Термопары виды, устройство и принцип работы


СОДЕРЖАНИЕ:

Термопара – устройство и принцип работы простым языком

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

Содержание:

Общие характеристики

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

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

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

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

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

ВИДЕО: Измерение температуры с помощью термопары

Принцип действия термопары

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

Схематическая работа устройства

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

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

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

Конструкция устройства

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

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

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

Термопара для котельного оборудования

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

Разновидности термопары

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

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

Принцип работы термопары

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

Монтаж

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

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

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

Термопара для печи

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

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

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

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

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

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

Преимущества и недостатки применения измерителя

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

  • Широкий диапазон температурных режимов, делающих устройство самым устойчивым контактным датчиком перед высокими показателями.
  • В результате нарушения целостности спая можно полностью заменить узел или создать прямой контакт непосредственно через измеряемые системы.
  • Простота устройства, прочность и большой эксплуатационный срок.
  • При установке температурного датчика необходимо регулярно контролировать изменения напряжения холодных спаев. Для облегчения задачи требуется приобрести дополнительный термистор. Также можно заменить устаревший прибор полупроводниковым сенсором, способным автоматически вносить изменения в ТЭДС.
  • Подверженность к поражению коррозией, в результате чего происходит термоэлектрическая недостаточность и нарушение градуировочных характеристик.
  • Электроды состоят из материалов, которые не считаются химически инертным, поэтому при нарушении герметичности корпуса система становится подверженной агрессивным процессам окружающей среды.
  • Длинные термопарные провода образовывают электромагнитное поле.
  • Возникают сложности в процессе создания вторичного преобразователя сигналов из-за несущественного взаимодействия ТЭДС и температурных режимов.
  • Для стабильной работы с термической инерцией, обязательным условием термопара считается обеспечение качественной электроизоляцией, заземление функционирующих спаев, предостерегающих от возникновения утечки в землю.

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

Часто в отоплении мы слышим слово «теплообменник». Вещица довольна интересная и применяется в разных ситуациях. В этой статье мы поговорим с Вами о том.

Паровым котлом называется узкоспециализированное оборудование, производящее пар. Эти агрегаты широко используются в промышленной и энергетической.

Если квадратура помещения для отопления очень большая и расположена не в один этаж, то использование естественной циркуляции в качестве отопления.

Термопары К типа: описание и принципы работы датчиков

Термопара — это термоэлектрический преобразователь. Иными словами – это прибор, используемый для измерения температур в разных областях: в медицине, в промышленности, науке, в системах автоматики, а также в быту. В настоящее время термопары широко распространены и применяются практически повсюду. На практике чаще всего ис­пользуются термопары K типа, а также J и Т. С их помощью измеряют температуры воды, воздуха, газов, смазочных материалов и так далее.

Классификация по типам

При желании возможно создать такой прибор даже самостоятельно. Однако следует все же знать некоторые особенности таких преобразователей, их различие по типу применяемых материалов. А классифицируются виды термопар так:

  1. Тип E. Используется сплав хромель – константан. Эти датчики обладают высокой чувствительностью – до 68 мкВ/°C. Подходят для криогенного использования. Температуры, при которых возможно применение, колеблются от -50 °C до +740 °C.
  2. Тип J. Здесь применяют состав железо – константан. Используются для условий в температурных диапазонах от -40 °C до +750 °C. Имеет повышенную производительность –50 мкВ / °С.
  3. Термопары типа K выполняются на основе сплава хромеля и алюминия. Это, несомненно, самые популярные датчики широкого назначения. Обладают производительностью до 41 мкВ/°C. Применяются в температурных диапазонах от -200 °С до +1350 °C. В неокисляющих и инертных условиях датчики типа K используются до 1260 °C.
  4. Тип M. Эти термопары применяются в основном в вакуумных печах. Используются при температурах до +1400 °C.
  5. Регуляторы типа N — никросил-нисиловые. Они стабильны и стойки к окислению, имеют производительность 39 мкВ/ °C. Поэтому их используют при температурах от -270 °C до +1300 °C.
  6. Устройства типов B, R и S выпускаются из сплава родия и платины. Класс B, R и S — датчики довольно дорогие и имеют низкую производительность: всего 10 мкВ/° C. Используются благодаря высокой надежности исключительно для измерения высоких температур.
  7. Датчики на основе сплавов рения и вольфрама. В основном они работают в автоматике промышленных процессов, в производстве водорода и так далее. Не рекомендуется применять в кислотных средах.

Технические характеристики прибора

Примечательно, что термопарам не нужны никакие дополнительные источники питания. Они применяются для измерения температур достаточно большого диапазона: от -200 °C до +2000 °C. При этом они обладают меняющимися параметрами. Проблематично еще и то, что надо учитывать влияние температуры свободных концов на заключительные результаты измерений. Помимо этого, низкое выходное напряжение требует достаточно точных усилителей.

Ярким примером использования приборов, созданных по принципу термопар, служат компактные цифровые термометры. В настоящее время — это основной и, пожалуй, самый массовый прибор для осуществления статических и динамических измерений.

Выходным сигналом термопары является постоянное напряжение. Он достаточно просто преобразуется в цифровой код. А затем его можно измерить с помощью простейших приборов. Для этих целей можно взять, к примеру, малогабаритный цифровой мультиметр.

Измерительные приборы на основе термопар отличает высокая точность и чувствительность, а также правильность характеристик преобразования. Обычно напряжение на выходе колеблется от 0 до 50 мВ, а типичная производительность — от 10 до 50 мкВ/°C. Все зависит от используемых в датчике материалов.

