Работа термопары. Термопары: принцип работы, типы и применение в промышленности

Как устроены термопары. Какие бывают типы термопар. Где применяются термопары в промышленности. Как правильно выбрать термопару для измерения температуры.

Принцип работы термопары

Термопара представляет собой датчик для измерения температуры, работающий на основе термоэлектрического эффекта. Ее принцип действия основан на том, что при нагреве места соединения двух разнородных металлов или сплавов возникает электродвижущая сила (термоЭДС).

Основные компоненты термопары:

• Два проводника из разных металлов или сплавов
• Рабочий (горячий) спай — место соединения проводников, которое помещается в зону измерения температуры
• Свободные (холодные) концы проводников, подключаемые к измерительному прибору

При нагреве рабочего спая возникает термоЭДС, величина которой зависит от разности температур между горячим и холодным спаями. Измерив значение термоЭДС, можно определить температуру в зоне размещения рабочего спая термопары.

Основные типы термопар

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

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

Выбор типа термопары зависит от требуемого диапазона измерений, точности, стабильности показаний и других факторов.

Преимущества и недостатки термопар

Основные достоинства термопар как датчиков температуры:

• Широкий диапазон измеряемых температур (от -270°C до +2500°C)
• Высокая точность измерений
• Небольшие размеры и масса
• Простота конструкции
• Низкая стоимость
• Высокая надежность

К недостаткам можно отнести:

• Нелинейность характеристики преобразования
• Необходимость компенсации температуры холодного спая
• Ограниченная чувствительность (десятки мкВ/°C)
• Подверженность электромагнитным помехам

Применение термопар в промышленности

Благодаря своим преимуществам термопары широко используются в различных отраслях промышленности для измерения и контроля температуры:

• Металлургия — контроль температуры плавки металлов
• Энергетика — измерение температуры в котлах, турбинах, реакторах
• Нефтехимия — контроль процессов перегонки нефти
• Пищевая промышленность — контроль температурных режимов производства
• Автомобилестроение — датчики температуры двигателя
• Авиация и космонавтика — системы терморегулирования

Термопары применяются как для точечных измерений, так и для непрерывного мониторинга температуры в технологических процессах.

Выбор термопары для конкретного применения

При выборе термопары для решения определенной измерительной задачи необходимо учитывать следующие факторы:

• Диапазон измеряемых температур
• Требуемая точность измерений
• Быстродействие (время отклика)
• Стабильность показаний во времени
• Стойкость к условиям эксплуатации (вибрации, агрессивные среды и т.д.)
• Конструктивное исполнение (погружные, поверхностные и др.)
• Совместимость с имеющимися измерительными приборами

Правильный выбор типа термопары и ее конструктивного исполнения позволяет обеспечить требуемые метрологические характеристики и надежность измерений температуры в конкретных условиях применения.

Монтаж и подключение термопар

Для корректной работы термопары необходимо соблюдать определенные правила при их монтаже и подключении:

• Рабочий спай должен иметь хороший тепловой контакт с объектом измерения
• Свободные концы термопары нужно размещать в зоне с постоянной температурой
• Для удлинения термопары следует использовать компенсационные провода того же типа
• Необходимо соблюдать полярность подключения термопары к прибору
• Для защиты от помех рекомендуется использовать экранированные кабели

Правильный монтаж и подключение термопары позволяют минимизировать погрешности измерений и повысить надежность работы измерительной системы.

Обработка сигнала термопары

Для получения значения температуры необходимо преобразовать и обработать сигнал термопары. Основные этапы обработки:

1. Усиление слабого сигнала термопары (десятки мкВ)
2. Компенсация температуры холодного спая
3. Линеаризация характеристики преобразования
4. Фильтрация помех
5. Преобразование в цифровой код

Эти функции обычно реализуются в специализированных измерительных преобразователях или контроллерах. Современные цифровые приборы позволяют также выполнять дополнительную обработку и анализ данных.

Калибровка термопар

Для обеспечения точности измерений термопары необходимо периодически калибровать. Основные методы калибровки:

• Сравнение с эталонным термометром в термостатах
• Использование калибраторов температуры
• Измерение в реперных точках температуры

Периодичность и методика калибровки определяются требованиями к точности измерений. Результаты калибровки используются для корректировки градуировочной характеристики термопары.

