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

Термопара и принципы ее применения

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

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

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

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

Принцип действия

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

Принципиальная схема включения двух термопар

Способы подключения

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

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

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

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

Применение термопар

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

Преимущество термопар

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

Недостатки

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

Типы термопар

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

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

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

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

Вернуться в раздел «Статьи»

Термопара принцип работы

Термопара – это устройство для измерения температур во всех отраслях науки и техники.  

• Устройство термопары
• Схема подключения термопары
• Стандарты на цвета проводников термопар
• Точность измерения
• Быстродействие измерения
• Устройство и принцип действия
• Особенности устройства промышленной термопары
• Недостатки термопары
• Принцип работы термопары
• Погрешность измерений
• Устройство и принцип действия термопары
• Схема подключения термопары

Устройство термопары

Принцип работы термопары. Эффект Зеебека

Работа термопары обусловлена возникновением термоэлектрического эффекта, открытым немецким физиком Томасом Зеебеком (Tomas Seebeck) в 1821 г. Явление основано на возникновении электричества в замкнутом электрическом контуре при воздействии определенной температуры окружающей среды.

Электрический ток возникает при наличии разницы температур между двумя проводниками (термоэлектродами) различного состава (разнородных металлов или сплавов) и поддерживается сохранением места их контактов (спаев). Устройство выводит на экран подсоединенного вторичного прибора значение измеряемой температуры.

Выдаваемое напряжение и температура находятся в линейной зависимости. Это означает, что увеличение измеряемой температуры приводит к большему значению милливольт на свободных концах термопары.

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

Компенсация температуры холодного спая (КХС)

Компенсация холодного спая (КХС) – это компенсация, вносимая в виде поправки в итоговые показания при измерении температуры в точке подсоединения свободных концов термопары. Это связано с расхождениями между реальной температурой холодных концов с вычисленными показаниями градуировочной таблицы для температуры холодного спая при 0°С.

КХС является дифференциальным способом, при котором показания абсолютной температуры находятся из известного значения температуры холодного спая (другое название эталонный спай).

Конструкция термопары

При конструировании термопары учитывают влияние таких факторов, как «агрессивность» внешний среды, агрегатное состояние вещества, диапазон измеряемых температур и другие.

Особенности конструкции термопар:

1) Спаи проводников соединяются между собой скруткой или скруткой с дальнейшей электродуговой сваркой (редко пайкой).

2) Термоэлектроды должны быть электрически изолированы по всей длине, кроме точки соприкосновения.

3) Способ изоляции подбирается с учетом верхнего температурного предела.

• До 100-120°С – любая изоляция;
• До 1300°С – фарфоровые трубки или бусы;
• До 1950°С – трубки из Al2O3;
• Свыше 2000°С – трубки из MgO, BeO, ThO2, ZrO2.

4) Защитный чехол.

Материал должен быть термически и химически стойким, с хорошей теплопроводностью (металл, керамика). Использование чехла предотвращает коррозию в определенных средах.

Удлиняющие (компенсационные) провода

Данный вид проводов необходим для удлинения концов термопары до вторичного прибора или барьера.

Провода не используются в случае наличия у термопары встроенного преобразователя с унифицированным выходным сигналом.

Материал проводов может совпадать с материалом термоэлектродов, но чаще всего заменяется на более дешевый с учетом условий, предотвращающих образования паразитных (наведенных) термо-ЭДС. Применение удлиняющих проводов также позволяет оптимизировать производство.

Схема подключения термопары

• Подключение потенциометра или гальванометра непосредственно к проводникам.
• Подключение с помощью компенсационных проводов;
• Подключение обычными медными проводами к термопаре, имеющей унифицированный выход.

Стандарты на цвета проводников термопар

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

Точность измерения

Точность зависит от вида термопары, диапазона измеряемых температур, чистоты материала, электрических шумов, коррозии, свойств спая и процесса изготовления.

Термопарам присуждается класс допуска (стандартный или специальный), устанавливающий доверительный интервал измерений.

Быстродействие измерения

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

Факторы, увеличивающие быстродействие:

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

Устройство и принцип действия

Термопара конструктивно состоит из двух проволок, каждая из которых изготовлена из разных сплавов. Концы этих проводников образуют контакт (горячий спай) выполненный путём скручивания, с помощью узкого сварочного шва либо сваркой встык. Свободные концы термопары замыкаются с помощью компенсационных проводов на контакты измерительного прибора или соединяются с автоматическим устройством управления. В точках соединения образуется другой, так называемый, холодный спай. Схематически устройство изображено на рисунке 1.