Основной принцип работы

В основу принципа работы термопары положен термоэлектрический эффект, называемый иначе эффект Зеебека. Он гласит, что когда проводник подвергается воздействию, соответственно изменяется его сопротивление и напряжение.

Принцип действия термопары состоит в том, что если соединить последовательно два разнородных металлических проводника, то при этом образуется замкнутая электрическая цепь. Если затем нагреть это соединение, то в цепи возникнет электродвижущая сила (термо-ЭДС). Под ее воздействием в замкнутой цепи и возникает электрический ток.

Место нагрева, как правило, называют горячим спаем, соответственно холодный спай не нагревается. Значение термо-ЭДС измеряется путем подключения в разрыв электрической цепи гальванометра или микровольтметра. То есть она напрямую зависит от разности температур между холодным и горячим спаем.

Вследствие нагревания места соединения проводников термопары между свободными концами образуется разность потенциалов. Она легко преобразовывается в цифровой код. Возникает возможность определения температуры нагрева на месте соединения проводников.

Для точности проведения измерений холодный спай должен всегда иметь неизменную температуру. Поскольку этого довольно сложно добиться, применяются компенсационные схемы.

Достоинства и недостатки

Термопары обладают многими достоинствами в сравнении с аналогичными термоэлектрическими датчиками температуры. К плюсам, например, относят:

  • простая конструкция;
  • прочность;
  • надёжность;
  • универсальность;
  • низкая стоимость;
  • можно пользоваться в самых разных условиях;
  • можно измерять самые разные температуры;
  • точность произведенных измерений.

Однако, как и любой другой прибор, эти датчики имеют свои недостатки:

  • довольно низкое напряжение на выходе;
  • нелинейность.

Измерение температур с использованием термопар, изобретенное еще в XIX веке, достаточно широко применяется в современном производстве. Кроме того, существуют такие сферы деятельности, где применение этих датчиков становится порой единственным возможным способом получения необходимых измерений.

Термопара — термоэлектрический преобразователь. Теория, устройство, характеристики, принцип работы термопар. Термопары тха, тхк, хромель алюмель, тпп

Термопара — что это такое? Многое ясно уже из названия. Устройство представляет собой преобразователь, используемый для рабочей среды. Конструктивно оно представляет собой два проводника из разных металлов, приваренных или припаянных друг к другу на одном конце. Устройство является очень простым, но качественно изготовить его сложно.

Как действует термопара

Два разнородных проводника связывают в кольцо. Когда температура стыков отличается, между ними появляется разность потенциалов за счет термоэлектрического эффекта.

Принцип термопары заключается в следующем. В среду, которую контролируют, помещают рабочий спай, а свободные концы подсоединяются к Чем больше различие между свойствами проводников и тепловой перепад на концах, тем выше в цепи (термо-ЭДС).

Зависимость между напряжением и температурой у разных металлов варьируется. Те или иные типы датчиков рассчитаны на свои тепловые диапазоны. У них также может быть разная стойкость к коррозии и воздействию агрессивной среды.

Назначение

Для безаварийной работы теплового оборудования применяется термопара. Что это такое для газового котла? И как она работает? Следует рассмотреть подробнее. Прежде всего, она обеспечивает автоматическое отключение оборудования при сбоях в работе газового котла. Термопара для газовой плиты также необходима, чтобы создать электроподжиг газа, как только начинается его подача. Кроме выполнения функции контроля устройство может использоваться в качестве датчика температуры.

Достоинства

Рассмотрим, какими положительными характеристиками обладает термопара:

высокая точность прибора;

широкий диапазон измерения;

возможность фиксации высокой температуры;

доступность, дешевизна и долговечность термоэлектродов;

простота монтажа и обслуживания.

Недостатки

У термопары есть и отрицательные стороны:

очень низкая чувствительность;

нелинейность температурной зависимости термо-ЭДС;

необходимость искусственного поддерживания температуры одного из концов.

Термо-ЭДС электродов существенно зависит от наличия примесей в металлах, механической и термической обработки. Для ее увеличения применяют термобатареи из нескольких термопар.

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.

Какой может быть термопара. Цена и характеристика

Термопарой могут быть две любые сваренные проволоки из разнородных металлов. В промышленности применяют взаимозаменяемые материалы, способные выдержать высокую температуру, долговечные и с большой термо-ЭДС. Существуют также другие статические устройства с высокой точностью и похожим принципом работы, но термопары проще по устройству и дешевле.

В качестве электродов применяется мягкая отожженная проволока из специальных сплавов. Она работает при предельной температуре около 1000 градусов. Сплавы имеют стабильные и высокие значения термо-ЭДС.

Наиболее распространены датчики с двумя электродами, где катодом является хромоникелевый сплав (хромель), а анодом — другой металл, например, алюмель (термопара ТХА). Самое простое ее подключение производится с помощью вилки.

Каждый вид датчика отличается по рабочему температурному интервалу, величине вырабатываемой ЭДС, устойчивости к механическим и химическим воздействиям, долговечности и взаимозаменяемости.

Приобретать надо только такие приборы, которые соответствуют требуемым параметрам. Особенно это относится к термостойкости, иначе в скором времени устройство придется менять.

Термопара для котла исполняется в разных вариантах в зависимости от модели. Цены на датчики находятся примерно на одном уровне. В среднем они составляют 500-600 руб. В продаже есть также датчики в комплекте с дополнительным электронным преобразователем, который вносит компенсацию в показания прибора. Он встраивается непосредственно в головку термопары. Цена датчика становится выше, но при этом не требуются компенсационные провода. К головке термопары можно подключать обычный медный провод.

