Термопара схема: устройство и принцип работы простым языком, типы — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Содержание

базовые принципы и основы проектирования

10 ноября 2017

телекоммуникациисистемы безопасностиавтомобильная электроникасветотехникауправление питаниемуправление двигателеммедицинапотребительская электроникаответственные применениялабораторные приборыMaxim Integratedстатьясредства разработки и материалы

Гордон Ли

С начала XX века термопары (ТП) обеспечивали измерение критических температур, особенно – очень высоких. Для многих промышленных применений как ТП, так и РТД (резисторные температурные детекторы) стали «золотым стандартом» температурных измерений. Хотя РТД имеют лучшую точность и повторяемость, относительными преимуществами термопар являются:

больший диапазон измерений;
меньшее время отклика;
меньшая цена;
лучший показатель долговечности;
отсутствие необходимости во внешнем источнике возбуждения;
отсутствие эффекта саморазогрева.

Проведение высокоточных измерений с термопарами может, однако, стать непростой задачей.

Вы можете улучшить точность измерений путем схемного улучшения и калибровки, но перед разработкой схем или использованием термодатчиков необходимо понимание того как термопары работают.

Как работают термопары

Когда к отрезку металлического провода приложено напряжение, ток протекает от положительного полюса к отрицательному, и часть энергии расходуется на нагрев провода. Эффект, открытый в 1821 году Томасом Джоханом Сибеком, имеет и обратное действие. Когда температурный градиент приложен к металлическому проводу, создается электрический потенциал. Это – физическая основа термопары.

Рассмотрим несколько формул.

(1)

Где ∇V – градиент напряжения, ∇T – градиент температуры, а S(T) – коэффициент Сибека. Этот коэффициент зависит от материала, и также изменяется как функция температуры. Напряжение между двумя точками на проводе равняется интегралу функции коэффициента Сибека по температурному диапазону.

(2)

Например, Т₁, Т₂ и Т₃ на рисунке 1 представляют температуры в разных точках металлического провода. Т₁ (синий) представляет самую холодную точку, а Т₃ (красный) – самую горячую точку. Напряжение между точками Т₂ и Т₁ равно:

(3)

Подобным же образом напряжение между точками Т₃ и Т₁ равно:

(4)

Используя аддитивное свойство интеграла, V₃₁ также равняется:

(5)

Имейте в виду это обстоятельство, когда мы будем обсуждать преобразование «напряжение-температура» в термопаре.

Рис. 1. Напряжения, создаваемые на проводнике температурным градиентом и эффектом Сибека

Термопары состоят из двух различных материалов, обычно металлических проводов, с разным коэффициентом Сибека, S(T). Почему два материала существенны, когда температурная разница в одном из них производит разницу напряжений? Предположим, что металлический провод на рисунке 2 сделан из материала «А». Если вольтметр подключен через пробники из того же материала, он теоретически не покажет никакого напряжения.

Рис. 2. Отсутствие разницы потенциалов: пробники и провод сделаны из одного материала

Причина в том, что пробники, присоединенные к концам провода, работают как продолжение металлического провода. Концы этого длинного провода, которые подключены к входам вольтметра, имеют одинаковую температуру (Т_М). Если концы провода имеют одинаковую температуру – напряжение на проводе создаваться не будет. Чтобы доказать это математически, мы посчитаем напряжение, создаваемое на целом контуре провода, начиная с положительного терминала вольтметра к отрицательному.

(6)

Используя аддитивное свойство интеграла, предыдущее равенство будет выглядеть как:

(7)

Когда нижний и верхний пределы интеграла равны, результат интеграла V = 0.

Если материал пробников сделан из материала «В», как показано на рисунке 3, тогда:

(8)

Упрощая интеграл, мы получим:

(9)

Равенство 9 показывает, что измеренное напряжение равно интегралу разницы коэффициентов Сибека двух различных материалов. В этом причина того, что термопары делаются из двух различных металлов.

