Термоэдс термопары. Термоэлектрические преобразователи: принцип работы, характеристики и применение

Что такое термоэлектрический преобразователь. Как работает термопара. Какие типы термопар существуют. Каковы преимущества и недостатки термопар. Где применяются термоэлектрические преобразователи.

Принцип работы термоэлектрического преобразователя

Термоэлектрический преобразователь (термопара) — это устройство для измерения температуры, работа которого основана на термоэлектрическом эффекте. Принцип действия термопары заключается в следующем:

• Два разнородных проводника соединяются с одного конца, образуя рабочий спай
• При нагреве рабочего спая возникает термоэлектродвижущая сила (термоЭДС)
• ТермоЭДС пропорциональна разности температур рабочего и свободных концов термопары
• Измеряя величину термоЭДС, можно определить температуру рабочего спая

Таким образом, термопара преобразует тепловую энергию в электрическую, позволяя измерять температуру.

Основные типы и характеристики термопар

Существует несколько стандартных типов термопар, различающихся материалами термоэлектродов:

• Тип K (хромель-алюмель): диапазон -200…+1300°C
• Тип J (железо-константан): диапазон -40…+750°C
• Тип T (медь-константан): диапазон -250…+350°C
• Тип E (хромель-константан): диапазон -40…+900°C
• Тип N (нихросил-нисил): диапазон -270…+1300°C

Ключевые характеристики термопар:

• Чувствительность: 10-70 мкВ/°C
• Погрешность: от ±0.5°C до ±2°C
• Диапазон измеряемых температур: от -270°C до +2500°C
• Быстродействие: от долей секунды до нескольких секунд

Преимущества использования термоэлектрических преобразователей

Термопары обладают рядом важных достоинств:

• Широкий диапазон измеряемых температур
• Высокая точность измерений
• Быстрый отклик на изменение температуры
• Простота конструкции и надежность
• Низкая стоимость
• Возможность измерения температуры в труднодоступных местах
• Малые размеры чувствительного элемента

Эти преимущества обусловливают широкое применение термопар в промышленности и научных исследованиях.

Недостатки термоэлектрических преобразователей

Наряду с достоинствами, термопары имеют и некоторые недостатки:

• Необходимость компенсации температуры холодного спая
• Нелинейность характеристики преобразования
• Подверженность воздействию электромагнитных помех
• Ограниченный срок службы при высоких температурах
• Возможность появления паразитных термоЭДС

Однако современные методы обработки сигналов позволяют минимизировать влияние этих недостатков.

Области применения термоэлектрических преобразователей

Термопары широко используются в различных отраслях промышленности и науки:

• Металлургия: контроль температуры плавки металлов
• Энергетика: мониторинг температуры в котлах и турбинах
• Химическая промышленность: контроль температуры в реакторах
• Пищевая промышленность: контроль температуры в процессах приготовления пищи
• Автомобилестроение: измерение температуры выхлопных газов
• Аэрокосмическая отрасль: контроль температуры в двигателях
• Научные исследования: измерение температуры в экспериментах

Такое широкое применение обусловлено универсальностью и надежностью термопар.

Конструкция и изготовление термоэлектрических преобразователей

Конструкция термопары включает следующие основные элементы:

• Термоэлектроды из разных металлов или сплавов
• Рабочий спай, образованный сваркой концов термоэлектродов
• Изоляция термоэлектродов (керамические бусы или трубки)
• Защитный чехол для предохранения от механических повреждений
• Головка с клеммами для подключения удлинительных проводов

Процесс изготовления термопар включает следующие этапы:

1. Подготовка термоэлектродов нужной длины
2. Сварка рабочего спая
3. Нанесение изоляции
4. Установка в защитный чехол
5. Монтаж в головку с клеммами
6. Калибровка и поверка готовой термопары

Методы измерения термоЭДС и обработки сигналов термопар

Для измерения термоЭДС и преобразования ее в значение температуры применяются различные методы:

• Компенсационный метод с использованием потенциометра
• Метод прямого измерения напряжения высокоточным вольтметром
• Использование специализированных микросхем для работы с термопарами
• Применение АЦП с программной линеаризацией характеристики

Обработка сигналов термопар включает следующие этапы:

1. Усиление слабого сигнала термоЭДС
2. Фильтрация помех
3. Компенсация температуры холодного спая
4. Линеаризация характеристики
5. Преобразование в цифровой код

Современные измерительные системы позволяют получать высокую точность измерений с помощью термопар.

Перспективы развития термоэлектрической термометрии

Основные направления совершенствования термоэлектрических преобразователей:

• Разработка новых термоэлектродных материалов с улучшенными характеристиками
• Создание миниатюрных термопар для локальных измерений
• Повышение стабильности характеристик при длительной эксплуатации
• Разработка интеллектуальных датчиков с функциями самодиагностики
• Совершенствование методов обработки сигналов и повышение точности измерений
• Создание беспроводных термоэлектрических сенсоров

Развитие термоэлектрической термометрии позволит расширить области применения термопар и повысить качество температурных измерений в различных отраслях.

Измерение температуры. Термопары | КИПиА от А до Я

Принцип действия термопары основан на так называемом эффекте Зеебека. Если две проволоки из разных металлов с одного конца сварить (это место будет называться рабочим или горячим спаем) и нагреть до температуры Т1, то на оставшихся свободных концах проволок (холодный спай) с более низкой, комнатной температурой Т2 появиться

термоЭДС. Чем выше разница температур между рабочим и холодным спаем ΔТ, тем больше термоЭДС. Величина термоЭДС не зависит от диаметра и длины проволок, а зависит от материала проволок и температуры спаев

Наибольшее распространение получили термопары градуировок ХА (в европейской системе обозначений (К), ХК (L) и ППР (В). Термопары ХК (хромель-копелевые) имеют диапазон измерения 0…800°С и в настоящее время применяются  редко. Термопары ХА (хромель-алюмелевые) имеют диапазон 0…1300°С и применяются наиболее широко. В частности они используются на стендах нагрева, с их помощью измеряется температура внутреннего пространства печей и температура отходящих газов в газоходах. Термопары градуировки ППР (платина-платинородиевые) имеют температурный диапазон 0…1600°С. Кроме возможности измерять температуру 1600°С и выше они обладают еще одним преимуществом – высокой точностью.

Указанные максимальные температуры не являются предельными для термопар. Они способны измерять и большие температуры, но при этом существенно падает срок их службы. Так термопара градуировки ППР может измерять температуру до 1800°С, поэтому именно она используется для измерения  температуры жидкой стали.

Конструкция термопары имеет следующий вид. Сваренные с одного конца проволоки помещаются внутрь керамической трубки с двумя отверстиями, либо на них одеваются керамические бусы с целью изолировать проволоки друг от друга по всей длине. Часто в качестве изолятора используется керамический порошок, который засыпается внутрь чехла, в который вставлена термопара.

Чехол выполняется из жаропрочных марок стали или из неметаллического материала высокой температурной стойкости: керамики, корунда и т.п. Термопары в металлическом чехле конструктивно могут быть с изолированным или с заземленным (неизолированным) спаем, то есть иметь электрический контакт с чехлом термопары.

Если сигнал с термопары подается на вход контроллера, то необходимо применять термопару с изолированным спаем. Иначе возможны произвольные скачки показаний температуры в значительных пределах. Особенно сильно этот эффект проявляется если используется контроллер Siemens S200.

Свободные концы проволок соединяют с плюсовой и минусовой клеммами, расположенными в головке термопары. Выходным сигналом термопары является термоЭДС, измеряемая в милливольтах (мВ). Для измерения выходного сигнала можно использовать цифровой мультиметр и затем, применив градуировочные таблицы или номограммы по величине измеренного напряжения определить измеряемую температуру. Отключать вторичный прибор при этом не обязательно, так как он не оказывает заметного влияния на результат измерения. Для более точного определения температуры по термоЭДС термопары можно воспользоваться градуировочными таблицами.

Для подключения термопар ко входам вторичных приборов или контроллерам применяют специальный компенсационный провод. Необходимость применения компенсационных проводов связана с тем, что головка термопары с клеммами может располагаться в рабочей зоне с повышенной температурой, например 100°С. Если подключить к клеммам термопары ХА обычный медный провод, то в местах соединения как бы образуются еще два рабочих спая с температурой 100°С. Возникающие при этом две паразитные термоЭДС (на плюсовой и минусовой клеммах) исказят показания термопары.

Компенсационный провод импортного производства имеет специальную цветовую маркировку. Так компенсационный кабель градуировки ХА европейского производства имеет зеленую (+) и белую (-) жилы. Выпущенный в советское время компенсационный провод не имел специальной цветовой маркировки.Если компенсационный провод будет подключен без соблюдения полярности, то наблюдается следующий эффект: после пуска теплового агрегата показания термопары сначала растут. Это связано с нагревом рабочего спая. После того как атмосфера вокруг теплового агрегата прогреется, показания термопары начинают быстро падать, вплоть до нулевых значений. Это связано с тем, что образовавшиеся два паразитных рабочих спая включены в обратной полярности основному рабочему спаю. И значение основной термоЭДС уменьшается на величину двух паразитных термоЭДС.

На вход вторичного прибора или контроллера значение измеренной температуры поступает в виде сигнала термоЭДС. Так как величина этой термоЭДС определяется разностью температур рабочего и холодного спаев:

Е = f (Т1 – Т2), [мВ]

то вторичному прибору необходимо знать температуру холодного спая для однозначного определения температуры рабочего спая. Ведь термоЭДС может принимать одинаковые значения при различных значениях (Т1 – Т2). Например разности температур (200 — 50) и (150 — 0) дадут одинаковые значения термоЭДС, хотя при этом разность значений температур рабочих спаев в этих двух случаях достигала 200 -150 = 50°С.

Поэтому во вторичном приборе вблизи входных клемм, к которым подключается термопара, монтируется так называемый датчик температуры холодного спая. Как правило это полупроводниковый сенсор – диод или транзистор. Теперь по измеренной термоЭДС и известной температуре холодного спая, вторичный прибор, зная градуировку подключенной термопары, может однозначно определить температуру рабочего спая.

На некоторых предприятиях термопары ХА изготавливают самостоятельно, сваривая специальную проволоку диаметром 2-3 мм. Для определения полярности полученной термопары в этом случае используют обычный магнит: минус термопары притягивается к магниту, плюс не магнититься. На компенсационный провод и большинство промышленно выпускаемых термопар ХА это правило не распространяется. Определить полярность термопары можно и с помощью обычного милливольтметра, подключив его к выводам термопары и нагревая рабочий спай термопары, например, зажигалкой.

Распространенной неисправностью у термопар является разрушение рабочего спая в следствии появления трещин из-за частых и значительных колебаний температуры. При этом термопара может нормально работать пока измеряемая ей температура не превысит определенного порога, после которого контакт в спае пропадает, термопара уходит в обрыв или ее показания начинают сильно скакать.

Для бесконтактного непрерывного измерения температуры применяют стационарные  пирометры. В случае, если в поле «зрения» пирометра может попадать пламя горелки, то следует использовать пирометры со спектральным диапазоном измерения 3,5…4 мкм чтобы исключить влияние температуры факела на показания пирометра.

Дополнительную информацию вы можете найти в разделе «Вопрос-ответ».

Посмотреть другие статьи в том числе про измерение температуры.

Принцип действия термопар (термоэлектрический преобразователь)

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

 

     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 одинаковые термопары, соединенные навстречу друг другу. 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.

 

 

Схема термопары типа К. При температуре спая проволок из хромеля и алюмеля равной 300 °C и температуре свободных концов 0 °C развивает термо-ЭДС 12,2 мВ.

 

Фотография термопары

 

Принцип действия

 

     Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Между соединёнными проводниками имеется контактная разность потенциалов; если стыки связанных в кольцо проводников находятся при одинаковой температуре, сумма таких разностей потенциалов равна нулю. 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 температурой Т1, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т2, которое будет пропорционально разности температур Т1 и Т2.

 

Способ подключения (Схема 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 термо-ЭДС, 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 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.

 

Применение термопар

 

     Для измерения температуры различных типов объектов и сред, а также 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.

 

     В 1920-х — 1930-х годах термопары использовались для питания простейших радиоприемников и других слаботочных приборов. Вполне возможно использование термогенераторов для подзарядки АКБ современных слаботочных приборов (телефоны, камеры и т. п.) с использованием открытого огня.

 

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

 

• 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 нелинейна. 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.