Термопреобразователи, термопары, термосопротвиления в Ростове и Юге РФ

Принципы работы датчиков температуры,.термопреобразователей, термопар, термосопротивлений

Принцип действия термоэлектрических преобразователей (термопар) основан на возникновении термоэлектродвижущей силы (термоЭДС) в месте соединения двух проводников с разными термоэлектрическими свойствами. Значение термоЭДС зависит от разности температур спая и холодных концов термопары. В качестве материала термоэлектродов применяются специализированные сплавы, наиболее распространенными являются хромельалюмель (ХА) и хромель-копель (ХК). Для измерения высоких температур наиболее часто применяется термопара с термоэлектродами из чистой платины и сплава платины с 10 ͢ родия (ПП), нихросил-нисил (НН).

Типы датчиков температуры,.термопреобразователей, термопар, термосопротивлений

В данном разделе каталога представлен весь спектр термопреобразователей (датчиков температуры), а также защитной арматуры для них. Термопреобразователи применяются для непрерывного измерения температур в различных отраслях промышленности.

Принцип действия термопреобразователей сопротивления основан на свойстве проводника менять электрическое сопротивление пропорционально изменению температуры окружающей среды (ГОСТ Р 6651-2009). Конструктивно такие термопреобразователи выполняются в виде катушки из тонкой медной или платиновой проволоки на каркасе из изоляционного материала или используются тонкопленочные чувствительные элементы, заключенные в защитную гильзу.

Термосопротивления

В последнее время платиновые термосопро­тивления активно начали вытеснять медные и термопары. Связано это с появлением на рынке недорогих платиновых плёночных термочув­ствительных элементов, которые в отличие от
медных являются более стабильными и рабо­тают в более широком диапазоне температур. А по сравнению с термопарами — обеспечи­вают более высокую точность измерения и нетребуют использования дорогого кабеля. Однако в России медные термометры до сих пор находят широкое при­менение. Одно из основных преимуществ меди — это очень хорошая линейная зависимость её сопротивления от температуры в диапазоне от -50 до +200 °С и более высокая чем у платины чувствительность. Свыше 200 °С медь начинает очень быстро окисляться на воздухе, поэтому обычно верхний предел измерения для медных термосопротивлений устанавливается до 180 °С. При производстве используется проволока диаметром от 30 до 80 мкм. При дальнейшем уменьшении диаметра стоимость проволоки резко возрастает, а изготовление термосопро­тивления с заданными параметрами становится проблематичным.

Монтаж термосопротивления

При монтаже датчика температуры нужно максимально увеличить его тепловой контакт с контролируемой средой и одновременно уменьшить отток тепла от места подключе­ния. Необходимо помнить, что чувствительный элемент имеет конечную длину, поэтому глу­бина погружения датчика должна быть как минимум на несколько диаметров зонда больше, чем длина 43. При монтаже датчиков контроля поверхности очень важно место соединения предварительно смазать каким-либо вязким веществом. Также важно обеспечить тепловой контакт кабеля с контролируемым объектом, чтобы минимизировать отвод тепла от 43 датчика по кабелю.

Термопара

Термопа́ра (термоэлектрический преобразователь) — устройство, применяемое в промышленности, научных исследованиях, медицине, в системах автоматики. Применяется, в основном, для измерения температуры.
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.

По сравнению с термометрами сопротивления термопары обладают рядом очень больших преимуществ и таких же больших недостатков. По большому счёту эти два класса приборов очень органично дополняют друг друга. И
задача киповца — определить, какой датчик температуры ему нужен для той или иной задачи. Технические требования, классификация, методы испытаний преобразователей термоэлектрических приведены в ГОСТ 6616-94.
Номинальные статические характеристики приведены в ГОСТ Р 8.585-2001. Термопары имеют очень большой диапазон рабочих температур. При этом чем больше максимальная рабочая температура термопары, тем меньше её чувствительность. С этим фактом связан большой ассортимент применя­емых термопар. При помощи термопар можно измерять температуру очень маленьких объек­тов. Для этого достаточно сварить между собой две термоэлектродные проволоки маленького диаметра. Естественно, что такая термопара имеет и очень незначительную инерционность. Термопара из недрагоценных металлов малой длины дешевле термосопротивления.