Особенности устройства промышленной термопары

Термодатчики изготавливаются по большей части из неблагородных металлов. От воздействия внешней среды их закрывают трубой с фланцем, служащим для крепления прибора. Защитная арматура предохраняет проводники от влияния агрессивной среды и делается без шва. Материалом служит обычная (до 600ºС) или нержавеющая (до 1100ºС) сталь. Термоэлектроды изолируют друг от друга асбестом, фарфоровыми трубками или керамическими бусами.

Если терминал расположен близко, то провода термопары подключаются к нему напрямую, без дополнительных разъемов. При расположении измерительного прибора на удалении, при включении его в цепь свободные концы термопары размещаются в литой головке, прикрепленной к защитной трубе. Внутри располагаются латунные клеммники на фарфоровом основании для подключения компенсационных проводов, изготовленных из таких же материалов, что и термоэлектроды, но не обладающих точными и строго контролируемыми характеристиками. Они имеют меньшую стоимость и большую толщину. Их вводят в головку через штуцер с асбестовой прокладкой. Керамика служит для выравнивания температуры во всех местах соединения. Сверху располагается резьбовая защитная крышка с герметичным уплотнением.

На провода нельзя устанавливать обжимные оконцеватели, поскольку они могут ухудшить точность показаний. Из проволоки делают кольцо и зажимают его под винт.

Корректировка изменения температуры на клеммах может производиться электронным прибором, что повышает точность измерений.

Недостатки термопары

Недостатков у термопары не так много, в особенности если сравнивать с ближайшими конкурентами (температурными датчиками других типов), но все же они есть, и было бы несправедливо о них умолчать.

Так, разность потенциала измеряется в милливольтах. Поэтому необходимо применять весьма чувствительные потенциометры. А если учесть, что не всегда приборы учета можно разместить в непосредственной близости от места сбора экспериментальных данных, то приходится применять некие усилители. Это доставляет ряд неудобств и приводит к лишним затратам при организации и подготовке производства.

Принцип работы термопары

Термопара представляет собой два провода, изготовленных из различных металлов. Эти два провода скреплены или сварены вместе и образуют спай. Когда на этот спай оказывают воздействие изменения температуры, то термопара реагирует на них генерируя напряжение, пропорциональное по величине изменениям температуры.

Если термопара подсоединена к электрической цепи, то величина генерируемого напряжения будет отображаться на шкале измерительного прибора. Затем показания прибора могут быть преобразованы в температурные показания с помощью таблицы. На некоторых приборах шкала откалибрована непосредственно в градусах.

Термопара в электрической цепи

Погрешность измерений

Правильность температурных показателей, получаемых с помощью термопары, зависит от материала контактной группы, а также внешних факторов. К последним можно отнести давление, радиационный фон либо иные причины, способные повлиять на физико-химические показатели металлов, из которых изготовлены контакты.

состоит из следующих составных частей:

• случайная погрешность, вызванная особенностями изготовления термопары;

• погрешность, вызванная нарушением температурного режима «холодного» контакта;

• погрешность, причиной которой послужили внешние помехи;

• погрешность контрольной аппаратуры.

Устройство и принцип действия термопары

Действительно, постоянно находиться в зоне открытого пламени может далеко не каждый материал. Термоэлемент же изготовлен из металла, точнее, из нескольких металлов, поэтому высокой температуры не боится. При работе газовой котельной установки без него никак не обойтись, выход из строя термопары означает полную остановку агрегата и немедленный ремонт. Все дело в том, что термоэлемент работает совместно с электромагнитным отсекающим клапаном, перекрывающим вход в топливный тракт. Стоит только этой детали выйти из строя, как клапан закроется, подача топлива прекратится и горелочное устройство потухнет.

Чтобы лучше понять принцип работы термопары газового котла, стоит рассмотреть схему, представленную на рисунке.