 

• платинородий-платиновые
• платинородий-платиновые
• платинородий-платинородиевые
• железо-константановые (железо-медьникелевые)
• медь-константановые (медь-медьникелевые)
• нихросил-нисиловые (никельхромникель-никелькремниевые)
• хромель-алюмелевые
• хромель-константановые
• хромель-копелевые
• медь-копелевые
• сильх-силиновые
• вольфрам и рений — вольфрамрениевые

 

     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. По этой причине характеристики импортных датчиков из этих металлов могут существенно отличаться от отечественных, например импортный Тип L и отечественный ТХК не взаимозаменяемы. При этом, как правило, импортное оборудование не рассчитано на отечественный стандарт.

 

     В настоящее время стандарт МЭК 60584 пересматривается. Планируется введение в стандарт вольфрам-рениевых термопар типа А-1, НСХ для которых будет соответствовать российскому стандарту, и типа С по стандарту АСТМ.

 

     В 2008 г. МЭК ввел два новых типа термопар: золото-платиновые и платино-палладиевые. Новый стандарт МЭК 62460 устанавливает стандартные таблицы для этих термопар из чистых металлов. Аналогичный Российский стандарт пока отсутствует.

 

Сравнение термопар

 

     Таблица ниже описывает свойства нескольких различных типов термопары. В пределах колонок точности, T представляет температуру горячего спая, в градусах Цельсия. Например, термопара с точностью В±0.0025Г—T имела бы точность В±2.5 В°C в 1000 В°C.

 

Тип термопары	Темп. коэффициент, μV/°C	Температурный диапазон °C (длительно)	Температурный диапазон °C (кратковременно)	Класс точности 1 (°C)	Класс точности 2 (°C)
K	41	0 до +1100	−180 до +1300	±1.5 от −40 °C до 375 °C ±0.004×T от 375 °C до 1000 °C	±2.5 от −40 °C до 333 °C ±0.0075×T от 333 °C до 1200 °C
J	55.2	0 до +700	−180 to +800	±1.5 от −40 °C до 375 °C ±0.004×T от 375 °C до 750 °C	±2.5 от −40 °C до 333 °C ±0.0075×T от 333 °C до 750 °C
N		0 до +1100	−270 to +1300	±1.5 от −40 °C до 375 °C ±0.004×T от 375 °C до 1000 °C	±2.5 от −40 °C до 333 °C ±0.0075×T от 333 °C до 1200 °C
R		0 до +1600	−50 to +1700	±1.0 от 0 °C до 1100 °C ±[1 + 0.003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °C	±1.5 от 0 °C до 600 °C ±0.0025×T от 600 °C до 1600 °C
S		0 до 1600	−50 до +1750	±1.0 от 0 °C до 1100 °C ±[1 + 0.003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °C	±1.5 от 0 °C до 600 °C ±0.0025×T от 600 °C до 1600 °C
B		+200 до +1700	0 до +1820		±0.0025×T от 600 °C до 1700 °C
T		−185 до +300	−250 до +400	±0.5 от −40 °C до 125 °C ±0.004×T от 125 °C до 350 °C	±1.0 от −40 °C до 133 °C ±0.0075×T от 133 °C до 350 °C
E	68	0 до +800	−40 до +900	±1.5 от −40 °C до 375 °C ±0.004×T от 375 °C до 800 °C	±2.5 от −40 °C до 333 °C ±0.0075×T от 333 °C до 900 °C

 

Источник: wikipedia

 

Термоэлектричество, термоэлектродвижущая сила, термопары

Определение 1

В замкнутой цепи, которая состоит из нескольких металлов либо полупроводников, электрический ток не возбуждается при условии, если температуры всех тел равны друг другу. Если же температуры в местах контактов различаются, тогда в цепи появляется электрический ток. Такой ток называется термоэлектрический. Возникновение термоэлектрического тока, а также связанных с ним явлений Пельтье и Томсона, называют термоэлектричеством.

Термоэлектричество

Явление термоэлектричества открыл ученый Зеебек. Он изучал данное явление, но толковал его неверно. Зеебек полагал, что под влиянием разности температур в разных, но соединенных проводниках происходит выделение магнетизма.

Рассмотрим пример опыта, в котором наблюдается возбуждение термоэлектрического тока.

Пример 1

К пластинке сурьмы Sb припаивают пластинку меди Cu. Между пластинками находится магнитная стрелка. При нагреве одного из спаев возникнет ток, и магнитная стрелка отклоняется. По направлению отклонения стрелки понятно, что ток перемещается от меди к сурьме. При охлаждении спая направление тока меняется на противоположное.

Металл или полупроводник, по направлению которого бежит ток через более нагретый спай термоэлектрической пары, называется положительный, а другой – отрицательный. Первый – это анод, а второй – катод. В термоэлектрической паре медь–сурьма, сурьма будет положительной, а медь – отрицательной.

Термоэлектродвижущая сила

Определение 2

Термо ЭДС Ε – это величина сложения электродвижущих сил двух спаев. ЭДС 1-го спая f(t) зависит от вида контактирующих металлов и температуры.

Тогда запишем:

где t1 – это температура части с большей температурой, t2 – это температура части спая с меньшей температурой.

Коэффициент термоэлектродвижущей силы (дифференциальная термо ЭДС) α, то есть характеристика 2-х металлов термопары, находится по формуле:

В опытах величину α измеряют по отношению к свинцу (а иногда и к другому металлу). Это означает, что α вычисляется для термопары, у которой 1 ветвь составлена из изучаемого материала, а 2-я – из свинца. Коэффициент термоэлектрической силы α12 одного металла по отношению к другому металлу находится как:

где α1 и α2 – это значения коэффициентов термоэлектродвижущей силы 1-го и 2-го металлов по отношению к свинцу. Данные значения зависят от чистоты веществ и сильно меняются при добавлении примесей. Для некоторых веществ, к примеру термопар (Cu, Bi); (Ag, Cu), (Au, Cu), идеально подходит формула для ЭДС термопары Ε:

Для некоторых термопар зависимость ЭДС термопары можно представить формулой электродвижущей силы:

Исходя из выражения (5) ЭДС становится равной 0 при t1=t2 и при t1+t2=-αβ. Величина τ – это температура нейтральной точки, которая равняется:

Если при t2=const, увеличивать t1, то Ε будет увеличиваться по параболическому закону, достигнув максимума при t1=τ, а потом будет равна 0 и сменит знак при температуре t1=2τ-t2.

Определение 3

Точка инверсии – это температура, при которой величина ЭДС проходит через 0.

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

Термо ЭДС цепи, которая составлена из 2-х разных проводников, при небольшой разности температур ∆T→0, может выражаться формулой:

Формула (7) демонстрирует, что термо ЭДС цепи – это разность термо ЭДС каждого из плеч цепи, причем в каждом из проводников появляется термо ЭДС ∆Εi=αi∆T(i=1,2).

Для нахождения не только величины, но и направления термо ЭДС приписывают конкретный знак. Значение α считается положительным, если появляющийся в проводнике термо ток протекает от горячего к холодному. В замкнутой цепи термо ток в горячем спае протекает от проводника с меньшим α (алгебраически) к проводнику с большим α.

Термосвойства у полупроводников выражаются намного сильнее, чем у проводников. Энергия электронов в металлах выражается не сильной зависимостью от температуры, а концентрации выражаются одинаковыми значениями при низкой и высокой температурах. У металлов наблюдается слабая зависимость положения уровня Ферми от температуры. Поэтому коэффициент термоэлектродвижущей силы для металлов и сплавов не превышает даже и нескольких микровольт на кельвин. В полупроводниках концентрация носителей заряда (электронов проводимости и отверстий), точно так же как и все параметры (энергия носителей заряда и положение уровня Ферми) значительно зависят от температуры. Коэффициент α намного больше по сравнению с металлами и может достигать значения более 1000 мкВК.

Термопара

Термоэлектричество используют для генерации электрического тока. Отдельная термопара (термоэлемент) наделен очень небольшой электродвижущей силой. Для получения значительных напряжений термоэлементы соединяют последовательно в батареи. Все нечетные спаи поддерживают на одной температуре, а все четные – при другой температуре. Причем электродвижущие силы отдельных элементов можно складывать. Термобатарея наподобие тепловой машины, включенной между нагревателем и холодильником. В этой машине большее количество теплоты, полученного от нагревателя, растрачивается на джоулево тепло и теплопроводность. Термобатареи из металлических термопар характеризуются слишком маленьким КПД (приблизительно 0,1%). Металлические термопары применяют лишь для установления температур и потоков лучистой энергии. Намного продуктивнее работают батареи термопар из полупроводников. Причем 1 ветвь термопары делают из полупроводника с электронной проводимостью, а 2-ю – из полупроводника с дырочной проводимостью. Коэффициент полезного действия полупроводниковых термопар доходит до 15%.

Пример 2

Необходимо найти термо ЭДС пары железо–константан. При условии что абсолютные значения α по отношению к платине находятся в интервале температур 0–100°С для Железа α1-αPt=+16 мкВК, для константана α2-αPt=-34,4 мкВК.

Решение

Дифференциальная термо ЭДС данной цепи равняется:

16-(-34,4)=50,4 мкВК.

При условии разности температур спаев:

T2-T1=100 К.

Тогда термо ЭДС данной пары будет равняться:

50,4·100=5,04 (мВ).

Ток в горячем спае будет протекать в направлении от константана к железу.

Ответ: 5,04 мВ

Пример 3

Необходимо объяснить, почему появляется термо ЭДС.

Решение

Для понимания причины появления термо ЭДС применим цепь из 2-х проводников (рисунок 1). Пускай температура контакта B равна T1, температура контакта С равна T(Ti>T)Температура контактов А и D одинаковая и равняется T. Тепловые скорости электронов возле контакта B больше по сравнению с теми, что возле контакта С. Поэтому во 2-м проводнике появится поток диффундирующих электронов, направленный по направлению от B к С. На поверхности 2-го проводника образуются электрические заряды, а это означает, что возникает электрическое поле, его значение таково, что в установившемся состоянии данное поле порождает такой ток дрейфа, который может компенсировать ток диффузии.

Рисунок 1

Следовательно, если в проводнике существует градиент температур, тогда в нем возникает градиент электрического потенциала.

Помимо этого, термо ЭДС вызывается не только диффузией в объеме, но также и контактными скачками потенциала φi12 и φi21. Поскольку они зависят от температуры, тогда их сумма не равна 0. Напряжение, регистрируемое вольтметром на рисунке 1, равное термо ЭДС, суммируется из падения напряжения в объеме проводников и скачков потенциала в контактах.

Публикации

«Термоэлектрическая термометрия. Основы, проблемы, развитие».

Ж-л «Мир измерений», № 1, 2002 г. Каржавин А.В., Улановский А.А.

Из теории термоэлектричества

Температура — один из важнейших контролируемых параметров технологических процессов практически во всех отраслях народного хозяйства. Большая часть всех температурных измерений приходится на долю термоэлектрических преобразователей [1, с.8], принцип действия которых основан на явлении Зеебека.

В 1821 году немецкий ученый, уроженец г. Ревеля (ныне Таллин), Т. Й. Зеебек (1770-1831) обнаружил, что если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру, то в цепи протекает электрический ток. Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока.

Этот факт послужил основой для создания устройства, чувствительным элементом которого является термопара — два проводника из разнородных материалов, соединенных между собой на одном (рабочем) конце, другие два (свободные) конца проводников подключаются в измерительную цепь или непосредственно к измерительному прибору, причем температура свободных концов заранее известна. Термопара образует устройство (или его часть), использующее термоэлектрический эффект для измерения температуры. Под термоэлектрическим эффектом понимается генерирование термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), возникающей из-за разности температур между двумя соединениями различных металлов и сплавов (рис. 1), образующих часть одной и той же цепи.

Рис. 1 Идеальная термопара

Для бесконечно малой разности температур dТ спаев термопары, состоящей из проводников А и В, ее термоЭДС определяется зависимостью Е_АВ = е_АВ*dТ,где е_АВ — дифференциальная термоЭДС пары АВ. Величину е_АВ называют также коэффициентом термоЭДС, коэффициентом Зеебека или чувствительностью термопары.

ТермоЭДС термопары обусловлена тремя причинами [2]. Первая заключается в зависимости уровня Ферми энергии электронов в проводнике от температуры, что приводит к неодинаковым скачкам потенциала при переходе из одного металла в другой с спаях термопары, находящихся при разных температурах. Во-вторых, при наличии градиента температуры электроны в области горячего конца проводника приобретают более высокие энергии и подвижность. Вдоль проводника возникнет градиент концентрации электронов с повышенными значениями энергии, что повлечет за собой диффузию более быстрых электронов к холодному концу, а более медленных к горячему. Но диффузионный поток быстрых электронов будет больше. Кроме того, при наличии градиента температуры вдоль проводника возникает дрейф фононов — квантов энергии колебаний кристаллической решетки. Сталкиваясь с электронами, фононы сообщают им направленное движение от более нагретого конца проводника к более холодному. Последние два процесса приводят к избытку электронов вблизи холодного конца и недостатку их вблизи горячего конца. В результате внутри проводника возникает электрическое поле, направленное навстречу градиенту температуры. Таким образом, термоЭДС термопары возникает только из-за наличия продольного градиента температуры в проводниках, составляющих пару.

