Принцип действия термопары основан на: Термопара фото и гост термопары, термопара принцип работы, работа термопары, гост термопары, термопара купить, термопара ТХК

Содержание

Термопара и принципы ее применения

Термопара (термоэлектрический преобразователь температуры) — термоэлемент, применяемый в измерительных и преобразовательных устройствах, а также в системах автоматизации.

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

Термопара — пара проводников из различных материалов, соединенных на одном конце и формирующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.

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

Принцип действия

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

Принципиальная схема включения двух термопар

Способы подключения

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

Для дистанционного подключения термопар используются удлинительные или компенсационные провода. Удлинительные провода изготавливаются из того же материала, что и термоэлектроды, но могут иметь другой диаметр. Компенсационные провода используются в основном с термопарами из благородных металлов и имеют состав, отличный от состава термоэлектродов. Требования к проводам для подключения термопар установлены в стандарте МЭК 60584-3.

Следующие основные рекомендации позволяют повысить точность измерительной системы, включающей термопарный датчик :

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

Применение термопар

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

Преимущество термопар

  • Большой температурный диапазон измерения: от 200 °C до 1800—2500 °C
  • Простота
  • Дешевизна
  • Надежность

Недостатки

  • Точность более 1 °C труднодостижима, необходимо использовать термометры сопротивления или термисторы.
  • На показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового сенсора и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.
  • Эффект Пельтье (в момент снятия показаний, необходимо исключить протекание тока через термопару, так как ток, протекающий через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный
  • Зависимость ТЭДС от температуры существенно не линейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.
  • Возникновение термоэлектрической неоднородности в результате резких перепадов температур, механических напряжений, коррозии и химических процессов в проводниках приводит к изменению градуировочной характеристики и погрешностям до 5 К.
  • На большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.

Типы термопар

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

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

Точный состав сплава термоэлектродов для термопар из неблагородных металлов в МЭК 60584-1 не приводится. НСХ для хромель-копелевых термопар ТХК и вольфрам-рениевых термопар определены только в ГОСТ Р 8.585-2001.

В стандарте МЭК данные термопары отсутствуют. Тип L установлен только в немецком стандарте DIN и стандартные таблицы отличаются от таблиц для термопар ТХК. В настоящее время стандарт МЭК 60584 пересматривается. Планируется введение в стандарт вольфрам-рениевых термопар типа А-1, НСХ для которых будет соответствовать отечественным стандартам, и типа С по стандарту АСТМ — ASTM International — (American Society for Testing and Materials).

Термопара. Принцип действия | joyta.ru

Термопара широко используется в различных устройствах измерения температуры и системах сбора данных. Термопара является наиболее популярным типом датчика температуры, поскольку он надежный, универсальный, обладает низкой инертностью, относительно недорогой и позволяет измерять температуру в широком диапазоне.

Использование различных термопар, позволяет измерять температуру в очень широком диапазоне: от -250C и до 2500C. Правда из-за своей конструктивной особенности, термопара не может обеспечить повышенную точность измеренной температуры. Погрешность измерения, как правило, находится в пределах 0,5…2С.

Зачастую, термопары используются для контроля температурного режима в производственных процессах. В быту термопара применяется во многих устройствах, например, в некоторых типах паяльников, в духовках газовых плит и так далее. Так же следует отметить, что большинство мультиметров имеют функцию измерения температуры. Для этого в комплекте с мультиметром идет термопара, которая подключается к соответствующему разъему:

Принцип действия термопары

Принцип действия термопары основан на эффекте, который обнаружил в 1821 году немецкий — эстонский физик Томас Иоганн Зеебек. Он заметил, что при соединении двух проводников из разнородных металлов в них возникает напряжение (термоЭДС), величина которого зависит от степени нагрева места соединения. Позднее это явление стали называть термоэлектрическим эффектом или эффект Зеебека.

Фактическое напряжение, генерируемое термопарой зависит от температуры нагрева и от типа используемых металлов. Напряжение это не велико и, как правило, составляет от 1 до 70 мкВ на 1 градус Цельсия.

При подключении термопары к измерительному прибору получается еще один термоэлектрический переход. Таким образом, фактически получается два перехода находящихся в разных температурных режимах, поэтому входной сигнал на измерителе будет пропорционален разности температур между этими двумя переходами.

Для того, чтобы измерить абсолютную температуру, применяют метод известный как «компенсация холодного спая». Его суть заключается в том, что второй переход (который вне зоны измеряемой температуры) помещают при постоянной (образцовой) температуре. Ранее для этого использовали стандартный метод – помещая данный переход в ледяную воду.

Профессиональный цифровой осциллограф

Количество каналов: 1, размер экрана: 2,4 дюйма, разрешен…

На сегодняшний день применяют дополнительный датчик температуры расположенный в непосредственной близости от второго перехода, и по показаниям дополнительного температурного датчика измерительный прибор вносит коррекцию в результат измерения. Это значительно упрощает общую схему измерения, поскольку термопару и измерительный элемент, с элементом температурной компенсацией, можно объединить в единое целое.

Конструктивное исполнение

Термопары изготавливаются в различных формах. Они бывают бескорпусными, то есть спай двух металлов не закрыт защитным кожухом. Это обеспечивает очень быстрое время измерения и низкую инертность:

Так же термопары могут быть доступны и в качестве зонда. Этот тип широко используется как в измерительных приборах бытового назначения, так и в производстве, где необходимо защитить термопару от агрессивной среды технологического процесса.

 

Типы термопар

Термопары различаются между собой в основном по типу используемых металлов. Существует несколько стандартов:

 

.

Термопары ТХА и ТХК с токовым выходом 4-20 мА ОВЕН ДТП-И


Термоэлектрический преобразователь (термопара) с токовым выходом Овен ДТПL-И 015, ДТПК-И 015 D=8 мм сталь 12Х18Н10Т (-200…+600°С) сталь 12Х18Н10Т (-200…+800°С) 80, 100, 120, 160, 200, 250, 320, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000
Термоэлектрический преобразователь (термопара) с токовым выходом Овен ДТПL-И 025, ДТПК-И 025 D=10 мм сталь 12Х18Н10Т (-200…+800°С) или сталь 08Х20Н14С2 (-200…900°С)
Термоэлектрический преобразователь (термопара) с токовым выходом Овен ДТПL-И 035, ДТПК-И 035 D=8 мм, М=20х1,5 мм**, S=22 мм сталь 12Х18Н10Т (-200…+800°С)
Термоэлектрический преобразователь (термопара) с токовым выходом Овен ДТПL-И 045, ДТПК-И 045 D=10 мм, М=20х1,5 мм**, S=22 мм сталь 12Х18Н10Т (-200…+800°С) или сталь 08Х20Н14С2 (-200…900°С)
Термоэлектрический преобразователь (термопара) с токовым выходом Овен ДТПL-И 055, ДТПК-И 055 D=10 мм, М=20х1,5 мм**, S=22 мм сталь 12Х18Н10Т (-200…+800°С)
Термоэлектрический преобразователь (термопара) с токовым выходом Овен ДТПL-И 065, ДТПК-И 065 D=8 мм, М=20х1,5 мм**, S=27 мм
Термоэлектрический преобразователь (термопара) с токовым выходом Овен ДТПL-И 075, ДТПК 075 D=10 мм, М=20х1,5 мм**, S=27 мм сталь 12Х18Н10Т (-200…+800°С) или сталь 08Х20Н14С2 (-200…900°С)
Термоэлектрический преобразователь (термопара) с токовым выходом Овен ДТПL-И 085, ДТПК-И 085 D=10 мм, М=27х2 мм**, S=32 мм
Термоэлектрический преобразователь (термопара) с токовым выходом Овен ДТПL-И 095, ДТПК-И 095 D=10 мм, М=20х1,5 мм**, S=22 мм сталь 12Х18Н10Т (-200…+800°С)
Термоэлектрический преобразователь (термопара) с токовым выходом Овен ДТПL-И 105, ДТПК-И 105 D=8 мм, М=20х1,5 мм**, S=27 мм
Термоэлектрический преобразователь (термопара) с токовым выходом Овен ДТПL-И 185, ДТПК-И 185 D=10 мм, М=22х1,5 мм**, S=27 мм сталь 12Х18Н10Т (-200…+800°С) 80, 100, 120, 160, 200, 250, 320, 400
Термоэлектрический преобразователь (термопара) с токовым выходом Овен ДТПL-И 195, ДТПК-И 195
D=10 мм, М=27х2 мм**, S=27 мм
Термоэлектрический преобразователь (термопара) с токовым выходом Овен ДТПL-И 205, ДТПК-И 205 D=10 мм, М=22х1,5 мм**, S=27 мм, R=9,5 мм
Термоэлектрический преобразователь (термопара) с токовым выходом Овен ДТПL-И 215, ДТПК-И 215 D=10 мм, М=27х2 мм**, S=32 мм, R=12 мм
Термоэлектрический преобразователь (термопара) с токовым выходом Овен ДТПL-И 265, ДТПК-И 265 D=6 мм, М=22х1,5 мм**, S=27 мм 80, 100, 120, 160, 200, 250, 320, 400, 500, 630, 800, 1000

10. Термоэлектрические датчики — СтудИзба

         Глава 10 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

§ 10.1. Принцип действия

Термоэлектрические датчики относятся к датчикам гене­раторного типа. Их работа основана на одном из термоэлектриче­ских явлений — появлении термоэлектродвижущей силы (термо-ЭДС).