Предпочтительно брать изделия для конкретных моделей, технические характеристики которых подходят друг другу. Универсальные устройства долговечностью не отличаются.

Виды датчиков

Варианты подключения термопары

По способам измерения наиболее распространены заземленные датчики. У них концы проволоки свариваются в один узел, завершающийся специальным зондом. Гильза находится в контакте с защитной внешней оболочкой, благодаря чему быстро передается тепло, и термопара имеет малую инерционность. На точность показаний большое влияние оказывают электрические помехи. По такому принципу работает термопара для газового котла. Измерительный прибор при этом не должен быть заземлен, поскольку через землю могут возникнуть дополнительные контуры, вносящие погрешность в показания.

Рабочий спай также можно непосредственно помещать в измеряемую среду, но такой способ снижает срок службы прибора из-за коррозии. В производстве подобные термопары применяют редко, а в бытовых приборах их можно увидеть везде.

Для измерения температуры в нескольких точках применяется многозонная термопара. Схема подключения у нее делается по тому же принципу, только к прибору подсоединяется несколько датчиков, расположенных в двух и более местах.

Как работает термопара с газовым котлом

Термопара — что это такое? Для пользователя все становится ясно, когда возникают перебои в работе газового оборудования. Рабочий спай термопары в котле нагревается от пламени запальника. В цепи наводится термо-ЭДС равная 20-25 mV, значения которой достаточно для срабатывания электромагнитного клапана. При этом открывается подача газа на обогрев котла. Запальная горелка всегда функционирует, пока работает котел. От нее зажигается основная горелка, греющая воду. Термопара для газовой плиты также необходима, чтобы обеспечить электроподжиг на конфорках.

Кроме того, некоторые плиты снабжают защитой при сбоях в подаче, когда в сети пропадает газ, а затем подается снова.

При горении газового факела в котле место спайки термоэлектродов остается нагретым, и за счет этого обеспечивается подача топлива. После того как пламя погаснет, рабочий спай термопары остывает, и она перестает вырабатывать ток. При этом происходит аварийное отключение электромагнитного клапана, перекрывающего газ.

Проверка исправности

Термопара для газового котла проверяется с помощью электромагнитного клапана, который продается в специализированных магазинах. К выводам обмотки клапана надо припаять два гибких провода с зажимами «крокодил», а после подсоединить к выводам термопары. При нагревании рабочего спая исправной термопары в пламени или свечи клапан должен функционировать от вырабатываемого тока. Устройство очень удобное и неприхотливое.

Проверка работоспособности термопары также производится с помощью милливольтметра. Напряжение на ее свободных концах должно быть не менее 25 мВ.

Одной из причин отключения запальника является неисправность термопары. Плохая работа может быть вызвана образованием инородных образований в месте спайки. Его зачищают наждачкой «нулевкой». Удалять нужно только налет. В противном случае будет разрушена спайка.

При разрыве провода термопары его можно соединить коротким куском обычного медного провода. При этом важно, чтобы места контактов находились в одной температуре.

Если термопара для котла прогорела, ее следует заменить. Можно сплавить концы проводов, скрутив их между собой и подсоединив к клеммам АКБ. При этом нужно правильно выбрать время подключения, чтобы спайка получилась качественной. Кроме того, надо сделать так, чтобы на провода термопары не попал металл с Место скрутки в процессе сварки обычно погружают в графитовый порошок. Если собрать устройство с ЛАТРом, то можно регулировать ток, и стык получится качественным. Все эти меры являются временными, при удобном случае термопара газовая должна быть заменена новой.

Заключение

Термопара — что это такое? Она представляет собой простой термоэлектрический преобразователь. Надежность и долговечность устройства делают его незаменимым средством отключения газового котла при возникновении аварийной ситуации.

Термопары также применяются для электроподжига в газовых плитах и в качестве

«Документация» — техническая информация по применению электронных компонентов , особенностях построения различных радиотехнических и электронных схем , а также документация по особенностям работы с инженерным программным обеспечением и нормативные документы (ГОСТ).

Термопары широко применяют для измерения температуры различных объектов, а также в автоматизированных системах управления и контроля. Измерение температур с помощью термопар получило широкое распространение из-за надежной конструкции датчика, возможности работать в широком диапазоне температур и дешевизны. Широкому применению термопары обязаны в первую очередь своей простоте, удобству монтажа, возможности измерения локальной температуры. Они 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. Они вырабатывают на выходе термоЭДС в диапазоне от микровольт до милливольт, однако требуют стабильного усиления для последующей обработки.

