Принцип действия термопары: устройство и принцип работы простым языком, типы

Принцип действия и принцип работы термопары

В рамках данной статьи мы рассмотрим принцип действия, недостатки, преимущества и особенности термопары – температурного датчика, широко используемого в промышленности.

В основе принципа работы термопары лежит явление, описанное Томасом Зеебеком в далеком 1822 году: при разности температур на измерительных контактах, расположенных на гомогенном материале, обладающем свободными зарядами, возникает разность потенциалов, или же напряжение.

Иными словами, вышеописанные условия приводят к возникновению термоэлектродвижущей силы (ТЭДС). Стоит отметить, что ТЭДС генерируется по всем длине термоэлектрода, а не в месте спая, что дает возможность понять соответствующие ограничения по точности, установленные самой природой процесса.

Как уже был сказано выше, ТЭДС возникает по всей длине электрода, а потому показания термопары определяются состоянием электродов в зоне с максимальным температурным градиентом. Исходя из этого, проверка термопар проводится при том же состоянии среды, как и на рабочем объекте.

Преимущества термопары

• Простота изготовления, прочность конструкции и надежность.
• Возможность использования в широком температурном диапазоне. Термопара является наиболее высокотемпературным из всех существующих контактных датчиков.
• Возможности приведения спая термопары в прямой контакт с объектом измерения и непосредственного заземления.

Недостатки термопары

• Термоэлектрическая неоднородность в проводниках, приводящая к изменению градуировочной характеристики. Вследствие термоэлектрической неоднородности возникают различные химические процессы (коррозия и т.д.), изменяющие состав сплава термопары.
• Контроль температуры холодных спаев. Как правило, все современные измерительные конструкции на основе термопар имеют полупроводниковый сенсор или встроенный тиристор для внесения корректировок в измененную ТЭДС в автоматическом режиме.
• Подверженность электродов воздействию агрессивных сред, в случае если корпус термопары недостаточно герметичен.
• Вероятность возникновения эффекта «антенны» при большой длине проводов термопары.
• Нелинейная зависимость ТЭДС от температуры, что усложняет разработку вторичных преобразователей сигнала.
• Необходимость обеспечения электрической изоляции преобразователя сигнала при повышенных требованиях к времени термической инерции термопары.

Термопары и их особенности

• Термопары из неблагородных металлов.
• Термопары из благородных металлов.

— Хромель-алюмель – тип «К». Является наиболее распространенной среди термопар. Позволяет измерять температуры и диапазоне от -200 °С до +1350°С, может использоваться в атмосфере с избытком кислорода, не может использоваться в атмосфере серы.

— Хромель-копаль – тип L. Температурный диапазон: -200 °С до +800 °С.

— Хромель-константан – тип Е (от -40 °С до +900 °С). Главные преимущества – термоэлектрически однородный материал электродов и высокая чувствительность.

— Медь-константан – тип Т (от -250°С до +300 °С). Влагостойкая термопара, которая может использоваться при недостатке или же избытке кислорода.

— Железо-константан – тип J (от -40 °С до +750 °С). Рекомендуется в разряженной атмосфере.

— Платинородий-платинородиевая – тип B (до +1500 °С). Может использоваться в окислительной среде.

— Платинородий-платиновая – тип S и тип R (до +1350 °С)

Работа термопары предопределяется ее типом и характеристиками. При выборе термопары обязательно учитывайте свои потребности и возможности конкретной модели.

Рассказать друзьям!

Термопара – устройство и принцип работы простым языком

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

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

Термопары

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

• спайка;
• ручная скрутка;
• сварка.

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

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

Говоря простым языком, термопара, в зависимости от материалов, из которых состоят проводники, позволяет определять температурный режим в разнообразных диапазонах значений. В целом, термопара определяет температуру ориентировочно от -250°С до +2 000°С.

ВИДЕО: Измерение температуры с помощью термопары

Принцип действия термопары

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

Схематическая работа устройства

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

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

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

Конструкция устройства

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

• термопары, не имеющие корпуса;
• с кожухом, служащим в качестве защиты.