Рис. 3. Эффект Сибека на вольтметре с пробниками и проводом, сделанными из различных материалов

Из схемы на рисунке 3, подставив в равенстве 9 SA(T), SB(T) и известное измеренное напряжение, мы пока не можем вычислить температуру на горячем спае (T_H). Во времена появления термопар в качестве опорной температуры (как температура холодного спая) использовалась ванная со льдом, соответствующая 0°C – этот способ очень дешев, легко реализуем, и температура саморегулируется. Эквивалентная схема показана на рисунке 4.

Рис. 4. Для вычисления ТН термопары нуждаются в опорной температуре, показанной здесь как 0°C

Хотя мы знаем опорную температуру для схемы на рисунке 4, непрактично решать интегральное уравнение для Т_Н. Стандартные референсные таблицы доступны для всех основных видов термопар, так вы можете определить температуру для соответствующего напряжения на выходе. Но важно иметь в виду, что все стандартные референсные таблицы для термопар были составлены для опорной температуры 0°C.

Системы термопар и основы проектирования

Системы термопар

Современные термопары состоят из двух различных металлических проводников, соединенных на одном конце (Т_Н). Напряжение измеряется на свободных концах пары проводов. Согласно эквивалентной схеме, показанной на рисунке 5, V

C – то же, что и в равенстве 9, полученное ранее для схемы на рисунке 3.

(10)

Рис. 5. Современная конфигурация термопары использует компенсацию холодного спая

Компенсация холодного соединения

Температура холодного соединения, или холодного спая (Т_С), может быть установлена в 0°C с помощью ледяной ванны, но на практике вы не будете использовать ведро холодной воды для получения опорной температуры. Метод CJC (компенсации холодного соединения) позволит вам посчитать температуру горячего спая. Температура холодного спая даже не должна быть постоянной. Этот метод просто использует отдельный датчик температуры для измерения в точке Т_Н. Становится возможным определить Т_Н, если Т_С известна.

Если у нас есть датчик температуры для измерения температуры холодного спая, почему мы не используем его сразу для измерения температуры горячего? Дело в том, что диапазон изменения температуры холодного спая гораздо уже, чем диапазон изменения температуры горячего спая, поэтому датчик температуры, в отличие от термопары, не должен выдерживать такие экстремальные температуры.

Вычисление температуры горячего спая методом CJC

Как было замечено ранее, все стандартные референсные таблицы термопар были выпущены для температуры холодного спая 0°C. В таком случае, как мы должны использовать эти таблицы для вычисления температуры горячего спая? Представим, что открытые концы термопары были продолжены и эти воображаемые концы подключены к спаю с температурой 0°C (рисунок 6). Если мы можем посчитать значение V₀, то мы можем легко найти соответствующую температуру горячего спая, используя референсные таблицы.

Рис. 6. Определение неизвестной температуры горячего спая Т

Определим V₀:

(11)

Переставим слагаемые:

(12)

(13)

(14)

Первое слагаемое в формуле 13 точно такое же, как и в 10, которое получено из подключения, показанного на рисунке 5. Соответствующее напряжение выхода – V_C, а оно известно, поскольку напряжение холодного спая измеряется вольтметром. Второе слагаемое эквивалентно выходу напряжения термопары, если температура его горячего спая равняется Т_С, а температура холодного спая – 0°C.

Поскольку Т_С также измеряется отдельным датчиком температуры, мы можем использовать стандартные референсные таблицы для определения соответствующего напряжения Сибека (V_i) для второго слагаемого (13):

(15)

С этим значением V₀ соответствующая температура на Т_Н может быть определена с помощью стандартной референсной таблицы.

Процедура определения температуры горячего спая с компенсацией холодного имеет следующие шаги:

измерение температуры холодного спая (Т_С) датчиком температуры;
измерение напряжения холодного спая;
преобразование Т_С к напряжению V_i с использованием стандартных референсных таблиц;
вычисление V₀ = V_i + V_C;
преобразование V₀ к температуре Т_Н с использованием стандартных референсных таблиц.

