальные — только с изолированными от корпуса термопарами.
Термосопротивления
К приборам Термодат могут быть подключены как медные (ТСМ) так и платиновые (ТСП) термосопротивления. При настройке прибора следует установить тип термосопротивления и его градуировку (сопротивление при 0°C) в третьем уровне режима настройки. Стандартные значения составляют 50 и 100 Ом (50М, 50П, 100М, 100П), однако могут быть установлены и другие значения. В многоканальных приборах ко всем каналам должны быть подключены термосопротивления одного типа.
Термосопротивления могут быть подключены к прибору Термодат как по трехпроводной, так и по двухпроводной схеме. Двухпроводная схема подключения дает удовлетворительные результаты, когда датчик удален на небольшое расстояние от прибора.
Уточним наши слова. Предположим, Вы используете медное термосопротивление номиналом 100 Ом (градуировка 100М). Сопротивление этого датчика изменяется на dR=0,4%R=0,4Ом, при изменении температуры на один градус. Это означает, что если сопротивление проводов, соединяющих термодатчик с прибором, будет равно 0,4 Ом, ошибка измерения температуры будет равна одному градусу. В таблице приведены справочные значения сопротивлений медных проводов разного сечения, и допустимые длины проводов при двухпроводной схеме подключения.
| Сечение подводящих проводов, мм² | Сопротивление провода при 20°C, Ом/км | Максимально допустимое удаление датчика, при котором ошибка, вызванная подводящими проводами при двухпроводной схеме подключения составляет один градус | |
|---|---|---|---|
| М50, П50 | М100, П100 | ||
| 0,25 | 82 | — | 2,5 |
| 0,5 | 41 | 2,5 | 5 |
| 0,75 | 27 | 3,5 | 7,1 |
| 1,0 | 20,5 | 5 | 10 |
| 1,5 | 13,3 | 7,5 | 15 |
| 2,0 | 10 | 10 | 20 |
| 2,5 | 8 | 12,5 | 25 |
При удалении термодатчика на большие расстояния следует применять трехпроводную схему подключения.
Третий провод используется для измерения сопротивления подводящих проводов. Все три провода должны быть выполнены из одного и того же медного кабеля сечением не менее 0,5 мм² и иметь одинаковую длину (говоря точно, сопротивление проводов не должно отличаться друг от друга более чем на 0,2 Ом для ТСМ100 и более чем на 0,1 Ом для ТСМ50). Максимальная длина проводов не должна превышать 300м. Для работы с искрозащитными барьерами требуется четырехпроводная схема подключения термосопротивления. По специальному заказу приборы Термодат могут быть оборудованы входами для четырехпроводного подключения датчиков.
Для быстрой проверки работоспособности прибора, термодатчика, схемы подключения и настроек мы рекомендуем, как и в случае с термопарами, поместить подключенный датчик в кипящую воду или в тающий лед. Измеренная прибором температура не должна отличаться от 100°C (от 0°C) более, чем на 2°C. Прибор без датчика можно протестировать, подключив к входу вместо термосопротивления точный постоянный резистор номиналом 100 Ом (точность не хуже 0,5%).
Установить тип термодатчика ТСМ или ТСП (роли не играет) и градуировку 100. После этого прибор должен показывать температуру 0±2°C. С помощью точного резистора аналогичным образом можно проверить качество длинной линии, подключив резистор вместо термосопротивления на длинной линии.
Диапазон измерения температуры, точность измерения и разрешение по температуре
Разрешение по температуре определяется последней значащей цифрой на индикаторе прибора и составляет 1°C для большинства моделей, работающих с термопарами. Для программных регуляторов температуры и части приборов, работающих с термосопротивлениями, разрешение составляет 0.1°C.
Разрешение по температуре следует отличать от точности измерения. Допускаемая относительная погрешность измерения приборов Термодат составляет 0,5% от нормирующего значения (класс точности 0,5). Под нормирующим значением принимается алгебраическая разность верхнего и нижнего пределов измерения. Максимальные диапазоны измерений температуры при работе с различными типами термодатчиков приведены в таблице.
Из вышесказанного следует, что максимальная абсолютная погрешность измерения температуры приборов Термодат при работе с термопарой ХК (ХА) в диапазоне от -50 до 1100°C составляет 5,7°C. Погрешность измерения температуры приборами Термодат может быть уменьшена при их производстве путем уменьшения диапазона измерения. Так, например, при работе в диапазоне от 0 до 400°C погрешность составит 2°C. В этом случае, при выпуске и проведении поверки, в паспорте прибора должен указываться соответствующий диапазон измерений. Погрешность измерения темературы приборами Термодат не может быть меньше 2°C при работе с термопарами и меньше 0,5°C при работе с термосопротивлениями.
| Тип термопреобразователя | Диапазон измерения, °C | Обозначение в меню настройки |
|---|---|---|
| Термопара ХА(К) | -50 +1100 | 1 |
| Термопара ХК(L) | -50 +800 | 2 |
| Термопара МК(Т) | -50 +400 | указывается в паспорте |
| Термопара ЖК(J) | -50 +700 | указывается в паспорте |
| Термопара ПП (S) | 0 +1600 | указывается в паспорте |
| Термопара ПП (R) | 0 +1700 | указывается в паспорте |
| Термопара ПР (B) | +300 +1800 | указывается в паспорте |
| Термопара ВР (А-1,А-2,А-3) | +300 +2500 | указывается в паспорте |
| Термосопротивление ТСМ (М50, М100) | -50 +200 | Cu |
| Термосопротивление ТСП (П50, П100) | -50 +800 | Pt |
Погрешность измерения температуры складывается из погрешности измерения электронного прибора и погрешности датчика температуры.