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

Термопара для котельного оборудования

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

Разновидности термопары

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

• Группа Е – состоит из комбинированного материала — хромель-константан. Соединительный спай обладает повышенной производительностью – более 69 мкВ/^оС, подходящей для криогенного применения. Помимо всего, система не имеет магнитные свойства, а температурный режим варьируется от – 50°С до + 740°С.
• Группа J – термоэлектроны производятся из положительного железа и отрицательного типа константаны. Разбег функционирования данной серии термопара меньше, чем в прошлой группе -40°С — + 750°С, однако показатель чувствительности более высокий – 50 мкВ/°С.
• Группа К – самый распространенный тип устройств, состоящий из комбинации материалов – алюминий и хромель. Производительность системы равняется 40 мкВ/°С, функционирование происходит в пределах температурных показателей от – 200°С до 1 350°С. Следует помнить, что даже при низком уровне окисления в диапазоне температуры 800-1050°С, элемент из хромеля отсоединяется и приобретает намагниченное состояние, что называется «зеленая гниль». Данный фактор отрицательно сказывается на функционировании регулятора.
• Группа М – применяется в комплектациях печей вакуумного вида. Рабочие силы варьируются от -260 до + 1400°С с максимальной погрешностью в 2 градуса.

Принцип работы термопары

• Группа N – устройство выпускается для использования в устройствах обладающих температурными обозначениями – 270 и 1300°С, что является гарантией хорошей работоспособности и устойчивости перед окислительными процессами. Чувствительность не превышает 40 мкВ/°С.
• Группы В, S, R отличаются стабильной работой с более пониженным ЭДС – 10мкВ/°С. Из-за плохой чувствительности, используется исключительно для определения повышенных температур.
• Группы В, С, S – первый символ обозначает модификацию, подходящую для измерения температуры до 1 800^оС, S – 1 600°С, С – до 1 500.
• Рениево-вольфрамовые термопары применяются для измерения высоких температур 25 000°С и менее. Также устройство предназначено для устранения окислительной атмосферы, разрушающей материал.

Термопары хромель-алюмель

Монтаж

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

1. Откручиваете гайку внутри резьбового соединения к газопроводу.
2. На самой термопаре откручиваете компенсационный винт.
3. В отверстие монтажного кронштейна вставляете термопару.
4. Протрите место соединения ветошью резьбовое соединение и гайку.
5. Закрутите соединение до упора, но не затягивайте слишком сильно. Если есть необходимость, можно использовать прокладку.

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

Термопара для печи

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

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

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

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

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

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

Преимущества и недостатки применения измерителя

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

Плюсы:

• Широкий диапазон температурных режимов, делающих устройство самым устойчивым контактным датчиком перед высокими показателями.
• В результате нарушения целостности спая можно полностью заменить узел или создать прямой контакт непосредственно через измеряемые системы.
• Простота устройства, прочность и большой эксплуатационный срок.

Термопара «Арбат»

Минусы:

• При установке температурного датчика необходимо регулярно контролировать изменения напряжения холодных спаев. Для облегчения задачи требуется приобрести дополнительный термистор. Также можно заменить устаревший прибор полупроводниковым сенсором, способным автоматически вносить изменения в ТЭДС.
• Подверженность к поражению коррозией, в результате чего происходит термоэлектрическая недостаточность и нарушение градуировочных характеристик.
• Электроды состоят из материалов, которые не считаются химически инертным, поэтому при нарушении герметичности корпуса система становится подверженной агрессивным процессам окружающей среды.
• Длинные термопарные провода образовывают электромагнитное поле.
• Возникают сложности в процессе создания вторичного преобразователя сигналов из-за несущественного взаимодействия ТЭДС и температурных режимов.
• Для стабильной работы с термической инерцией, обязательным условием термопара считается обеспечение качественной электроизоляцией, заземление функционирующих спаев, предостерегающих от возникновения утечки в землю.

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

Как работают термопары и основной принцип работы

Термопара — это устройство, которое используется для измерения температуры. Он состоит из двух разных металлических проводов, соединенных вместе, образуя соединение. Когда этот переход становится горячим или холодным, между двумя переходами двух транзисторов генерируется небольшое напряжение, в зависимости от материала и величины напряжения, и мы можем очень точно измерить температуру.