Дифференциальная термо-ЭДС (чувствительность) термопары e_AB представляет собой разность абсолютных удельных коэффициентов термо-ЭДС _A и _B каждого проводника термопары:

e_AB = dE_AB / dT = _A — _B ,

которую можно считать постоянной только в узком диапазоне температур. Абсолютный коэффициент термо-ЭДС данного проводника можно определить по измеренной теплоте Пельтье или Томсона. Явление Пельтье (1834 г.) заключается в том, что при протекании электрического тока через цепь, составленную из разнородных проводников, в месте контакта проводников происходит выделение или поглощение тепла в зависимости от направления тока. Количество выделившегося или поглотившегося в спае тепла Q_AB пропорционально заряду q, прошедшему через спай: Q_AB = _AB*q = _AB*I*t, где: _AB — коэффициент Пельтье, В; I — сила тока, А; t —время, с.

Явление Томсона (1856 г.) заключается в том, что при прохождении электрического тока по однородному проводнику, вдоль которого имеется градиент температуры, в проводнике выделяется или поглощается тепло в зависимости от направления тока. Эта теплота выделяется(поглощается) в дополнение к выделяющейся теплоте Джоуля-Ленца (резистивный нагрев). Теплота Томсона пропорциональна силе тока I и градиенту температуры T:,где — коэффициент Томсона, В/К^-1. Теплота Томсона является характеристикой материала проводника подобно удельному электросопротивлению и коэффициенту теплопроводности. Применив к трем указанным термоэлектрическим явлениям законы термодинамики, Томсон вывел следующие соотношения, позволяющие определять коэффициенты Пельтье и Зеебека (коэффициент термо-ЭДС):

Наличие информации об абсолютном коэффициенте термоЭДС хотя бы для материала одного проводника дает возможность определения абсолютных коэффициентов всех проводников по результатам измерений термоЭДС относительно этого проводника. В качестве такого эталона при низких температурах принимается свинец, а при средних и высоких температурах — платина.

Для большинства термопар дифференциальная термо-ЭДС существенно зависит от температуры и зависимость термо-ЭДС от температуры быть представлена в интегральном виде как: , которая, в свою очередь, может быть с заданной точностью аппроксимирована в рабочем диапазоне температур (Т₁ … Т₂) в виде полинома n-ой степени:

Широкому применению в промышленности термопары обязаны в первую очередь своей простоте, удобству монтажа, возможности измерения локальной температуры. К числу достоинств термопар относятся также широкий диапазон измеряемых температур, малая инерционность, возможность измерения малых разностей температур. Термопары могут обеспечивать высокую точность измерения температуры на уровне ±0.01°С.

Термоэлектрические преобразователи, основные типы и области применения

Согласно ГОСТ 6616-94 в странах СНГ стандартизованы типы термопар, наиболее распространенные из которых представлены в табл. 1.

Таблица 1

Тип термопары	Обозначение МЭК	Букв. обозн. НСХ	Химический состав термоэлектродов, мас. %		Пределы измеряемых температур
			положительный	отрицательный	нижний	верхний	Кратко- временно
Медь — константановая ТМКн	Cu-CuNi	T	Cu	Cu + (40-45)Ni + 1.0Mn + 0.7Fe	-200	350	400
Хромель-копелевая ТХК	—	L	Ni + 9.5 Cr	Cu + (42-44)Ni + 0.5Mn + 0.1Fe	-200	600	800
Хромель — константановая ТХКн	NiCr-CuNi	E	Ni + 9.5 Cr	Cu + (40-45)Ni + 1.0Mn + 0.7Fe	-200	700	900
Железо — константановая ТЖК	Fe-CuNi	J	Fe	Cu + (40-45)Ni + 1.0Mn + 0.7Fe	-200	750	900
Хромель-алюмелевая ТХА	NiCr-NiAl	K	Ni + 9.5 Cr	Ni + 1Si + 2Al + 2.5Mn	-200	1200	1300
Нихросил-нисиловая ТНН	NiCrSi-NiSi	N	Ni + 14.2Cr + 1.4Si	Ni + 4.4Si + 0.1Mg	-270	1200	1300
Платинородий-платиновые ТПП13	—	R	Pt + 13Rh	Pt	0	1300	1600
Платинородий-платиновые ТПП10	—	S	Pt + 10Rh	Pt	0	1300	1600
Платинородий-платинородиевая	—	B	Pt + 30Rh	Pt + 6Rh	600	1700	—
Вольфрамрений-вольфрамрениевые (А-1; А-2; А-3)	—	—	W + 5%Re	W + 20%Re	0	2200	2500

Примечания:

1. Указанные буквенные обозначения номинальной статической характеристики (НСХ) термопар соответствуют обозначениям стандарта МЭК 584-1, кроме термопары хромель-копель (L), не нормируемой данным стандартом.

2. По стандарту ФРГ DIN 43710 тип L соответствует термопаре Fe-CuNi (железо-медьникель), отрицательный термоэлектрод которой ближе по составу к копелю и термопара развивает немного большую термо-ЭДС, чем термопара железо-константан (J).

3. Термоэлектродные материалы обычно поставляются в соответствии с пределами допускаемых отклонений, нормированных для температур выше -40°С. Для измерения низких температур при заказе термоэлектродных материалов должны быть оговорены требования на допускаемые отклонения, соответствующие, как правило, 3 классу.

4. Рабочий диапазон термопреобразователя может находиться внутри диапазона измеряемых температур.

Верхний предел рабочего диапазона температур считается максимальной температурой длительного применения (1000 ч) термопреобразователя. За этот срок изменение статической характеристики термопары по отношению к номинальной не должно превышать 1%. Кратковременным применением считается работа термопреобразователя длительностью до 100 ч. За это время статическая характеристика термопары также не должна измениться больше, чем на 1% [3, с.83].

В таблице 2 приведены рекомендуемые рабочие атмосферы для применения приведенных выше типов термопар, а также их дифференциальная чувствительность в указанных диапазонах температур [1, с.34].

Из таблицы 2 видно, что универсальными термопарами являются две: медь-константановая и железо-константановая. Первая не нашла широкого применения в промышленности из-за узкого диапазона температур в области выше 0°С. Она используется, в основном, для измерения низких температур. Термопара типа J широко используется на Западе, но в России также не нашла широкого применения, по-видимому, из-за отсутствия производства высокочистого термоэлектродного железа. Кроме того, к недостаткам термопары можно отнести плохую коррозионную стойкость железного электрода и высокую чувствительность к деформации.

Таблица 2

Тип термопары	Рабочие атмосферы				Чувствительность в диапазоне температур
	окислительная	восстановительная	инертная	вакуум	диапазон, °С	dE/dT, мкВ/°С
ТМКн (Т)	++	+	+	+	0-400	40-60
ТХК	++	—	+	+	0-600	64-88
ТХКн (E)	++	—	+	+	0-600	59-81
ТЖК (J)	++	++	+	+	0-800	50-64
ТХА (K)	++	—	+	+	0-1300	35-42
ТНН (N)	++	—	+	+	0-1300	26-36
ТПП (R, S)	++	—	+	+	600-1600	10-14
ТПР (B)	++	—	+	+	1000-1800	8-12
ТВР	—	H2 ++	++	++	1300-2500	14-7

Примечания:

1. ++ рекомендуемая атмосфера; + эксплуатация в данной атмосфере возможна; — не рекомендуемая атмосфера.

2. Под окислительной атмосферой обычно подразумевается воздух (21% об. О₂) или смеси газов при избытке кислорода, в которой происходит окисление вещества (потеря атомами и ионами электронов). Присоединение атомами кислорода (образование оксида) — частный случай реакций окисления. Слабоокислительная атмосфера содержит О₂ в смеси газов на уровне 2-3%. В восстановительной атмосфере идут химические реакции, в которых атомы и ионы присоединяют электроны. При этом происходит понижение валентности элемента. Примеры восстановительных сред — сухой H₂, CO, углеродсодержащие газовые среды, эндогаз, экзогаз, диссоциированный аммиак, выхлопные газы камер сгорания. Инертная атмосфера существует в газах N₂, Ar, He.

В качестве основных термопар металлургического производства в диапазоне 1100-1600°С являются платинородий-платиновые термопары ТПП10 и ТПР, модификация ТПП13 широко применяется на Западе. Термопары ТПП10 используются также и в качестве эталонных средств измерения температуры. По совокупности свойств платина и платинородиевые сплавы являются уникальными материалами для термопар. Их основное свойство — хорошее сопротивление газовой коррозии, особенно на воздухе при высоких температурах. Указанное свойство в сочетании с высокой температурой плавления и достаточно большой термо-ЭДС, хорошей совместимостью со многими изолирующими и защитными материалами, а также с хорошей технологичностью и воспроизводимостью метрологических свойств, делает из незаменимыми для изготовления электродов термопар, измеряющих высокие температуры в окислительных средах. Эти сплавы устойчивы в аргоне и гелии, не растворяют азота и водорода и не образуют нитридов и гидридов, не взаимодействуют с СО и СО₂. Тем не менее, применять платинородий-платиновые термопары в восстановительных атмосферах не рекомендуется, т.к. в этом случае происходит загрязнение платины и платинородия элементами, восстановленными из защитной или изолирующей керамики (обычно оксидной). До 1200°С платина и ее сплавы с родием практически не взаимодействует с огнеупорными материалами. При более высоких температурах контакт с SiO₂ ведет к изменению термоЭДС, который в восстановительной атмосфере уже при температуре выше 1100°С ведет к разрушению платины из-за образования силицидов Pt₅Si₂ и легкоплавкой (830°С) эвтектики Pt-Pt₅Si₂, отлагающейся по границам зерен. Эта реакция возможна только в присутствии углерода и серы и осуществляется путем восстановления SiO₂ до Si, который в присутствии СО соединяется с серой, образуя газообразный SiS₂, последний реагирует с платиной. Таким образом реакция протекает через газовую фазу и не требует обязательного контакта термоэлектродов с кварцем. SiO₂ может быть также восстановлен водородом до SiO (газ), который также реагирует с платиной. Вообще, кремний — основная причина охрупчивания и разрушения термопар. Он, как и некоторые другие элементы: Zn, Sn, Sb, Pb, As, Bi, P, В, S — относятся к платиновым ядам [4]. Сера и углерод обычно присутствуют в остатках смазочных масел и охлаждающих эмульсий (использованных при изготовлении металлической защитной арматуры чехла). Пары железа, хрома и марганца также представляют опасность для платиновых термоэлектродов, особенно в вакууме. Взаимодействие с парами металлов приводит к сильному дрейфу термоЭДС и преждевременному разрушению термопары. По этой причине платиновые термопары никогда не устанавливают непосредственно в металлические чехлы. Верхний температурный предел длительного применения термопары ТПП10, равный 1300°С, лимитируется катастрофическим ростом зерна платинового электрода при температурах выше 1400°С. В этом диапазоне используется термопара ТПР, с меньшей дифференциальной чувствительностью, но с верхним пределом рабочих температур до 1600°С. Эта термопара механически более прочна, менее склонна к росту зерна и охрупчиванию, менее чувствительна к загрязнениям. Кроме того, малая чувствительность термопары в диапазоне 0-100°С делает возможным применение термопары с медными удлинительными проводами.

Для устойчивой работы термопар из платины и ее сплавов необходима надежная изоляция термоэлектродов высокочистой оксидной керамикой, а также защита корундовыми (Al₂O₃) чехлами хорошего качества. Однако газоплотный корундовый чехол с минимальным содержанием примесей имеет сравнительно невысокую термостойкость. Хорошую стойкость к термоударам демонстрирует (скачок температуры не менее 250°С) керамика c невысоким содержанием Al₂O₃(70-80%) и пористостью 5-10%. Поэтому западные и некоторые российские производители выпускают платиновые термопреобразователи в двойных защитных чехлах: наружный — термостойкий из пористой керамики с содержанием Al₂O₃ на уровне 80% и внутренний — газоплотный из высокочистой керамики (99,5% Al₂O₃). При наличии в рабочей среде абразивных частиц наружный чехол может быть выполнен из самосвязанного карбида кремния, также обладающего высокой термостойкостью. Подробная информация по защите термопар при высоких температурах изложена в [5, с. 252-261 и 350-357].

К недостаткам термопар из драгоценных металлов можно отнести уже упоминавшуюся высокую чувствительность термоэлектродов к любым загрязнениям, появившимся при изготовлении, монтаже или эксплуатации термопар, а также их высокая стоимость.