Максимально допустимая погрешность используемого Вами датчика температуры должна быть указана в его паспорте или ГОСТе. Для термопар, например, погрешность измерения связана с возможными отклонениями от номинальной статической характеристики (НСХ). В соответствии с ГОСТ Р 50342-92, для термопар ХА(К) второго класса точности допустимые отклонения от НСХ составляют 2,5°C в диапазоне температур 0-330°C и 0,0075*t °C в диапазоне температур 330-1000°C. В случае, если требуется более высокая точность измерения, следует применять термопары более высокого класса точности, а также термопары из благородных металлов (ПП или ПР). Следует отметить, что точность измерения температуры зависит не только от прибора и термодатчика. Многое зависит от конструкции объекта измерения, от точки расположения термодатчика, от качества теплового контакта с измеряемой средой, от условий отвода тепла холодной монтажной частью термодатчика. То есть, задача измерения температуры является сложной инженерной задачей и должна решаться специалистами.
Время измерения
В большинстве задач регулирования температуры быстродействия измерительного прибора не имеет значения, так как характерные времена тепловых процессов велики. Приборы Термодат последовательно опрашивают все каналы и производят измерения. В каждом цикле измерения производится измерение температуры холодных спаев и опрос опорных каналов для самокалибровки и балансировки нуля. Время измерения по одному каналу для малоканальных одноблочных приборов составляет 200мс, с учетом усреднений и пауз после переключения коммутатора. Полный цикл измерения составляет 2 сек для одноканального прибора, 2,5 сек для двухканального и 3 сек для трехканального. Время полного цикла измерения для многоканальных приборов зависит от количества установленных каналов измерения N и может быть оценено по формуле: Т= (0.6 + 0.2N) секунд.
Цифровой фильтр
В условиях повышенных электромагнитных помех показания прибора могут быть неустойчивыми и колебаться в пределах 1-2 последних разрядов.
Эти колебания не выходят за пределы погрешности измерения, однако, вызывают неудовлетворенность работой аппаратуры. Мы рекомендуем в таких условиях включить программный цифровой фильтр. Фильтр включается наладчиком оборудования во втором уровне режима настройки. Алгоритм обработки результатов измерения при включении цифрового фильтра предусматривает анализ результатов измерений, отсев случайных выбросов, специальное цифровое сглаживание сигнала. Фильтр существенно увеличивает соотношение сигнал/шум в приборе и, соответственно, стабильность показаний прибора. Однако при включении фильтрации сигнала увеличивается постоянная времени прибора. Если условия работы прибора благоприятные, устанавливать цифровую фильтрацию не следует.
Градуированные термопары. Исследование зависимости термо-ЭДС термопары от разности температур спаев и построение градуировочного графика
Физика \ Физика
Страницы работы
4 страницы (Word-файл)
Посмотреть все страницы
Скачать файл
Содержание работы
Балтийский Государственный
Технический Университет
«ВоенМех»
имени Д.
Ф. Устинова
Отчет
к лабораторной работе по физике №41
На тему:
Градуированные термопары
Отчет выполнил студент
Факультета «И»
Суханов Александр
Группа И433
Санкт-Петербург 2004
Лабораторная работа по физике №41
Тема: Градуированные термопары
Цель работы: исследование зависимости термо-ЭДС термопары от разности температур спаев и построение градуировочного графика.
Приборы и принадлежности: термопара, нагреватель, сосуды с водой, термометры, установка для измерения термо-ЭДС.
Вариант: Двадцать четвертый
Эскиз установки:
Обозначения:
– вспомогательный Источник ЭДС
Г – нуль-гальванометр
D – подвижный контакт
R – постоянное сопротивление
I – сосуд с нагреваемой водой
II – сосуд с не нагреваемой водой
Рабочие формулы:
1.
— термо-ЭДС термопары
2. — Удельная термо-ЭДС
Формулы определения ошибки:
1. — Относительная погрешность измерения
Ответы на контрольные вопросы:
1. В чем состоит явление Зеебека? Каковы причины возникновения термо-ЭДС?
Явление Зеебека состоит в том, что в электрической цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников, возникает электродвижущая сила, если контакты между проводниками поддерживаются при различных температурах.
2. Как применяется на практике явление Зеебека?
Явление Зеебека используется в измерительных целях,
в частности для измерения температур. Если один спай термопары поддерживать при
постоянной температуре, а другой поместить в исследуемую среду, то по
возникающей термо-ЭДС можно определить температуру среды. Это явление также
используется для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Устройства
такого рода называются термоэлектрогенераторами. Термоэлектрогенераторы из
полупроводниковых материалов обладают гораздо большим КПД, чем из металлов.
3. От чего зависит удельная термо-ЭДС? Каков ее физический смысл?
Удельная термо-ЭДС зависит от природы проводников и интервала температур. Она чувствительна к небольшим количествам примесей. Как показывает опыт, в относительно узком интервале температур, различном для разных термопар, термо-ЭДС пропорциональна разности температур горячего и холодного спаев.