Схема термопары

В основе этого принципа лежит следующее физическое явление: если надежно соединить между собой 2 разнородных металла, а потом место соединения нагревать, то на холодных концах этого спая появится разница потенциалов, то есть, напряжение. А при подключении к ним измерительного прибора цепь замкнется и возникнет постоянный электрический ток. Напряжение будет совсем небольшим, но этого вполне достаточно, чтобы в чувствительной катушке электромагнитного клапана возникла индукция и он открылся, позволяя топливу пройти к запальнику.

Для справки. Некоторые современные электромагнитные клапаны настолько чувствительны, что остаются открытыми, пока напряжение на входе не станет ниже 20 мВ. Термоэлемент в обычном рабочем режиме вырабатывает напряжение порядка 40—50 мВ.

Соответственно, устройство термопары газового котла основано на описанном явлении, носящем название эффекта Зеебека. Две детали из различных металлов прочно соединяются между собой в одной или нескольких точках, при этом качество соединения играет большую роль. Оно влияет на рабочие параметры элемента и долговечность его эксплуатации. Место соединения и будет той самой рабочей частью, помещаемой в зону открытого огня.

Поскольку для изготовления термоэлементов применяется множество различных пар металлов, не вдаваясь в подробности, отметим, что в термопаре для газового котла используется пара хромель – алюминий. К холодным концам этих металлов приварены проводники, заключенные в защитную оболочку. Второй конец проводников вставляется в соответствующее гнездо автоматики агрегата и закрепляется с помощью зажимной гайки.

В процессе розжига запальника и горелки газового котла для подачи топлива мы открываем электромагнитный клапан вручную, нажимая на его шток. Газ попадает на запальник и поджигается, а термопара находится рядом и нагревается от его пламени. Спустя 10—30 сек кнопку можно отпускать, так как термоэлемент уже начал вырабатывать напряжение, удерживающее шток клапана в открытом состоянии.

Схема подключения термопары

Наиболее распространенными способами подключения измерительных приборов к термопарам являются так называемый простой способ, а также дифференцированный. Суть первого метода заключается в следующем: прибор (потенциометр или гальванометр) напрямую соединяется с двумя проводниками. При дифференцированном методе спаивается не одни, а оба конца проводников, при этом один из электродов «разрывается» измерительным прибором.

Нельзя не упомянуть и о так называемом дистанционном способе подключения термопары. Принцип работы остается неизменным. Разница лишь в том, что в цепь добавляются удлинительные провода. Для этих целей не подойдет обычный медный шнур, так как компенсационные провода в обязательном порядке должны выполняться из тех же материалов, что и проводники термопары.

 

Как работает датчик пламени в газовом котле

Датчик ионизации пламени – прибор, который призван обеспечить безопасную работу газового котельного оборудования. Устройство следит за наличием огня, и при обнаружении отсутствия пламени автоматически отключает котел. Принцип работы датчика пламени газового котла предусматривает следующее:

• функционал основан на образовании ионов и электронов при зажигании пламени. Образование ионного тока вызывает процесс притягивания ионов к электроду ионизации. Устройство подключается к датчику контроля горения;
• если при проверке датчиком контроля горения обнаруживается образование достаточного уровня ионов, это означает, что котел работает в штатном режиме. В случае снижения уровня ионов датчик блокирует работу котельного оборудования.

К ключевым причинам срабатывания датчика ионизации относят загрязнение клапана и некорректное соотношение уровня «газ-воздух». Также это происходит при оседании большого количества пыли на устройстве розжига.

Основные типы термопар для газового котла

При изготовлении термоэлектрических преобразователей применяют сплавы благородных и неблагородных металлов. Для конкретных диапазонов рабочих температур используют определенные группы сплавов.

В зависимости от металлических пар, применяемых при изготовлении, приборы делятся на несколько типов.

Для работы котельного оборудования на газовом топливе чаще всего используют следующие типы устройств:

• термопара типа E. Заводская маркировка ТХКн, представляет собой пластины из хромеля и константана. Прибор предназначен для температурного диапазона от 0°C и до +600°C;
• тип J. Предусматривает композицию из железа и константана, маркировка ТЖК. Используется для рабочих температур в пределах от -100°C и до +1200°C;
• тип Kс маркировкой ТХА, изготавливается на основе пластин из хромеля и алюмеля. Температурный диапазон применения термопары типа Kзначительный – от -200°C и до +1350°C;
• тип Lс маркировкой ТХК. Элементы конструкции представляют собой хромель и копель. Устройство предназначено для температур от -200°C и до +850°C.