Сущность этого явления заключается в следующем. Если соста­вить электрическую цепь из двух разнородных металлических про­водников (или полупроводников), причем с одного конца проводни­ки спаять, а место соединения (спай) нагреть, то в такой цепи воз­никает ЭДС. Эта ЭДС будет пропорциональна температуре места спая (точнее — разности температур места спая и свободных, не­спаянных концов). Коэффициент пропорциональности зависит от материала проводников и в определенном интервале температуры остается постоянным. Цепь, составленная из двух разнородных ма­териалов, называется термопарой; проводники, составляющие термопару, называются термоэлектродами; места соединения тер­моэлектродов —спаями. Спай, помещаемый в среду, температуру которой надо измерить, называется горячим или рабочим. Спай, от носительно которого измеряется температура, называется холодным или свободным. Возникающая при различии температур горячего и холодного спаев ЭДС называется термоЭДС. По значению этой термоЭДС можно определить температуру.

Физическая сущность возникновения термоЭДС объясняется наличием свободных электронов в металлах. Эти свободные элек­троны хаотически движутся между положительными ионами, обра­зующими остов   кристаллической     решетки.   В разных   металлах

свободные электроны облада­ют при одной и той же темпе­ратуре разными скоростью и энергией. При соединении двух разнородных металлов (элект­родов) свободные металлы из одного электрода проникают в другой. При этом металл с большей энергией и скоростью свободных электронов больше их теряет. Следовательно, он приобретает положительный потенциал. Металл с меньшей энергией   свободных   электро-

нов приобретает отрицательный потенциал. Возникает контактная разность потенциалов. При одинаковой температуре спаев (01=  02 на рис. 10.1, а) контактная разность потенциалов не может создать тока в замкнутой цепи. Контактная разность в спае / направлена навстречу контактной разности в спае 2. Но если на­греть один из спаев (рабочий) до температуры 01>02, то контакт­ная разность в спае 1 увеличится, а в спае 2 останется без изме­нения. В результате в контуре и возникает термоЭДС, тем боль­шая чем больше разность температур спаев 1 и 2 (0,—82).

Для измерения термоЭДС, вырабатываемой термопарой, в цепь  термопары включают измерительный прибор (например, милли­вольтметр). Милливольтметр включают, разомкнув свободный спай (рис. 10.1, б), либо в разрыв одного из термоэлектродов (рис.10.1, в). Как видно из схем включения измерительного прибора в случае разомкнутого свободного спая (рис. 10.1, б) у термопары три спая: один горячий 1 и два холодных 2 и 3, которые должны иметь постоянную температуру. При включении милливольтметра в разрыв одного из термоэлектродов (рис. 10.1, в) имеется четыре спая: один горячий /, один холодный 2 (он должен иметь постоян­ную температуру), два нейтральных 3 и 4 (они должны находиться при одинаковой, но не обязательно постоянной температуре). Для обеих схем термоЭДС и показания прибора будут одинаковыми, ес­ли соответственно одинаковыми будут температуры горячих и’ хо­лодных спаев. В этом нетрудно убедиться, если составить уравнения по второму закону Кирхгофа для каждого из контуров.

Рекомендуемые файлы

Способ изготовления спая (сваркой, спайкой и т. п.) на термо-ЭДС не влияет, если только размеры спая таковы, что температура его во всех точках одинакова.

ТермоЭДС, вырабатываемая термопарой, составленной из элек­тродов А и В, является разностью двух термоЭДС:  —тер-моЭДС горячего спая при температуре  —термоЭДС хо­лодного спая при температуре 02, т. е.

Значения термоЭДС и ее направление зависят от материалов электродов А и В.

В табл. 10.1 приведены термоЭДС для разных материалов в па­ре с платиной при температуре горячего спая 100°С (373 К) и тем­пературе холодного спая 0°С (273К). Знак плюс перед термоЭДС означает, что в холодном спае ток идет по направлению к платино­вому электроду.

Если составить термопару из материалов, которые по отношению к платине имеют термоЭДС разных знаков, то термоЭДС такой термопары будет равна сумме термоЭДС материалов по отноше­нию к платине. Например, из табл. 10.1 берем данные для термо­ЭДС меди в паре с платиной +0,76 мВ и термоЭДС сплава копель в паре с платиной — 4,0 мВ. Термопара медь-копель на основании уравнения (10.1) будет иметь термоЭДС ЕАВ — 0,76— (—4) = = +4,76 мВ. Материалы для термопар следует подбирать таким образом, чтобы термоЭДС имели достаточно большие значения, обеспечивающие высокую чувствительность измерения.

§ 10.2. Материалы, применяемые для термопар

К материалам для термоэлектродов термопар кроме тре­бования получения большого значения термоЭДС предъявляются и другие требования. Пожалуй, наиболее важным из них является обеспечение взаимозаменяемости.   Это означает,  что  термопары

одного и того же типа должны иметь при одинаковых температу­рах одну и ту же термоЭДС. В этом случае замена термопары не должна привести к перенастройке или переградуировке измери­тельного прибора. Поскольку термопары часто используются в очень тяжелых условиях (высокие температуры, агрессивная среда и т. п.), порой их необходимо менять уже через 1—2 тыс. ч. А изме­рительные приборы способны работать годами, их менять при заме­не термопары нецелесообразно. К тому же в промышленности полу­чили большое распространение так называемые обегающие системы автоматического контроля, когда на один и тот же измерительный прибор последовательно подаются сигналы от нескольких десятков термопар, контролирующих температуру в разных местах. Поэто­му необходима стабильность и повторяемость свойств термопар. В табл. 10.2 приведены основные типы термопар, выпускаемых серийно, и их характеристики. В паре материалов первым указан положительный электрод

В зависимости от материала электродов термопары, получившие практическое применение, разделяются на две основные группы: из благородных и неблагородных металлов.

Наибольшее распространение из первой группы получила термо­пара типа ТПП. Один электрод ее изготовлен из платинородия (90% платины и 10% родия), другой — из чистой платины. Эта термопара может использоваться как образцовая. Достоинствами ее являются химическая стойкость к окислительной среде, взаимо­заменяемость термоэлектродов, повторяемость характеристик. Не достаток—малое значение термоЭДС. Термопара типа lllll мо­жет длительно работать при температуре 1300°С, термоЭДС ее при этой температуре составляет 13,152 мВ.

Для более высоких температур (длительно — до 1600°С, крат­ковременно—до 1800°С) применяется термопара ТПР. Один элек­трод—платинородий (70% платины и 30% родия), другой  элек-

трод также платинородий (94% плати­ны и 6% родия). При температуре 1800°С термоЭДС составляет 13,927 мВ.

Существенно большие значения тер­моЭДС имеют термопары из неблаго­родных металлов, материалом для эле­ктродов которых служат специально раз­работанные сплавы: хромель (89% ни­келя, 9,8% хрома, 1% железа, 0,2% мар­ганца), алюмель (94% никеля, 2,5% марганца, 2% алюминия, 1% кремния, 0,5% железа), копель (55% меди, 45% никеля).

Наибольшее распространение получи­ли термопары типа ТХА (хромель-алю-мель) и типа ТХК (хромель-копель). За­висимость термоЭДС этих термопар от температуры показана на рис. 10.2. Хро-

мель-алюмелевые термопары применяют дли измерении icmncpa-тур в пределах от —50 до 1000СС. Они способны работать в окис­лительной среде, поскольку образуемая при нагреве тонкая за­щитная пленка препятствует проникновению кислорода внутрь металла. Зависимость термоЭДС от температуры для термопар ТХА близка к линейной. Хромель-копелевые термопары имеют самую высокую чувствительность: 6,95 мВ на 100°С. Однако диа­пазон измеряемых температур (от —50 до 600°С) несколько ниже, чем у термопар типа ТХА. Несколько хуже у термопар типа ТХК и линейность характеристики. Их достоинством является более высокая влагостойкость.

Термопара типа ТНС (электроды выполнены из сплавов НС-СА) применяется в диапазоне температур от 300 до 1000°С. ТермоЭДС ее невелика — всего 13,39 мВ при 1000°С. Но характер­ной особенностью этой термопары является то, что на точность ее работы почти не влияет температура холодного спая. Объясняется это тем, что термоЭДС термопары типа ТНС в диапазоне низких температур (до +200°С) практически близка к нулю. Следователь­но, изменения температуры холодного спая, вызванные обычными погодными колебаниями в помещении и даже на улице, почти не влияют на результаты измерения.

Кроме перечисленных материалов для термопар используются и другие, менее распространенные, но имеющие    свои достоинства.

Для измерения высоких температур применяют термопару из туго­плавких металлов — вольфрама и молибдена. Достоинством тер­мопар медь-копель и железо-копель является низкая стоимость.

Конструктивно термопары выполняются в специальной армату­ре, обеспечивающей защиту электродов от действия горячих хими­чески агрессивных газов и паров, электрическую изоляцию выво­дов. Для защиты термопар из неблагородных металлов применя­ют стальные трубки диаметром 21 мм и с максимальной глубиной погружения до 2 м.