Термопара. Выбор типа

Для использования в диапазоне до +200 °С лучше применять платиновые или медные термосопротивления. В случае контроля тем­пературы очень небольшого объекта малой теплоёмкости можно использовать термопару медь-константан, которая замечательна тем, что очень легко сваривается над поверхно­стью раствора медного купороса, имеет самую высокую чувствительность и очень низкую стоимость. Для диапазона до +800 °С в России
используется термопара хромель-копель XK(L). Данные термопары имеют очень высокую чув­ствительность в широком диапазоне начиная от -200 °С. В других странах данный тип термо­пары не применяется. Самыми популярными в промышленности являются термопары типа ХА(К) хромель-алюмелевые. Теоретический диапазон их использования составляет от -200 до +1300 °С. Термопары типа К замечательны хорошей линейностью характеристики от 0 до 1000 °С.

Подключение термопар

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 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.

Доставка термопреобразователей в города Юга России

Мы доставим термопреобразователи в течении одного — двух дней в города: Таганрог, Новочеркасск, Азов, Шахты, Волгодонск, Сальск, Краснодар, Тихорецк, Тимашевск, Сочи, Новороссийск, Анапа, Туапсе, Геленджик, Ейск, Майкоп, Армавир, Волгоград, Элиста, Астрахань, Ставрополь, Невинномысск, Минеральные Воды, Кисловодск, Пятигорск, Железноводск, Черкесск, Нальчик, Владикавказ, Грозный, Махачкала.

Настройка термопар

При проведении пусконаладочных работ встречаются случаи, когда сложно разобраться в причинах некорректного измерения температуры термопар

В этом случае необходимо выяснить причины недостоверных измерений. В данной статье я хотел бы поделиться способами поиска недостатков, анализа ситуации и разъяснить ряд спорных моментов.
Сначала немного теории.
Термопара состоит из соединения разных сплавов, которые в силу своих физико-химических свойств при соприкосновении начинают являться источником слабого электрического тока (ЭДС). При воздействии температуры на термопару в ней изменяется разность потенциалов, измеряемая несколькими милливольтами. Данная разность потенциалов зависит от типа используемых для изготовления термопары материалов. Термопара по принципу своей работы похожа на электрическую батарейку, где при взаимодействии двух материалов и электролита возникает потенциал (ЭДС).

Принцип работы измерительного канала типа «термопара»

 
Точка соединения металлов в самой термопаре определяется как «горячий спай». «Холодный спай» — это все остальные соединения в данном канале измерения. Чтобы определить температуру зоны, в которой установлена термопара, достаточно измерить количество милливольт на входе в канал измерения.
Соединение между термопарой и измерителем напряжения (например, милливольтметром или модулем ввода-вывода) обычно выполняется при помощи термокомпенсационных кабелей или удлинительных кабелей. В первом случае материалы проводников имеют характеристики, аналогичные характеристикам термопары, во втором — из одинакового материала.
Несмотря на использование термокомпенсационных материалов, всегда будет точка, в которой термопара вступит в контакт с другим материалом, например, медью дорожек электронных цепей. В этом случае будут созданы новые соединения («холодный спай»), которые будут вносить вклад в общую измеряемую ЭДС (искажая показания).