Стандартные референсные таблицы, а также набор стандартных формул для всех типов термопар можно найти в базе данных термопар NIST ITS-90.

Основы проектирования системы

До этой главы дискуссия содержала только теорию работы термопар. Чтобы улучшить точность в реальной системе, вы должны соблюсти несколько условий. Каждое устройство в блок-схеме базовой сигнальной цепи термопар (рисунок 7) повлияет на точность преобразования и должно быть выбрано внимательно для минимизации ошибки.

Рис. 7. Основные компоненты измерительной системы на основе термопары

Рассмотрим рисунок 7 слева направо. Термопара соединяется с разъемом системной платы. Хотя термопара – это датчик, она и сама может быть источником ошибок. Длинная термопара легко «собирает» окружающий электромагнитный шум; экранирование провода может значительно снизить его.

Важно, чтобы следующий компонент, – усилитель, – имел высокое входное сопротивление, потому что входное сопротивление усилителя и сопротивление термопары образуют резистивный делитель. Чем выше входное сопротивление усилителя – тем меньшую ошибку он создаст (формула 16).

(16)

Далее, усилитель увеличивает значение выхода термопары, которое обычно находится в диапазоне единиц милливольт. В то время как высокий коэффициент усиления усилителя с замкнутой петлей ОС увеличивает и сигнал, и шум, добавление низкочастотного фильтра на входе АЦП обрежет большую часть шума. Фильтр НЧ эффективен, так как частота аналого-цифрового преобразования для этих приложений обычно очень низкая – на уровне нескольких выборок в секунду, поскольку температура не изменяется очень быстро.

В заключение отметим, что температурный датчик на плате необходимо располагать очень близко к разъему холодного соединения (в идеале – касаясь концов выводов термопары, хотя это невозможно во многих случаях), чтобы получить наилучшее качество измерений температуры холодного спая. Любая ошибка в измерениях холодного спая отразится на вычислении температуры горячего спая.

Пример схемы термопары и результаты испытаний

Каким бы ни был ваш проект –собственным или объединенным с типовой разработкой – вам необходимо проверить его точность. Вот описание, как мы проверяли точность в референсном проекте MAXREFDES67# (рисунок 8).

Рис. 8. Типовая плата MAXREFDES67# для термопар и РТД, измеряющая температуру в диапазоне -40…150°C

В качестве примера того, как снизить погрешность измерения, рассмотрим использование системы термопар в типовом проекте MAXREFDES67# производства Maxim Integrated. Для проверки точности этой или любой другой измерительной системы вам необходимо знать температуру и иметь поверенный измерительный прибор для сравнения. В данном примере использовались три референсных термометра: Omega Hh51 (сейчас заменен на Hh52), термометр ETI и температурный калибратор Fluke 724.

Термопарный пробник К-типа, соединенный с MAXREFDES67#, был помещен в калибровочную ванну Fluke 7341 и откалиброван при температуре 20°C. Синие точки – это данные от Omega Hh51, использующиеся в качестве опорных, а зеленые точки – данные, отражающие показания прибора ETI. Красные точки – данные инструмента Fluke 724 с максимальной погрешностью менее 0,1°C, хотя Fluke 724 не использовался как референсный измеритель. Он симулирует выход идеальной термопары К-типа и соединяется с входом MAXREFDES67# с помощью проводов для термопары. На рисунке 9 показаны результаты испытаний.

Рис. 9. Зависимость ошибки от температуры в MAXREFDES67#; результат показывает высокую полученную точность

Заключение

Использование термопар для промышленных измерений имеет много преимуществ, в числе которых – широкий температурный диапазон, достаточно быстрое время отклика, привлекательная цена цена и долговечность. Теория термопар достаточно сложна, но необходима для полного понимания того, как вы можете провести корректные измерения и точные преобразования напряжения в температуру.