Для защиты термопар из благородных металлов применяются кварцевые и фарфоровые трубки диаметром 8 и 20 мм. Для изоля­ции используют асбест (до 300°С), кварц (до 1000°С), фарфор (до 1400°С).

Так как термопары являются датчиками генераторного типа, то их в принципе можно использовать и для получения электроэнергии. Измерительные термопары для этой цели практически непригодны, поскольку их термоЭДС невелика. Но термопары с электродами из полупроводниковых материалов имеют термоЭДС, на порядок боль­шую (до 65 мВ на 100°С). С помощью таких термопар может осу­ществляться, например, и преобразование солнечной энергии в элек­трическую. Нашли применение они в быту: термогенераторы используются для -питания радиоприемников. КПД полупроводни­ковых термоэлементов достигает 10%. Для целен измерения полу­проводниковые термопары пока не применяются из-за нелинейно­сти характеристики, малой механической прочности и сравнитель­но малого (до 500°С) температурного диапазона.

§ 10.3. Измерение температуры с помощью термопар

При автоматическом измерении температуры с помощью термопар используются два основных метода: непосредственное измерение термоЭДС с помощью милливольтметра и компенсаци­онный метод, рассмотренный в § 2.С

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

Обозначим через Rв сопротивление милливольтметра, RT— со­противление термопары, Ra— сопротивление соединительных про водов. Ток, проходящий по рамке милливольтметра под действием термоЭДС Ети,

Из этой формулы видно, что показания прибора зависят не только от термоЭДС Ети, но и от сопротивлений RB, Rt, Rn. Так как шкала прибора уже проградуирована для термопары определенного типа, то сопротивления Rt, и RB уже учтены при градуировке. А со­противления внешней цепи также указываются на шкале (обычно 0,6; 5; 15 или 25 Ом).

Оценим показания прибора, шкала  которого  проградуирована

в милливольтах. Напряжение на его зажимах С учетом (10.2)

Обозначим внешнее сопротивление цепи из (10.3) термоЭДС

 

Из (10.4) видно, что измеряемое милливольтметром напряжение будет всегда меньше, чем ЭДС термопары, на UB(Rвн/Rн). Эта ве­личина будет тем меньше, чем больше сопротивление милливольт­метра RBпо сравнению с внешним сопротивлением Rвн. Обычно милливольтметры имеют кроме сопротивления рамки еще добавоч­ное сопротивление из манганина, что в сумме дает не менее 100 Ом.

Обычно градуировка термопар осуществляется при температуре холодного спая . На практике при измерении температуры 0i холодный спай имеет . Следовательно, по измеренной термо-ЭДС нельзя точно определить 8i. Необходимо вводить так называе­мую поправку на температуру холодных спаев. Существует несколь­ко способов поддержания неизменной температуры холодных спаев. Например, можно поместить холодные спаи в ванну с тающим льдом, но это возможно лишь в лабораторных условиях или при наладке. Можно холодные спаи закапывать в землю на глубину нескольких метров, где температура довольно стабильна, или по­мещать холодные спаи в специальную коробку с тепловой изоля­цией.

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

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

Рассмотрим принципиальную схему включения термопары и милливольтметра (рис. 10.3). Измерительный прибор может нахо­диться на довольно значительном удалении от термопары. Длина соединительных проводов может составлять несколько метров. В местах присоединения этих проводов также возникают термоЭДС.

Для точной компенсации этих термоЭДС необходим определенный подбор материалов проводов и термопар. Для присоединения тер­мопар служат специальные так называемые компенсационные провода. Каждой паре материалов компенсационных проводов присваивают буквенное обозначение, а каждому материалу прида­ют определенную расцветку, для чего используют оплетку из цвет­ном’ пряжи или цветные опознавательные нити, проложенные в проводе.

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

Информация в лекции «3.1. Общие сведения об Интернет» поможет Вам.

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

Мостовая схема в данном случае служит не для измерения, а для выработки компенсирующего напряжения UКи автоматической коррекции из-за изменения температуры холодного спая. Плечи моста состоят из проволочных резисторов R1R3, выполненных из материала с малым температурным коэффициентом сопротивле­ния (например, из манганина), и терморезнстора RK, изготовленно­го из материала с большим температурным коэффициентом сопро­тивления (например, из меди или никеля). Резистор располагается вблизи холодных спаев термопары. Мост питается от источника по­стоянного тока Е — обычно это батарейка (например, сухой эле­мент типа ЭСЛ-30). При всяком изменении температуры холодных спаев термопары изменяется ЕДи одновременно меняется сопро­тивление Rк, что приводит к изменению компенсирующего напря­жения UKна ту же величину, на какую изменилось ЕД. Следова­тельно, колебания окружающей температуры не изменяют показа­ний на шкале прибора. Регулировочное сопротивление RPслужит для установки тока питания моста при разряде батареи (умень­шении Е).

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

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

Автоматические потенциометры могут иметь переключатели для поочередного подключения до 24 термопар.

Принцип работы термопары, определение, типы и виды термопар, схемы работы термопары, способы подключения

Термопара — термоэлектрический преобразователь — это два разных сплава металла (проводники) которые образуют замкнутую цепь (термоэлемент). Термопара — один из наиболее распространенных в промышленности температурный датчик. Применяется в любых сферах промышленности, автоматики, научных исследованиях, медицине — везде, где нужно измерять температуру. Так же применяется в термоэлектрических генераторах для преобразования тепловой энергии в электрическую.

Действие термопары основано на эффекте, который впервые был открыт и описан Томасам Зеебеком в 1822 г. — термоэлектрический эффект или эффект Зеебека. В замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает термоэлектрический эффект (термо-ЭДС), если места контактов поддерживают при разных температурах. Цепь, которая состоит только из двух различных проводников, называется термоэлементом или термопарой. В сочетании с электроизмерительным прибором (милливольтметром, потенциометром и т. п.), термопара образует термоэлектрический термометр.

Измерительный прибор подключают либо к концам термоэлектродов, либо в разрыв одного из них. В среду, которую контролируют, помещают рабочий спай, а свободные концы подсоединяются к измерительному прибору. Чем больше различие между свойствами проводников и тепловой перепад на концах, тем выше термо-ЭДС.

По-простому — термопара это две проволоки из разнородных металлов (например, Хромель и Копель), сваренных или скрученных между собой. Место сварки (скрутки) называется рабочий спай Т1, а места соединения с измерительным прибором Т2 называют холодными спаями. То есть рабочий спай помещают в среду, температуру которой необходимо измерить, а холодные спаи подключают к приборам (милливольтметр). Но надо знать прибор — например, ИРТ 7710 не меряет температуру рабочего спая, он меряет разницу температур холодного и рабочего спаев. Это значит простым милливольтметром (тестером) мы можем узнать, поступает ли сигнал с рабочего спая (есть обрыв или нет), узнать где у термопары плюс (+) а где (-), примерно узнать какой тип термопары (но для этого нужен точный милливольтметр).

Типы, виды термопар

Типы российских термопар приведены в ГОСТ 6616-94.

Почему российские термопары? Термопара ТХК, то есть Хромель-Копель была придумана в СССР и сейчас выпускается только у нас и в странах СНГ. Не известно почему, но везде пишут ХК (L) — в скобках подразумевается международный тип, но это не так — на западе тип L это (Fe-CuNi). Может быть, они чем то и похожи по названию металлов входящих в сплав, но самое главное — у них разные таблицы НСХ. Мы с этим столкнулись, заказывая термопару из Италии. Наш совет — когда закупаете термопарный провод или кабель, сравнивайте таблицы НСХ, т.е. номинальные статические характеристики преобразователя ГОСТ Р 8.585-2001.

Таблица соответствия типов отечественных и импортных термопар

Тип температурного датчика

Сплав элемента

Российская маркировка температурных датчиков

Температурный диапазон

 

Термопара типа ТХК — хромель, копель (производства СССР или РФ)

хромель, копель

-200 … 800 °C

Термопара типа U

медь-медьникелевые

 

-200 … 500 °C

Термопара типа L

хромель, копель

ТХК

-200 … 850 °C

Термопара типа B

платинородий — платинородиевые

ТПР

100 … 1800 °C

Термопара типа S

платинородий — платиновые

ТПП

0 … 1700 °C

Термопара типа R

платинородий — платиновые

ТПП

0 … 1700 °C

Термопара типа N

нихросил нисил

ТНН

-200 … 1300 °C

Термопара типа E

хромель-константановые

ТХКн

0 … 600 °C

Термопара типа T

медь — константановые

ТМК

-200 … 400 °C

Термопара типа J

железо — константановые

ТЖК

-100 … 1200 °C

Термопара типа K

хромель, алюмель

ТХА

-200 … 1300 °C


Таблица ANSI Code (Американский национальный институт стандартов) и IEC Code (Международная электротехническая комиссия — МЭК)

В настоящее время в её состав входят более 76 стран (наша в том числе).