Термопара для газового котла типа J

Следующие образцы продукции находят применение в сфере тяжелой промышленности:

• тип Sс маркировкой ТПП10 представляет собой композицию платинородий-платина. Применяется в установках при температурном режиме до +1700°C;
• тип Bс маркировкой ТПР состоит из композиции пластин платинородий-платинородий. Продукт предназначен для температурного диапазона от -100°C и до +1800°C.

Также изготавливаются и другие варианты аналогичных приборов из сплавов благородных металлов, которые актуальны в тяжелой промышленности и литейном производстве.

Термопара в системе газового контроля

При эксплуатации газового оборудования требуется энергонезависимая автоматика, что способствует оперативному перекрытию подачи газа в случае, если внезапно погаснет пламя. В современных отопительных котлах с газовой горелкой предусмотрена система газ-контроль, которая включает в себя электромагнитный клапан и термопару. К составным элементам электроклапана относятся:

• сердечник с обмоткой;
• колпачок;
• возвратная пружина;
• якорь;
• резинка, перекрывающая подачу газа.

При нажатии на кнопку подачи газа, шток заглубляется внутрь катушки и заряжается пружина. По регламенту клапан подачи следует удерживать около 30 секунд, чтобы термопара прогрелась, и на концах образовалось напряжение для удержания клапана внутри катушки. Термопара начинает остывать, если гаснет горелка. Что дальше происходит:

• это сопровождается уменьшением напряжения на концах термопары;
• возвратная сила пружины превышает электромагнитную силу, которая удерживает шток внутри катушки;
• клапан возвращается в исходное положение и перекрывается подача газа.

В этом заключается работа термопары в газовом котле. Система газ-контроль на термопаре отличается высокой надежностью, в том числе и благодаря тому, что она способна функционировать без подключения к энергосети.

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Как работают термопары и основной принцип работы

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

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

Основной принцип работы термопары

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

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

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

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

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

 

Различные типы термопар

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

E-Type

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

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

J-тип

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

K-тип

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

N-тип

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

T-Type

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

Типы S, R и B

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

 

Как измерить температуру с помощью термопары?

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

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

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

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

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

 

Заключение

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

Описание термопары | Принципы работы

В этой статье мы познакомим вас с одним из наиболее часто используемых датчиков температуры — термопарой.

Мы обсудим основы их работы, что необходимо учитывать при выборе термопары, а затем проблемы, связанные с внедрением термопар в промышленное применение.

Если вы решаете, какие инструменты будут размещены на машине или в процессе, чем больше у вас информации, тем лучше.

Сказав все это, давайте начнем с термопар…

Термопары – основы

Термопара – чрезвычайно простое устройство, используемое для измерения температуры.

Термопары, как правило, недороги, долговечны и могут быть изготовлены в различных формах и размерах.

Горячий спай термопары

Термопара состоит из двух разнородных металлических проводов. Непохожий — это просто причудливый способ сказать Различное , но по какой-то неизвестной причине это слово чаще всего используется при обсуждении термопар.

В любом случае металлические провода соединяются вместе только в одном месте, обычно на конце термопары.

Многие производители называют этот переход разными именами. Горячий спай, измерительный спай, точка измерения или сенсорный спай. Все эти термины относятся к одному и тому же… месту соединения разнородных металлов, которое будет измерять температуру.

Выходное соединение термопары

Провода на противоположном конце от измерительного соединения остаются доступными для подключения к какому-либо измерительному прибору, такому как датчик температуры, простой электронный дисплей или даже непосредственно к ПЛК. плата входа термопары.

Холодный спай термопары

Клеммы проводки на измерительном приборе чаще всего называются холодным спаем .

В то время как горячий спай относится к наконечнику термопары, который будет подвергаться воздействию интересующего источника тепла, холодный спай относится к соединениям проводов термопары, которые происходят непосредственно на измерительном приборе, который обычно не подвергается воздействию одинаковая тепловая энергия.

Термоэлектрический эффект

Все термопары работают одинаково. Они генерируют небольшое напряжение при воздействии тепла.

Если вас интересует подробная физика того, как это работает, вы можете исследовать такие темы, как Термоэлектрический эффект , или Эффект Зеебека , но, говоря проще, когда вы нагреваете кусок металла, электроны в металле хотят больше двигаться и будут стремиться двигаться сквозь металл от жара.