4. Описать компенсационный метод измерения ЭДС. Вывести рабочую формулу.
Компенсационный метод измерения термо-ЭДС используется в данной работе. Он является удобным и точным методом измерения ЭДС напряжений и сопротивлений. Ток через гальванометр (см. Эскиз установки) равен нулю, если термо-ЭДС термопары уравнивается падением напряжения на участке AD. Для замкнутого контура, содержащего термопару, гальванометр на основании второго закона Киргофа можно записать . Сила тока на этом участке при нулевом токе в цепи гальванометра
Величина R намного больше и , поэтому и
Ход работы:
1.
Расчет и
n | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
30 | 33 | 35 | 38 | 41 | 44 | 46 | 48 | 51 | 53 | |
5 | 8 | 10 | 13 | 16 | 19 | 21 | 23 | 26 | 28 | |
, мкВ | 184 | 386 | 552 | 736 | 920 | 1104 | 1288 | 1472 | 1656 | 1840 |
, мкВ | 8 | 17 | 24 | 32 | 40 | 47 | 55 | 63 | 71 | 79 |
36,8 | 48,2 | 55,2 | 56,6 | 57,5 | 58,1 | 61,3 | 64 | 63,6 | 65,7 |
n | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 |
55 | 57 | 60 | 62 | 64 | 67 | 69 | 72 | 75 | 77 | |
30 | 32 | 35 | 37 | 39 | 42 | 44 | 47 | 50 | 52 | |
, мкВ | 2024 | 2202 | 2392 | 2576 | 2760 | 2944 | 3128 | 3312 | 3496 | 3680 |
, мкВ | 87 | 95 | 103 | 111 | 119 | 127 | 135 | 142 | 150 | 158 |
67,4 | 68,8 | 68,3 | 69,6 | 70,7 | 70 | 71 | 70,4 | 69,9 | 70,7 |
2.
Построение
графика функции
рис 1. График зависимости термо-ЭДС от изменения температуры
3. Вычисление относительной погрешности
4. Определение удельной термо-ЭДС
=>
5. Определение удельной термо-ЭДС аналитическим путем
Похожие материалы
Информация о работе
Скачать файл
Каково время отклика термопар с минеральной изоляцией?
Каково время отклика термопар с минеральной изоляцией?
Чем меньше диаметр, тем быстрее среагирует термопара. Заземление соединения также улучшит время отклика примерно на 50 процентов. Это основано на том, что датчик достигает 63,2 процента от окончательного показания или до первой постоянной времени. Для получения установившихся показаний потребуется около пяти постоянных времени. Поскольку на самом деле вас интересует температура окружающей среды, точность зависит от способности датчика проводить тепло от своей внешней оболочки к проводу элемента.
В игру вступают несколько факторов:
Наиболее часто упоминается «постоянная времени» (время теплового отклика). Постоянная времени или время теплового отклика — это выражение того, насколько быстро датчик реагирует на изменения температуры. Как указано здесь, временной отклик определяется как время, необходимое датчику для достижения 63,2 процента ступенчатого изменения температуры.
Реакция зависит от массы датчика и его эффективности в передаче тепла от его внешних поверхностей к проволочному чувствительному элементу. Быстрый отклик необходим для обеспечения точности в системе с резкими перепадами температуры.
Временная характеристика зависит от физического размера и конструкции зонда.
| Среднее время отклика Неподвижная вода (сек) | |||
|---|---|---|---|
| Показания до 63,2% от измеренной температуры. | |||
| Диаметр оболочки | Соединение с заземлением | Незаземленное соединение | |
| 1/2 | 0,500 | 15 | 20 |
| 3/8 | 0,375 | 8 | 11 |
| 5/16 | 0,313 | 5 | 7 |
| 1/4 | 0,250 | 2,2 | 4,1 |
| 3/16 | 0,188 | 1 | 2,3 |
| 1/8 | 0,125 | 0,5 | 1,1 |
| 1/16 | 0,062 | 0,22 | 0,4 |
| 1/25 | 0,040 | 0,04 | 0,13 |
| Время температурного отклика стоячей воды при 80 градусах Цельсия Измерено с помощью термопары с диаметром оболочки 0,250″.  | ||||
|---|---|---|---|---|
| Постоянная времени | Время отклика | Ступенчатое изменение | Измеренная температура | |
| Заземленный | Незаземленный | |||
| 1 | 2,2 | 4,1 | 63,2% | 50,6 |
| 2 | 4,4 | 8,2 | 86,5% | 69,2 |
| 3 | 6,6 | 12,3 | 95,0% | 76,0 |
| 4 | 8,8 | 16,4 | 98,2% | 78,6 |
| 5 | 11,0 | 20,5 | 99,3% | 79,4 |
| 6 | 13,2 | 24,6 | 99,8% | 79,8 |
Каково время отклика термопар с минеральной изоляцией?
Чем меньше диаметр, тем быстрее среагирует термопара.
Заземление соединения также улучшит время отклика примерно на 50 процентов. Это основано на том, что датчик достигает 63,2 процента от окончательного показания или до первой постоянной времени. Для получения установившихся показаний потребуется около пяти постоянных времени. Поскольку на самом деле вас интересует температура окружающей среды, точность зависит от способности датчика проводить тепло от своей внешней оболочки к проводу элемента.