Термопара

Термопара

Ползиков Д.В. 1

1ГБПОУ РК СКР, ТД-18

Гресько П.А. 1

1ГБПОУ РК СКР

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Введение

Актуальность

Термоэлектрические преобразователи энергии находят все большее применение в современном приборостроении и технике: от бытовых приборов до космических устройств. Дальнейшее расширение их использования существенным образом сдерживается низким коэффициентом полезного действия таких преобразователей. Как показывают эксперименты, одним из перспективных направлений повышения эффективности термоэлектрических материалов является их микроструктурирование и наноструктурирование, при котором различным образом изменяются условия протекания электрофизических и теплофизических процессов.

Физические основы. Принцип действия

Принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте. Между соединёнными проводниками имеетсяконтактная разность потенциалов; если стыки связанных в кольцо проводников находятся при одинаковой температуре, сумма такихразностей потенциаловравна нулю (рисунок 1). Когда же стыки находятся при разных температурах, разность потенциалов между ними зависит от разности температур. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными от нуля коэффициентами термо-ЭДС в среду с температуройТ1, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуреТ2, которое будет пропорционально разности температурТ1иТ2.

Рисунок 1. Схема термопары типа К. При температуре спая проволок изхромеляиалюмеляравной 300 °C и температуре свободных концов 0 °C развивает термо-ЭДС 12,2мВ.

Термопара — термоэлектрический преобразователь

Международный стандарт на термопары МЭК 60584 (п.2.2) дает следующее определение термопары: Термопара — пара проводников из различных материалов, соединенных на одном конце и формирующих часть устройства, использующеготермоэлектрический эффектдля измерения температуры.

Термоэлектрические преобразователи — термопары, как и термопреобразователи сопротивления, являются наиболее распространенными средствами измерения температуры.

Термоэлектрический метод измерения температуры основан на зависимости термоэлектродвижущей силы (термо-ЭДС), развиваемой термопарой от температуры ее рабочего конца. Термо-ЭДС возникает в цепи, составленной из двух разнородных проводников (электродов), если значения температуры мест соединения не равны (при равенстве температур термо-ЭДС равна нулю). Возникающая в цепи термопары ЭДС является результатом действия эффектов Зеебека и Томпсона. Первый связан с появлением ЭДС в месте спая двух разнородных проводников, причем величина ЭДС зависит от температуры спая. Эффект Томпсона связан с возникновением ЭДС в однородном проводнике при наличии разности температур на его концах.

Развиваемая термо-ЭДС зависит от значения обеих температур, причем она увеличивается с ростом разности. В силу этого термо-ЭДС термопары условно обозначается символом E.

Способы подключения

Наиболее распространены два способа подключения термопары к измерительным преобразователям: простой и дифференциальный (рисунок 2). В первом случае измерительный преобразователь подключается напрямую к двум термоэлектродам. Во втором случае используются два проводника с разными коэффициентами термо-ЭДС, спаянные в двух концах, а измерительный преобразователь включается в разрыв одного из проводников.

Рисунок 2. П
одключение термопары к измерительному прибору:
а) простой, б) дифференциальный

Для дистанционного подключения термопар используются удлинительные или компенсационные провода. Удлинительные провода изготавливаются из того же материала, что и термоэлектроды, но могут иметь другой диаметр. Компенсационные провода используются в основном с термопарами из благородных металлов и имеют состав, отличный от состава термоэлектродов. Требования к проводам для подключения термопар установлены в стандарте МЭК 60584-3.

Следующие основные рекомендации позволяют повысить точность измерительной системы, включающей термопарный датчик:

Миниатюрную термопару из очень тонкой проволоки следует подключать только с использованием удлинительных проводов большего диаметра;

При использовании длинных удлинительных проводов, во избежание наводок, следует соединить экран провода с экраном вольтметра и тщательно перекручивать провода;

По возможности избегать резких температурных градиентов по длине термопары;

Материал защитного чехла не должен загрязнять электроды термопары во всем рабочем диапазоне температур и должен обеспечить надежную защиту термопарной проволоки при работе во вредных условиях;

Использовать удлинительные провода в их рабочем диапазоне и при минимальных градиентах температур;

Для дополнительного контроля и диагностики измерений температуры применяют специальные термопары с четырьмя термоэлектродами, которые позволяют проводить дополнительные измерения сопротивления цепи для контроля целостности и надежности термопар.

Преимущества термопар

Высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01 °С).

Большой температурный диапазон измерения: от −250 °C до +2500 °C.

Простота.

Дешевизна.

Надёжность.

Недостатки термопар

Для получения высокой точности измерения температуры (до ±0,01 °С) требуется индивидуальная градуировка термопары.

На показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового датчика и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.

Эффект Пельтье (в момент снятия показаний необходимо исключить протекание тока через термопару, так как ток, протекающий через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный).

Зависимость ТЭДС от температуры существенно не линейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.

Возникновение термоэлектрической неоднородности в результате резких перепадов температур, механических напряжений, коррозии и химических процессов в проводниках приводит к изменению градуировочной характеристики и погрешностям до 5 К.

На большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.

Практическое применение термопар

Термопары широко применяют для измерения температуры различных объектов, а также в автоматизированных системах управления и контроля. Измерение температур с помощью термопар получило широкое распространение из-за надежной конструкции датчика, возможности работать в широком диапазоне температур и дешевизны. Широкому применению термопары обязаны в первую очередь своей простоте, удобству монтажа, возможности измерения локальной температуры. Они гораздо более линейны, чем многие другие датчики, а их нелинейность на сегодняшний день хорошо изучена и описана в специальной литературе. К числу достоинств термопар относятся также малая инерционность, возможность измерения малых разностей температур. Термопары незаменимы при измерении высоких температур (вплоть до 2200°С) в агрессивных средах. Термопары могут обеспечивать высокую точность измерения температуры на уровне ±0,01°С.

Таблица 1.

Тип термо-пары

Буквен­ное обозна­чение НСХ*

Материал термоэлектродов

Коэффици­ент термо-ЭДС, мкв/°С (в диапазоне темпера­тур, °С)

Диапазон рабочих темпера­тур, °С

Пре­дель­ная темпе­ра­тура при кратко­времен­ном приме­не­нии, °С

Положи­тельного

Отрицатель­ного

ТЖК

J

Железо (Fe)

Сплав константен (45% Сu + 45% Ni, Mn, Fe)

50-64
(0-800)

от -200 до +750

900

ТХА

К

Сплав хромель (90,5% Ni +9,5% Сr)

Сплавалюмель (94,5% Ni + 5,5% Al, Si, Mn, Co)

35-42
(0-1300)

от -200 до +1200

1300

ТМК

Т

Медь (Сu)

Сплав константан (55% Си + 45% Ni, Mn, Fe)

40-60
(0-400)

от -200 до +350

400

ТХКн

Е

Сплав хромель (90,5% Ni + 9,5% Сr)

Сплав константан (55% Сu + 45% Ni, Mn, Fe)

59-81
(0-600)

от-200 до+700

900

ТХК

L

Сплав хромель (90,5% Ni + 9,5% Сr)

Сплав копель (56% Си + 44% Ni)

64-88
(0-600)

от -200 до +600

800

ТНН

N

Сплав никросил (83,49% Ni +13,7% Сr + 1,2% Si+ 0,15% Fe + 0,05% С + 0,01% Mg)

Сплав нисил (94,98% Ni + 0,02% Сr + 4,2% Si + 0,15% Fe + 0,05% С + 0,05% Mg)

26-36
(0-1300)

от -270 до +1300

1300

ТПП13

R

Сплав платина-родий (87% Pt + 13% Rh)

платина (Pt)

10-14
(600-1600)

от 0
до +1300

1600

ТПП10

S

Сплав платина-родий (87% Pt + 13% Rh)

платина (Pt)

10-14
(600-1600)

от 0
до +1300

1600

ТПР

В

Сплав платина-родий (70% Pt + 30% Rh)

Сплав платина-родий (94% Pt + 6% Rh)

10-14
(1000-1800)

от 600 до+1700

1800

ТВР

А-1А-2А-3

Сплав вольфрам-рений (95% W + 5% Re)

Сплав вольфрам-рений (80% W + 20% Re)

14-7
(1300-2500)

от 0 до +2200
от 0
до +1800
от 0
до +1800

2500

ТСС

I

Сплав сильд

Сплав силин

от 0
до + 800

900

Кабардин А.А. Физика 10 класс [Текст]: учебник для общеобразовательных организаций: углубленный уровень — М: Просвещение, 2014

http://www.radioradar.net/hand_book/documentation/terpara.html

https://ru.wikipedia.org/wiki/Термопара

Просмотров работы: 469

принцип работы, устройство, типы и виды, проверка работы

Термопара – это устройство для измерения температур во всех отраслях науки и техники. Данная статья представляет общий обзор термопар с разбором конструкции и принципом действия устройства. Описаны разновидности термопар с их краткой характеристикой, а также дана оценка термопары как измерительного прибора.

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.

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

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).

ВАЖНО: Не рекомендуется использовать способ скручивания из-за быстрой потери свойств спая.

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.

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. Наиболее широкое применение получил нормирующий преобразователь, размещенный в стандартной клеммной головке датчика с унифицированным сигналом 4-20мА, так называемая «таблетка».

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.