Давайте рассмотрим пример.
Имеется термопара типа «Cromel-Alumel». Когда проводники Cromel и Alumel находятся в контакте с медью, образуются две новые термопары: «Cromel-Copper» (будет вырабатываться ЭДС = V1) и Copper-Alumel (будет вырабатываться ЭДС = V2). Следовательно, будут сгенерированы два дополнительных и противоположных друг другу по полярности ЭДС, которые будут складываться с ЭДС соединения Cromel-Alumel (будет вырабатываться ЭДС = V).
В конечном итоге мы будем иметь в схеме измерения такой ЭДС:
Vобщий = V+(V1-V2),
где V1-V2 обычно является отрицательным значением. Если бы все «холодные спаи» находились бы при 0 °C, то они не оказали бы никакого влияния на общую цепь измерения, так как весь генерируемый ими ЭДС был бы равен нулю. Однако чаще всего приходится нивелировать влияние «холодных спаев» путем добавления дополнительного ЭДС к измерительной цепи по такой формуле:
Vкомпенс = V2-V1
Чтобы убрать ЭДС «холодного спая» (V1-V2), необходимо прибавить рассчитанную часть ЭДС (V2-V1). Таким образом, вычитание близких по величинам чисел позволит повысить качество измерения линии.
Формула, по которой должно вычисляться корректное напряжение термопары, следующая:
Vобщ = V + V1-V2 + V2-V1, где:
V1-V2 – это напряжение холодного спая;
V2-V1 – это коэффициент термокомпенсации.
Термокомпенсация может осуществляться через аппаратные настройки контроллера (Hardware) или через программное обеспечение со специальными программами (Software).
Тем, кто терпеливо дочитал до этого места, еще немного теории, но уже более углубленной.
Например, на объекте завершен монтаж, а показания температур не соответствуют ожидаемым.
Что в первую очередь нужно проверить:
1.     Заземление удлиняющего кабеля. Случайные наводки могут влиять на результат измерения, искажая показания.
2.    Нужно быть уверенным, что в аппаратной конфигурации ПЛК правильно выставлены параметры RTD в Hardware. Фиксированная опорная температура установлена в 0 °C.
3.    Выбор определения термопары лучше всего выставить в ручном режиме, так как это дает большое количество возможных вариантов для настройки.
4.    Проверить, какие выставлены параметры компенсации «холодного спая» в HW (аппаратно) или SW (программно). Они не должны дублироваться. Если нигде ничего не выставлено, то ошибка может достигать величины температуры окружающей среды.
Обычно при проведении заводских испытаний до отправки шкафов на производство каналы измерения тестируют специальными задатчиками напряжения (калибраторами). Так, например, если подать на канал термопары типа «К» 50мВ, то значение температуры должно быть 1233 °C. Необходимо отметить, что соединения термокомпенсационных кабелей до контроллера образуют поле «компенсированного типа» и в линиях могут образовываться «паразитные», «холодные» соединения. Необходимо убедиться, что удлинительные кабели или компенсационные кабели не соединяются через проходной металл (клеммник) другого типа металла, так как всё это увеличивает погрешности «холодного спая».
Желательно обратить внимание на полярность жил проводников в канале измерения. Важно соблюдать цвета проводников в соответствии с полярностью термопары. Если их перепутать, то будет невозможно получить корректные показания температуры. Иногда специалисты оценивают полярность жил термокомпенсационных кабелей по магнитной жиле (жилы в кабеле магнитятся). Для термопары типа «К» магнитящейся жилой обычно является отрицательный провод белого цвета.
Что нужно делать для проверки линии измерения термопары? Разрывать поочередно линию связи от термопары, распределительной коробки, контроллера, осуществляя замеры и ведя учет замеров в таблице. Если разница на различных термопарах относительно постоянна, то потребуется пересмотреть процедуру компенсации «холодного спая» в контроллере. Так, например, если мы по записям в таблице видим, что имеется отклонение во всех точках замеров, то мы можем их суммировать и учесть в виде поправочного коэффициента в программной или аппаратной конфигурации.
В дополнение хотелось бы отметить, что на объектах инженеры пользуются приборами недостаточного класса точности. Для замеров напряжения термопар необходимо замерять с точностью сотых, а лучше тысячных вольта. Если не использовать такие точные приборы, то ошибка в сверке показаний может достигать 30 °C.

На промышленных объектах (печи, колонны и пр.), все термопары подключаются к контроллеру после монтажа через специальные распределительные коробки. Длина термокомпенсационного кабеля обычно составляет около 300 м. Соединение между соединительным разъемом термопары и модулем ввода-вывода контроллера осуществляется через двуполярный термокомпенсационный кабель. Например, бывают кабели для типа «K» по 24 пары в каждом.
Соединение между каждой термопарой и распределительной коробкой осуществляется путем вставки штекеров каждой термопары в соответствующее предварительно смонтированное гнездо. Данные соединения должны строго соответствовать внешним схемам подключения.
Чтобы проверить целостность термопары, необходимо отсоединить штекер, идущий от датчика в распределительную коробку, предварительно сделав замер в милливольтах. Это значение должно приблизительно соответствовать температуре среды, в которой установлен датчик. Если это не так, термопару и ее удлинительный кабель необходимо заменить одним из запасных аналогичного типа.
Внимание: термокомпенсационные кабели имеют полярность и не должны быть перепутаны. Пары проводников окрашены в соответствии с международным стандартом STD, причем один цвет соответствует положительному, а другой — отрицательному. Цвет проводников для всех термокомпенсационных кабелей может варьируется от типа к типу. На следующем рисунке показана окраска и полярность проводников в соответствии с принятым стандартом.