Тип термо-
пары
Букве-
нное обозна-
чение НСХ*
Материал термоэлектродов Коэффициент термоЭДС, мкв/°С (в диапазоне температур, °С) Диапазон рабочих температур, °С Предельная темпе-
ратура при кратко-
временном приме-
нении, ° С
положительного отрицательного
ТЖК J Железо (Fe) Сплав константен (45% Сu + 45% Ni, Mn, Fe) 50-64 (0-800) ОТ -200 до +750 900
ТХА К Сплав хромель (90,5% Ni +9,5% Сr) Сплав алюмель (94,5% Ni + 5,5% Al, Si, Mn, Co) 35-42 (0-1300) от -200 до +1200 1300
ТМК Т Медь (Сu) Сплав константан (55% Си + 45% Ni, Mn, Fe) 40-60 (0-400) от -200 до +350 400
ТХКн Е Сплав константан (55% Сu + 45% Ni, Mn, Fe) 59-81 (0-600) от-200 до+700 900
ТХК L Сплав хромель (90,5% Ni + 9,5% Сr) Сплав копель (56% Си + 44% Ni> 64-88 (0-600) от -200 до +600 800
ТНН N Сплав никросил (83,49% Ni +13,7% Сr + 1,2% Si+ 0,15% Fe + 0,05% С + 0,01% Mg) Сплав нисил (94,98% Ni + 0,02% Сr + 4,2% Si + 0,15% Fe + 0,05% С + 0,05% Mg) 26-36 (0-1300) от -270 до +1300 1300
ТПП13 R Сплав платина-родий (87%Pt + 13%Rh) платина (Pt) 10-14 (600-1600) от 0 до +1300 1600
ТПП10 S Сплав платина-родий (87% Pt — 13% Rh) платина (Pt) 10-14 (600-1600) от 0 до +1300 1600
ТПР В Сплав платина-родий (70% Pt — 30% Rh> Сплав платина-родий (94% Pt-6%Rh) 10-14(1000-1800) от 600 до+1700 1800
ТВР А-1
А-2
А-3
Сплав вольфрам-рений (95% W — 5% Re) Сплав вольфрам-рений (80% W-20% Re) 14-7 (1300-2500) от 0 до +2200
от 0 до +1800
от 0 до +1800
2500
ТСС I Сплав сильд Сплав силин от 0 до + 800 900

Примечание: НСХ — номинальные статические характеристики преобразования по международной классификации ТСС

Термопары относятся к классу термоэлектрических преобразователей, принцип действия которых основан на явлении Зеебека: если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру (Т не равно Т2), то в цепи протекает электрический ток (рис. 1). Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока.

Рис. 1 Явление Зеебека

Под термоэлектрическим эффектом понимается генерирование термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), возникающей из-за разности температур между двумя соединениями различных металлов и сплавов.

Таким образом, термопара может образовывать устройство (или его часть), использующее термоэлектрический эффект для измерения температуры. В сочетании с электроизмерительным прибором термопара образует термоэлектрический термометр. Измерительный прибор или электронную измерительную систему подключают либо к концам термоэлектродов (рис. 2,а), либо в разрыв одного из них (рис. 2,б).

Рис. 2 (а,б) Подключение термопары к измерительному прибору

В местах подключения проводников термопары к измерительной системе возникают дополнительные термоЭДС. В результате их действия на вход измерительной системы фактически поступает сумма сигналов от рабочей термопары и от «термопар», возникших в местах подключения (рис. 3).

Рис. 3 Принцип работы термопары

Существуют различные способы избежать этого эффекта. Самым очевидным из них является поддержание температуры холодного спая постоянной.

На практике при измерении температур широко используется техника «компенсации холодного спая»: температура холодного спая измеряется другим датчиком температуры, а затем величина термоЭДС холодного спая программно или аппаратно вычитается из сигнала термопары (рис. 4). Места подключения термопары к измерительной системе должны иметь одинаковую температуру, то есть находиться в изотермальной зоне. Кроме того, в схеме с компенсацией холодного спая в этой же зоне должен находиться и датчик температуры холодного спая. Разработчик должен учитывать эти требования при конструировании измерительной системы.

Рис. 4 Техника компенсации холодного спая

Основные характеристики выпускаемых промышленностью термопар приведены в табл. 1 (ГОСТ 6616-94 «Преобразователи термоэлектрические»).

На рис. 5 представлены зависимости ЭДС от температуры наиболее распространенных типов термопар, у которых температура холодного спая поддерживается равной 0°С. Из него видно, что термопары типа Е наиболее чувствительны и развивают наибольшее выходное напряжение при одном и том же изменении температуры, чем другие. С другой стороны, термопары типа S являются наименее чувствительными. К сожалению, у большинства термопар эти зависимости в некоторых диапазонах температур носит нелинейный характер.

Рис. 5 Зависимости ЭДС от температуры наиболее распространенных типов термопар

При выборе термопары для производства замеров температуры в некотором диапазоне следует выбирать ту термопару, коэффициент линейности которой изменяется менее других в рамках этого диапазона. Для достижения высокой точности измерений термопарного термометра во всем диапазоне рабочих температур необходима его калибровка. В ГОСТ 50431-92 «Термопары» приведены вид и порядок полинома, а также коэффициенты полиноминальной аппроксимации зависимости выходного напряжения термопар от температуры, которые определяются по градуировоч-ным таблицам для каждого типа термопар.

В табл. 2 приведены особенности и области применения некоторых типов термопар.

Тип термопары Особенности применения
ТХА Обладают: — наиболее близкой к прямой характеристикой. Предназначены для работы в окислительных и инертных средах
ТХК Обладают: — наибольшей чувствительностью;
— высокой термоэлектрической стабильностью при температурах до 600°С.
Предназначены для работы в окислительных и инертных средах.
Недостаток: высокая чувствительность к деформациям
ТПП Обладают: — хорошей устойчивостью к газовой коррозии, особенно на воздухе при высоких температурах;
— высокой надежностью при работе в вакууме (но менее стабильны в нейтральных средах).
Предназначены для длительной эксплуатации в окислительных средах.
Недостаток: высокая чувствительность термоэлектродов к любым загрязнениям, появившимся при изготовлении, монтаже или эксплуатации термопар
ТВР Обладают: — возможностью длительного применения при температурах до 22О0 ° С в неокислительных средах;
— устойчивостью в аргоне, гелии, сухом водороде и азоте.
Термопары с термоэлектродами из сплава платины с 10% родия относительно электрода из чистой платины могут использоваться как стандартные для установления номинальных статических характеристик термопар методом сравнения.
Недостаток — плохая воспроизводимость термоЭДС, вынуждающая группировать термоэлектродные пары по группам с номинальными статическими характеристиками А-1, А-2, А-3
ТНН Обладают: — высокой стабильностью термоЭДС (по сравнению с термопарами ТХА, ТПП, ТПР);
— высокой радиационной стойкостью;
— высокой стойкостью к окислению электродов.
Предназначены в качестве универсального средства измерения температур в диапазоне температур 0-1230 ° С