Лайфхак! Для правильного определения полярности компенсационных проводов и их подключения к термопаре запомните мнемоническое правило ММ — минус магнитится. То есть берём любой магнит и минус у компенсации будет магнитится, в отличии от плюса.

Типы и виды термопар

Многообразие термопар объясняется различными сочетаниями используемых сплавов металлов. Подбор термопары осуществляется в зависимости от отрасли производства и необходимого температурного диапазона.

Термопара хромель-алюмель (ТХА)

Положительный электрод: сплав хромель (90% Ni, 10% Cr).
Отрицательный электрод: сплав алюмель (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).

Изоляционный материал: фарфор, кварц, окиси металлов и т.д.

Диапазон температур от -200°С до 1300°С кратковременного и 1100°С длительного нагрева.

Рабочая среда: инертная, окислительная (O2=2-3% или полностью исключено), сухой водород, кратковременный вакуум. В восстановительной или окислительно-восстановительной атмосфере в присутствии защитного чехла.

Недостатки: легкость в деформировании, обратимая нестабильность термо-ЭДС.

Возможны случаи коррозии и охрупчивания алюмеля в присутствии следов серы в атмосфере и хромеля в слабоокислительной атмосфере («зеленая глинь»).

Термопара хромель-копель (ТХК)

Положительный электрод: сплав хромель (90% Ni, 10% Cr).
Отрицательный электрод: сплав копель (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).

Диапазон температур от -253°С до 800°С длительного и 1100°С кратковременного нагрева.

Рабочая среда: инертная и окислительная, кратковременный вакуум.

Недостатки: деформирование термоэлектрода.

Возможно испарение хрома при длительном вакууме; реагирование с атмосферой, содержащей серу, хром, фтор.

Термопара железо-константан (ТЖК)

Положительный электрод: технически чистое железо (малоуглеродистая сталь).
Отрицательный электрод: сплав константан (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).

Используется для проведения измерений в восстановительных, инертных средах и вакууме. Температура от -203°С до 750°С длительного и 1100°С кратковременного нагрева.

Применение складывается на совместном измерении положительных и отрицательных температур. Невыгодно использовать только для отрицательных температур.

Недостатки: деформирование термоэлектрода, низкая коррозийная стойкость.

Изменение физико-химических свойств железа около 700°С и 900 °С. Взаимодействует с серой и водными парами с образованием коррозии.

Термопара вольфрам-рений (ТВР)

Положительный электрод: сплавы ВР5 (95% W, 5% Rh)/ВАР5 (BP5 с кремнещелочной и алюминиевой присадкой)/ВР10 (90% W, 10% Rh).
Отрицательный электрод: сплавы ВР20 (80% W, 20% Rh).

Изоляция: керамика из химически чистых окислов металлов.

Отмечается механическая прочность, термостойкость, малая чувствительность к загрязнениям, легкость изготовления.

Измерение температур от 1800°С до 3000°С, нижний предел – 1300°С. Измерения проводятся в среде инертного газа, сухого водорода или вакуума. В окислительных средах только для измерения в быстротекущих процессах.

Недостатки: плохая воспроизводимость термо-ЭДС, ее нестабильность при облучении, непостоянная чувствительность в температурном диапазоне.

Термопара вольфрам-молибден (ВМ)

Положительный электрод: вольфрам (технически чистый).
Отрицательный электрод: молибден (технически чистый).

Изоляция: глиноземистая керамика, защита кварцевыми наконечниками.

Инертная, водородная или вакуумная среда. Возможно проведение кратковременных измерений в окислительных средах в присутствии изоляции. Диапазон измеряемых температур составляет 1400-1800°С, предельная рабочая температура порядка 2400°С.

Недостатки: плохая воспроизводимость и чувствительность термо-ЭДС, инверсия полярности, охрупчивание при высоких температурах.

Термопары платинородий-платина (ТПП)

Положительный электрод: платинородий (Pt c 10% или 13% Rh).
Отрицательный электрод: платина.

Изоляция: кварц, фарфор (обычный и огнеупорный). До 1400°С — керамика с повышенным содержанием Al2O3, свыше 1400°С — керамику из химически чистого Al2O3.

Предельная рабочая температура 1400°С длительно, 1600°С кратковременно. Измерение низких температур обычно не производят.

Рабочая среда: окислительная и инертная, восстановительная в присутствии защиты.

Недостатки: высокая стоимость, нестабильность при облучении, высокая чувствительность к загрязнениям (особенно платиновый электрод), рост зерен металла при высоких температурах.

Термопары платинородий-платинородий (ТПР)

Положительный электрод: сплав Pt c 30% Rh.
Отрицательный электрод: сплав Pt c 6% Rh.

Среда: окислительная, нейтральная и вакуум. Использование в восстановительных и содержащих пары металлов или неметаллов средах в присутствии защиты.

Максимальная рабочая температура 1600°С длительно, 1800°С кратковременно.

Изоляция: керамика из Al2O3 высокой чистоты.

Менее подвержены химическим загрязнениям и росту зерна, чем термопара платинородий-платина.

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

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

ВАЖНО: Необходимо узнать используемый стандарт на предприятии для предотвращения ошибок.

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.

ВАЖНО: Характеристики на момент изготовления меняются в период эксплуатации.

Быстродействие измерения

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

Факторы, увеличивающие быстродействие:

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

Проверка работоспособности термопары

Для проверки работоспособности подключают специальный измерительный прибор (тестер, гальванометр или потенциометр) или измеряют напряжение на выходе милливольтметром. При наличии колебаний стрелки или цифрового индикатора термопара является исправной, в противном случае устройство подлежит замене.

Причины выхода из строя термопары:

  1. Неиспользование защитного экранирующего устройства;
  2. Изменение химического состава электродов;
  3. Окислительные процессы, развивающиеся при высоких температурах;
  4. Поломка контрольно-измерительного прибора и т.д.

Преимущества и недостатки использования термопар

Достоинствами использования данного устройства можно назвать:

  • Большой температурный диапазон измерений;
  • Высокая точность;
  • Простота и надежность.

К недостаткам следует отнести:

  • Осуществление постоянного контроля холодного спая, поверки и калибровки контрольной аппаратуры;
  • Структурные изменения металлов при изготовлении прибора;
  • Зависимость от состава атмосферы, затраты на герметизацию;
  • Погрешность измерений из-за воздействия электромагнитных волн.
Принцип работы термопары

— ваше руководство по электрике

Привет друзья,

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

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

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

Принцип работы термопары основан на эффекте Зеебака. Этот эффект заключается в том, что когда замкнутая цепь образуется путем соединения двух разнородных металлов в двух соединениях, и соединения поддерживаются при разных температурах, тогда в этой замкнутой цепи индуцируется электродвижущая сила (ЭДС).

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

E = a (∆θ) + b (∆θ) 2

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

как правило, «a» очень велико по сравнению с «b», поэтому «b» можно пренебречь. Следовательно, приведенное выше выражение можно приблизительно представить следующим образом:

E = a (∆θ)

∆θ = E / a

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

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

Типы термопар

T — термопара типа

Положительный провод — Cu
Отрицательный провод — Constantan

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

E — Термопара типа

Положительный провод — Chromel
Отрицательный провод — Constantan

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

J — Тип термопары

Положительный провод — железо
Отрицательный провод — Constantan

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

K — Тип термопары

Положительный провод — Chromel
Отрицательный провод — Alumel

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

S — Тип термопары

Положительный провод — Платина 10% Родий
Отрицательный провод — Платина

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

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

Преимущества:

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

Недостатки:

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


Спасибо, что прочитали о «принципе работы термопары».

Приборы | Все сообщения

© www.yourelectricalguide.com/ принцип работы термопары.

Принцип работы термопары

— Inst Tools

ТЕРМОПАРЫ

Термопара состоит из двух разнородных металлов, соединенных вместе на одном конце, которые создают напряжение (выраженное в милливольтах) при изменении температуры. Место соединения двух металлов, называемое чувствительным переходом, соединяется с удлинительными проводами. Любые два разнородных металла могут быть использованы для изготовления термопары.

P Принцип работы

  • Когда два разнородных металла соединяются вместе, на стыке генерируется небольшое напряжение, называемое напряжением термоперехода .Это называется эффектом Пельтье .
  • Если температура соединения изменяется, это вызывает изменение напряжения, что может быть измерено входными цепями электронного контроллера. Выходное напряжение — это напряжение, пропорциональное разнице температур между спаем и свободными концами. Это называется эффектом Томпсона .
  • Оба этих эффекта можно комбинировать для измерения температуры.Удерживая один спай при известной температуре (эталонный спай) и измеряя напряжение, можно определить температуру чувствительного спая. Генерируемое напряжение прямо пропорционально разнице температур. Комбинированный эффект известен как эффект термоспая или эффект Зеебека .

На рисунке справа показана простая схема термопары.

Напряжение измеряется для определения температуры. На практике провода A и B подключаются к цифровому вольтметру (DVM), цифровому мультиметру (DMM), системе сбора цифровых данных или другому устройству измерения напряжения.Если измерительное устройство имеет очень высокий входной импеданс, напряжение, создаваемое термопаром, можно измерить точно.