Теоретически термопара может быть изготовлена ​​из любых двух разных материалов, но для улучшения линейности, точности и температурного отклика для изготовления термопар используются специальные материалы. Например, термопара из меди/константана известна как 9.0003 Термопара типа T , термопара, состоящая из железа/константана, известна как термопара типа J , и, наконец, самая популярная термопара типа K состоит из комбинации алюмеля и хромеля. Если объединяют несколько термопар, изготовленных из одних и тех же материалов, они называются термобатареей . Константан — это патентованное название медно-никелевого сплава, также известного как Эврика. Термопары могут быть изготовлены и отрегулированы для многих различных применений. Они могут быть сделаны для увеличения срока службы, быстрого реагирования или могут быть сделаны для измерения очень широкого диапазона температур.

Основной принцип работы термопары

Термопара работает по принципу эффекта Зеебека .  Так как Томас Зеебек впервые обнаружил этот эффект, он известен как эффект Зеебека. Но ради этой статьи мы не будем вдаваться в подробности об эффекте Зеебека. Если вы хотите узнать больше, вы можете проверить это во что бы то ни стало, но в основном то, что он говорит, если у вас есть кусок провода и у вас есть разница температур между двумя переходами, через них будет протекать небольшое количество тока, и вы получите разница напряжения, изображение ниже показывает именно это.

Основная теория звучит интересно. Чтобы убедиться в этом, давайте проверим теорию. Чтобы проверить это, я достал свой мультиметр, подключил свои зажимы типа «крокодил» к мультиметру и соединил их вместе, после чего установил циферблат в диапазон мВ и наблюдал за напряжением, так как вы можете ясно видеть, что показания напряжения на мультиметре показывают ноль. .

Теперь я достал газовую зажигалку и начал нагревать соединение или кончик зажимов типа «крокодил». Как вы можете видеть на изображении ниже, мультиметр измеряет небольшое напряжение в микроамперном диапазоне.

И через несколько секунд напряжение возрастает еще больше, как вы также можете видеть на изображении ниже.

В приведенном выше эксперименте вы можете ясно видеть, что эффект Зеебека практически работает, и, измеряя напряжение на двух переходах, мы можем рассчитать температуру. Звучит просто, но по мере того, как мы углубляемся в статью, мы обнаружим, что правильно измерить температуру с помощью термопар не так-то просто.

 

Различные типы термопар

В зависимости от типа материала термопары можно разделить на 9 категорий : E-Type, J-Type, K-Type, E-Type, N-Type, T-Type, S-Type, R- Тип, B-тип. В этом разделе мы обсудим все те,

E-Type

Термопара E-Type используется там, где требуется сильный сигнал и высокая точность.

Термопара E-типа обеспечивает более сильный сигнал по сравнению с термопарами типа K и J в диапазоне температур 37,8 °C или 1000 °F. E-тип также обеспечивает большую стабильность по сравнению с K-типом. Этот тип термопар подходит для использования при температурах до 900°С. Этот тип термопар также можно использовать в вакууме или при криогенных температурах.

J-тип

Термопара J-типа изготовлена ​​из железа и константана (медно-никелевый сплав), и этот тип термопары подходит для вакуума, восстановительной и инертной среды. Поскольку эта термопара изготовлена ​​из железа, ее не рекомендуется использовать в окислительных средах. Для длительного срока службы термопар этого типа рекомендуется использовать толстую железную проволоку или защитную трубку. Рекомендуемая рабочая температура термопары этого типа составляет 760°C

K-тип

Термопара K-типа состоит из хромеля и алюмеля в целом, но в частности, хромель состоит из 90% никеля, 10% хрома, а алюмель состоит из 95 % никеля, 2 % алюминия, 2 % марганца и 1 % кремния. Это наиболее распространенные материалы, необходимые для изготовления постоянной термопары К-типа с чувствительностью 40 мкВ*/Кл. Термопара типа K очень точна, поэтому она чаще всего используется для измерения температуры до 1260°C или 2300°F. Этот тип термопары превосходит термопару J-типа в высокотемпературной окислительной среде благодаря конструкционному материалу и высокой точности. Для высоких температур рекомендуется использовать керамический материал.