Термопары вольфрам-рениевые ТВР имеют самый высокий предел длительного применения 2200°С, но только в неокислительных средах, т.к. катастрофическое окисление и разрушение термоэлектродов происходит уже при температуре 600°С. Термопара устойчива в аргоне, гелии, сухом водороде и азоте, а также в вакууме. Основной недостаток — плохая воспроизводимость термо-ЭДС, вынуждающая группировать термоэлектродные пары по группам с номинальными статическими характеристиками А-1, А-2, А-3.

Наиболее массовыми типами термопар в промышленности России являются термопара хромель-копель (на Западе применяется похожая термопара хромель-константан, тип Е) с температурой длительного применения до 600°С и термопара хромель-алюмель (тип К) с температурой длительного применения до 1200°С(см. табл. 1).

Термопара хромель-копель обладает наибольшей дифференциальной чувствительностью из всех промышленных термопар, применяется для проведения точных измерений температуры, а также для измерения малых разностей температур. Термопарам свойственна исключительно высокая термоэлектрическая стабильность при температурах до 600°С, обусловленная тем, что изменения термо-ЭДС хромелевого и копелевого термоэлектродов направлены в одну и ту же сторону и компенсируют друг друга. Технический ресурс термопар составляет несколько десятков тысяч часов. Недостаток — высокая чувствительность к деформации.

Термопара хромель-алюмель — самая распространенная в промышленности и научных исследованиях термопара с температурой длительного применения 1200°С. В стандарте РФ ГОСТР 50431-92 и более ранних стандартах указана температура длительной эксплуатации 1000°С. Исходя из многочисленных экспериментальных данных, величина 1200°С представляется несколько завышенной.

Термопары хромель-алюмель и хромель-копель предназначены для измерения температуры в окислительных и инертных средах. Содержание кислорода в окислительной атмосфере должно быть не менее нескольких процентов или его присутствие должно быть практически исключено. В атмосфере, содержащей менее 2-3% (объемн.) кислорода в хромеле резко усиливается селективное окисление хрома, что ведет к существенному уменьшению термоЭДС хромеля, а интеркристаллитный характер коррозии — к охрупчиванию (“зеленая гниль”). Длительное пребывание в вакууме при высоких температурах сильно уменьшает термо-ЭДС хромеля вследствие испарения хрома. В атмосфере, содержащей серу, интеркристаллитная коррозия охрупчивает термоэлектроды, в первую очередь алюмель. Кроме того, SO₂ сильно окисляет хромель и является поэтому причиной большого отрицательного дрейфа термоЭДС. Рабочий ресурс термопар ТХА при температуре менее 850°С лимитируется только величиной дрейфа термо-ЭДС, а при 1000-1200°С — жаростойкостью термоэлектродов.

Термопара ТХА имеет широкий диапазон измеряемых температур, но применять ее во всем диапазоне нецелесообразно, т.к. это ухудшает точность измерений. Термопарой, которой пользуются для точного измерения температур до 500°С, не следует измерять более высокие температуры и, наоборот, термопарой, использовавшейся при температурах выше 900°С, нельзя измерять температуры 300-600°С. При высоких температурах в термоэлектродах образуются локальные неоднородности, происходит дрейф термоЭДС. Поэтому нельзя уменьшать глубину погружения термопары в рабочую среду, т.к. возникшие локальные неоднородности могут попасть в зону градиента температур и приведут к дополнительной ошибке измерений. Увеличение глубины погружения не вызывает дополнительной погрешности.

В термопарах ТХА наблюдаются два вида нестабильности термоЭДС: необратимая нестабильность, постепенно накапливающаяся со временем и обратимая циклическая нестабильность. Первый вид нестабильности обусловлен взаимодействием термоэлектродов с окружающей средой. Дрейф термоЭДС в градусах составляет не более 1% от измеряемой температуры на уровне 1000°Сза 1000-4000 часов при диаметре термоэлектродов более 1 мм [1,с.81]. Второй вид нестабильности обусловлен протеканием в хромеле превращений по типу ближнего упорядочения магнитных ячеек структуры сплава в интервале 250-550°С. В результате этих превращений термопары ТХА в состоянии поставки после нагрева при 250-550°С увеличивают термоЭДС относительно номинальных значений. Этот рост исчезает (магнитная структура разупорядочивается) после нагрева при более высоких температурах. Величина обратимого дрейфа термоЭДС зависит от предыдущей истории термоэлектродов, температур градуировки, скорости охлаждения, а также от градиента температурного поля, в котором находится термопара. Дрейф может достигать 3-4°С. Для уменьшения обратимого дрейфа полезно использовать хромель, подвергнутый предварительной термообработке “на упорядочение” при 425-475°Св течение 6 ч [1,с.89], однако исключить его полностью не представляется возможным, если термопарой измеряют температуру в широком диапазоне. Вот почему фирма ABB Automation Products (ФРГ) поставляет свои термоэлектродные материалы для термопар типа К только после дополнительного “отжига на упорядочение”. Магнитная структура хромелевого электрода в этом случае уже упорядочена, и после установки термопары на термометрируемый объект на участке термоэлектродов с градиентом температуры 250-550°С этот процесс уже не проявляется.

Все эти проблемы с термопарой ТХА инициировали разработку и стандартизацию ведущими промышленными странами термопары нихросил-нисил, созданной лабораторией материаловедения министерства обороны Австралии в 60-х годах. Материалы термоэлектродов нихросил и нисил демонстрируют существенно лучшую стабильность термоЭДС по сравнению с термопарой ТХА. Это достигнуто увеличением концентрации хрома и кремния в никеле, а также введением в нисил магния, которые перевели процесс окисления материала термоэлектродов из внутреннего межкристаллитного в поверхностный. При этом на термоэлектродах образуется защитная пленка окислов, подавляющих дальнейшее окисление. Увеличение содержания хрома в нихросиле до 14.2% фактически устранило обратимую нестабильность, характерную для хромеля. Новые сплавы показали также высокую радиационную стойкость, т.к. в них отсутствуют активирующиеся примеси Mn, Co, Fe. Дрейф термопары ТНН с термоэлектродами диаметром 3.2 мм за 1100 ч на воздухе при температуре 1200°С не превышает 100 мкВ, тогда как дрейф такой же термопары ТХА за 300 ч достиг 300 мкВ [6]. Эти данные также свидетельствуют о завышенном значении температуры длительного применения 1200°С для термопары ТХА. В работе [6] делается вывод о существенной необратимой нестабильности термопары ТХА при температурах выше 1050°С. Напротив, термопара ТНН при диаметре термоэлектродов не менее 2.5 мм и температуре до 1200°С демонстрирует дрейф термо-ЭДС, не превышающий дрейф термопар из драгоценных металлов (ТПП, ТПР). Показана перспективность применения термопары ТНН в качестве универсального средства измерения температур в диапазоне температур 0-1230°С, это повысит точность промышленных измерений, качество конечного продукта и, в конечном счете, эффективность всего производства.

Защитные чехлы термопреобразователей

Защитные газоплотные чехлы термопреобразователей существенно расширяют диапазон применения термопар в агрессивных средах и увеличивают их ресурс [5, c 345-349]. Для температур до 800°С применяются чехлы из нержавеющей стали типа Х18Н10Т или 10Х17Н13М2Т (повышенная устойчивость к межкристаллитной коррозии), при более высоких температурах использовалась, в основном, ферритная сталь 15Х25Т с температурой интенсивного окалинообразования 1050°С, которая имеет ограниченную свариваемость и склонна к охрупчиванию в диапазоне 450-850°С [7, c.353]. В настоящее время производятся также термопары ТХА в защитных чехлах из жаростойкой аустенитной стали типа Х23Н18, с такой же жаростойкостью в сочетании с хорошей свариваемостью. Для работы при температурах выше 1000°С потребителю предлагаются термопары ТХА в чехлах из сплавов ХН78Т и ХН45Ю на никелевой и железо-никелевой основах, соответственно. По ГОСТ 5632-72 температура интенсивного окалинообразования сплава ХН78Т составляет 1150°С, рекомендуемая максимальная температура длительного применения сплава ХН45Ю на воздухе 1250-1300°С, т.е. она перекрывает весь диапазон измеряемых температур термопары ТХА. Необходимо только учитывать, что сплав ХН78Т особенно чувствителен к содержанию серы в рабочей среде из-за высокого содержания никеля в сплаве. Образование легкоплавких соединений сернистого никеля приводит к разрушению чехла. Сплав ХН45Ю обладает отличной жаростойкостью, сохраняя хорошую коррозионную стойкость благодаря включению в сплав 3.4% Al, который образует на поверхности сплава тугоплавкую окисную пленку и препятствует развитию коррозионного процесса. Скорости коррозии этих сплавов в 7-10 раз меньше, чем стали 15Х25Т при тех же условиях эксплуатации.

Необходимо отметить, что в России недостаточно производится термопар в защитных чехлах, предназначенных для специальных областей применения. Универсальные чехлы не могут решить проблему защиты термопар во многих агрессивных средах.

Кабельные термоэлектрические преобразователи

В настоящее время широкое распространение в мире, в т.ч. и в России, получили термопарные кабели, представляющие собой пару термоэлектродов помещенную внутрь металлической трубки и изолированную от нее уплотненным плавленым порошком MgO-периклазом (см. рис. 2).

Рис. 2 Заготовка из термопарного кабеля с одной или двумя парами термоэлектродов

В России выпускают термопарный кабель двух типов КТМС-ХА и КТМС-ХК диаметров от 1 до 7.2 ммпо ТУ 16-505.757-75. Оболочка кабеля изготовлена из нержавеющей стали или жаростойкой стали или сплава. Общий вид кабельной термопары представлен на рис. 3. Термоэлектроды термопары со стороны рабочего торца сварены между собой лазерной сваркой, образуя рабочий спай внутри стальной оболочки термопарного кабеля. Рабочий торец заглушен приваренной стальной пробкой. Свободные концы термоэлектродов подключаются к клеммам головки термопреобразователя или компенсационным проводам.

Рис. 3 Общий вид кабельной термопары

Применение кабельных термопреобразователей позволяет достичь существенных преимуществ по сравнению с термопарами традиционного исполнения, таких как:

 

• повышенные в 2-3 раза термоэлектрическая стабильность и рабочий ресурс при сравнимых рабочих условиях;
• возможность изгибать, укладывать в труднодоступные места, в кабельные каналы, приваривать, припаивать или просто прижимать к поверхности для измерения ее температуры, при этом монтажная длина может достигать 60-100 метров;
• малый показатель тепловой инерции, позволяющий применять их при регистрации быстропротекающих процессов;
• блочно-модульное исполнение термопреобразователей в защитных чехлах, обеспечивающее дополнительную защиту термоэлектродов от воздействия рабочей среды и возможность оперативной замены чувствительного элемента;
• универсальность применения в различных условиях эксплуатации, хорошая технологичность, малая материалоемкость.

 

Сравнительные испытания термопар показали, что дрейф термо-э.д.с. кабельной термопары КТХА наружным диаметром 3 мм (диаметр термоэлектродов 0.65 мм) при температуре 800°Сза 10 000 часов составляет примерно 100 мкВ, тогда как у обычной термопары ТХА с термоэлектродами диаметром 3.2 мм дрейф достигает 120 мкВ, а при диаметре электродов 0.7 мм он превышает 200-250 мкВ при тех же условиях. Дрейф термоЭДС кабельных термопар в оболочке из высоконикелевых сплавов при 980°С также вдвое меньше, чем дрейф показаний обычной термопары при той же температуре за 5000 ч [1, c. 83-84]. По данным [6] дрейф проволочной термопары ТХА с электродами диаметром 3.2 мм достигает 300 мкВ за 800 ч при температуре 1077°С, а при 1200°С —за 300 ч. Повышенная стабильность кабельных термопар объясняется затруднением окисления термоэлектродов из-за ограниченного количества кислорода внутри кабеля, а также дополнительной защитой термоэлектродов от воздействия рабочей среды с помощью металлической оболочки и оксида магния.

При работе в потоках жидкости или газа, двигающихся с большой скоростью, а также при высоких давлениях и температурах, в агрессивных средах, кабельные термопреобразователи помещаются в защитные чехлы (гильзы), предохраняющие их от изгибов и разрушений, и служат в качестве сменных чувствительных элементов. Защитные чехлы имеют типовые габаритные размеры. Внешний вид преобразователя аналогичен традиционному внешнему виду промышленных термопар (рис.4).

Рис. 4. Кабельный термопреобразователь блочно-модульного исполнения.