Материалы

Термопары Просто, но непонятно;
Основы датчиков Типы, функции и применения;
Понимание заземления, экранирования, и защиты в высокоомных приложениях;
Заземление и экранирование нет размера, чтобы все разместить;
Проектирование с температурными датчиками, часть 4 термопары;
Уменьшение ошибок измерений в схемах РТД.

Оригинал статьи.

•••

Термопара ТХА-18, схема подключения, варианты исполнения

Предназначены для измерения температуры обжиговых печей при производстве огнеупоров и в других отраслях промышленности.

цена по запросу

Примечание: цены указаны на термопреобразователи базовой конструкции с минимальной длиной рабочей части и одним чувствительным элементом. Узнать точную цену на интересующую модель можно, отправив запрос через форму в конце страницы.

Условия поставки

Продаются только в комплекте к цифровым датчикам температуры ZET 7020 и ZET 7120

Средство измерения

Преобразователи термоэлектрические (термопары) ТХА-18 зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений под №21602-06.

термопар ТХА-18

Тип и вид исполнения	Материал		Степень защиты от пыли и влаги	Диапазон измеряемых температур °С	Показатель тепловой инерции, с	Условное давление, МПА
Тип и вид исполнения	Защитная арматура	Головка	Степень защиты от пыли и влаги	Диапазон измеряемых температур °С	Показатель тепловой инерции, с	Условное давление, МПА
ТХА-18-11	15Х25Т, Корунд КТВП или МКР	сплав алюминия	IP65	−40…1000	300	0,6
ТХА-18-21	12Х18Н10Т, Корунд КТВП или МКР	сплав алюминия	IP65	−40…800	300
ТХА-18-31	ХН78Т, Корунд КТВП или МКР	сплав алюминия	IP65	−40…1100	300

По устойчивости к воздействию температуры и влажности окружающей среды термопары соответствуют группе исполнения С2 по ГОСТ Р 52931: −40…+70 °С.

По устойчивости к механическим воздействиям термометры соответствуют группе N3 по ГОСТ Р 52931.

Климатическое исполнение — У3, ТВ.

Возможно изготовление ТП в климатическом исполнении УХЛ2 для работы при температурах от −60 до +70 °С.

Термопары, имеющие тропическое исполнение имеют в обозначении дополнительно ТВ.

Значения допусков по температуре термопар типа ТХА

Термопары выпускаются по классу допуска 1 или 2 согласно ГОСТ 6616-94

Тип термопары	Класс	Диапазон температур, °С	Предел допускаемого отклонения от НСХ, °С
ТХА	1	от −40 до 375	1,5
	1	свыше 375 до 1000	0,004·\|t\|
	2	от −40 до 333	2,5
	2	свыше 333 до 1200	0,0075•\|t\|

где |t| – абсолютное значение температуры, °С

Что такое компенсация холодного спая для датчика термопары?

Когда требуются точные измерения термопары, общепринятой практикой является соотнесение обоих ветвей с медным проводом в точке замерзания, чтобы медные провода можно было подключить к прибору для считывания ЭДС из-за холодного спая. Эта процедура позволяет избежать возникновения термоЭДС на клеммах считывающего прибора. Изменения температуры холодного спая влияют на выходной сигнал, и практические приборы должны быть снабжены средствами для устранения этого потенциального источника ошибки.

Рисунок 1

Генерируемая ЭДС зависит от разницы температур, поэтому для проведения измерений необходимо знать эталон. Это схематически показано на рис. 1, и его можно выполнить, поместив эталонный спай в баню с ледяной водой при постоянной температуре 0°C (32°F). Поскольку ледяные ванны часто неудобны в обслуживании и не всегда практичны, часто используются несколько альтернативных методов.