Поскольку электроны заряжены отрицательно, более холодный конец куска металла будет иметь отрицательный заряд по сравнению с более горячим концом.

Работа термопары

Работа термопары основана на движении электронов в металлических проводах из-за разницы температур между горячим и холодным спаями.

Если бы два провода термопары были сделаны из одного и того же типа металла, электроны в обоих проводах удалялись бы от тепла примерно с одинаковой скоростью, поэтому вы не могли бы реально измерить разницу в заряде двух проводов. провода.

Но если вы помните, термопары состоят из двух разных типов металлических проводов… и эти провода соединяются вместе только в горячем спае… чувствительном конце термопары.

Различные металлы в этих проводах или, точнее, электроны в этих разных металлических проводах по-разному реагируют на тепло.

Провода термопары

При воздействии тепла электроны одного из проводов будут двигаться с определенной скоростью. Электроны из другого провода захотят двигаться с другой скоростью.

– Провод с электронами, которые больше двигаются, оказывается более отрицательно заряженным в холодном спае… и поэтому будет называться отрицательным проводом .

— Провод с более медленными электронами не накапливает столько заряда, поэтому он называется 9.0003 плюсовой провод .

Эту разницу заряда между положительным и отрицательным проводами можно измерить и использовать для расчета тепла в горячем спае.

Это основной принцип работы термопары, поэтому давайте более подробно рассмотрим конкретную термопару, чтобы убедиться, что она у нас есть.

Термопара типа K

Рассмотрим внимательно термопару типа K. Термопара типа K, вероятно, является наиболее часто используемой термопарой в промышленных приложениях, потому что она предсказуемо реагирует в очень широком диапазоне температур (скажем, от -330 ° F до примерно +2460 ° F).

Точные диапазоны температур будут немного меняться в зависимости от того, как производитель строит корпус зонда и какие изоляционные материалы используются, но с таким широким диапазоном вы можете понять, почему он подходит практически для любого применения…

Термопары типа K изготовлены из металлических сплавов Хромель и Алюмель .

Когда мы нагреем проволоку, вы заметите, что электроны в хромелевой проволоке движутся не так сильно, как электроны в алюмелевой проволоке.

За очень короткий период времени вы можете увидеть, что алюмелевая проволока имеет больше электронов, собирающихся на холодном спае… более холодный конец… что означает, что алюмелевая проволока будет иметь отрицательный заряд по сравнению с хромелевой проволокой.

Эту разницу заряда, также называемую напряжением, можно измерить.

Напряжение термопары

Чем больше тепла вы подаете на металлические провода, тем больше электронов хотят двигаться, и тем больше они удаляются от тепла.

При использовании двух разных типов металлической проволоки разница в напряжении будет увеличиваться и уменьшаться при изменении температуры в точке измерения.

Напряжения термопары очень малы. Фактическое изменение напряжения на градус Цельсия ничтожно мало. Например, для типа K изменение составляет около 41 мкВ/°C. Кроме того, интересно, что все напряжения T/C равны 0 мВ при 0 °C.

Поскольку производители термопар тщательно выбирают металлические сплавы при изготовлении термопар, любой может преобразовать эти напряжения в температуры с помощью стандартных расчетов.

На самом деле, большинство производителей предоставляют графики зависимости напряжения от температуры, чтобы вы могли получить представление о разнице температур между горячим и холодным спаями.

Как выбрать термопару

Существует множество различных типов термопар. У большинства производителей есть руководства по выбору, которые помогут вам решить, что купить.

Кроме того, у большинства известных производителей есть специалисты по технической поддержке, которые ответят на ряд вопросов, чтобы помочь выбрать правильный тип термопары для вашего приложения.

I) Диапазон и точность

Вам необходимо учитывать такие вещи, как диапазон температур, которые вы пытаетесь измерить, и точность, которую вы хотели бы иметь.

Это поможет сократить количество двух разных металлических проводов, которые вам нужно использовать. Тип термопары зависит от типа металлов, используемых в сенсорных проводах.

1) Термопара типа K

Как мы упоминали ранее, термопара типа K изготовлена ​​из Проволока из сплава хромель и алюмель . Его можно использовать для измерения температуры от -330 °F до более +2460 °F. Этот температурный диапазон может охватывать широкий спектр применений.