При этом термопреобразователи блочно-модульного исполнения, сохраняя все преимущества кабельных, приобретают такие достоинства, как:

 

• возможность оперативной замены чувствительного элемента без демонтажа защитного чехла с объекта;
• возможность одновременной поверки большого числа преобразователей вследствие малогабаритности демонтируемых кабельных чувствительных элементов;
• удешевление последующих поставок, так как, при необходимости, заменять можно только наружный чехол или только чувствительный элемент.

 

Чехлы для термопреобразователей высокотемпературного исполнения для работы при температурах до 1100°С изготавливаются из жаростойких сталей и сплавов. Рабочий ресурс высокотемпературных кабельных термопреобразователей блочно-модульного исполнения также превосходит ресурс термопреобразователей с проволочным чувствительным элементом, хотя диаметр термоэлектродов в кабеле не превышает 1 мм, тогда как проволочные термоэлектроды высокотемпературного исполнения обычно имеют диаметр 3.2 мм. Авторы имеют много положительных отзывов о работе таких термопреобразователей при высоких температурах. Например, кабельные термопреобразователи в жаростойких защитных чехлах из сплава ХН78Т, установленные на кауперах (воздухоподогревателях) доменной печи ОАО “Чусовской металлургический завод”, безотказно работали в течение 14 месяцев (циклическое изменение температуры воздуха в каупере 800-1150 °С), в то время как ресурс проволочных (Ж3.2 мм) термопар в чехлах из стали 15Х25Т не превышал 6-8 месяцев.

Определяющим фактором для обеспечения рабочего ресурса кабельного термопреобразователя блочно-модульного исполнения является полная герметичность и высокая жаростойкость защитного чехла. В этом случае имеющийся внутри чехла кислород “выгорает” в течение первых часов эксплуатации, далее кабельный чувствительный элемент работает в газовой среде, близкой к инертной, что резко тормозит процесс диффузии кислорода через оболочку кабеля к термоэлектродам. Термоэлектроды в этом случае защищены от воздействия рабочей среды двойной оболочкой — кабеля и защитного чехла.

По этому пути производства термопреобразователей пошли ведущие мировые производители: ABB Automation Products (ФРГ), JUMO (ФРГ), Auxitroll (Франция), OMEGA Engineering (США), ARi Industries (США), OKAZAKI Manufacturing (Япония) и др.

Кабельное исполнение термопары хромель-алюмель позволяют уменьшить недостатки присущие электродам этой термопары. Использование же термопары нихросил-нисил в качестве чувствительного элемента кабеля с жаростойкой оболочкой приводит к появлению термопреобразователя с качественно новыми свойствами. В работе [8] приводятся данные по уникальной стабильности кабельной термопары ТНН в оболочке из модифицированного сплава никросил наружным диаметром кабеля 3 ммв течение 2200 ч при температуре 1100°С. Дрейф термоЭДС не превысил 4°С. Авторами настоящей статьи также получены данные [9] о высокой стабильности кабельной термопары ТНН в оболочке из сплава Инконель 600 наружным диаметром 3 мм при термоциклировании в диапазоне температур 20-1100°С. Дрейф термоЭДС не превысил 2,1°Сза 50 термоциклов.

Эти результаты и данные дополнительных исследований позволят действительно рекомендовать кабельную термопару ТНН в качестве эталонного и универсального средства измерений температуры и поддержать уже упоминавшиеся выводы работы [6].

К сожалению, десятилетие известных экономических трудностей задержали развитие термоэлектрической термометрии в России. Мы отстаем в производстве современных и высокоточных термоэлектродных материалов, в обеспечении термоэлектрических термометров надежными защитными материалами, свернуты многие работы по термометрии. Но начавшийся рост промышленного производства позволяет надеяться, что потребности промышленности в повышении точности контроля технологических процессов, заметный рост конкуренции на рынке средств измерений приведут не только к количественному росту, но и к качественно другим конструкциям первичных датчиков, отвечающим современным метрологическим требованиям, а также потребуют новых решений в области термоэлектрической термометрии. Первые результаты в этом направлении уже представлены в материалах Всероссийской конференции “Температура-2001”, состоявшаяся в ноябре 2001 годав г. Подольске. Важнейшее значение для законодательной метрологии, стандартизации средств измерений, несомненно, будет иметь 8-ой международный симпозиум по температуре, проводящийся раз в 10 лет, который состоится в ноябре 2002 годав Чикаго, США.

Список использованной литературы:

1. И. Л. Рогельберг, В. М. Бейлин. Сплавы для термопар. Справочник, М., Металлургия, 1983.
2. И. В. Савельев. Курс общей физики, т.3, М., Наука, 1979, с.213.
3. А. Н. Гордов, О. М. Жагулло, А. Г. Иванова. Основы температурных измерений. М., Энергоатомиздат, 1992, с.69.
4. Свойства элементов. Справочник под.ред. М. Е. Дрица, книга 2, М., Металлургия, 1997, с.253.
5. О. А. Геращенко, А. Н. Гордов, А. К. Еремина, В. И. Лах, Я. Т. Луцик и др. Температурные измерения. Справочник, Киев, Наукова Думка, 1989.
6. N. A. Burley Nicrosil\Nisil type N Thermocouple, Measurements & Control, April 1989, pp.130-133.
7. С. Б. Масленков, Е. А. Масленкова Стали и сплавы для высоких температур. Справочник, кн.1, М., Металлургия, 1991 .
8. H. L. Daneman The Choice of sheathing for mineral insulated thermocouples. Measurements&Control, June 1988, pp 242-243.
9. А. В. Каржавин, С. В. Коломбет, А. А. Улановский Новые методы и средства поверки термоэлектрических термометров в диапазоне температур 300-1100°С. Сборник докладов 1-ой Всероссийской конференции “Температура-2001”,г. Подольск,13-15 ноября 2001 г.

Принципы работы и устройство термопары — radiohlam.ru

Если соединить два разнородных металла, то между разомкнутыми концами появится разность потенциалов (рис.1). Эта разность потенциалов называется термо-ЭДС, поскольку ее величина зависит от температуры. Соединим эти два проводника с обоих сторон и рассмотрим образовавшийся контур (рис.2). За положительное направление обхода контура примем направление по часовой стрелке.

При равенстве температур обоих мест соединения (т.1 и т.2) термо-ЭДС обоих мест соединений (Е1 и Е2) будут равны по величине, но противоположны по знаку (Е1=-Е2, т.к. при обходе контура в т.1 совершается переход из металла Б в металл А, а в т.2 — из металла А в металл Б). Если каким-либо образом сделать температуру мест соединения различной (например, нагреть или охладить т.2), то величины термо-ЭДС т.1 и т.2 станут различны и в цепи потечет ток, который будет определяться Еобщ=Е1+Е2 и сопротивлением контура. Это явление было открыто Зеебеком в 1921 году и в настоящее время широко используется для измерения температуры.

Если разорвать такой контур в каком либо месте (рис.3), то разность потенциалов между образовавшимися концами будет равна общей термо-ЭДС контура. Если известна температура одного из мест соединений (например, температура т.1), то по величине общей термо-ЭДС можно судить о температуре другого места соединения (о температуре т.2). То есть по величине общей термо-ЭДС можно судить о разнице температур мест соединений.

Если заменить часть провода из металла А (или из металла Б) куском другого провода (провода С), то общая термо-ЭДС не изменится при условии равенства температур т.3 и т.4 (рис.4). Это свойство называется законом промежуточных металлов, или законом Магнуса.

Рассмотрим цепи, изображенные на рис.5. При равенстве температур Т1=Т2=Т общие термо-ЭДС таких цепей равны между собой. Это очень важное свойство, позволяющее измерять общую термо-ЭДС, т.к. оно означает, что подключая между проводами металла А и металла Б измерительный прибор с обычными медными проводами (металл С) сумма термо-ЭДС, образованных контактами металл А — медь и медь — металл Б равна термо-ЭДС спая металл А — металл Б при той же температуре.

Термопара — это прибор, состоящий из двух сваренных между собой разнородных проводников (рис.6). Для измерения температуры с помощью термопары, одно место соединения (называемое рабочим спаем, т.1) помещают в среду, температуру которой необходимо измерить, а температуру двух других мест соединения (мест соединения с измерительным прибором, называемых холодными спаями, т.2 и т.3) измеряют с помощью других приборов и методов (например, с помощью термосопротивлений).

Термопары — это компактные, относительно грубые и относительно недорогие сенсоры, но они работают в самом широком из всех сенсоров диапазоне температур. В связи с этим, термопары, в основном, применяются для измерения экстремально высоких температур (до 2300 ⁰С). Термопары, в отличие от других сенсоров, не нуждаются в источнике тока, но для обработки сигнала термопар требуются прецезионные усилители. Также термопары более линейны, чем многие другие сенсоры и их нелинейность хорошо описывается математически.

Наиболее широко распространенные термопары — это ХК (хромель — капель) и ХА (хромель — алюмель). Вольт-температурные зависимости для различных термопар приводятся в ГОСТе в виде таблиц. Выходное значение напряжения в таблицах обычно приводится при температуре холодных спаев равной 0 ⁰С.

Термопары требуют для своего применения методов компенсации температуры холодных спаев. В промышленности применяют два основных метода.

1) Первый метод заключается в том, что провода от термопары до ЦПУ, к измерительному прибору, выполняют из тех же материалов, что и термопару (рис.5). В этом случае они называются компенсационными проводами.

Этот метод позволяет перенести места холодных спаев от термопары — в ЦПУ, где и измеряется их температура (обычно термосопротивлением, встроенным либо в специальную клеммную коробку, куда подключаются компенсационные провода, либо термосопротивлением, расположенным прямо на плате измерительного прибора, рядом с контактами, к которым подключаются компенсационные провода).

Недостатком этого метода является необходимость прокладывания дорогостоящих и неудобных для укладки и монтажа (они очень плохо гнуться) компенсационных проводов от объекта до ЦПУ. Этого недостатка лишен второй метод.

2) Смысл второго метода заключается в том, что в данном случае измерительный преобразователь, который измеряет температуру холодных спаев, вносит соответствующую компенсацию, усиливает и преобразует выходной сигнал в стандартный токовый, встраивается прямо в головку термопары. При этом стоимость измерительной системы уменьшается за счет отказа от компенсационных проводов (токовый сигнал в ЦПУ можно передавать по обычным медным проводам), но добавляются затраты на встраиваемый измерительный преобразователь. Кроме того, такому преобразователю требуется внешнее питание.

Развитие электроники приводит к постоянному уменьшению размеров и стоимости электронных компонентов, а также к повышению их качества, что делает второй метод наиболее перспективным. Возможно скоро появятся недорогие преобразователи, преобразующие сигнал термопары не только в токовый сигнал, но и в цифровой, что позволит подключать термопары к различным полевым шинам.

По конструкции различают термопары с изолированным и неизолированным спаем. У термопар с изолированным спаем рабочий спай электрически изолирован от земли, а у термопар с неизолированным спаем — нет. Термопары с неизолированным спаем можно подключать только к измерительным приборам с изолированными от земли входами, иначе образуются еще два замкнутых контура (через землю) и показания прибора будут неправильными. Для термопар с изолированным спаем неважно изолирован вход измерительного прибора от земли или нет.

Еще раз подчеркну, что величина измеренной термо-ЭДС термопары позволяет судить не о температуре рабочего спая, а о разнице температур рабочего и холодных спаев термопары. Это очень важное замечание, т.к. очень часто по измеренной мультиметром величине термо-ЭДС, не зная температуры холодных спаев пытаются судить о температуре рабочего спая, что является ошибкой!

В соответствии с законом Магнуса при обрыве термопары место разрыва можно соединить обычными медными проводами (но вставка не должна быть длинной, т.к. для исключения влияния такой вставки необходимо обеспечить как можно более точное равенство температур обоих ее концов).

Fuehler Systeme eNET International Russia

Термопары FuehlerSysteme eNET — это термоэлементы включенные последовательно, которые используют известный Seebeck -эффект. Термоэлемент состоит из двух электропроводных материалов, которые расположены в виде проводящих дорожек и которые в одной точке (так называемой hot junction) контактируют друг с другом. Если за счет внешнего воздействия возникнет разница температур между точкой контакта (hot junction) и обеими открытыми концами (cold junction), то на обоих концах термоэлементов появится напряжение в несколько милливольт.

Принцип действия термопары основан на том, что нагревание или охлаждение контактов между проводниками, отличающимися химическими или физическими свойствами, сопровождается возникновением термоэлектродвижущей силы (термоэдс). Термопара состоит из двух металлов, сваренных на одном конце (hot junction). Эта часть ее помещается в месте замера температуры. Два свободных конца подключаются к измерительной схеме (милливольтметру).

Номинальная статическая характеристика (НСХ)/тип термопары выбирается в зависимости от настройки устройства к которому будет подключаться термоэлектрический преобразователь (термопара). При не совпадении настройки устройства и НСХ термоэлектрического преобразователя (термопары) измеряемая температура будет интерпретироваться неверно.