В зависимости от конструкции и назначения различают термопары погружаемые и поверхностные; с обыкновенной, взрывобезопасной, влагонепроницаемой или иной оболочкой (герметичной или негерметичной), а также без оболочки; обыкновенные, вибротряскоустойчивые и ударопрочные; стационарные и переносные и т.д. Внешний вид некоторых конструкций термопар представлен на рис. 6.

Основное применение термопары — электронные термометры.

Отечественная промышленность выпускает электронные термометры для измерения температуры контактным способом. Так, например, одно из отечественных предприятий наладило производство серии измерителей температуры, каждый из которых состоит из электронного блока и набора сменных датчиков температуры, представляющих собой стандартные хромель-алюмелевые термопары (тип К) в различных конструктивных исполнениях. Серия состоит из трех приборов: ETI-2OO1, ETI-2OO2 и ETI-2OO3 (табл. 3). Прибор ETI-2001 имеет 2 диапазона температур, переключение между которыми выполняется кнопками на лицевой панели. Узкий диапазон температур характеризуется более высоким разрешением и точностью. Приборы ETI-2OO2 и ETI-2OO3 имеют только по одному диапазону. Приборы имеют кнопку HOLD, с помощью которой можно зафиксировать измеренное значение температуры на индикаторе.

Рис. 6 Внешний вид некоторых конструкций термопар

На рис. 7 показан внешний вид контактного термометра ЕТ1-2001, в комплект поставки которого входят термопары: поверхностная (для измерения температуры поверхности твердых тел — tmax = 1000°C, погружная (для измерения температуры в объеме сыпучих и жидких веществ — tmax = 25О°С и бескорпусная (для измерения температуры воздуха и других газов — tmax = 250°С.

Рис. 7 Внешний вид контактного термометра ЕТ1-2001

На рис. 8 показан внешний вид миниатюрного термометра (Thermapen™) широкого применения. Высоконадежный и удобный в обращении. Оснащен встроенным складывающимся зондом. Диапазоны измерения температуры:

49,9. 199,9°С. Существуют не только специализированные приборы с термодатчиками для измерения температуры, но и универсальные мультиметры с функцией измерения температуры.

Рис. 8 Внешний вид миниатюрного термометра (Thermapen™)