Необходимо иметь в виду, что точность термопары типа K может составлять всего около плюс-минус 5 °F во всем диапазоне. Иногда это нормально, но иногда требуется большая точность.

2) Термопара типа T

Если вы ищете криогенное приложение, требующее большей точности, но вам не нужно беспокоиться о высоких температурах, вы можете рассмотреть термопару типа T.

Термопара типа T изготовлена ​​из медной проволоки и медно-никелевой проволоки. Термопары типа T обычно имеют точность в пределах одного или двух градусов… так что их точность примерно в два раза выше, чем у термопар типа K.

Термопары типа T обычно могут измерять даже ниже -330 °F, но верхняя граница диапазона обычно составляет чуть более 600 °F. Они более точны, но имеют более ограниченный диапазон измерений.

Это обычные компромиссы для термопар. Металлические пары, которые могут сделать больше, часто менее точны… что-то вроде 9.0003 мастер на все руки, но мастер ни в чем  сценарий. Если вы хотите большей точности, вам либо нужны более дорогие металлы, либо вам нужно сузить диапазон температур.

II) Типы термопар

Витая проволока

В дополнение к различным ТИПАм термопар существуют различные СТИЛИ термопар.

Во многих приложениях для измерения температуры можно обойтись простым использованием провода термопары со скрученными концами.

В этом случае необходимо позаботиться о защите провода от вибрации или физического повреждения, но возможность использовать только пару гибких проводов может решить множество механических проблем с получением положения точки измерения в нужной области. мера.

Защитная оболочка

В тех случаях, когда требуется дополнительная защита, провода помещаются в зонд, который представляет собой своего рода защитную оболочку и изоляционный материал для защиты проводов.

Датчики термопары бывают незаземленными , заземленными и открытыми Тип соединения. Тип зонда термопары, который вы выберете, также будет зависеть от вашего приложения.

1) Термопары с открытым спаем – это когда сенсорные провода соединены вместе за пределами конца оболочки зонда.

Термопары с открытым спаем имеют самое быстрое время отклика на изменения температуры, но поскольку чувствительный спай открыт, он более уязвим к поломке. Эти зонды обычно используются для измерения газов.

Для агрессивных сред и жидкостей лучше всего подходят заземленные или незаземленные термопары.

2) A Заземление зонда происходит, когда сенсорный спай находится в прямом контакте с концом оболочки.

Это ускоряет передачу тепла на конце оболочки, что улучшает время отклика термопары, но также делает измерительные провода более уязвимыми для электрических помех, таких как контуры заземления. Это может снизить точность заземленного пробника.

3) Незаземленный щуп — это когда измерительный спай соединяется непосредственно внутри конца щупа. Это означает, что между чувствительным соединением и самым кончиком зонда имеется небольшой слой изолирующего материала.

Изолирует провод датчика от электрических помех, но теплопередача замедляется из-за изоляционного материала. Таким образом, незаземленный датчик имеет тенденцию быть более точным, но медленнее реагировать.

Проблемы с термопарами

Как уже говорилось, точность термопары очень чувствительна к типу металла, используемого в проводке. К сожалению, это затрудняет установку в промышленных условиях.

A) Компенсация холодного спая

Одна проблема, с которой вам нужно разобраться, называется Компенсация холодного спая .

Ранее в этой статье мы заявили, что сигнал термопары основан на разнице температур между горячим и холодным спаями. Но нам нужно сделать небольшую коррекцию сигнала, чтобы преобразовать эту температуру разница в абсолютную  температуру.

Например, если температура в реакторе составляет 700 °F, а температура наружного воздуха в месте расположения холодного спая измерительного прибора составляет 70 °F, милливольт термопары покажет только температуру 664 °F.

Хуже того, поскольку температура окружающей среды повышается и понижается в течение дня и ночи, измеренное значение может меняться, даже если температура реактора остается постоянной.

К счастью, большинство измерительных приборов могут выполнять компенсацию холодного спая… либо со стандартным встроенным оборудованием, либо с дополнительным компенсация холодного спая надстройка.

Компоненты компенсации холодного спая измеряют температуру металла на соединениях проводки холодного спая, а затем вносят поправку в расчет сигнала.

Таким образом, реактор теперь будет показывать истинные 700 °F, и показания не изменятся… ни днем, ни ночью… до тех пор, пока не изменится температура реактора. Таким образом, по большей части с компенсацией холодного спая довольно легко справиться.