Измерение температур с помощью термопар получило широкое распространение из-за надежной конструкции датчика, возможности работать в широком диапазоне температур и дешевизны. Термопары 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. Правильное название термопар — термоэлектрические преобразователи.

В нашем каталоге вы можете найти байонетные, погружные, проводниковые, стержневые и ручные прокалывающие термопары, а также термоэлементы в оболочке и кабельные температурные зонды.

Физические и теоретические основы — Справочник химика 21

из «Неразрушающий контроль Т5 Кн1»

Впервые термоэлектричество для измерения температуры использовал Зеебек. Устройство, примененное им для этих целей, получило название термопары. Под термопарой понимают замкнутую цепь из двух проводников, изготовленных из материалов с разными термоэлектрическими способностями. [c.612]
Указанные свойства термопары позволяют использовать ее в качестве чувствительного элемента термоэлектрического термометра. При измерении температуры один из контактов термопары помещают в среду с постоянной температурой 1, а второй — в среду с измеряемой температурой 2. Таким образом, при постоянстве температуры 1 термоЭДС термопары становится однозначной функцией измеряемой температуры 2. [c.612]
Концы проводников термопары, находящиеся при фиксированной температуре 1, называют свободными концами термопары, а спай других концов проводников, помещаемый в среду с измеряемой температурой з, — рабочим концом термопары. [c.612]
Прибор для измерения термоЭДС, развиваемой термопарой, обычно включают между ее свободными концами или в разрыв одного из термоэлектродов. В большинстве случаев термопара может быть значительно удалена от прибора, поэтому прибор приходится подсоединять к термопаре с помощью соединительных проводников J и Сз, как это показано на рис. 9.7. Проводники с и Сг должны быть однородными, поэтому часто используют один проводник Сь в разрыв которого включают измерительный прибор. Провод, которым намотана катушка измерительного прибора, также включен в цепь термопары. [c.612]
Таким образом, промежуточные проводники с одинаковыми температурами в местах их соединений независимо от термоэлектрических свойств не оказывают влияния на значение общей термоЭДС, равной термоЭДС основной термопары. [c.613]
Если температуры в местах соединения разнородных проводников в цепи термопары не равны, то это приводит к значительным изменениям суммарной термоЭДС, которые учесть практически невозможно. [c.614]
Это выражение позволяет определить термоЭДС любой термопары аЬ при известных термоЭДС других термопар, образованных каждым из термоэлектродов а и Ь с базовым термоэлектродом п. В качестве базового или нормального термоэлектрода, по отношению к которому определяется термоЭДС других материалов, принят платиновый термоэлектрод. В справочной литературе приводятся значения термоЭДС, развиваемых наиболее распространенными термоэлектродными материалами в паре с платиной при температуре рабочего спая 2 = 100 °С и температуре свободных концов , = О °С. В табл. 9.6 приведены примеры этих значений. [c.614]
Данные таблицы нельзя распространять на более высокие температуры, так как зависимость термоЭДС от температуры в широком диапазоне температур обычно нелинейная. Кроме того, термо-ЭДС в значительной степени зависят от малейших примесей в материалах и методов обработки термоэлектродов. [c.614]
Для практического использования термопар зависимости их термоЭДС от температуры в заданном интервале определяют экспериментально, так как теоретически невозможно с требуемой точностью рассчитать термоЭДС термопар по приведенным выше формулам, если не известна зависимость их дифференциальной термоэлектрической способности Sab от температуры. Для сравнения между собой, а также для определения измеряемой температуры эти зависимости относят к одной и той же стандартной температуре свободных концов ( о = О С). [c.614]
Экспериментально полученные зависимости термоЭДС термопар от температуры при условии равенства нулю температуры свободных концов называют градуировочными характеристиками. В табл. 9.7 в сокращенном объеме приведены значения эксплуатационных характеристик, а в табл. 9.8 — 9.18 — градуировочные характеристики термопар основных типов. [c.614]
ТермоЭДС, мВ температура, °С (МПТШ-68) температура свободных концов О °С допускаемые отклонения / = (1,3. .. 1,1 1О 0) сШМ , мВ электроды медь электролитическая рафинированная чистотой 99,95 %, содержащая 0,02. .. 0,07 % Оо и не более 0,01 % других примесей. [c.618]
О °С константан 55. .. 61 % Си, 45. .. 39 % N1 с малыми добавками Мп, Ре и с примесями С, 81, Со, М железо технически чистое безуглеродистое, примеси 0,02. .. 0,10 % С, не более 0,4 % Мп, не более 0,15 % Си, 0,005. .. 0,02 % Si, 8, Ni, Сг, Р. [c.619]
Примечание. ТермоЭДС, мВ температура, °С (МПТШ-68) температура свободных концов О °С медь электролитическая рафинированная чистотой 99,95 %, содержащая 0,02. .. 0,07 % О2 и 0,01 % примесей константан 55. .. 61 % Си, 45. .. 39 % Ni с малыми добавками Мп, Ре и с примесями С, 81, Со, М . [c.619]
Примечание. ТермоЭДС, мВ температура, °С (МПТШ-68) температура свободных концов О °С предел допускаемых отклонений 0,01 мВ при 0 300 °С и [0,01 + 2,510 (0 — 300)] мВ при 0 300 С. [c.623]
Примечание. ТермоЭДС, мВ температура, °С (МПТШ-68) температура свободных концов О °С предел допускаемых отклонений 0,01 мВ при 0 300 °С и [0,01 + 3,3 1О (0 — 300)] мВ при 0 300 °С. [c.624]
Примечания 1. Значение 6,5 соответствует термоЭДС при температуре 2300 °С. [c.626]

Вернуться к основной статье

Как выбрать термопару

Поскольку термопара может принимать разные формы и формы, важно понимать, как правильно выбрать правильный датчик.

Наиболее часто используемые критерии для выбора — это диапазон температур, химическая стойкость, стойкость к истиранию и вибрации, а также требования к установке. Требования к установке также будут определять ваш выбор датчика термопары.

Существуют разные типы термопар, и их применение может отличаться.Открытая термопара будет работать лучше всего, когда требуется большое время отклика, но незаземленная термопара лучше в агрессивных средах. Вот пять рекомендаций, которые помогут вам определить лучшую термопару для ваших целей:

1. Определите область применения, в которой вы будете использовать датчик термопары Термопары
   могут использоваться в различных отраслях и сферах применения, поэтому выбор подходящей для ваших целей начинается с точного знания того, как и где вы хотите ее использовать.
2. Определите диапазоны температур, в которых будет работать зонд
   После того, как вы узнаете необходимый диапазон температур термопары, вы можете обратиться к нашей таблице диапазонов термопар, чтобы определить, какая термопара лучше всего подходит для нужных диапазонов температур.

   Термопара типа K обеспечивает широкий диапазон температур и является одной из наиболее часто используемых термопар. Однако, если зонд термопары будет подвергаться воздействию экстремальных температур, термопара типа N более устойчива при высоких температурах, а термопара типа T лучше всего подходит для чрезвычайно низких температур.

3. Определите, насколько важно быстрое время отклика
   Существует три типа спаев термопар: открытые, заземленные и незаземленные.Открытый переход обеспечит самое быстрое время отклика. Однако, если зонд будет подвергаться воздействию агрессивного газа или высокого давления, не следует использовать открытый переход. Незаземленная термопара обеспечивает самое низкое время отклика, но все же может быть лучшим выбором, если также желательно, чтобы термопара была электрически изолирована от оболочки и экранирована ею.
4. Учитывать любую химическую стойкость, стойкость к истиранию или вибрации
   Открытая термопара может использоваться только в некоррозионных приложениях.Как заземленную, так и незаземленную термопару можно использовать в агрессивных средах или в среде с высоким давлением, но лучше всего использовать незаземленный зонд, если необходимо, чтобы термопара была электрически изолирована от оболочки и экранирована ею. Если более быстрое время отклика имеет приоритет в агрессивной среде, то лучше всего использовать заземленную термопару.
5. Учитывать любые требования по установке
   Может потребоваться, чтобы термопара была совместима с существующим оборудованием.Например, существующие отверстия могут определять диаметр зонда

Как выбрать тип термопары

Поскольку термопара измеряет в широком диапазоне температур и может быть относительно прочной, термопары очень часто используются в промышленности. Перед выбором термопары необходимо ответить на следующие вопросы:

• Определите область применения, в которой будет использоваться термопара
• Диапазон температур
• Химическая стойкость материала термопары или оболочки
• Устойчивость к истиранию и вибрации
• Требования к установке (может потребоваться совместимость с существующим оборудованием; диаметр зонда может определяться имеющимися отверстиями)

Как мне узнать, какой тип разветвления выбрать?

Доступны зонды с термопарами в оболочке с одним из трех типов спая: заземленным, незаземленным или незащищенным.Посмотрите также наше видео о спаях термопар:

Термопары с заземленным спаем

На конце зонда с заземленным спаем провода термопары физически прикреплены к внутренней стороне стенки зонда. Это приводит к хорошей передаче тепла снаружи через стенку зонда к спайу термопары.

Это означает, что заземленные термопары будут иметь более быстрое время отклика, чем незаземленные 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.

Однако заземленные термопары очень чувствительны к шуму, создаваемому контурами заземления, что приводит к менее точным показаниям.

Термопары с незаземленным спаем

В незаземленном зонде спай термопары отсоединен от стенки зонда. Время отклика ниже, чем у заземленного стиля.

С другой стороны, переход электрически изолирован от оболочки, что предотвращает влияние электрических помех на сигнал.Это дает гораздо большую точность измерения температуры, особенно с сигналами очень низкого уровня.

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).

Термопары с открытым спаем

Термопара с открытым спаем выступает из конца оболочки и подвергается воздействию окружающей среды.Этот тип обеспечивает лучшее время отклика, но его использование ограничено некоррозийными и негерметичными приложениями.

Открытый переход рекомендуется для измерения статических или текущих температур некоррозионных газов, когда требуется быстрое время отклика. Соединение выходит за пределы защитной металлической оболочки, обеспечивая точный и быстрый отклик. Изоляция оболочки герметизирована в местах соединения, чтобы предотвратить проникновение влаги или газа, которое может вызвать ошибки.

Полное описание типов соединений см. На рисунках справа.

В этом PDF-файле вы можете найти дополнительную информацию о термоизоляции.

Какая термопара мне нужна?

Различные диапазоны температур для различных Измерения температуры
Термопара из бисерной проволоки — это простейшая форма термопары. Он состоит из двух отрезков проволоки для термопар, соединенных между собой сварным валиком.Поскольку выступ термопары обнажен, существует несколько ограничений применения. Термопара из проволоки с бусами не должна использоваться с жидкостями, которые могут вызвать коррозию или окисление сплава термопары. Металлические поверхности также могут быть проблематичными. Часто металлические поверхности, особенно трубы, используются для заземления электрических систем. Непрямое подключение к электрической системе может повлиять на измерения термопары. Как правило, термопары из бисерной проволоки являются хорошим выбором для измерения температуры газа.Поскольку они могут быть очень маленькими, они также обеспечивают очень быстрое время отклика.

Учить больше

Датчик термопары
Зонд термопары состоит из провода термопары, помещенного в металлическую трубку. Стенка трубки называется оболочкой зонда.Обычные материалы оболочки включают нержавеющую сталь и Inconel®. Инконель поддерживает более высокие температурные диапазоны, чем нержавеющая сталь, однако нержавеющая сталь часто предпочтительнее из-за ее широкой химической совместимости. Для очень высоких температур также доступны другие экзотические материалы для оболочки. Ознакомьтесь с нашей линейкой экзотических термопар для высоких температур.

Наконечник зонда термопары доступен в трех различных стилях. Заземленный, незаземленный и незащищенный.С заземленным наконечником термопара контактирует со стенкой оболочки. Заземленный переход обеспечивает быстрое время отклика, но он наиболее чувствителен к контурам электрического заземления. В незаземленных спаях термопара отделена от стенки оболочки слоем изоляции. Наконечник термопары выступает за пределы стенки оболочки с открытым спаем. Термопары с открытым спаем лучше всего подходят для измерения воздуха.

Учить больше

Поверхностный зонд
Измерение температуры твердой поверхности для большинства типов датчиков температуры затруднено.Чтобы обеспечить точное измерение, вся измерительная область датчика должна соприкасаться с поверхностью. Это сложно при работе с жестким датчиком и жесткой поверхностью. Поскольку термопары изготовлены из гибких металлов, спай может быть плоским и тонким, чтобы обеспечить максимальный контакт с твердой твердой поверхностью. Эти термопары — отличный выбор для измерения поверхности. Термопара может быть даже встроена в механизм, который вращается, что делает ее пригодной для измерения температуры движущейся поверхности.Термопара типа K — ChrOMEGA ™ / AlOMEGA ™.