В игру вступают несколько факторов:
Наиболее часто упоминается «постоянная времени» (время теплового отклика). Постоянная времени или время теплового отклика — это выражение того, насколько быстро датчик реагирует на изменения температуры. Как указано здесь, временной отклик определяется как время, необходимое датчику для достижения 63,2 процента ступенчатого изменения температуры.
Реакция зависит от массы датчика и его эффективности в передаче тепла от его внешних поверхностей к проволочному чувствительному элементу. Быстрый отклик необходим для обеспечения точности в системе с резкими перепадами температуры.
Временная характеристика зависит от физического размера и конструкции зонда.
| Среднее время отклика Неподвижная вода (сек) | |||
|---|---|---|---|
| Показания до 63,2% от измеренной температуры. | |||
| Диаметр оболочки | Соединение с заземлением | Незаземленное соединение | |
| 1/2 | 0,500 | 15 | 20 |
| 3/8 | 0,375 | 8 | 11 |
| 5/16 | 0,313 | 5 | 7 |
| 1/4 | 0,250 | 2,2 | 4,1 |
| 3/16 | 0,188 | 1 | 2,3 |
| 1/8 | 0,125 | 0,5 | 1,1 |
| 1/16 | 0,062 | 0,22 | 0,4 |
| 1/25 | 0,040 | 0,04 | 0,13 |
| Время температурного отклика стоячей воды при 80 градусах Цельсия Измерено с помощью термопары с диаметром оболочки 0,250″.  | ||||
|---|---|---|---|---|
| Постоянная времени | Время отклика | Ступенчатое изменение | Измеренная температура | |
| Заземленный | Незаземленный | |||
| 1 | 2,2 | 4,1 | 63,2% | 50,6 |
| 2 | 4,4 | 8,2 | 86,5% | 69,2 |
| 3 | 6,6 | 12,3 | 95,0% | 76,0 |
| 4 | 8,8 | 16,4 | 98,2% | 78,6 |
| 5 | 11,0 | 20,5 | 99,3% | 79,4 |
| 6 | 13,2 | 24,6 | 99,8% | 79,8 |
Типы термопар
Термопара — это датчик температуры, который используется для измерения температуры на производстве, в машиностроении и в научных целях, а также в бытовых приборах.
Термопара может быть полезна для обеспечения надлежащего нагрева поверхностей, таких как сталь или другие металлы или металлические сплавы, для обработки или для измерения, когда контейнер или место слишком теплое и необходимо ввести охлаждающие жидкости.
Термопара работает на основе дифференциальных расчетов с известной температурной точкой, называемой холодным или эталонным спаем, и датчиком, подключенным к измеряемому блоку. Лабораторные условия допускают естественный холодный спай, но применяемые условия термопары часто требуют использования искусственно созданной постоянной температуры. Поскольку напряжения, возникающие при соединении разнородных металлов, известны и постоянны, они используются в качестве контрольных точек на основе их отношения к измерительному спаю. Когда машина определяет эту разницу, она вычисляет температуру и отправляет сообщение на измерительное устройство.
Поскольку разные комбинации металлов дают разные температуры, а эти разные металлы обладают разной долговечностью и прочностью, исследователи создали стандартизированные комбинации, чтобы максимально использовать потенциал результата в стандартизированном наборе комбинаций.
Существует четыре различных классификации пар термопар, большинство из которых обозначаются заглавными буквами. Это класс домашнего тела, класс высшего класса, класс редкого и экзотический класс. Класс домашнего тела состоит из «стандартных» или часто используемых металлов, в то время как класс верхней корки представляет все комбинации платины. Разреженный класс состоит из тугоплавких металлов, а экзотический класс гораздо более специфичен по своей природе, обычно это специальные комбинации редких металлов, используемые для определенных применений.
Thermocouple Type | Composition | Temperature Range |
B | Platinum 30% Rhodium (+) | 2500-3100 degrees F |
| Platinum 6% Rhodium (-) | 1370-1700 degrees C |
C | W5Re Tungsten 5% Rhenium (+) | 3000-4200 градусов F |
W26RE вольфра0502 Chromel (+) | 200-1650 degrees F | |
| Constantan (-) | 95-900 degrees C |
J | Iron (+) | 200-1400 degrees F |
| Constantan (-) | 95-760 degrees C |
K | Chromel ( +) | 200-2300 degrees F |
| Alumel (-) | 95-1260 degrees C |
M | Nickel (+) | 32-2250 degrees F |
| Nickel (-) | 0-1287 degrees C |
N | Nicrosil (+) | 1200-2300 degrees F |
| Nisil (-) | 650 -1260 degrees C |
R | Platinum 13% Rhodium (+) | 1600-2640 degrees F |
| Platinum (-) | 870-1450 degrees C |
S | Platinum 10% Rhodium (+) | 1800-2640 degrees F |
| Platinum (-) | 980-1450 degrees C |
T | Copper (+) | Отрицательный 330-660 градусов F |
Constantan (-) | Отрицательные 200-350 градусов C |
их, потому что они гораздо реже используются. Однако некоторые из этих комбинаций имеют стандартные диапазоны температур, указанные в технической литературе.В дополнение к системе нумерации термопары также обычно имеют цветовую маркировку. Цветовая кодировка отличается от страны к стране, поэтому лучше искать различную цветовую кодировку в зависимости от страны, из которой получен материал.