N-тип

Термопара N-типа — это очень новый тип термопары, который создан для уменьшения недостатков термопары K-типа. Стабильность этой термопары очень высока, а диапазон температур очень похож на термопару К-типа. Чувствительность этой термопары составляет 39 мкВ/°C, что немного меньше, чем у термопары К-типа. Эта термопара изготовлена ​​из никелевого сплава и используется для первичной температуры 1260°C. Стоимость термопары несколько выше К-типа; его можно использовать в приложениях, где необходима работа при высоких температурах.

T-Type

Термопара T-Type изготовлена ​​из меди, сплава меди и никеля. В этом случае он известен как константановый сплав. Этот тип термопар предназначен для измерения очень низких криогенных температур и может использоваться в окислительных и восстановительных средах. Для увеличения срока службы рекомендуется слой диоксида марганца. Этот датчик может измерять температуру в диапазоне (от -200 до +200).

Типы S, R и B

Термопары типов S, R и B в основном используются для высокотемпературных применений. Этот тип датчика работает в диапазоне от 600 до 1700 °C . А термопара типа B состоит в основном из платины. Для термопар такого типа необходима изоляция на керамической основе.

 

Как измерить температуру с помощью термопары?

Хотя теория и работа термопары выглядят очень просто, преобразовать напряжение, генерируемое термопарой, в точное значение температуры непросто, поскольку сигнал напряжения невелик. Показания напряжения и температуры нелинейны, за исключением того, что вам нужны различные схемы компенсации и кондиционирования, чтобы уменьшить влияние окружающей среды и радиопомех, воспринимаемых длинным проводом термопары. С этим небольшим описанием вы можете понять сложность измерения температуры с помощью термопары.

Для измерения температуры в настоящее время с помощью термопары вам потребуется нечто, называемое кондиционированием холодного спая. Как вы можете видеть на изображении ниже,

Национальный институт стандартов или NIST дает нам целую кучу таблиц, которые используют ледяную воду в качестве эталона в холодном спае, чтобы дать нам эталон нелинейности, которая существует между горячим и холодным спаем. Одна из таких таблиц показана ниже.

И если вы хотите очень точно измерить температуру, вам нужно учитывать эти таблицы NIST. На первый взгляд таблица выглядит немного сложной, но если вы посмотрите в нижний левый угол, то увидите, что на 0 ^* С термопара даст вам ровно 0мкВ. Так далее и тому подобное, горячий спай находится на вертикальной оси или оси Y, а холодный спай — на горизонтальной или оси X. Но поскольку реальные системы работают в реальных условиях, вам необходимо учитывать все температурные условия, чтобы учитывать изменения температуры.

Чтобы сделать нашу жизнь намного проще и обеспечить точное измерение температуры, крупные производители, такие как Texas Instruments, Analog Devices и Maxim, создали микросхемы, специально предназначенные для измерения температуры термопар, и эти микросхемы называются 9.0003 Преобразователь термопары в цифру с компенсацией холодного спая , популярная микросхема MAX6675 и MAX31855, MAX31856 — это такие микросхемы, которые выполняют за вас всю тяжелую работу по измерению температуры с помощью термопары. MAX6675 выполняет компенсацию холодного спая и оцифровывает сигнал от термопары типа K . Данные выводятся в 12-битном разрешении, совместимом с SPI и доступном только для чтения. Этот преобразователь разрешает температуру до 0,25°C, позволяет считывать показания до +1024°C и демонстрирует точность термопары 8 LSB для температур в диапазоне от 0°C до +700°C. Самый популярный способ приступить к работе — использовать Arduino и MAX6675 IC для прототипов.

 

Заключение

Термопара обеспечивает высокоскоростное измерение температуры в широком диапазоне температур. Но они не самый подходящий выбор из-за их дизайна и проблем с конкуренцией. В этом уроке мы дали вам представление о том, как работает базовая термопара, и теперь вы знаете все различных типа термопар и как вы можете измерить температуру с помощью термопары сложным или простым способом.