Учить больше

Беспроводные термопары
Эти беспроводные преобразователи измеряют различные входные сигналы датчиков, включая, но не ограничиваясь, pH, RTD, относительную влажность. Передача данных осуществляется по беспроводной сети на компьютер или в сеть.

Учить больше

Что такое термопара и как она работает?

Что такое термопара?

Термопара — это датчик, используемый для измерения температуры. Термопары состоят из двух проводов из разных металлов.Ножки проволоки свариваются на одном конце, образуя стык. Это место, где измеряется температура. Когда соединение испытывает изменение температуры, создается напряжение. Затем напряжение можно интерпретировать, рассчитав температуру.

Существуют ли разные типы термопар?
Существует много типов термопар, каждый из которых имеет разные характеристики с точки зрения температурного диапазона, долговечности, вибростойкости, химической стойкости и совместимости с областями применения.Тип J K, T Термопары из основного металла, наиболее распространенные типы термопар. Термопары типов R и S — это термопары из «редких металлов», которые используются в высокотемпературных приложениях.

Где используются термопары?
Термопары используются во многих промышленных и научных приложениях. Их можно найти практически на всех промышленных рынках: электроэнергетика, горнодобывающая промышленность, нефть и газ, фармацевтика, биотехнологии, цемент, бумага, стекло и многие другие. Термопары также используются в бытовых приборах, таких как плиты, печи, печи для обжига и печи для пиццы.
W Зачем нужна термопара?

Термопары обычно выбирают из-за их низкой стоимости, пределов высоких температур, широкого диапазона температур и долговечности.

Итак, когда возникла термопара?

История термопары

Еще в 1821 году немецкий физик Томас Иоганн Зеебек исследовал понятие различных металлов, когда они соединяются вместе. Он обнаружил, что наблюдались изменения температуры между суставами и магнитное поле — это известно как эффект Зеебака.

Отсюда позже было обнаружено, что магнитное поле является частью термоэлектрического тока. Напряжение, генерируемое двумя типами проводов, используется для измерения температуры от очень высокой до низкой.

Порог измерения температуры зависит от типа используемого материала провода, и, хотя при очень низком токе, мощность может генерироваться от спая термопары.

Ученые Майкл Фарадей и Георг Ом использовали эффект Зеебака для проведения экспериментов, которые помогли глубже понять влияние удара и измерение температуры.

Благодаря этому открытию и дальнейшим исследованиям ученых на протяжении всей истории в начале 1900-х годов были произведены термопары. С тех пор технология развивалась и развивалась до сегодняшнего уровня. В настоящее время они используются во многих различных устройствах — от приготовления пищи до фармацевтического производства.

Производство термопары

С момента открытия измерения температуры изготовление устройства остается простым, но эффективным.Два металлических сплава соединяются вместе, образуя соединение.

Одна часть спая размещается на источнике, где необходимо измерить температуру. Вторая точка стыка поддерживается при постоянной температуре источника.

Диапазон температур зависит от типа металла, используемого при производстве термопары. Никель и никель имеют диапазон температур от -50 до 1410 градусов, а рений и рений — от 0 до 2315 градусов.

Конструкция термопары проста, и производители собирают датчики температуры из пары проводов.Эти провода обычно покрывают защитным слоем изолированной трубки.

Производители термопар определяют комбинацию металлов и калибровку, используемую для сборки. Использование термопары зависит от окружающей среды. Различные диаметры и материалы являются факторами, принимаемыми во внимание при изготовлении термопары конкретного типа.

В других случаях установка термопары в уже существующую систему может изменить конструкцию устройства производителем.

Типы термопар

Различные термопары изготавливаются для различных целей с использованием различных металлов.

Различные типы популярных термопар включают:

• Тип K: наиболее распространенный тип термопары, он недорогой, надежный и точный
• Тип J: также очень распространен, но имеет меньший размер диапазон температур, а также более короткий срок службы при более высоких температурах, чем тип K
• Тип T: стабильная термопара и используется для более низких температур
• Тип E: имеет более сильный сигнал и более высокую точность
• Тип N: имеет ту же точность и пределы, что и K, но немного дороже
• Тип S: для очень высоких температур и используется в основном в фармацевтической промышленности
• Тип R: аналогичен типу S с точки зрения производительности и часто используется при более низких температурах из-за своей точности и стабильности
• Тип B: имеет самый высокий температурный диапазон из всех термопар. es

Различные типы термопар сгруппированы вместе, включая промышленные, универсальные и многоточечные.

Промышленные термопары — популярный тип. Производители предлагают эти термопары в диапазоне от «IS A — M». Термопары общего назначения подходят для большинства применений и имеют невысокую стоимость. Чаще всего производятся термопары общего назначения типа K.

Наконец, многоточечные термопары являются наиболее точным способом измерения температуры. Они используются там, где важны правильное измерение и управление температурой. Они производятся как типы E, K, J, N и T, которые изготавливаются из разных материалов.

Заключительные мысли о производстве термопары

Производство термопары зависит от различных потребностей измерения температуры. От низкого к высокому — разные металлы и материалы, используемые для создания термопары правильного типа для любого поддержания температуры.

Когда дело доходит до выбора подходящего, все зависит от исследований и знаний вашего производителя. Правильная температура любого элемента имеет решающее значение для производства всех продуктов, связанных с температурой.

Термопары, датчики и типы термопар

Датчики термопары

отличаются от обычных типов термопар своей меньшей конструкцией и возможностью изгибаться. Благодаря этим особенностям их можно использовать в труднодоступных местах.

Сборка датчика термопары

Термопара этого типа состоит из внешней металлической оболочки, которая содержит изолированные внутренние провода, залитые внутри керамического компаунда высокой плотности (кабель с минеральной изоляцией, также называемый кабелем MI).Термопары в оболочке можно изгибать до минимального радиуса, в пять раз превышающего диаметр оболочки, и этот тип термопар устойчив к экстремальной вибрации.

Inconel 600 или нержавеющая сталь — это материалы оболочки, которые в основном используются для этого типа термопар. Inconel 600 (сплав Ni 2.4816) — стандартный материал для высокотемпературных применений, требующих устойчивости к коррозии; и для применений, требующих устойчивости к индуцированному коррозионному растрескиванию под напряжением и точечной коррозии, когда среда содержит хлорид.Датчики термопары, изготовленные из Inconel 600, устойчивы к галогенам, хлору, хлористому водороду и аммиаку в водных растворах. Датчики термопары, изготовленные из нержавеющей стали 316, обеспечивают высокую стойкость к агрессивным средам, а также к парам и дымовым газам в химических средах.

В нашем обширном ассортименте термопар типа вы можете найти подходящую версию для любого применения.

Часто используемые типы термопар:

Тип K : Термопары NiCr-NiAl подходят для использования в окислительной атмосфере или в атмосфере инертного газа до 2100 ° F (ASTM E230: 2200 ° F) с проводом самого большого диаметра.

Тип J : термопары Fe-CuNi подходят для использования в вакууме; в окислительной и восстановительной атмосферах; или в атмосфере инертного газа. Они используются для измерения температуры до 1300 ° F (ASTM E230: 1400 ° F) с проводом самого большого диаметра.

Тип N : термопары NiCrSi-NiSi подходят для использования в окислительной атмосфере; в атмосфере инертного газа; или в атмосфере сухого восстановления до 2200 ° F (ASTM E230: 2300 ° F). Они должны быть защищены от сернистой атмосферы.Они очень точны при высоких температурах. Напряжение источника (ЭДС) и диапазон температур практически такие же, как у термопары типа К. Они используются в приложениях, где требуется более длительный срок службы и большая стабильность.

Тип E : Термопары NiCr-CuNi подходят для использования в окислительной атмосфере или в атмосфере инертного газа до 1600 ° F (ASTM E230: 1650 ° F) с проводом самого большого диаметра.

Тип T : термопары Cu-CuNi подходят для температур ниже 32 ° F с верхним пределом температуры 650 ° F (ASTM E230: 700 ° F) и могут использоваться в окислительной, восстановительной или инертной газовой среде.Они не подвержены коррозии во влажной атмосфере.

Чтобы определить тип термопары для приложения, рассмотрите прямой контакт со средой.

Термопары

типов R, S и B также доступны со встроенным кабелем MI. Для получения информации о температурном диапазоне, классе точности и размерах для этих термопар с благородной оболочкой обращайтесь в службу технической поддержки WIKA по телефону 1-888-431-1559 (нажмите 1).

Конструкции наконечников термопарных датчиков

---

Свяжитесь с нами

Хотите получить дополнительную информацию? Напишите нам:

RTD против термопары — Sure Controls

В чем разница между резистивным датчиком температуры (RTD) и термопарой? И RTD, и термопары — это датчики, используемые для измерения тепла в таких шкалах, как Фаренгейта и Кельвина.Такие устройства используются в широком диапазоне приложений и настроек, часто ставя перед людьми дилемму выбора использования либо RTD, либо термопар. У каждого типа датчика температуры есть свои преимущества и недостатки, которые делают его пригодным для определенных условий и обстоятельств.

Датчик термометра сопротивления

Электрическое сопротивление металлов повышается по мере увеличения нагрева и нагрева металлов, в то время как их электрическое сопротивление падает по мере уменьшения нагрева и охлаждения металлов.RTD — это датчики температуры, которые используют изменения электрического сопротивления металлов для измерения изменений локальной температуры. Чтобы показания можно было интерпретировать, металлы, используемые в RTD, должны иметь электрическое сопротивление, известное людям и записанное для удобства. В результате медь, никель и платина являются популярными металлами, используемыми в конструкции термометров сопротивления.

Термопары

Термопары — это датчики температуры, в которых используются два разных металла в датчике для создания напряжения, которое может быть считано для определения местной температуры.При изготовлении термопар можно использовать различные комбинации металлов, чтобы обеспечить различные калибровки с различными диапазонами температуры и характеристиками датчика.

Загрузите лист проектирования термопар Sure Controls для получения дополнительной информации.

RTD и термопара

Поскольку термины охватывают весь диапазон датчиков температуры, предназначенных для использования в различных условиях, невозможно сделать вывод о том, являются ли RTD или термопары лучшим вариантом в целом.Вместо этого более полезно сравнивать характеристики RTD и термопар, используя определенные характеристики, такие как стоимость и диапазон температур, чтобы пользователи могли выбирать, исходя из конкретных потребностей своей организации.
В целом, термопары лучше, чем RTD, когда дело касается стоимости, прочности, скорости измерения и диапазона температур, который может быть измерен с их помощью. Стоимость большинства термопар в 2,5–3 раза меньше, чем у RTD, и, хотя установка RTD дешевле, чем установка термопар, экономии затрат на установку недостаточно, чтобы склонить чашу весов.Кроме того, термопары более долговечны и быстрее реагируют на изменения температуры благодаря той же конструкции. Однако главным преимуществом термопар является их диапазон. Большинство RTD ограничены максимальной температурой 1000 градусов по Фаренгейту. Напротив, некоторые термопары можно использовать для измерения температуры до 2700 градусов по Фаренгейту. RTD
превосходят термопары тем, что их показания более точны и более воспроизводимы. Повторяемость означает, что пользователи, считывающие одну и ту же температуру, дают одинаковые результаты в нескольких испытаниях.RTD, выдающие более повторяемые показания, означают, что их показания более стабильны, а их конструкция гарантирует, что RTD продолжат выдавать стабильные показания дольше, чем термопары. Кроме того, RTD получают более надежные сигналы, и их легче калибровать показания RTD из-за их конструкции.

Заключение

Вкратце, у каждого RTD и термопары есть свои преимущества и недостатки. Кроме того, каждая марка RTD и термопар имеет свои преимущества и недостатки.Покупатели должны основывать свои решения о покупке на конкретных потребностях и возможностях своих организаций, соответствующих конкретным возможностям доступных им брендов. В целом термопары дешевле, долговечнее и могут измерять более широкий диапазон температур, в то время как RTD обеспечивают более качественные и надежные измерения.

Ознакомьтесь со всеми нашими термодатчиками

Термопары-Типы термопар — J, K, E, T, N, B, R, S

Chromel {90% никеля и 10% хрома} Alumel {95% никеля, 2% марганца, 2% алюминия и 1% кремния}

Твитнуть

Термопара типа K

Это наиболее распространенный тип термопар, обеспечивающий самый широкий диапазон рабочих температур.Термопары типа K обычно работают в большинстве случаев, поскольку они сделаны на основе никеля и обладают хорошей коррозионной стойкостью.

• 1. Положительный полюс — немагнитный (желтый) , отрицательный — магнитный (красный).