Дата публикации: 24.03.2004

Мнения читателей
  • Антон / 01.08.2020 — 14:21
    Я бы сказал, что материал для изготовление термопар намного больше. Вот все возможные (достал с оф. сайта термопар termopara.org): Сталь; Хромель-алюмель; Платина; Хромель-копель; Медь; Алюминь; Алюмооксидная керамика; Железо-константан; Платинородий; платинородий-платина; Платина-родий; Термостойкий пластик; Вольфрам-родий; Платина-платина; Титан; Железо; Константан; Латунь; Нисил; Нихросил; Пластикат; Полиэтилен.
  • Александр / 19.12.2014 — 21:31
    По моему самое ценное это график зависимости термоЭДС от температуры.
  • алексей / 16.01.2014 — 08:12
    Емое, да тут целый институт
  • Вася / 17.08.2013 — 17:26
    Какая термопара лучше? китайская за 1$ или с прибора за 8$ ?
  • валерий / 19.07.2013 — 17:19
  • валерий / 19.07.2013 — 17:18
    надо установить термопару на форму, которая вращается в двух полоскостях. кто знает марку и характеристики, помогите!
  • дмитрий / 14.05.2013 — 20:54
    какие термопары ставят на термокамеры
  • дмитрий / 14.05.2013 — 20:51
    друзья подскажите какие термопары ставят на термокамеры колбасного производство
  • Денис / 16.04.2013 — 05:15
    Добрый день. Помогите пожалуйста с выбором. Нам необходимо приобрести термопары для измерения температуры в различных точках печатной платы в процессе ее прохождения через печь конвекционного плавления. Пиковые температуры 220-250 градусов. Какие типы или модели термопар нам могут подойти? Заранее спасибо за ответ.
  • саня / 28.01.2013 — 12:23
    могу ли я в кратце узнать как работают термопары?
  • Айпери / 14.11.2012 — 15:53
    основное применение термопары-электронные термометры
  • Наталья / 01.11.2012 — 07:51
    Подскажите, знает ли кто-нибудь, где возможно приобрести термопары японского производства Anritsu типа N? Или аналоги российского производства?
  • Сергей / 27.09.2012 — 11:39
    У термопар есть еще одно замечательное свойство, о котором часто забывают. Если через спай термопары пропускать электрический ток, то на нем (спае), в зависимости от направления движения тока будет вырабатываться либо тепло, либо холод. На этом принципе можно построить как нагревательный так и охладительный элемент. Температура спая будет зависеть от направления тока и от его силы. Чем сильнее ток тем сильнее нагревается или охлаждается спай. Помню в годах 90-х прошлого века мне приходилось видеть холодильник размером со спичечную коробку, который охлаждал объем чуть больше 2 куб. см до температуры -35 град. Вода замерзает практически мгновенно после подачи тока.
  • Сергей / 27.09.2012 — 11:32
    Ответ Игорю. (правда времени уже прошло с апреля 2008г, но все же). Вашу проблему можно режить с помощью датчика температуры устроенного на измерении сопротивления медного провода. Берется очень несколько сот метров тонкого медного провода, покрытого лаковой изоляцией. Чем тоньше тем лучше. Из этого провода делается подобие мочалки. Т.е. провод как бы сваливают в одну кучу и придают ему тонкую плоскую фыорму, равномерно распределяя по требуемой площади. Измерив сопротивление вашего пласта при различных заранее известных температурах и зная термическое сопротивление меди можно измерить температуру любой поверхности. Если образовавшимся пластом обернуть место измерения и сверху закрыть теплоизоляционныи материалом, то по сопротивлению медного провода вы сможете определить температуру поверхности вашей трубы.
  • пиу / 07.06.2012 — 11:37
    🙂
  • нина / 06.06.2012 — 06:21
    При измерение температуры в муфельной печи с помощью термопары хромель-алюмель показание милливольтметра 8мВ.Чему равна измеряемая температура если спай сравнения находился при 0градусов.
  • Катя / 17.05.2012 — 00:21
    Как провести экономический анализ термопар?Как найти себестоимость термопары?
  • Илюха)) / 02.05.2012 — 21:51
    Вячеслав / 29.01.2012 14:16 А какое сопротивление у термопары ТХК при 0 гр.Ц? Или как откалибровать прибор ТРМ? ответ: ну что я могу Вам сказать про калибровку ТРМ,если Вы имели ввиду параметр компенсации то берёте электрочайник (закоротите чтоб не отключался) ,термометр(со шкалой более 100С) и опускаете рабочий спай в кипящую воду прикрутив его к термометру(термометр не обязательно но желательно)вот вам и эталон 100С(погрешность на термометре) вводите на ТРМе компенсацию согласно 100С на диаграмме.(желательна фильтр на единицу поставить временно,быстрей обсчёт будит) а на счёт сопротивления — эталона термопары нет так как сплав он и в африке «сплав» РS ТРМ откалиброван на заводе и можно сбросить на настройку по умолчанию и ещё раз внимательно прочитать инструкцию к прибору.
  • Сергей kz / 21.03.2012 — 17:43
    Мужики подскажите что намагнитится в термопаре ха и главное почему?буду очень благодарен
  • серго / 20.03.2012 — 15:41
    какую термопару подобрать для печей с диапазоном 170-180 градусов

1

Термопара. Краткая история создания, устройство, принцип работы

Внешне термопара устроена очень просто: две тоненькие проволочки просто сварены между собой в виде аккуратного маленького шарика. Некоторые китайского производства комплектуются термопарой, которая позволяет измерять температуру не менее, чем до 1000°C, что дает возможность проверить температуру нагрева или утюга, которым собираются пригладить лазерную распечатку к стеклотекстолиту, а также во многих других случаях.

Конструкция такой термопары очень проста: оба проводка спрятаны в трубку из стекловолокна, и при этом даже не имеют заметной на глаз изоляции. С одной стороны проволочки аккуратно сварены, а с другой имеют вилку для подключения к прибору. Даже при таком примитивном исполнении результаты измерения температуры особых сомнений не вызывают, если, конечно, не требуется точность измерения класса 0,5°C и выше.

В отличии от только что упомянутых китайских термопар, термопары для применения в промышленных установках имеют конструкцию более сложную: собственно измерительный участок термопары помещается в металлический корпус. Внутри корпуса термопара находится в изоляторах, как правило, керамических, рассчитанных на высокую температуру.

Вообще термопара является самым распространенным и самым старым термодатчиком . Ее действие основывается на эффекте Зеебека , который был открыт еще в 1822 году. Для того, чтобы ознакомиться с этим эффектом, мысленно соберем несложную схему, показанную на рисунке 1.

На рисунке показаны два разнородных металлических проводника М1 и М2, концы которых в точках А и В просто сварены между собой, хотя везде и всюду эти точки называются почему-то спаями. Кстати, многие домашние умельцы-кустари для самодельных термопар, предназначенных для работы при не очень высоких температурах, вместо сварки пользуются как раз пайкой.

Вернемся снова к рисунку 1. Если вся эта конструкция будет просто лежать на столе, то эффекта от нее не будет никакого. Если же один из спаев чем-нибудь нагреть, ну хотя бы спичкой, то в замкнутой цепи из проводников М1 и М2 потечет электрический ток. Пусть он будет весьма слабым, но все-таки он будет.

Чтобы в этом убедиться, достаточно в этой электрической цепи разорвать один провод, причем любой, и в получившийся разрыв включить милливольтметр, желательно со средней точкой, как показано на рисунках 2 и 3.

Если теперь один из спаев нагреть, например спай А, то стрелка прибора отклонится в левую сторону. При этом температура спая A будет равняться TA = TB + ΔT. В этой формуле ΔT = TA — TB есть разность температур между спаями A и B.

На рисунке 3 показано, что будет, если нагреть спай B. Стрелка прибора отклонится в другую сторону, причем в обоих случаях, чем больше будет разность температур между спаями, тем на больший угол отклонится стрелка прибора.