 
Важно, чтобы соединение между термопарой и контроллером осуществлялось с учетом полярности сигнала (мВ). Ниже приводится таблица соответствия/преобразования милливольт к температуре, для термопар типа «K» (NiCr-Ni) в соответствии со стандартом IEC 584-1 (значения, выделенные жирным, – температура, значения в таблице – милливольты).

Статья, где достаточно подробно расписаны особенности использования термосопротивлений

#Термопара, #термопары, #холодныйспай, #горячийспай, #термокомпенсация, #пусконаладочные, #измерительнаялиния, #измерительныйканал, #ЭДС

Как работает термопара?



Термопары – общий принцип работы

Если в электрическом проводнике имеется градиент температуры, поток энергии (тепла) связан с потоком электронов вдоль проводника, и в этом случае возникает электродвижущая сила (ЭДС). область, край. Как величина, так и направление ЭДС зависят от величины и направления самого температурного градиента, а также от материала, из которого изготовлен проводник. Напряжение зависит от разницы температур по длине проводника. Этот эффект был открыт Т. Дж. Зеебеком в 1822 г. 9.0003

ЭДС, связанная с температурой

Напряжение, возникающее на концах проводника, представляет собой сумму всех ЭДС, генерируемых вдоль него. Для данной общей разности температур Т1-Т2 градиентные распределения, показанные на рисунках 2.1 а, б и в, дают одинаковое общее напряжение Е. До тех пор, пока проводник имеет одинаковые термоэлектрические характеристики по всей своей длине.

Выходное напряжение одиночного проводника, как показано, обычно не поддается измерению, поскольку сумма внутренних ЭДС вокруг завершенной цепи при любой температуре равна нулю. Таким образом, в практическом датчике термопары хитрость заключается в том, чтобы соединить два материала, имеющих разные характеристики термоэлектрической ЭДС/температуры, чтобы получить полезный суммарный поток электронов и обнаруживаемое чистое выходное напряжение.

Таким образом, два соединенных разнородных проводника, A и B, подвергающиеся воздействию одинаковых температурных градиентов, указанных на рис. 2.1, генерируют выходные сигналы, как показано на рис. 2.2. По сути, через соединение возникает поток электронов, вызванный различными термоэлектрическими ЭДС, которые, в свою очередь, возникают в результате взаимодействия градиента с двумя разными проводниками. Отсюда и термин «термопара».

Стоит отметить, что термоэлектрическая ЭДС генерируется в области температурного градиента, а не на переходе как таковом. Это важный момент, который необходимо понять, поскольку термопарная термометрия имеет практическое значение. К ним относится обеспечение того, чтобы проводники термопары были физически и химически однородны, если они находятся в температурном градиенте. Точно так же и сами соединения должны находиться в изотермических зонах. Если какое-либо из этих условий не выполняется, возникают дополнительные нежелательные ЭМП.

Между прочим, в термоэлектрическую цепь можно добавить любое количество проводников, не влияя на выход, при условии, что оба конца имеют одинаковую температуру и обеспечена однородность. Это приводит к концепции удлинительных проводов и компенсационных кабелей, что позволяет увеличить длину проводника зонда. См. часть 2, раздел 3.

Возвращаясь к рисунку 2.2, на самом деле выход, ET, одинаков для любого распределения градиента температуры по разности температур T1 и T2, при условии, что проводники снова демонстрируют одинаковые термоэлектрические характеристики по всей их длине. Поскольку спаи M, R1 и R2 представляют собой пределы проводников, генерирующих ЭДС, а остальные проводники, соединяющие измерительное устройство, представляют собой однородную медную проволоку, выходной сигнал термопары фактически зависит только от температуры двух основных спаев. По сути, это основа практической термопарной термометрии.

Нажмите здесь, чтобы узнать о изготовленных на заказ термопарных датчиках!

Измерительные и эталонные соединения

Соответствующими соединениями являются так называемое измерительное соединение (М) и соединение разнородного провода с медными выходными соединениями (обычно пара спаев), называемое эталонным спаем (R), как на рисунке 2. 2. Пока эталонный спай (R) поддерживается при постоянной известной температуре, температуру измерительного спая (M) можно определить по выходному напряжению термопары. Таким образом, термопары можно рассматривать как устройства измерения перепада температуры, а не датчики абсолютной температуры.