Основной принцип компенсации холодного спая заключается в том, что для расчета температуры горячего спая необходимо знать температуру холодного спая. Это связано с тем, что напряжение, генерируемое в цепи термопары, пропорционально разности выводов между горячим и холодным спаем.

Основное уравнение для этого:

E _ЭДС = −S∆T = S(T _{ГОРЯЧАЯ} − T _{ХОЛОДНАЯ} ), где:

E _ЭДС — напряжение на выходе термопары
S — это температурно-зависимое свойство материала, известное как коэффициент Зеебека (для термопары типа K это примерно 4,1 мкВ/°C между 0°C и 1000°C)
T _COLD температура холодного спая
T _{ГОРЯЧАЯ} — температура горячего спая (это то, что вы хотите знать!)

Преобразование этого уравнения для T _HOT дает:

Метод электрического моста

В этом методе обычно используется самокомпенсирующийся холодный спай. электрическая мостовая схема, как показано на рис. 2. Эта система включает в себя термочувствительный элемент сопротивления (RT), который находится в одном ветвь мостовой сети и термически интегрированная с холодом перекресток (Т2). Мост обычно питается от ртути. батарея или стабильный постоянный ток источник питания. Выходное напряжение пропорционально к дисбалансу, созданному между предварительно установленным эквивалентным заданием температура в точке (T2) и горячем спае (T1). В этой системе может быть выбрана эталонная температура 0° или 32°F.

Как температура окружающей среды вокруг холодного спая (T2) меняется, появляется термически сгенерированное напряжение и выдает ошибку в выход. Однако автоматическое равное и противоположное напряжение вводится последовательно с тепловой ошибкой. Это отменяет погрешность и поддерживает эквивалентную температуру холодного спая в широком диапазоне температур окружающей среды с высокой степенью точности. Интегрируя медные выводы с холодным спаем, термопара сам материал не подключен к выходному терминалу измерительное устройство, тем самым исключая вторичные ошибки.

Метод термоэлектрического охлаждения

Omega¨ TRC Thermoelectric Эталонная камера ice pointTM опирается на фактическое равновесие льда и дистиллированной, деионизированной воды и атмосферного давления для поддержания нескольких эталонных лунок точно при 0°C. Колодцы вытянуты в герметичную цилиндрическую камеру, содержащую чистую дистиллированная, деионизированная вода.

Наружные стенки камеры охлаждаемые термоэлектрическими охлаждающими элементами, вызывающими замерзание воды в ячейке для работы в качестве эталона холодного спая. Увеличение объема при замораживании льда оболочка на клеточной стенке ощущается расширением меха который приводит в действие микропереключатель, обесточивающий охлаждающий элемент. Попеременное замораживание и оттаивание ледяной оболочки точно поддерживает температуру окружающей среды 0°C вокруг эталонных лунок. Приложение схема показана на рис. №3.

Полностью автоматическая работа устраняет необходимость частого внимания требуются обычные ледяные ванны. Показания термопары могут быть сняты непосредственно из справочных таблиц ледовых точек без внесения поправок на справку температура соединения.

Использование эталонной камеры

Портативная эталонная калибровочная камера Ice Point™
Новая эталонная камера ice point™ TRCIII-A — последнее дополнение к линейке калибровочных эталонных приборов OMEGA. Эталонная камера TRCIII-A ice point™ основана на равновесии льда и дистиллированной деионизированной воды при атмосферном давлении, что позволяет поддерживать в шести эталонных скважинах температуру точно 0°C.

Любая комбинация термопар может быть используется с этим прибором, просто вставив эталонные спаи в эталонных скважинах. Калибровка другого типа температуры также могут быть выполнены датчики при 0°C. Ссылки на обогреваемые печи: Тип двойной печи использует две печи с регулируемой температурой. для имитации эталонных температур точки льда, как показано на рис. 4. Две печи используются при разных температурах, чтобы получить эквивалент низкой эталонной температуры, отличной от температуры той или иной печи.