Описанный опыт как раз иллюстрирует эффект Зеебека, смысл которого в том, что если спаи проводников A и B имеют разные температуры, то между ними возникает термоэдс, величина которой пропорциональна разности температур спаев . Не следует забывать, что именно разности температур, а не какой-то температуре вообще!

Если же оба спая имеют одинаковую температуру, то никакой термоэдс в цепи не будет. При этом проводники могут находиться при комнатной температуре, нагреты до нескольких сот градусов, или на них будет воздействовать отрицательная температура — все равно никакой термоэдс получено не будет.

Что же меряет термопара?

Предположим, что один из спаев, например A, (обычно его называют горячим) поместили в сосуд с кипящей водой, а другой спай B (холодный) остался при комнатной температуре, например, 25°C. Именно 25°C в учебниках физики считается нормальными условиями.

Температура кипения воды в нормальных условиях 100°C, поэтому выработанная термопарой термоэдс, будет пропорциональна разности температур спаев, которая в этих условиях составит всего 100 -25 = 75°C. Если же температура окружающей среды будет изменяться, то и результаты измерений будут больше походить на цену на дрова, нежели на температуру кипящей воды. Как же получить правильные результаты?

Вывод напрашивается сам собой: нужно холодный спай охладить до 0°C, тем самым задав нижнюю опорную точку шкалы температуры по Цельсию. Проще всего это сделать, поместив холодный спай термопары в сосуд с тающим льдом, ведь именно эта температура принята за 0°C. Тогда в предыдущем примере все будет правильно: разница температур горячего и холодного спаев составит 100 — 0 = 100°C.

Конечно, решение простое и верное, но каждый раз искать где-то сосуд с тающим льдом и длительное время в таком виде его сохранять, просто технически невозможно. Поэтому вместо льда применяются различные схемы компенсации температуры холодного спая.

Как правило, полупроводниковым датчиком измеряется температура в зоне холодного спая , а уже электронная схема добавляет этот результат в общее значение температуры. В настоящее время выпускаются специализированные микросхемы для термопар, имеющие встроенную схему компенсации температуры холодного спая .

В ряде случаев для упрощения схемы в целом можно от компенсации просто отказаться. Простой пример терморегулятор для паяльника : если паяльник постоянно в руках, то, что мешает чуть подкрутить регулятор, убавить или прибавить температуру? Ведь тот, кто умеет паять, видит качество пайки и вовремя принимает решения. Схема такого терморегулятора достаточно проста и показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема простого терморегулятора (для увеличения нажмите на рисунок).

Как видно из рисунка схема достаточно проста и не содержит дорогих специализированных деталей. Ее основу составляет отечественная микросхема К157УД2 — сдвоенный малошумящий операционный усилитель. На ОУ DA1.1 собран собственно усилитель сигнала термопары. При использовании термопары TYPE K при нагреве до 200 — 250°C выходное напряжение усилителя достигает порядка 7 — 8В.

На второй половине ОУ собран компаратор, на инвертирующий вход которого подано напряжение с выхода усилителя термопары. На другой — задающее напряжение с движка переменного резистора R8.

Пока напряжение на выходе усилителя термопары меньше задающего напряжения на выходе компаратора удерживается положительное напряжение, поэтому работает схема запуска T1, выполненная по схеме блокинг-генератора на транзисторе VT1. Поэтому симистор T1 открывается и через нагреватель EK проходит электрический ток, отчего возрастает напряжение на выходе усилителя термопары.

Как только это напряжение чуть превысит задающее напряжение, на выходе компаратора появляется напряжение отрицательного уровня. Поэтому транзистор VT1 запирается и блокинг-генератор перестает вырабатывать управляющие импульсы, что приводит к закрытию симистора T1, и охлаждению нагревательного элемента. Когда напряжение на выходе усилителя термопары станет несколько меньше задающего напряжения. весь цикл нагрева повторяется снова.

Для питания такого терморегулятора понадобится маломощный блок питания с двух полярным напряжением +12, -12 В. Трансформатор Тр1 выполнен на ферритовом кольце типоразмера К10*6*4 из феррита НМ2000. Все три обмотки содержат по 50 витков провода ПЭЛШО-0,1.

Несмотря на простоту схемы, работает она достаточно надежно, а собранная из исправных деталей требует лишь настройки температуры, которую можно определить, используя хотя бы китайский мультиметр с термопарой.

Материалы для изготовления термопар

Как уже было сказано, термопара содержит два электрода из разнородных материалов. Всего имеется около десятка термопар различных типов, по международному стандарту обозначаемых буквами латинского алфавита.

Каждый тип имеет свои характеристики, что в основном обусловлено материалами электродов. Например, достаточно распространенная термопара TYPE K изготовлена из пары хромель — алюмель. Ее диапазон измерений — 200 — 1200 °C, коэффициент термоэдс в диапазоне температур 0 — 1200 °C 35 — 32 мкВ/°C, что говорит о некоторой нелинейности характеристики термопары.

При выборе термопары в первую очередь следует руководствоваться тем, чтобы в измеряемом диапазоне температур нелинейность характеристики была бы минимальной. Тогда погрешность измерений будет не столь заметна.

Если термопара находится на значительном удалении от прибора, то подключение должно производиться с помощью специального компенсационного провода. Такой провод выполнен из таких же материалов как сама термопара, только, как правило, заметно большего диаметра.

Для работы при более высоких температурах часто применяются термопары из благородных металлов на основе платины и платиново-родиевых сплавов. Такие термопары несомненно дороже. Материалы для электродов термопар изготавливаются согласно стандартам. Все разнообразие термопар можно найти в соответствующих таблицах в любом хорошем справочнике.