На этом этапе необходимо отметить важные моменты. Во-первых, термопары генерируют выходной сигнал только в тех областях, где существуют температурные градиенты, а не за их пределами. Во-вторых, точность и стабильность могут быть обеспечены только в том случае, если термоэлектрические характеристики проводников термопары одинаковы на всем протяжении. Наконец, только схема, состоящая из разнородных материалов в температурном градиенте, генерирует выходной сигнал.

Практическая информация для термопар

• Цветовые коды термопар
• Как работает термопара?
• Типы термопар
• Материалы для термопар

Техническая информация для термопар

• Компенсация холодного спая
• Характеристики термопары
• Эталоны термопар
• Допуски термопар

 Рисунки 2. 1 а,б,в0055 Рисунки 2.2 a,b,c : ЭДС термопары, создаваемые градиентами температуры

---

что такое термопара?
Как работает термопара? Щелкните здесь для получения технических данных о термопарных датчиках.





Калибровочные таблицы

Помимо этого, еще один важный момент, о котором следует помнить, заключается в том, что термоэлектрическая чувствительность большинства материалов в диапазоне температур нелинейна. Это редко бывает идеальным миром, и термопарная термометрия не более идеальна, чем любая другая. Таким образом, выходное напряжение, зависящее от температуры, не является линейной функцией температуры. Требуется переменная интерполяция, а не прямое считывание напряжения (если только диапазон измеряемых температур не очень узок и высочайшая точность не является обязательным условием).



Итак, для каждого типа термопар существуют калибровочные таблицы, связывающие выходное напряжение с температурой измерительного спая. Во всей термометрии термопары необходимо каким-то образом соотносить выходное напряжение датчика с ними, чтобы установить истинную температуру.



Каково время отклика термопары?

Все датчики имеют конечное время отклика, и это необходимо учитывать, если температура измеряемой среды существенно меняется со временем, но требуется высокая скорость отклика – например, там, где необходимы действия по управлению, переключению или тревоге быть столь же быстрым. Собственное время отклика датчика зависит от его конструкции и обычно определяется конкретными условиями испытаний. Одним из таких методов является погружение датчика при температуре окружающей среды в быстро движущуюся воду с другой температурой. Очевидно, что это позволяет проводить сравнения.

Управляющим параметром здесь является эффективная температуропроводность датчика, k/(c x r), где k – эффективная теплопроводность, c – эффективная удельная теплоемкость, r – плотность. По сути, эта функция представляет собой скорость, с которой изменение температуры будет распространяться в среде. Таким образом, идеальный быстродействующий датчик должен быть изготовлен из материала с высокой проводимостью, иметь низкую удельную теплоемкость и низкую плотность. К сожалению, существует множество ограничений, влияющих на конструкцию датчиков, некоторые из которых могут ухудшить их скорость отклика в соответствии с этим определением, но есть практические шаги, которые можно предпринять для улучшения ситуации. В верхней части списка находятся обеспечение минимально возможного теплового сопротивления на границе сенсора (это вносит вклад в составляющую проводимости), уменьшение длины пути (и, следовательно, эффективной тепловой массы сенсора) и использование минимально возможного устройства в рамках ограничений достижение надежного измерения. Помимо них есть специальные точки для термопар и RTD.

Что касается термопар, самое высокое время отклика достигается за счет использования открытого спая. Там, где это нецелесообразно, заземленный переход обычно используется для более быстрого времени отклика по сравнению с изолированным переходом. Типичное время отклика для этих сборок определяется и зависит от среды применения и общего диаметра, а также от деталей конструкции. Испытания показывают, что для изолированных спаев для достижения 63,2% ступенчатого изменения температуры от 20°C до 100°C в воде требуется 0,015 секунды для термопары с минеральной изоляцией с наружным диаметром 0,010 дюйма. В то время как термопара MI с наружным диаметром 1/2 дюйма и толстой стенкой может выдерживать более 9секунды. Эти цифры составляют примерно половину для заземленных соединений.