Некоторые приложения термопар включают измерение стали во время механической обработки. Термопары типов B, K, R и S больше всего подходят для этой работы из-за их высоких температурных диапазонов. Это помогает производителю узнать, когда расплавленный материал расплавится до достаточной температуры. Нагревательные приборы также хорошо работают с термопарами. Приборы, работающие на газе, могут стать слишком горячими, если они накачаны до насыщения, что может создать опасные ситуации, когда газ находится под давлением и присутствуют высокие температуры. Термопары могут считывать температуру и активировать устройства отключения газа, когда ситуация становится нестабильной.
Термопары
Одним из наиболее распространенных промышленных термометров является термопара. Его открыл Томас Зеебек в 1822 году. Он заметил, что при нагревании провода с одного конца возникает разность потенциалов. Независимо от температуры, если оба конца были при одинаковой температуре, разницы в напряжении не было. Если бы цепь была сделана из проволоки из того же материала, то ток не протекал бы.
Термопара состоит из двух разнородных металлов, соединенных вместе на одном конце, и создает небольшое уникальное напряжение при заданной температуре. Это напряжение измеряется и интерпретируется термопарным термометром.
Термоэлектрическое напряжение, возникающее в результате разности температур от одного конца провода до другого, на самом деле представляет собой сумму всех разностей напряжения вдоль провода от конца до конца.
Термопары могут быть изготовлены из различных металлов и охватывают диапазон температур от 200 o C до 2600 o C .
Сравнение термопар с датчиками других типов следует проводить с точки зрения допуска, указанного в ASTM E 230.
Термопары из недрагоценных металлов
| Thermocouple | Maximum Temperature ( o C) | Temperature Sensitivity (mV/ o C) | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Continuous | Spot | ||||||||
| Copper- Constantan (тип T) | 400 | 500 | 0,045 | ||||||
| Железный-константан (тип J) | 850 | 1100 | 0,04197 | 0,0858 | 0017 | Chromel-Constantan (type E) | 700 | 1000 | 0.041 |
| Chromel-Alumel (type K) | 1100 | 1300 | 0. 041 | ||||||
| Nicrosil-Nisil (type N) | 1250 | 0.039 | |||||||
| Tungsten-Molybdenum* | 2600 | 2650 | |||||||
* Not used below 1250 или C .
Преимущества с термопарами
- Возможность прямого измерения температуры до 2600 o C .
- Место соединения термопары может быть заземлено и находиться в непосредственном контакте с измеряемым материалом.
Недостатки термопар
- Измерение температуры с помощью термопар требует измерения двух температур: соединения на рабочем конце (горячее соединение) и соединения проводов с медными проводами приборов (холодное соединение). Во избежание ошибок температура холодного спая обычно компенсируется в электронных приборах путем измерения температуры на клеммной колодке с помощью полупроводника, термистора или резистивного датчика температуры.
- Работа термопар относительно сложна с потенциальными источниками ошибок. Материалы, из которых изготовлены провода термопары, не инертны, и на термоэлектрическое напряжение, возникающее по длине провода термопары, может влиять коррозия и т. д.
- Зависимость между температурой процесса и сигналом термопары (милливольты) не является линейной.
- Калибровка термопары должна выполняться путем сравнения ее с соседней термопарой. Если снять термопару и поместить в калибровочную ванну, интегрированный по длине выходной сигнал не будет воспроизведен точно, поскольку разность температур от одного конца провода до другого представляет собой сумму всех разностей напряжений вдоль провода от конца до конца.
Доступны термопары из различных комбинаций металлов или калибровок. Наиболее распространены четыре калибровки: J, K, T и E. Каждая калибровка имеет свой температурный диапазон и окружающую среду, хотя максимальная температура зависит от диаметра проволоки, используемой в термопаре.
Некоторые типы термопар стандартизированы с таблицами калибровки, цветовыми кодами и присвоенными буквенными обозначениями. Стандарт ASTM E230 содержит все спецификации для большинства распространенных промышленных марок, включая буквенное обозначение, цветовые коды (только для США), рекомендуемые пределы использования и полные таблицы зависимости напряжения от температуры для холодных спаев, поддерживаемых на уровне 9.0820 32 или F и 0 или C.
Существует четыре «класса» термопар: металл),
Домашние тела относятся к типам E, J, K, N и T. Верхняя кора относится к типам B, S и R, платина в разном процентном соотношении. Экзотический класс включает в себя несколько термопар из вольфрамового сплава, обычно обозначаемых как Type W (нечто).