B) Дистанционный мониторинг температуры

Более серьезной проблемой для термопар является необходимость измерения температуры в удаленном месте.

1) Удлинительный провод и клеммная колодка

Если вам необходимо удлинить проводку термопары, вы должны использовать так называемый удлинительный провод термопары , чтобы уменьшить количество ошибок.

Попытка соединить стандартную медную сигнальную проводку или даже использовать стандартные клеммные колодки для расширения сигнала термопары может привести к созданию дополнительных холодных спаев  в цепи и внесению дополнительных ошибок сигнала .

Удлинительные провода для термопар продаются по типу… как и термопары.

Удлинительный провод термопары изготовлен из того же типа металла, что и термопара, поэтому, когда вам нужно удлинить цепь, необходимо использовать удлинительный провод термопары того же типа, что и термопара.

Аналогичным образом, если для подключения проводки необходимо использовать клеммные колодки, клеммные колодки должны быть изготовлены из тех же металлов, что и отдельные провода.

Если у вас термопара типа K, вам необходимо использовать удлинительный провод типа K и специальные клеммные колодки из хромеля и алюмеля.

Попытка удлинить термопару с помощью стандартной медной проволоки приведет к ошибкам в измерениях, поскольку движение электронов будет нарушено различными металлами.

2) Преобразователь температуры

Не рекомендуется прокладывать удлинительный провод термопары на большие расстояния из-за чувствительности сигнала к электрическим помехам.

Если вы пытаетесь пройти более 50–100 футов, вам необходимо рассмотреть возможность использования преобразователя температуры, который преобразует милливольтовый сигнал в сигнал другого типа, например, 4–20 мА.

3) Удаленный ввод/вывод

Если вам нужно выполнить несколько измерений температуры в удаленном месте, удаленный блок ввода/вывода от вашего ПЛК может оказаться хорошим вариантом.

Примеры подключения термопары

Пример #1

Давайте рассмотрим два разных примера. Во-первых, у нас есть склад-холодильник на одном конце промышленного объекта. Диспетчерская или главная стойка более централизованной системы управления находится в нескольких сотнях футов.

Простой холодильный склад может не требовать большой автоматизации, но вам может потребоваться убедиться, что температура внутри склада остается низкой.

Вы можете попробовать использовать удлинительный провод термопары, который стоит дешево, но теперь вы знаете, что уровень сигнала термопары не может передаваться на большие расстояния. Что теперь делать?

Вы можете установить стойку удаленного ввода-вывода из системы ПЛК, а затем поместить плату ввода-вывода термопары в удаленную стойку, но стойка и плата ввода-вывода могут увеличить общую стоимость решения.

Вместо этого вы можете приобрести недорогой преобразователь температуры, который преобразует милливольтовый сигнал от термопары в стандартный сигнал 4-20 мА, который может легче передаваться на большее расстояние с большей устойчивостью к электрическим помехам.

Пример #2

Что делать, если вам нужно провести несколько измерений на одном и том же складе? Что, если бы в здании было несколько зон HVAC, которые необходимо оптимизировать для снижения затрат на электроэнергию?

Теперь, когда необходимо провести несколько измерений, необходимость покупать несколько преобразователей для преобразования сигналов может стоить больше, чем удаленная стойка ввода-вывода… приложение и обратите внимание на некоторые проблемы, которые могут возникнуть.

Резюме

Надеюсь, вам понравилась прогулка по миру термопар. В то время как наука о том, как электроны движутся через металл, может показаться среднему человеку сложной, простое соединение двух разных металлических проводов для измерения температуры довольно просто и недорого.

Существуют и другие типы датчиков температуры, которые можно использовать для решения проблем, связанных с установкой, например RTD… но это для другой статьи…

Если вы еще не читали следующую статью по теме, вы можете взглянуть на нее:

— Что такое датчик температуры? (RTD, термопара, термистор)

Хотя эта статья может быть полезной сама по себе и поможет вам быстро узнать все, что вам нужно знать о термопарах, другая статья даст вам хорошую общую информацию о нескольких различных типах датчиков температуры.

Если у вас есть какие-либо вопросы о термопарах или о датчиках температуры в целом, задайте их в комментариях ниже, и мы свяжемся с вами менее чем через 24 часа.