• 2. Традиционный выбор недрагоценных металлов для высокотемпературных работ.

• 3. Подходит для использования в окислительной или инертной атмосфере при температурах до 1260 ° C (2300 ° F).

• 4. Уязвим к воздействию серы (воздерживаться от воздействия серосодержащей атмосферы).

• 5. Лучше всего работать в чистой окислительной атмосфере.

• 6. Не рекомендуется для использования в условиях частичного окисления в вакууме или при чередовании циклов окисления и восстановления.

Состоит из положительной ветви, состоящей примерно из 90% никеля, 10% хрома и отрицательной ветви, состоящей примерно из 95% никеля, 2% алюминия, 2% марганца и 1% кремния. Термопары типа K являются наиболее распространенными термопарами общего назначения. термопара с чувствительностью примерно 41 мкВ / ° C, хромель положительный по отношению к алюмелю.Это недорогое решение, и предлагается широкий выбор датчиков в диапазоне от -200 ° C до + 1260 ° C / от -328 ° F до + 2300 ° F. Тип K был определен в то время, когда металлургия была менее развита, чем сегодня, и, следовательно, характеристики значительно различаются между образцами. Один из составляющих металлов, никель, является магнитным; Характерной чертой термопар, изготовленных из магнитного материала, является то, что они претерпевают ступенчатое изменение выходной мощности, когда магнитный материал достигает точки отверждения (около 354 ° C для термопар типа K).

Термопары типа K (хромель / константан)

Термопары типа K обычно работают в большинстве случаев, поскольку они сделаны на основе никеля и обладают хорошей коррозионной стойкостью. Это наиболее распространенный тип калибровки датчиков, обеспечивающий самый широкий диапазон рабочих температур. Благодаря своей надежности и точности термопара типа K широко используется при температурах до 2300 ° F (1260 ° C). Этот тип термопары должен быть защищен подходящей металлической или керамической защитной трубкой, особенно в восстановительной атмосфере.В окислительной атмосфере, такой как электрические печи, защита труб не всегда необходима, когда подходят другие условия; тем не менее, он рекомендуется для обеспечения чистоты и общей механической защиты. Тип K обычно дольше, чем тип J, потому что проволока JP быстро окисляется, особенно при более высоких температурах.

Диапазон температур:
• Провод класса термопары, от −454 ° до 2300 ° F (от −270 до 1260 ° C)

• Провод класса удлинения, от −32 ° до 392 ° F (от 0 до 200 ° C)

• Точка плавления, 2550 ° F (1400 ° C)

Точность (в зависимости от того, что больше):
• Стандарт: ± 2.2C% или ± 0,75%

• Специальные пределы погрешности: ± 1,1C или 0,4%

Отклонения в сплавах могут повлиять на точность термопар. Для термопар типа K первый класс точности составляет ± 1,5 K в диапазоне от -40 до 375 ° C. Однако отклонения между термопарами одного производства очень малы, и гораздо более высокая точность может быть достигнута путем индивидуальной калибровки.

Металлургические изменения могут вызвать отклонение калибровки от 1 до 2 ° C за несколько часов, со временем увеличивающееся до 5 ° C.Доступен специальный сплав типа K, который может поддерживать особую предельную точность до десяти раз дольше, чем обычный сплав.

Датчики температуры. Термисторы и термопары

Датчики температуры важны для повседневной жизни, от работы на промышленных предприятиях до предотвращения пожаров. Термисторы и термопары — два таких датчика температуры.

Термистор — это термочувствительный резистор, который демонстрирует непрерывное небольшое постепенное изменение сопротивления, связанное с изменениями температуры.Термопары отражают пропорциональные изменения температуры через переменное напряжение, создаваемое между двумя разнородными металлами, электрически связанными вместе. Оба являются хорошими вариантами для измерения и контроля температуры. Выбор оптимального варианта зависит от типа и характеристик приложения.

При сравнении любого датчика температуры необходимо учитывать четыре фактора:

• Диапазон температур
• Устойчивость
• Точность
• Приложение

Четыре фактора, которые следует учитывать при выборе между термистором и термопарой в качестве датчика температуры

Диапазон температур: Термисторы и термопары

NTC работают в широком диапазоне температур, что делает их идеальными для широкого спектра применений.Термисторы NTC хорошо работают в рабочем диапазоне от -50 до 250 ° C, в то время как термопары работают в самом широком диапазоне температур от -200 ° C до 1750 ° C.

Стабильность:

Приложения с долгосрочной целью работы требуют стабильности. Датчики температуры могут со временем дрейфовать в зависимости от их материалов, конструкции и упаковки. Например, термисторы NTC с эпоксидным покрытием могут испытывать дрейф около 0,2 ° C в год; в то время как герметичные термисторы NTC испытывают гораздо меньший дрейф около 0.02 ° C в год. С другой стороны, термопары испытывают дрейф примерно на 1-2 ° C в год, в основном из-за химических изменений в датчике, таких как химическое окисление.

Точность: Термисторы

NTC обладают высокой точностью благодаря постепенным изменениям в пределах их рабочего диапазона. Небольшие изменения температуры точно отражаются благодаря большим изменениям сопротивления на ° C. Термопары имеют более низкую точность и требуют преобразования милливольт в температуру при использовании для контроля и компенсации температуры.

Приложение:

Как термисторы NTC, так и термопары могут работать в широком диапазоне приложений; тем не менее, термисторы NTC обычно используются в системах обеспечения безопасности жизни, таких как пожарные извещатели и термометры, поскольку они точны и стабильны. Термопары чаще используются в промышленных условиях из-за их долговечности и более низкой стоимости производства.

NTC (отрицательный температурный коэффициент) Термисторы

Термистор NTC — это датчик температуры, сделанный из спеченного полупроводникового материала, который содержит смесь нескольких оксидов металлов.Эти материалы обладают носителями заряда, которые позволяют току течь через термистор, демонстрируя постепенные изменения сопротивления, пропорциональные изменениям температуры.

Термисторы

NTC обеспечивают более высокое сопротивление при более низких температурах. С повышением температуры сопротивление термистора уменьшается. Поскольку термисторы испытывают такое большое изменение сопротивления на ° C, малейшее изменение температуры быстро выражается как предсказуемое изменение сопротивления.

Чтобы найти подходящий термистор для применения, необходимо рассчитать зависимость сопротивления от температуры по формуле бета (β) термистора.В этом методе используется двухточечная калибровка для расчета сопротивления в зависимости от температурной кривой, а также калибровка сопротивления в обеих температурных точках.

Выход термистора NTC нелинейен из-за его экспоненциальной природы, но может быть линеаризован в зависимости от приложения.

Применение термистора NTC

Термисторные датчики температуры

NTC доступны в различных размерах и стилях, например, настраиваемые узлы датчиков, герметизированные стеклом, поверхностное крепление, а также дисковые и чиповые стили.Эти атрибуты позволяют адаптировать их для успешной работы во многих отраслях, таких как автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность, медицина и HVAC.

Хотя во многих приложениях, в которых используются термисторы NTC, основное внимание уделяется характеристикам сопротивления в зависимости от температуры, термисторы также удовлетворяют потребность в других электрических приложениях, таких как характеристики тока-времени и напряжения-тока.

Текущее-время может включать:

• Задержка по времени
• Подавление перенапряжения
• Последовательное переключение

Напряжение-ток может включать:

• Скорость жидкости
• Контроль уровня жидкости
• Регулировка напряжения
• Цепи контроля температуры

Если требуется более высокая точность, можно использовать термисторы NTC в сочетании с мостом Уитстона.Эта схема действует как компаратор, в котором можно точно отразить небольшие изменения температуры.

Термопары

Термопара состоит из двух проводов из разнородных проводящих металлов, электрически соединенных в двух точках. Вместе они образуют два электрических соединения; измерительный (горячий) спай и опорный (холодный) спай. Когда эти соединения выражают разные температуры, они производят миллиамперное постоянное напряжение или термоэлектрическое напряжение. Затем термоэлектрическое напряжение преобразуется в температуру в приборе для измерения температуры.

В этой статье упоминается тип «K». Эта термопара работает в широком диапазоне температур от -200 ° C до 1250 ° C. Кроме того, из-за используемых металлов это одна из наименее дорогих термопар; однако термопары имеют пониженную точность и подвержены дрейфу калибровки с течением времени.

Рисунок 1: Пример стандартной конфигурации термопары типа K

Применение термопар

Термопары

в основном используются в промышленных условиях, поскольку они лучше всего работают при экстремальных температурах.Сталелитейная и металлургическая промышленность используют термопары для измерения и контроля температуры в печах, обжиговых печах и котлах.

Срок службы термопары трудно предсказать. Один из методов прогнозирования их стабильности — установка термопары и оценка ее характеристик для определения предполагаемого срока службы.

Термопары

хорошо работают в широком диапазоне сред, но окисление может вызвать явление «зеленой гнили». Хромовый сплав в термопаре станет зеленым после воздействия восстановительного газа, такого как водород, во время контакта с металлической проволокой.Это окисление снижает напряжение и приводит к тому, что термопара дает более низкие показания.

ТЕРМИСТОР И ТЕРМОПАР: СРАВНЕНИЕ ГАЙКОВ И БОЛТОВ Для измерения температуры и контроля температуры ТЕРМИСТОР NTC ТЕРМОПАРА Стабильность с эпоксидным покрытием: 0,2 ° C / год Герметичный: 0,02 ° C / год > 1 ° C / год Влияние сопротивления провода на точность Очень низкий Нет Диапазон температур от -50 до 250 ° C (в зависимости от типа) от -200 до 1250 ° C, в зависимости от типа Линейность Нелинейный выход требует линеаризации Нелинейный — требуется преобразование Время отклика 0.12-10 с (в зависимости от размера и упаковки) 0,2 ​​- 10 с (в зависимости от размера и упаковки) Датчики температуры: термисторы и термопары Термисторы NTC являются отличным выбором для ваших решений по измерению температуры благодаря их общей производительности и экономической эффективности. Они предоставляют: Универсальность Быстрый ответ Взаимозаменяемость Повышенная чувствительность Стабильность и точность в диапазоне температур Чтобы узнать больше о терморезисторных датчиках температуры NTC и Ametherm, посетите наш сайт www.ametherm.com.

Термопары: датчики, узлы и замены

Термопары — это простые, но чрезвычайно полезные датчики температуры, широко используемые для измерения температуры в нескольких приложениях. Эти приборы для измерения температуры имеют две проволочные ножки, изготовленные из двух разных металлов. Эти две проволочные ножки свариваются вместе, образуя стык.Этот переход обнаруживает изменение температуры и, следовательно, создается напряжение. Прибор интерпретирует напряжение, создаваемое в соединении, а затем рассчитывает и измеряет температуру. В магазине Transmitter Shop мы предлагаем широкий ассортимент термопар и термопар в сборе для производства, обработки и научных исследований.

1. Добавить в корзину
2. Добавить в корзину
3. Добавить в корзину

Полезные характеристики термопар и сборок термопар, предоставляемых нами В магазине передатчиков вы получите прецизионные термопары и термопары в сборе с ожидаемой долговечностью, вибростойкостью, химической стойкостью и совместимостью с приложениями.Другими полезными особенностями, которые способствовали огромной популярности этих приборов для измерения температуры, являются:

• Термопары и сборки термопар обладают огромной устойчивостью к ударам и вибрации, что делает их лучшим решением для применения в самых суровых условиях.
• Эти приборы для измерения температуры разработаны таким образом, чтобы мгновенно реагировать на изменения температуры.
• Они искробезопасны в использовании, так как не нагреваются самостоятельно.
• Они предназначены для измерения широкого диапазона температур (даже при высоких температурах, когда большинство датчиков температуры не работают) путем измерения потока электронов между двумя разнородными проводниками в замкнутой цепи.

Применение термопар Эти прочные и универсальные термопары используются в нескольких областях. Они широко используются для точного измерения температуры в печах, газовых турбинах, выхлопных газах, дизельных двигателях и многих других.Следующие отрасли промышленности в значительной степени выигрывают от наших термопар и термопар в сборе.

• Производство электроэнергии
• Нефть и газ
• Фармацевтическая
• Цемент
• Бумага и целлюлоза
• Нефтепереработки и нефтехимия
• Химикаты и удобрения
• Аэрокосмическая промышленность
• Энергия
• Еда
• Медицинский

Хотели бы вы приобрести эти экономичные термопары? Изучите категории термопар и сборок термопар, отображаемые на странице, и сделайте правильный выбор.После определения области применения сделайте выбор, в котором будет использоваться термопара, и проанализируйте диапазоны температур, в которых будет работать термопара. Команда The Transmitter Shop также поможет вам сделать осознанную покупку!

.