| Instrument | Temperature Range ( o F) | Accuracy | |
|---|---|---|---|
| Recommended | Maximum | ||
| Type J probes | 32 — 1336 | -310 — 1832 | от 1,8 до 7,9 o F или 0,4% от показаний выше 32 o F, в зависимости от того, что больше |
| Зонды типа K | 32 — 2300 | — 40847 1. 8 to 7.9 o F or 0.4% of reading above 32 o F, whichever is greater | |
| Type T probes | -299 — 700 | -418 — 752 | 0.9 to 3.6 o F или 0,4% считывания выше 32 O F, в зависимости от того, что будет больше |
| Тип E Зонды | 32 — 1600 | 32 — 1650 | 1,8 до 7.9 O 222.42%. или F, в зависимости от того, что больше |
| Тип R Петулы | 32 — 2700 | 32 — 3210 | 2,5 O F или 0,25% считывания, в зависимости от |
| 8. | 2,5 O F или 0,25% считывания, в зависимости от того, что больше | ||
.0821 o
C) + 32
67 Стандарты ASTM, относящиеся к термопарам
- E 207-00… Метод испытания термоЭДС материалов одиночных термоэлементов путем сравнения с вторичным эталоном с аналогичными свойствами ЭДС-температуры
- E 220- 02 Стандартный метод испытаний для калибровки термопар методами сравнения
- E 230-98e1..Таблицы температурной электродвижущей силы (ЭДС) для стандартных термопар
- E 235-88(1996)e1..Технические характеристики термопар в оболочке типа K для ядерных или других высоконадежных применений
- E 452-02.. Метод испытаний для калибровки термопар из тугоплавких металлов с использованием радиационного термометра
- E 574-00.. Технические условия на дуплексный провод термопары из недрагоценных металлов с изоляцией из стекловолокна или кварцевого волокна
- E 585/E 585M-01a ..Стандартные технические условия на уплотненный термопарный кабель с минеральной изоляцией и металлической оболочкой
- E 601-81 (1997). . Метод испытания для сравнения стабильности ЭДС одноэлементных термопар из недрагоценных металлов в воздухе
- E 608/E 608M-00. Стандартные технические условия на термопары из неблагородного металла с минеральной изоляцией и металлической оболочкой
- E 696-00 Стандартные технические условия на проволоку для термопар из вольфрам-рениевого сплава
- E 710-86 (1997) Стандартный метод испытаний для сравнения стабильности ЭДС термопар из неблагородного металла элементов в воздухе с использованием двойных одновременных индикаторов термо-ЭДС
- E 780-92 (1998) Стандартный метод испытаний для измерения сопротивления изоляции материала термопары в оболочке при комнатной температуре
- E 839-96 Стандартный метод испытания термопар в оболочке и материала термопары в оболочке Таблицы температурно-электродвижущей силы (ЭДС) для вольфрам-рениевых термопар
- E1129/E1129M-98 Стандартные технические условия на разъемы для термопар
- E 1159-98 Стандартные технические условия на материалы для термопар, платино-родиевые сплавы и платину
- E 1350-97 (2001) Стандартные методы испытаний термопар в защитной оболочке до, во время и после установки
- E 1652-00 Стандартные технические условия для порошков оксида магния и оксида алюминия и измельчаемых изоляторов, используемых при производстве платины с металлической оболочкой Термометры сопротивления, термопары из неблагородных металлов и термопары из благородных металлов
- E 1684-00 Стандартные технические условия для миниатюрных разъемов для термопар
- E 1751-00 Стандартное руководство по температуре Электродвижущая сила (ЭДС) Таблицы для комбинаций термопар, не обозначенных буквами
- E 2181/E 2181M-01 Стандартные технические условия на уплотненные термопары с минеральной изоляцией, металлической оболочкой, термопары из благородных металлов и термопарные кабели
. Метод испытания для сравнения стабильности ЭДС одноэлементных термопар из недрагоценных металлов в воздухеТермопара THS-57 для термопар TEW THS с постоянным нагревом
Доставка рассчитывается в корзине
ВРЕМЯ ДОСТАВКИ |
Мы стараемся выполнять заказы как можно скорее. Мы используем UPS в качестве основной службы доставки, однако могут быть запрошены другие перевозчики (например, FedEx, USPS, многие обычные перевозчики). Несмотря на то, что мы стремимся удовлетворить ваши запросы, мы оставляем за собой право изменить перевозчика, если это необходимо. |
| |
БЕСПЛАТНАЯ ДОСТАВКА |
Для некоторых наших продуктов предлагается бесплатная доставка. Обратите внимание, что мы оставляем за собой право прекратить, изменить или отозвать условия этого предложения. Бесплатная доставка распространяется только на наземное обслуживание и не включает доставку по субботам, подъемным воротам или доставку внутрь. Бесплатная доставка предлагается только для заказов, поступающих в 48
смежных Соединенных Штатов и применяется только к одному адресу доставки для каждого заказа. Это предложение не распространяется на заказы с доставкой на Аляску, Гавайи или в другие страны. Бесплатная доставка грузовым/автомобильным транспортом осуществляется в коммерческие районы, за доставку в жилые районы может взиматься дополнительная плата. Услуги подъемных ворот и доставка внутрь не включены. Дополнительный
расходы будут добавлены к счету по мере необходимости. |
| |
ВОЕННЫЕ ПОСТАВКИ |
**Не все товары, которые мы носим, могут быть доставлены по адресам APO/FPO, пожалуйста, свяжитесь с нами, прежде чем размещать заказ. Военные поставки на адрес APO/FPO могут быть отправлены только через Почтовую службу США. Их максимальный вес составляет 70 фунтов. За эту услугу взимается дополнительная плата, а также за доставку почтового отделения США из этого местного почтового отделения в APO/FPO, и счет будет выставлен клиенту. Этих дополнительных расходов можно избежать, предоставив нам точку доставки в США для доставки. |
| |