Однако основная проблема с измерением температуры термопарами заключается в том, что провода A и B должны подключаться к выводам вольтметра, которые обычно сделаны из меди. Если ни провод A, ни провод B сами по себе не являются медными, подключение к DVM создает еще два термоперехода ! (Металлы термопар обычно не такие же, как у проводов цифрового мультиметра.Эти дополнительные термопары также создают напряжение термопары, которое может вызвать ошибку при попытке измерить напряжение с чувствительного спая.

Как решить эту проблему?

Одним из простых решений является добавление четвертого термопреобразователя, называемого эталонным спаем , путем вставки дополнительной длины металлического провода А в схему, как показано ниже. Эталонный спай состоит из металлов A и B, как показано на рисунке.

Эта модифицированная схема анализируется следующим образом:

При таком расположении остаются еще два дополнительных спая термопары, где компенсированная термопара подключается к вольтметру (DVM). Два соединения с DVM теперь находятся между металлом A и медью. Эти два перехода расположены близко друг к другу, и имеют одинаковую температуру , , , так что их напряжения термопреобразования идентичны и компенсируют друг друга.Между тем, новый эталонный спай помещается в место, где эталонная температура T R известна точно, обычно в водно-ледяной бане с фиксированной температурой T R = 0 ° C. Если чувствительный переход также имеет температуру 0 ° C (T s = 0 o C), напряжение, генерируемое чувствительным переходом, будет равно и противоположно напряжению, генерируемому опорным переходом. Следовательно, V o = 0, когда T s = 0 ° C. Однако, если температура чувствительного перехода не равна T R , V o будет отличным от нуля.

Таким образом, V o является уникальной функцией температуры датчика T s и двух металлов, используемых для термопары . Таким образом, для известной эталонной температуры и известных материалов провода термопары для измерения температуры можно использовать выходное напряжение V o . Это фундаментальная концепция использования термопар.

Материалы термопары

Термопары могут быть изготовлены из нескольких различных комбинаций материалов.Характеристики материала термопары обычно определяются при использовании этого материала с платиной. Наиболее важным фактором, который следует учитывать при выборе пары материалов, является «термоэлектрическая разница» между двумя материалами. Значительная разница между двумя материалами приведет к улучшению характеристик термопары.

На рисунке ниже показаны характеристики наиболее часто используемых материалов при использовании с платиной. Например: хромель-константан отлично подходит для температур до 2000 ° F; Никель / никель-молибден иногда заменяет хромель-алюмель; и вольфрам-рений используется для температур до 5000 ° F.Некоторые комбинации, используемые для специализированных приложений, включают хромель-белое золото, молибден-вольфрам, вольфрам-иридий и иридий / иридий-родий.

На рисунке ниже показаны характеристики материала термопары при использовании с платиной.

Характеристики типов термопар

Из бесконечного числа комбинаций термопар Американское общество приборостроения (ISA) признает 12. Большинство этих типов термопар имеют однобуквенные обозначения; наиболее распространены J, K, T и E.Состав термопар соответствует международным стандартам, но цветовая кодировка проводов у них другая. Например, в США отрицательный вывод всегда красный, в то время как остальной мир использует красный цвет для обозначения положительного вывода. Часто стандартные типы термопар упоминаются по их торговым наименованиям. Например,

  • A тип K термопара имеет цвет желтый и использует хромель алюмель, , которые являются торговыми наименованиями сплавов проволоки Ni-Cr и Ni-Al.
  • Термопара типа J имеет цвет черный и использует железо и константан в качестве составляющих металлов. (Константан — это сплав никеля и меди.)
  • Термопара типа T имеет цвет синий и использует медь и константан в качестве металлов.
  • Термопара A типа S использует Pt / Rh-Pt
  • Термопара A типа E использует Ni / Cr-Con
  • Термопара A типа N использует Ni / Cr / Si-Ni / Si

Каждая калибровка имеет свой диапазон температур и среду, хотя максимальная температура зависит от диаметра провода, используемого в термопаре.Различия в составе сплава и состоянии стыка между проволоками являются источниками погрешностей в измерениях температуры. Стандартная погрешность провода термопары варьируется от ± 0,8 ° C до ± 4,4 ° C, в зависимости от типа используемой термопары. Термопара типа K рекомендуется для большинства приложений общего назначения. Он предлагает широкий диапазон температур, низкую стандартную ошибку и хорошую коррозионную стойкость. Фактически, многие цифровые мультиметры (DMM) могут измерять температуру путем подключения термопары типа K со стандартными соединениями.

Напряжение, создаваемое термопарой, изменяется почти , но не точно, линейно с температурой. Следовательно, не существует простых уравнений, связывающих напряжение термопары с температурой. Напротив, напряжение представлено в виде таблицы как функция температуры для различных стандартных термопар. Чтобы преобразовать показания в милливольтах в соответствующую температуру, вы должны обратиться к таблицам, подобным приведенной ниже. Эти таблицы можно получить у производителя термопар, и в них указана конкретная температура, соответствующая серии показаний в милливольтах. По соглашению, эталонная температура для таблиц термопар составляет 0ºC.

Выбор типа термопары

Поскольку термопары измеряют в широком диапазоне температур и могут быть относительно прочными, они очень часто используются в промышленности.

При выборе термопары используются следующие критерии:

  1. Диапазон температур.
  2. Химическая стойкость материала термопары или оболочки.
  3. Устойчивость к истиранию и вибрации.
  4. Требования к установке (может потребоваться совместимость с существующим оборудованием; существующие отверстия могут определять диаметр зонда).

Стандартные характеристики

Диаметры: Стандартные диаметры: 0,010 ″, 0,020 ″, 0,032 ″, 0,040 ″, 1/16 ″, 1/8 ″, 3/16 ″ и 1/4 ″ с двумя проводами.

Длина: Стандартные термопары имеют длину погружения 12 дюймов. Другая длина изготавливается на заказ.

Оболочки: Нержавеющая сталь 304 и инконель являются стандартными.

Изоляция: Оксид магния является стандартным. Минимальное сопротивление изоляции провод к проводу или провод к оболочке составляет 1,5 МОм при 500 В постоянного тока для всех диаметров.

Калибровка: железо-константан (J), хромель алюмель (K), медь-константан (T) и хромель-константан (E) являются стандартными калибровками.

Гибка: Легко изгибается и деформируется. Радиус изгиба должен быть не менее двойного диаметра оболочки.

Полярность: В производстве термопар стандартной практикой является окрашивание отрицательного вывода в красный цвет.

Соединения термопар:

Доступны зонды с термопарами в оболочке с одним из трех типов спая: заземленным, незаземленным или незащищенным.

Заземленное соединение — В этом типе провода термопары физически прикреплены к внутренней стороне стенки зонда. Это приводит к хорошей передаче тепла снаружи через стенку зонда к спайу термопары. Заземленный переход рекомендуется для измерения статических или текущих температур агрессивных газов и жидкостей, а также для приложений с высоким давлением.Спай заземленной термопары приварен к защитной оболочке, обеспечивая более быстрый отклик, чем спай незаземленного типа.

Незаземленный переход- В подземном зонде спай термопары отсоединен от стенки зонда. Время отклика уменьшается по сравнению с заземленным типом, но незаземленный обеспечивает электрическую изоляцию 1,5 M1 / ​​2 при 500 В постоянного тока для всех диаметров. Незаземленный спай рекомендуется для измерений в агрессивных средах, где желательно, чтобы термопара была электрически изолирована от оболочки и экранирована ею.Термопара из сварной проволоки физически изолирована от оболочки термопары порошком MgO (мягкий).

Открытый спай — В стиле открытого спая термопара выступает из конца оболочки и подвергается воздействию окружающей среды. Этот тип обеспечивает лучшее время отклика, но его использование ограничено некоррозийными и не находящимися под давлением приложениями. Соединение выходит за пределы защитной металлической оболочки, обеспечивая точный и быстрый отклик.Изоляция оболочки герметизирована там, где простирается переход, чтобы предотвратить проникновение влаги или газа, которое может вызвать ошибки.

Таким образом, открытый переход обеспечивает самое быстрое время отклика, за которым следует заземленный переход. Решения по измерению температуры могут повлиять на ожидаемые результаты процесса или нарушить их. Выбор правильного датчика для приложения может быть сложной задачей, но обработка этого измеренного сигнала также очень важна.

T Законы для гермопар

Первые несколько обозначения :

Пусть T 1 будет температурой ванны 1, а T 2 будет температурой ванны 2.

Пусть V 1-R определяется как напряжение, создаваемое термопарой при температуре T 1 , когда используется надлежащий эталонный спай при температуре T R (T R = эталонная температура = 0 o C ). V 1-R — напряжение, указанное в таблице термопар при температуре T 1 .

Пусть V 1-2 определяется как разница напряжений между V 1-R и V 2-R ,

V1-2 = V1-R — V2-R

Условные обозначения :

Ошибки отрицательного знака могут быть проблематичными при работе с этими уравнениями, если одно из них не согласовано.

По соглашению, таблицы термопар построены так, что на более высокая температура дает на более высокое напряжение термопары .

Другими словами, всегда предполагается, что два провода термопары (назовем их провод A и провод B) подключены к вольтметру таким образом, что напряжение положительное , когда измеряемая температура больше чем эталонная температура. Аналогично, напряжение отрицательное, , когда измеряемая температура на меньше, чем на эталонная температура.