Для резистивных термометров время срабатывания всегда зависит от тепловой массы (в идеале малой) и площади поверхности по отношению к объему (в идеале высокой) датчиков, а также от достаточности контакта с соответствующей средой. Последнее часто определяется требуемой степенью изоляции и механической защиты/защиты от окружающей среды, которая влияет на всю длину стержня датчика, в отличие от термопар. Могут быть сконструированы герметичные датчики, обеспечивающие время отклика в диапазоне от 0,2 до 0,5 секунды. Незначительно лучшие отклики можно получить, используя тонкопленочные РДТ. Однако срабатывание тяжелых промышленных устройств, установленных в стенках сосудов под давлением, может занять несколько минут.



Что такое усредняющая термопара?

С помощью термопар можно расположить ряд датчиков таким образом, чтобы их объединенные выходные данные представляли собой среднее значение их температуры. Существуют различные конфигурации.

Параллельные термопары

Немедленно и важно отметить, что сопротивления контура каждой отдельной цепи должны быть точно согласованы между измерительным соединением и общей точкой соединения. Этого легко добиться, просто убедившись, что все цепи термопар имеют одинаковую конструкцию и длину (см. рис. 6.1).

Другой метод включает использование резисторов для балансировки цепей до одного значения (см. рис. 6.2). Если в цепи термопары должны использоваться отдельные сопротивления, предпочтительно изготавливать резисторы из соответствующих материалов термопары. В качестве альтернативы, если должны использоваться обычные резисторы, лучше всего вставлять их в медные цепи и использовать компоненты с термоэлектрическими свойствами, максимально близкими к свойствам меди.

В идеале требуемое сопротивление может быть достигнуто путем размещения двух резисторов одинакового номинала, по одному на каждой стороне медной цепи. Это обеспечивает некоторую степень подавления паразитных тепловых напряжений (см. рис. 6.3).

Все эти методы требуют осторожности. Хотя они будут обеспечивать разумное среднее напряжение и, следовательно, выходную температуру соответствующих термопар, точность может быть снижена из-за нелинейности характеристик термопары, а также из-за изменения сопротивления самих термопар в зависимости от температуры.

Кроме того, измерительные соединения должны быть электрически изолированы друг от друга, чтобы исключить другие параллельные пути. Также следует учитывать влияние несогласованных термоэлектрических характеристик добавленных резисторов. Это можно свести к минимуму, поместив их в изотермический (теплоизолированный) корпус.

 И последнее замечание: сопротивления контуров цепей термопар лучше всего определять с помощью низкочастотного моста переменного тока. Даже небольшое термоэлектрическое напряжение может существенно повлиять на отображаемое значение некоторых приборов для измерения сопротивления постоянному току. Таким образом, всегда стоит поменять полярность измерения, чтобы убедиться, что таких эффектов нет.

 Рисунок 6.1 : Параллельные термопары

---

 Рисунок 6.2 : Балансировка цепи с использованием резисторов

---



Термопары в серии

Усреднение температуры может быть выполнено путем последовательного соединения термопар. Здесь для всех датчиков требуются отдельные эталонные спаи; тогда выходной сигнал представляет собой сумму выходных сигналов отдельных термопар, а средняя температура представляет собой просто эту общую сумму, деленную на количество участвующих термопар. Если производится измерение напряжения (нулевой или практически нулевой ток), сопротивление цепи больше не имеет значения. Однако другие соображения, такие как измерение изоляции перехода и изменение чувствительности в зависимости от температуры, по-прежнему применимы.

Что такое термопара? | Library.AutomationDirect

Использование термопарных датчиков для измерения температуры в промышленных приложениях.

Определение термопары

Измерение температуры является одним из наиболее распространенных требований для любой промышленной автоматизации или системы с цифровым контролем. Часто необходимо определять температуру газов, жидкостей и компонентов физического оборудования.

Основными контактными технологиями для этого являются термопары (ТС), термометры сопротивления (РТД) и термисторы, а также существуют более эзотерические методы. При выборе технологии измерения температуры необходимо учитывать следующие факторы:

• Измерительный и рабочий диапазон
• Требования к установке
• Точность
• Оперативность
• Дрейф во времени
• Стоимость

Термопары часто являются лучшим выбором из-за их широкого диапазона измерения, надежности, приемлемой точности в диапазоне от ±0,2 до ±0,5°C и низкой стоимости. Для более ограниченных диапазонов температур термометры сопротивления могут обеспечить лучшую точность, хотя и по более высокой цене.

Разработчики должны понимать детали реализации, чтобы выбрать правильный датчик и связанный с ним преобразователь или интерфейс автоматизации, как описано ниже.