ЧАСТИ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ |
Бесплатная доставка не распространяется на заказы расходных материалов, запасных частей и аксессуаров. Для заказов, размещенных онлайн, надлежащая стоимость доставки применяется автоматически. Пожалуйста, обратитесь к нам за помощью в расценках на доставку этих продуктов. |
| |
МЕЖДУНАРОДНЫЕ ЗАКАЗЫ И ДОСТАВКА |
Международные заказы рассматриваются в индивидуальном порядке. Мы отправляем на международном уровне через основных перевозчиков. Рекомендуем связаться с нашим клиентом службы напрямую, чтобы получить инструкции и расценки для международные заказы. Наши расценки на международную доставку являются приблизительными и может измениться на момент размещения заказа. Дополнительные расходы, такие как Таможенные пошлины, брокерские сборы, сборы за хранение, налог на импорт и т. д. могут применяются и не являются обязанностью компании Stapler Warehouse. |
ЗАРЯДКА ПОДДОНА |
Наш опыт показывает, что некоторые элементы имеют тенденцию к повреждению при транспортировке. |
| |
ТАРИФЫ / СТОИМОСТЬ ДОСТАВКИ |
К каждому заказу добавляется соответствующая стоимость доставки. Стоимость доставки может включать наценку. Все заказы свыше 150 фунтов. будет указана стоимость и отправлена самым дешевым доступным перевозчиком (грузовиком), если не указано иное. |
| |
ГРУЗОВОЙ АВТОМОБИЛЬ |
Многие товары не могут быть доставлены через UPS, FedEx и т. д. Мы попытались идентифицировать эти продукты и разместили уведомления на веб-странице конкретного продукта. Поэтому, если специально не запрошено, мы отправим товар наилучшим способом (т. е. наименее дорогим перевозчиком для стоимости), который сможем найти. Если вам требуется доставка внутрь или через подъемные ворота, обратитесь к торговому представителю, который предоставит вам ценовое предложение. Грузовые перевозки осуществляются только в торговые точки. Доставка в населенные пункты может быть платной. Эти сборы будут добавлены к счетам клиентов по мере необходимости. |
| |
УВЕДОМЛЕНИЕ О ОТПРАВКЕ |
НЕ ПОДПИСЫВАЙТЕ квитанцию о доставке до тех пор, пока вы не осмотрите посылку на наличие каких-либо физических повреждений. Посылки покидают наш склад в хорошем состоянии. Если вы подписываетесь на пакеты без надлежащего указания повреждений, мы не можем нести ответственность за товар. Не ограничивайте свои возможности по сбору требований о возмещении ущерба. Пожалуйста, откажитесь от отправки или сделайте исключения, такие как: «Подлежит проверке». |
Большинство наших заказов обрабатываются и отправляются в течение 24-48 часов. Однако обработка и отправка некоторых товаров занимает больше времени. Мы приветствуем покупателей, чтобы связаться с нами, чтобы проверить наличие и сроки поставки. Мы осуществляем доставку продукции напрямую от производителя. Во многих случаях товар доставляется вам напрямую от производителя. В некоторых случаях мы можем отправить товар на наш склад, прежде чем отправить его вам. Любая ускоренная доставка (3 дня, 2 дня, ночь) может не повлиять на время обработки заказа, поэтому, пожалуйста, примите во внимание до размещения заказа.
** 
Все заказы за пределами США должны быть оплачены банковским переводом (или кредитной картой в некоторых случаях). Любые продукты с бесплатной доставкой предназначены для доставки в пределах 48 смежных штатов США. Вы можете организовать доставку через экспедитора в 48 смежных штатах, и мы отправим ваш заказ в это место. Взимается плата за доставку за пределы 48 смежных штатов.
Чтобы обеспечить безопасную доставку, мы требуем, чтобы эти товары были отправлены на поддоне. Дополнительная стоимость доставки (плата за поддон) указана в Интернете под товаром, если она применима. Некоторые клиенты не желают платить эту комиссию. Чтобы учесть их, отправьте подписанный запрос, освобождающий StaplerWarehouse от любой ответственности в отношении доставки. Они также должны предварительно оплатить свой заказ в полном объеме банковским переводом. Тогда и только тогда мы отправим их товар любым удобным для них способом.
Предмет будет оставлен в месте рядом с подъемными воротами грузовика.
Это ДОЛЖНО быть отмечено в водительских документах.Отправить этот товар другу
Расчеты термопар | Как преобразовать милливольты термопары?
Напряжение, генерируемое термопарой, зависит от разницы температур между измерительным и эталонным спаями.
Традиционно эталонный спай удерживался при 0 °C в ледяной ванне, как показано на рисунке.
ЭДС термопары измеряется высокоимпедансным вольтметром.
Зависимость между напряжением термопары и температурой, к сожалению, не является линейной, и необходимо использовать таблицы преобразования температуры термопары, чтобы найти температуру по измеренному напряжению.
Выдержка из таблицы напряжение/температура для термопары типа К (эталон 0 °C) приведена в табл.
Температура (°C) в зависимости от ЭДС (мкВ) для термопары типа K с эталоном 0 °C.
Таблица: В верхнем первом ряду и левом первом столбце указаны температурные шкалы.
В первом левом столбце указана температура в единицах 10°C, а в верхнем первом ряду указана температура в единицах 1°C. В остальных ячейках указано соответствующее выходное напряжение термопары в единицах мкВ.