Что такое термопара? Как они работают?

Что такое термопара? Как они работают?

Термопара — это устройство для измерения температуры. Он состоит из двух разнородных металлических проводов, соединенных вместе, образуя соединение. Когда спай нагревается или охлаждается, в электрической цепи термопары возникает небольшое напряжение, которое можно измерить и которое соответствует температуре.

Теоретически для изготовления термопары можно использовать любые два металла, но на практике обычно используется фиксированное число типов. Они были разработаны для улучшения линейности и точности и состоят из специально разработанных сплавов.

Термопары  могут быть изготовлены практически для любого применения. Они могут быть надежными, быстродействующими и измерять очень широкий диапазон температур.

Посмотрите наш ассортимент термопар

A title

Image Box text

Вам нужны термопары

для вашего применения?

Наш ассортимент термопар

Быстрый просмотр

Быстрый просмотр

Быстрый просмотр

Быстрый просмотр

Быстрый просмотр

Быстрый просмотр

Быстрый просмотр

Быстрый просмотр

Что делает термопара?

Термопара — это просто датчик, который используется для измерения температуры. Эта конструкция датчика состоит из двух разнородных металлических проводов, которые соединены вместе на одном конце и подключены к прибору, способному принимать входной сигнал термопары и измерять показания. Термопары могут обеспечивать измерение температуры в широком диапазоне температур в зависимости от того, какой тип термопары вы используете.

Ознакомьтесь с нашим ассортиментом термопар

Пример термопары, изготовленной компанией Process Parameters

Схема термопары

Что делает термопара?

Термопара — это просто датчик, который используется для измерения температуры. Эта конструкция датчика состоит из двух разнородных металлических проводов, которые соединены вместе на одном конце и подключены к прибору, способному принимать входной сигнал термопары и измерять показания. Термопары могут обеспечивать измерение температуры в широком диапазоне температур в зависимости от того, какой тип термопары вы используете.

Типы термопар

Датчик термопары

Что такое датчик термопары?

Что понимается под термопарой? Теперь у нас есть понимание того, как работает термопара и что такое термопары, один из популярных вопросов — что такое зонд термопары?

Зонд термопары представляет собой конструкцию датчика, в которой он изготовлен. Независимо от того, является ли датчик термопарой типов K, J, T, N, все эти типы термопар могут быть изготовлены в трубке, корпусе или конструкции одинакового размера. Чтобы получить представление о типовых доступных конструкциях, ознакомьтесь с некоторыми из наших датчиков термопар.

Как выглядит термопара? Термопары выглядят по-разному из-за конструкций, в которых они изготовлены. Хотя сама термопара представляет собой два оголенных провода, соединенных вместе, эти два провода можно поместить в различные конструкции, чтобы защитить их и продлить срок службы.

Термопара типа K

Что такое термопара типа K?

Популярный вопрос: что такое термопара типа K?

Термопара типа K изготовлена ​​из двух разнородных металлов: никель-хром / никель-алюмель. Термопара типа K является наиболее популярным типом термопары, поскольку она недорогая, точная, надежная (в зависимости от конструкции, используемой для вашего приложения) и охватывает широкий диапазон температур.

Термопары типа K могут найти широкое применение благодаря своим возможностям в широком диапазоне температур. Максимальная постоянная температура составляет около 1100 °C.

Термопары с вилкой или кабелем можно идентифицировать по цветовой маркировке. В этом случае тип K зеленый. Если у вас есть кабель, зеленая ножка — плюс, а белая — минус.

Термопара типа K

Термопара типа J

Что такое термопара типа J?

Так что же такое термопара типа J? Термопары типа J также очень распространены. Он имеет меньший диапазон температур, чем термопары типа K, с диапазоном от 0 до 600 ° C. Тип J состоит из двух разнородных металлов: железа / медно-никелевого сплава (также известного как константан). С точки зрения стоимости они очень похожи на тип K.

Одно из самых популярных применений типа J – в производстве пластмасс.

Термопары с вилкой или кабелем можно определить по цветовой маркировке. В данном случае тип J — черный.