Поскольку стандартная эталонная температура для таблиц термопар составляет 0ºC, положительные температуры в единицах ºC дают положительные термопереходные напряжения, а отрицательные температуры в единицах o C дают отрицательные термопереходные напряжения.

Обратите внимание, что если провода подключены к вольтметру стороной напротив , напряжения, конечно, будут иметь противоположный знак.

К термопарам применяются три закона или правила:

  • Закон промежуточных металлов

«Третий (промежуточный) металлический провод может быть вставлен последовательно с одним из проводов без изменения показания напряжения (при условии, что два новых соединения имеют одинаковую температуру)».

Рассмотрим схему ниже, где прямоугольник вокруг термопары указывает на баню с постоянной температурой (например, кастрюлю с кипящей водой или баню с ледяной водой).

Закон промежуточных металлов гласит, что показание напряжения V 1-2 не изменится, если добавить третий (промежуточный) провод на одной линии с любым из проводов в цепи, как показано ниже:

На приведенной выше диаграмме предполагается, что оба новых перехода (между металлом B и металлом C) имеют одинаковую температуру, т.е.е. температура окружающей среды, T a .

Легко видеть, что здесь должен соблюдаться закон промежуточных металлов, поскольку любое напряжение, генерируемое на одном из новых переходов, в точности компенсируется равным и противоположным напряжением, генерируемым на другом новом переходе.

Точно так же металл C может быть вставлен в любое другое место в цепи без какого-либо влияния на выходное напряжение, при условии, что два новых перехода имеют одинаковую температуру. Например, рассмотрим следующую модифицированную схему:

Опять же, если два новых перехода (на этот раз между металлами A и C) имеют одинаковую температуру, нет никакого общего влияния на выходное напряжение.

  • Закон промежуточных температур

«Если идентичные термопары измеряют разность температур между T 1 и T 2 , и разность температур между T 2 и T 4 , тогда сумма соответствующих напряжений V 1-2 + V 2-3 должна равняться напряжению V 1-3 , генерируемому идентичной термопарой измерение разницы температур между T 1 и T 3 ”.

Математическая формулировка закона промежуточных температур:

V 1-3 = V 1-2 + V 2-3 для любых трех температур, T 1 , T 2 и T 3 .

Рассмотрим схему ниже, где показаны шесть термоспаев, по два в каждой ванне с постоянной температурой. Примечание. Во избежание путаницы на схеме медные выводы цифрового вольтметра больше не показаны. Кроме того, для краткости буквы A и B обозначают металл A и металл B, два разных типа проводов для термопар.

Согласно принятой здесь системе обозначений,

V1-3 = V1-R — V3-R,

, которое можно записать как

V1-3 = (V1-R — V2-R) + (V2-R — V3-R)

Но поскольку (тоже по определению)

V1-2 = V1-R — V2-R и

V2-3 = V2-R — V3-R,

непосредственно следует, что

V1-3 = V1-2 + V2-3.

«Для данного набора из 3 проводов термопары, A, B и C, все измеряют одинаковую разность температур T 1 — T 2 , напряжение измеряется проводами A и C должно равняться сумме напряжения, измеренного на проводах A и B, и напряжения, измеренного на проводах B и C ”.

Рассмотрим установку ниже, где показаны шесть термоспаев, три в ванне с постоянной температурой T 1 и три в ванне с постоянной температурой T 2 . Как указано выше, буквы A, B и C обозначают различные типы проводов для термопар.

Математически закон аддитивных напряжений можно сформулировать как:

V1-2 (провода A и C) = V1-2 (провода A и B) + V1-2 (провода B и C)

Или, переставив по напряжению разности ,

V1-2 (провода A и B) = V1-2 (провода A и C) — V1-2 (провода B и C).

Термобатарея

Термобатарея определяется как несколько последовательно соединенных термопар. Например, термобатарея с тремя чувствительными элементами показана ниже:

По мере увеличения T 2 выходное напряжение значительно увеличивается. Преимущество термобатареи (по сравнению с одним чувствительным переходом) — повышенная чувствительность .

Здесь выходное напряжение в три раза больше, чем вырабатывается только одной термопарой при идентичных условиях, как показано ниже:

При достаточном количестве чувствительных переходов термобатарея действительно может генерировать полезное напряжение.Например, термобатареи часто используются для управления запорной арматурой в печах .

Также читайте: Основы термопар и датчиков RTD

Как работают термопары? Принципы работы термопар

Когда два провода, состоящие из разнородных металлов, соединяются на обоих концах и один из концов нагревается, в термоэлектрической цепи протекает постоянный ток. Если эта цепь разорвана в центре, чистое напряжение холостого хода (напряжение Зеебека) является функцией температуры перехода и состава двух металлов.Это означает, что когда соединение двух металлов нагревается или охлаждается, создается напряжение, которое может обратно соотноситься с температурой.

Работа со временем отклика

Постоянная времени была определена как время, необходимое датчику для достижения 63,2% ступенчатого изменения температуры при заданном наборе условий. Чтобы датчик приблизился к 100% значения ступенчатого изменения, требуется пять постоянных времени. Термопара с открытым спаем обеспечивает самый быстрый отклик.Кроме того, чем меньше диаметр оболочки зонда, тем быстрее отклик, но максимальная температура может быть ниже. Однако имейте в виду, что иногда оболочка зонда не может выдерживать полный температурный диапазон типа термопары. Узнайте больше о времени отклика термопар.

В чем разница: термопары, RTD, термисторы и инфракрасные устройства?

Чтобы выбирать между датчиками, указанными выше, вы должны учитывать характеристики и стоимость различных датчиков, а также доступное оборудование.Кроме того, термопары, как правило, могут измерять температуру в широком диапазоне температур, недорого и очень надежны, но они не так точны и стабильны, как термометры сопротивления и термисторы. RTD стабильны и имеют довольно широкий диапазон температур, но не так прочны и недороги, как термопары. Поскольку для проведения измерений требуется использование электрического тока, RTD могут иметь неточности из-за самонагрева. Термисторы имеют тенденцию быть более точными, чем RTD или термопары, но они имеют гораздо более ограниченный диапазон температур.Также они подвержены самонагреву. Инфракрасные датчики можно использовать для измерения температуры выше, чем у других устройств, и делать это без прямого контакта с измеряемыми поверхностями. Однако они, как правило, не так точны и чувствительны к эффективности излучения поверхности (или, точнее, коэффициенту излучения поверхности). Используя оптоволоконные кабели, они могут измерять поверхности, которые находятся вне прямой видимости.

Техническое обучение Техническое обучение

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

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

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

Принцип работы термопары

Принцип работы термопары зависит от трех эффектов.

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

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

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

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

Конструкция термопары

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

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

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

Работа термопары

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

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

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

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

Измерение выхода термопары

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

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

Преимущества термопары

Ниже приведены преимущества термопар.

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

Недостатки термопар

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

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

Принцип работы

и его применение

Чтобы узнать о , что такое термопара , мы должны знать ее определение . Термопару можно определить как устройство, состоящее, по крайней мере, из 2 соединенных металлов, которое образует 2 соединения. Один из переходов соединен с корпусом устройства, температуру которого необходимо измерить, а второй соединен с объектом, температура которого уже известна. Неизвестный температурный спай известен как измерительный или горячий спай, в то время как известный температурный спай известен как эталонный или холодный спай.

Следовательно, термопара может называться устройством, способным измерять температуру неизвестного объекта со ссылкой на объект, температура которого известна. Одно из ключевых применений и термопары предназначено для измерения разности напряжений или ЭДС в цепи.

Принцип работы термопары

Всего существует 3 эффекта, на которых основан принцип работы термопары. Все три эффекта — это эффект Томсона, Пельтье и Зеебека, которые подробно описаны ниже.

  1. Эффект Томсона: Эффект Томсона имеет дело с двумя металлами или объектами, которые соединяются вместе, образуя 2 определенных соединения. В цепи существует потенциал, из-за которого градиент температуры сближается по всей длине проводников.
  2. Эффект Пельтье: Эффект Пельтье имеет дело с двумя металлами или объектами, которые не похожи друг на друга и соединяются вместе, образуя 2 соединения. ЭДС генерируется между схемами из-за разницы температур между двумя переходами.
  3. Эффект Зеебека: Эффект Зеебека имеет дело с двумя металлами или объектами, независимо от того, соединены ли они одинаковыми или разными. Затем между сформированными переходами генерируется ЭДС, которая определяет разницу температур объектов или металлов.

Работа термопары

Ниже приведены принципиальные схемы термопар.

Схема термопары

Здесь подробно обсуждается принцип термопары .Конструкция термопары уже показана на первом рисунке, который состоит из двух разных металлов, названных A и B, которые соединяются вместе, образуя 2 конкретных соединения, названных p и q, имеющих температуры T1 и T2. Обе температуры поддерживаются хорошо. Формирование термопары невозможно без образования спая, и, как показано на рисунке, оба спая поддерживаются при разных температурах, поэтому формируется эффект Пельтье, и ЭДС генерируется через схему.