Например, температура равна 10 °C, тогда из приведенной выше таблицы эквивалентное выходное напряжение термопары составляет 397 мкВ. Скажем, сейчас температура составляет 12 ° C, тогда выходное напряжение составляет 477 мкВ.
Аналогичным образом, если температура составляет 105 ° C, то из приведенной выше таблицы выходное напряжение термопары составляет 4303 мкВ. Таблицы термопар меняются в зависимости от типа термопары. Выше показано для термопары K-типа.
Мы могли бы сохранить эти значения справочной таблицы в компьютере/контроллере и использовать таблицу для преобразования между ЭДС и температурой.
Однако более жизнеспособный подход, используемый производителями, состоит в том, чтобы аппроксимировать табличные значения с помощью полиномиальных уравнений степенного ряда и позволить микропроцессору прибора или управляющему компьютеру рассчитать температуру по ЭДС или ЭДС по температуре (обратный полином).
Холодный спай в ванне со льдом больше не считается практичным. Вместо этого предполагается, что клеммы, соединяющие термопару с измерительным устройством, играют роль эталонного спая или «холодного спая», как его до сих пор называют. Температуру эталонного спая теперь можно поддерживать, например, на уровне комнатной температуры, когда температура спая измеряется с помощью вспомогательного датчика температуры, такого как полупроводниковый/IC-тип.
Согласно закону промежуточных температур напряжение термопары, соответствующее температуре холодного спая, может быть добавлено к измеренному напряжению термопары. Затем по этому увеличенному напряжению можно определить истинную температуру горячего спая относительно 0 ° C.
Читайте также: Термопары Вопросы и ответы
Пример 1:
Рассчитайте среднюю чувствительность (мкВ/°C) термопары типа K в диапазоне температур от 0 °C до 100 °C.
Ответ:
Из приведенной выше таблицы: изменение ЭДС, развиваемой термопарой типа К, от 0 °C до 100 °C, составляет 4096 мкВ.
Таким образом, средняя чувствительность составляет 4096/100 = 40,96 мкВ/°C.
Пример 2 :
Холодный спай термопары типа K поддерживается при 0 °C. Используйте приведенную выше таблицу для определения температуры, если измеренное напряжение равно
а) 798 мкВ и б) 2602 мкВ.
Ответ:
Из приведенной выше таблицы мы можем отметить соответствующие температуры по заданному значению напряжения.
а) 20 °С б) 64 °С
Пример 3 :
Связь между ЭДС и температурой для некоторой (воображаемой) термопары описывается соотношением: v = t
2 , где v — генерируемая ЭДС термопары в микровольтах (мкВ), а t — разность температур в °C между горячим спаем и 0 °C. Если показания ЭДС термопары составляют 3000 мкВ, а температура холодного спая равна 25 °С, рассчитайте температуру горячего спая.Ответ:
ЭДС, соответствующая (25 – 0) °C = 252 = 625 мкВ
Суммарная ЭДС (Т – 0) = 3000 + 625 = 3625 мкВ
По закону промежуточных температур:
Горячий температура перехода T = √v = √3625 = 60,21 °C
(T НЕ = √3000 + 25 = 54,77 + 25 = 79,77 °C)
Пример 4:
термопара К.
Измерено напряжение термопары 2602 мкВ. Если температура холодного спая равна 20 °C, рассчитайте температуру процесса, измеренную на стороне горячего спая термопары.Ответ:
Из приведенной выше таблицы ЭДС холодного спая (20°C) составляет 798 мкВ. По закону промежуточных температур к измеренному напряжению 2602 мкВ следует прибавить корректирующее напряжение 798 мкВ, чтобы получить 3400 мкВ. Скорректированное напряжение представляет собой ЭДС термопары, которая была бы получена, если бы эталонный спай поддерживался при 0 °C.
Опять же из таблицы температура, соответствующая 3400 мкВ, находится где-то между 83 °C и 84 °C.
Чтобы найти правильную температуру, мы должны использовать линейную экстраполяцию между этими двумя значениями.
Разница между 3433 мкВ (84 °C) и 3391 мкВ (83 °C) составляет 42 мкВ, а 3400 мкВ на 9 мкВ больше, чем 3391 мкВ (83 °C).
Следовательно, искомая температура равна 83 °C плюс (9/42) °C, что равно 83,2143 °C.
Чтобы НЕ рассчитать температуру горячего спая, нужно найти измеренное напряжение (2602 мкВ) как 64 °C, а затем добавить температуру холодного спая 20 °C, чтобы получить 84 °C. Это НЕ ПРАВИЛЬНО.
Скачать : Калькулятор термопары
Будьте первыми, кто получит эксклюзивный контент прямо на вашу электронную почту.
Обещаем не спамить. Вы можете отписаться в любое время.
Недействительный адрес электронной почты
Время отклика термопары — Industrial Temperature Sensors LTD
Поиск на нашем сайте
- Рубрика: Первая полоса
| Время отклика термопары |
Это зависит от нескольких параметров, включая размер термопары, конструкцию, конфигурацию наконечника и характер среды, в которой находится датчик. Если термопара погружается в среду с высокой теплоемкостью и теплопередачей является быстрой, эффективное время отклика будет практически таким же, как и у самой термопары (собственное время отклика). Однако, если тепловые свойства среды плохие (например, неподвижный воздух), время отклика может быть в 100 раз больше.