Основные операции с термопарой

Термопары состоят из двух разных типов металла, соединенных вместе, обычно двух проводов из разнородных металлов. В этой точке соединения происходит определение температуры, и она называется «горячим спаем». Это могут быть просто два оголенных провода, скрученных вместе, а может быть и сварное соединение.

Соединение двух разных металлов подвергается воздействию небольшого индуцированного напряжения порядка милливольт, зависящего от местной температуры и так называемого эффекта Зеебека. Производимое напряжение может быть напрямую связано с температурой, но эта зависимость обычно нелинейна.

Неизолированные датчики TC наиболее чувствительны, но обычно требуется некоторая форма физической защиты. Переход TC обычно изготавливается в металлической оболочке, зонде или оболочке, подходящей для защиты датчика от физических условий приложения. Когда переход термопары электрически не связан с защитной оболочкой, он называется «незаземленной термопарой». Этот тип лучше всего противостоит электрическим помехам и может обеспечить лучшую точность за счет более медленного времени отклика. Если переход термопары электрически соединен с оболочкой, то это «заземленная термопара», которая обеспечивает более быструю реакцию, но может быть подвержена шуму и ухудшению точности.

Поскольку проводники термопары представляют собой провода, их можно удобно подключить к преобразователю или другому устройству для измерения напряжения и соотнесения его с температурой. Удлинительные кабели TC должны быть того же типа, что и сам TC, чтобы не индуцировались другие напряжения. Когда эти провода по какой-либо причине переходят на медные провода (например, в самом передатчике), эта точка называется «холодным спаем», и необходимо применять компенсацию произведенного напряжения.

Существует множество типов термопар, изготовленных из различных комбинаций сплавов для достижения определенных рабочих диапазонов температур. Им присвоены коды ANSI/IEC, и наиболее распространенными для промышленного применения являются тип J и тип K.

Typical Thermocouple Details (refer to specific product data sheets for actual value)

	Type Conductor + Conductor – Continuous Temp Range	ANSI color code
	J Fe (Железо) Cu-Ni ) Константан от 0 до +750 °C (от 32 до 1382 °F)	(+) белый, (-) красный
	K Ni-Cr Ni-Al от -200 до +1250 °C (от -328 до +2282 °F)	(+) желтый, (-) красный

ТС может быть подключен непосредственно к модулю ввода ПЛК, предназначенному для этой цели. Чаще всего преобразователь температуры используется для преобразования милливольтового сигнала термопары в более распространенный и линеаризованный промышленный сигнал 4–20 мА, работающий при напряжении от 8 до 35 В постоянного тока.

Сигналы 4-20 мА более устойчивы к электромагнитным помехам, чем милливольтовые сигналы TC. Кроме того, преобразователь можно откалибровать таким образом, чтобы выходной сигнал представлял меньший диапазон, чем способен TC, что часто является предпочтительным, поскольку большинство приложений ориентировано на относительно узкий диапазон температур. Например, многие трансмиттеры откалиброваны для представления от 0 до 100, 200 или до 1000°F.

Со временем выходной сигнал термопары может измениться или «дрейфовать», поэтому преобразователь представляет собой удобное устройство для повторной калибровки термопары по известному стандарту и обеспечения большей точности. Некоторые преобразователи температуры представляют собой простые аналоговые устройства, в то время как другие представляют собой более функциональные цифровые программируемые устройства.

Форм-факторы

Элементы TC доступны в нескольких конфигурациях общего назначения и зонда для простой установки во многих типах приложений.

Во многих промышленных проектах требуется более прочная конструкция, и обычно используются защитные гильзы, прикрепленные болтами к трубопроводу или сосуду, с подпружиненным термопарным зондом и соединительной головкой. Защитная гильза представляет собой небольшую трубу, которая физически удерживает жидкость или газ в трубе или сосуде, куда она вставлена. Эта защитная гильза защищает датчик термопары от физического повреждения и позволяет заменять термопару без воздействия на технологическую жидкость. Соединительная головка позволяет выполнять подключение полевой проводки, а также может вмещать небольшой передатчик TC в форме хоккейной шайбы.

Выбор правильной термопары и принадлежностей

На веб-сайте AutomationDirect есть целый раздел, посвященный наиболее популярным типам и конфигурациям термопарных датчиков, защитных гильз и преобразователей температуры.