В случае, если температура обоих переходов одинакова, то возникает одинаковая, но противоположная генерация ЭДС с обеих сторон переходов, и полный ток, протекающий через переходы, равен нулю. Однако, если переходы должны поддерживаться при разных температурах, тогда сумма ЭДС не будет равна нулю, и через переходы будет протекать некоторый ток. Следует помнить, что полный ток, протекающий через цепь, полностью зависит от типов металлов, используемых в цепи, а также от образующихся переходов.

Устройства для измерения ЭДС цепи термопары

Для измерения ЭДС цепи термопары может быть много устройств. Степень развития ЭДС в схеме термопары зависит от металлов, однако в большинстве случаев величина ЭДС очень мала, обычно в милливольтах. Поэтому очень важна чувствительность прибора, измеряющего ЭДС. Всего существует 2 устройства, которые в основном используются для измерения ЭДС, известные как потенциометр балансировки напряжения и гальванометр.

Схема термопары

На схеме термопары ниже показаны устройства для измерения ЭДС в цепи термопары. Здесь p-переход должен быть соединен с металлом, температура которого неизвестна, а q-переход должен быть соединен с металлом, температура которого известна, или эталонным металлом. В некоторых случаях эталонный спай должен быть подключен к ледяному стержню, чтобы поддерживать его температуру, как у льда, как показано на рисунке ниже.Устройство для измерения ЭДС может быть легко откалибровано относительно входной температуры, так что калибровка устройства может быть выполнена мгновенно.

Уравнения цепи термопары

Как уже подробно объяснялось, термопара — это устройство, состоящее из двух разных металлов или элементов, которые соединены вместе для образования соединения, также известного как измерительный конец. Металлы известны как термоэлементы. Эти металлы также иногда называют ножками термопар.Оба конца соединений отличаются друг от друга названиями отрицательных и положительных концов. Всего имеется две температуры T1 и T2, о которых говорилось ранее. Это может быть показано на рисунке ниже для измерения выхода термопары .

Измерение выхода термопары

Поскольку существует разница температур как между хвостовой частью, так и между спаями термопары, поэтому разница напряжений должна быть измерена между двумя термоэлементами термопары на конце хвостовой части.Это делает термопару преобразователем напряжения температуры. Отношение разности напряжений между хвостовиком и спаем термопары определяется следующим уравнением.

Уравнение термопары

Здесь ЭДС известна как электродвижущая сила или также известна как напряжение, которое создается термопарой на хвосте, в то время как T1 и T2 — это температуры, которые снимаются с измерительного конца и эталонного конца, в то время как S12 известен как коэффициент зеебека обоих металлов термопары.Коэффициент Зеебека сильно зависит от материала, из которого изготовлены металлы термопар. Из уравнения, упомянутого выше, можно сделать вывод, что:

  • Имеется нулевое напряжение, которое измеряется в случае, если оба термоэлемента состоят из одного и того же материала. Следовательно, существует необходимость сделать термоэлементы, состоящие из разнородных материалов, чтобы измерить некоторую температуру с помощью чувствительного устройства.
  • Снова выполняется измерение нулевого напряжения в случае, если нет разницы в существовании температуры между концом соединения и концом.Следовательно, для работы термопары должна быть некоторая разница температур.
  • Коэффициент возврата сильно зависит от температуры.

Датчик термопары: подробный обзор | Принцип работы термопары

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

Обзор термопар

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

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

Обсудим принцип работы термопар.

Знать о принципе работы термопар

Термопара работает согласно эффекту Зеебека.

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

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

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

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

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

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

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

Похожие сообщения

Эффект Зеебека — обзор

1.14.3.1.2 Детекторы термопары и термобатареи

В детекторе термопары разница температур между поглотителем и подложкой определяется с помощью эффекта Зеебека (например, см. Fellgett, 1949). В детекторах на термоэлементах используются несколько последовательно соединенных спаев термопар для увеличения как напряжения сигнала, так и полного сопротивления источника; иногда дополнительные спая подключаются в обратном порядке и остаются темными для температурной компенсации.Чувствительный спай термически связан с поглотителем, а опорный спай привязан к подложке.

Базовый анализ производительности был опубликован Birkholz et al. (1987) для идеализированных детекторов термопар типа Хильгера – Шварца (Strachan, Goodyear, 1973; Strachan, 1973; Schwarz, 1949). Такие детекторы состоят из вертикальных ножек из монокристаллического термоэлектрического материала, приваренных к тонкой фольге поглотителя, завершающей чувствительный переход. В идеальном случае теплопроводность подложки определяется проводимостью через ножки термопары.

После Birkholz et al. (1987) мы определяем свойства термоэлектрических материалов следующим образом: Коэффициенты Зеебека для полупроводниковых ветвей p-типа и n-типа равны α p и α n , соответственно. , дающий термоЭДС α te = α p α n ; термическое сопротивление ножек определяется по формуле R l = l κ — 1 A l — 1 = G — 1 , где л и 0.5 A l — длина и площадь поперечного сечения каждой ветви, соответственно, а κ — теплопроводность материала, которая считается одинаковой для p-типа и n-типа; а электрическое сопротивление равно R E = 4 l σ e — 1 A l — 1 , где 24 σ σ e — электропроводность (обратите внимание, что для теплопроводности ветви параллельны, а для электропроводности — последовательно).

Можно определить эффективную теплопроводность для радиационного обмена с окружающей средой, сделав упрощающие предположения, что поглотитель абсолютно черный и что разница температур между поглотителем и окружающей средой мала. Отмечая, что мощность Q , проводимая между резервуарами при температурах T и T + Δ T , связанных тепловой связью с проводимостью G , определяется соотношением Q = G Δ T и что для радиационного обмена между черными телами при тех же двух температурах передаваемая полезная мощность равна Q = σ s A [( T + Δ T ) 4 T 4 ] ≈ 4 σ с AT 3 Δ T ; получаем эффективную радиационную теплопроводность G r = 4 σ s AT 3 , где σ s = 5.67051 × 10 — 8 Вт м — 2 K — 4 — постоянная Стефана – Больцмана (Андерсон, 1989) и A — площадь поглотителя. Поскольку излучение и теплопроводность через термопару действуют параллельно, общее тепловое сопротивление R H определяется как

(16) RH = 14σsAT3 + κAll − 1

Выходное напряжение на детекторе определяется выражением V s = α te Δ T = α te Q a a — поглощенная оптическая мощность (эквивалентная падающей мощности, поскольку для этого анализа мы предположили идеальный поглотитель).Обратите внимание, что детекторы термопар представляют собой устройства с очень низким импедансом, поэтому усилитель первого каскада должен быть спроектирован с осторожностью, чтобы избежать значительного увеличения шума. Чувствительность просто S = V s / Q a = α te R H . NEP для детектора с ограничением шума Джонсона составляет NEP = 4kTReΔf / S = 4kTlΔf0.5σeAl − 0.5αteRH − 1. Одним из стандартных показателей качества детекторов является удельная обнаруживающая способность D * , определяемая как NEP-1AΔf.Подставляя вместо R H , получаем

(17) D ∗ = αteAσeAl / l44σsAT3 + κAl / lkT

Birkholz et al. (1987) отмечают, что D максимизируется, когда тепловые потери из-за теплопроводности и излучения одинаковы или когда 4 σ s AT 3 = κA l / л . Также обратите внимание, что при замене α te = 2 α Eq.(17) эквивалентно выражению в Birkholz et al. (1987). Исключая в числителе и знаменателе A l / l , получаем

(18) Dmox ∗ = M8kσsT5

, где безразмерное число M = (0,5 α te 4 90 ) 2 σ e — 1 — показатель качества термоэлектрических устройств. Доступны материалы с M ≈ 1 при комнатной температуре (Birkholz et al., 1987), что приводит к D mox ≈ 1 × 10 10 см Гц 0,5 Вт — 1 при 300 К. Реальные ограничения препятствуют достижению теоретического максимума удельной обнаруживающая способность, но были продемонстрированы значения 3,2 × 10 9 см Гц 0,5 Вт — 1 (Ando, ​​1974).

Постоянная времени определяется как τ th = CG — 1 = CR H , где тепловое сопротивление определяется уравнением.(16). В теплоемкости термопарных детекторов Хильгера – Шварца, как правило, преобладает поглотитель. Постоянные времени 10 мс были продемонстрированы только для термопары и 20 мс для всего детектора, включая поглотитель (Birkholz et al., 1987; Ando, ​​1974).

Несмотря на то, что термопарные детекторы Hilger – Schwarz обладают высокими характеристиками для неохлаждаемых детекторов, они хрупки и сложны в производстве. Современные методы обработки полупроводников позволяют изготавливать детекторы на термобатареях с микромашинной обработкой, в которых поглотитель представляет собой отдельно стоящую мембрану, а термобатарея состоит из последовательно соединенных термопар, проходящих по краю мембраны (Foote and Jones, 1998; Foote et al., 2003). Микромашинные детекторы на термобатареях доступны в виде линейных решеток, которые выполняли полеты на Луну и Марс (Foote et al., 2003). Микромеханические устройства не работают так же хорошо, как старые модели по ряду причин, даже при сравнении устройств, изготовленных из тех же термоэлектрических материалов, хотя есть потенциал для дальнейшего улучшения (Foote and Jones, 1998).

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.