Например, выводы термопары типа К зонд соединены с печью на 150° для производства Chromega¨-Alomega¨ и переход Alomega-Chromega при 150 ° F (2,66 мВ каждый).

напряжение между выходными проводами первой печи будет в два раза больше 2,66 мВ или 5,32 мВ. Чтобы компенсировать этот уровень напряжения, выходные выводы (Хромега и Аломега) подключаются к медным выводам во второй печи, поддерживаемой при 265,5°F. Это точное температура, при которой производятся Chromega-Copper и Alomega-Copper компенсирующее напряжение перепада 5,32 мВ.

Таким образом, это напряжение компенсирует дифференциал 5,32 мВ от первой печи, покидающей 0 мВ на медных выходных клеммах. Это эквивалент напряжения 32°F (0°C).

Термопары, промышленные сборки термопар

Принципы и особенности термопар

Современные конструкции термопар являются результатом многолетних исследований и практического опыта. Вместе с качественными приборами они дают ответ на тысячи проблем измерения и контроля температуры.

Эффект Зеебека

По сути, термопара представляет собой замкнутую цепь, образованную двумя разнородными металлическими проводниками для создания электродвижущей силы (ЭДС) или напряжения. Напряжение вызывает протекание тока, когда тепло подается на один из переходов. Ток будет продолжать течь до тех пор, пока два перехода находятся при разных температурах. Это называется эффектом Зеебека в честь Т. Дж. Зеебека, открывшего этот принцип.

Направление тока на охладителе двух переходов (T1) определяет полярность. Например, на рисунке 2, когда ток течет от а к В, а считается положительным.

Эффект Петтье

Пельтье обнаружил, что при протекании тока через соединение двух разнородных металлов соединение либо выделяет тепло, либо поглощает его, в зависимости от направления тока. Если ток течет в том же направлении, что и ток, создаваемый термопарой на измерительном спае, тепло будет поглощаться и выделяться на противоположном (холодном) спае. Количество поглощаемого и выделяемого тепла пропорционально количеству электричества, протекающего через соединение.

Законы термоэлектричества

A. Цепь из одного однородного провода не может поддерживать ток только за счет подвода тепла.

B. В цепи из двух разнородных однородных проводов, если в одном спае поддерживать одну температуру, а в другом — другую, результирующая термо-ЭДС не будет зависеть от градиента температуры вдоль проводов.

C. Третий металл может быть введен в цепь из двух разнородных однородных проводов, при этом их измерительный спай и холодный спай поддерживаются при разных температурах, не влияя на общую ЭДС (напряжение) в цепи. Этот закон, часто называемый законом промежуточных металлов, работает следующим образом: в цепь из двух разнородных однородных проводов А и В с измерительным спаем и холодным спаем, поддерживаемых при разных температурах, вводится третий металл С, разрезая провод а и вставить провод C, создав два дополнительных соединения от a до C. Если C имеет однородную температуру по всей длине, общая ЭДС в цепи не изменится. Этот закон может быть применен в различных формах к головке термопары, где провода термопары соединены с удлинительными проводами через медный или латунный блок.

Общая схема термопары

Ниже приведены примеры наиболее распространенных схем термопары.

1. Стандартная одиночная термопара, состоящая из двух разнородных проводов и одного измерительного спая:

2. Усредняющая термопара, состоящая из двух или более термопар, соединенных параллельно с общим холодным спаем. Генерируемая ЭДС будет соответствовать средней температуре отдельных переходов при условии, что сопротивления всех элементов равны.

3. Термобатарея состоит из двух или более соединенных термопар. Результирующая ЭДС будет суммой всех отдельных переходов.

4. Дельта-термопара, также известная как дифференциальная термопара, состоит из двух одинаковых проводов «А», соединенных с одним разнородным проводом «В», при этом два измерительных соединения обычно имеют разные температуры.