Борис А ладышкин

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

Общие характеристики

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

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

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

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

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

ВИДЕО: Измерение температуры с помощью термопары

Принцип действия термопары

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

Схематическая работа устройства

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

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

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

Конструкция устройства

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

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

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

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

Разновидности термопары

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

  • Группа Е — состоит из комбинированного материала — хромель-константан. Соединительный спай обладает повышенной производительностью — более 69 мкВ/ о С, подходящей для криогенного применения. Помимо всего, система не имеет магнитные свойства, а температурный режим варьируется от — 50°С до + 740°С.
  • Группа J — термоэлектроны производятся из положительного железа и отрицательного типа константаны. Разбег функционирования данной серии термопара меньше, чем в прошлой группе -40°С — + 750°С, однако показатель чувствительности более высокий — 50 мкВ/°С.
  • Группа К — самый распространенный тип устройств, состоящий из комбинации материалов — алюминий и хромель. Производительность системы равняется 40 мкВ/°С, функционирование происходит в пределах температурных показателей от — 200°С до 1 350°С. Следует помнить, что даже при низком уровне окисления в диапазоне температуры 800-1050°С, элемент из хромеля отсоединяется и приобретает намагниченное состояние, что называется «зеленая гниль». Данный фактор отрицательно сказывается на функционировании регулятора.
  • Группа М — применяется в комплектациях печей вакуумного вида. Рабочие силы варьируются от -260 до + 1400°С с максимальной погрешностью в 2 градуса.
  • Группа N — устройство выпускается для использования в устройствах обладающих температурными обозначениями — 270 и 1300°С, что является гарантией хорошей работоспособности и устойчивости перед окислительными процессами. Чувствительность не превышает 40 мкВ/°С.
  • Группы В, S, R отличаются стабильной работой с более пониженным ЭДС — 10мкВ/°С. Из-за плохой чувствительности, используется исключительно для определения повышенных температур.
  • Группы В, С, S — первый символ обозначает модификацию, подходящую для измерения температуры до 1 800 о С, S — 1 600°С, С — до 1 500.
  • Рениево-вольфрамовые термопары применяются для измерения высоких температур 25 000°С и менее. Также устройство предназначено для устранения окислительной атмосферы, разрушающей материал.
Каждый электрик должен знать:  Напряжение в сети 100-140 Вольт - что делать

Монтаж

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Преимущества и недостатки применения измерителя

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

  • Широкий диапазон температурных режимов, делающих устройство самым устойчивым контактным датчиком перед высокими показателями.
  • В результате нарушения целостности спая можно полностью заменить узел или создать прямой контакт непосредственно через измеряемые системы.
  • Простота устройства, прочность и большой эксплуатационный срок.
  • При установке температурного датчика необходимо регулярно контролировать изменения напряжения холодных спаев. Для облегчения задачи требуется приобрести дополнительный термистор. Также можно заменить устаревший прибор полупроводниковым сенсором, способным автоматически вносить изменения в ТЭДС.
  • Подверженность к поражению коррозией, в результате чего происходит термоэлектрическая недостаточность и нарушение градуировочных характеристик.
  • Электроды состоят из материалов, которые не считаются химически инертным, поэтому при нарушении герметичности корпуса система становится подверженной агрессивным процессам окружающей среды.
  • Длинные термопарные провода образовывают электромагнитное поле.
  • Возникают сложности в процессе создания вторичного преобразователя сигналов из-за несущественного взаимодействия ТЭДС и температурных режимов.
  • Для стабильной работы с термической инерцией, обязательным условием термопара считается обеспечение качественной электроизоляцией, заземление функционирующих спаев, предостерегающих от возникновения утечки в землю.

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

Перевод Андрея Данилова

В статье приведены краткие сведения о термопарах и описаны две измерительные схемы на основе ИС компании Analog Devices.

Введение
Термопара является простым, широко используемым компонентом для измерения температуры. Эта статья представляет общий обзор термопар, описывает стандартные проблемы, возникающие при разработке с их использованием, и предлагает два решения для обработки сигнала. Первое решение сочетает и компенсацию эталонного спая, и обработку сигнала в одной аналоговой ИС для удобства и лёгкости использования; второе решение разделяет компенсацию эталонного спая и обработку сигнала для большей гибкости и точности измерения температуры с цифровым выходом.

Теория термопары
Термопара, показанная на рисунке 1 , состоит из двух проводников разнородных металлов, соединённых вместе на одном конце, называемом измерительным («.горячим») спаем. Другой конец, где проводники не соединены, подключен к дорожкам схемы обработки сигнала, обычно сделанным из меди. Это переход между металлами термопары и медными дорожками называется эталонным («холодным») спаем.*
Напряжение, генерируемое эталонным спаем, зависит от температуры и на измерительном, и на эталонном спае. Поскольку термопара является дифференциальным устройством, а не прибором для измерения абсолютной температуры, температура эталонного спая должна быть известной, чтобы получить точные показания абсолютной температуры. Этот процесс известен как компенсация эталонного спая (компенсация холодного спая).

Термопары используются в стандартных промышленных методах экономически эффективного измерения температуры в широком диапазоне с приемлемой точностью. Они используются в разнообразных применениях вплоть до +2500°С в бойлерах, водонагревателях, печах и самолетных двигателях, и т.д. Наиболее популярной термопарой является термопара типа К, состоящая из хро-меля и алюмели (марки сплава никеля, содержащие хром и алюминий, магний и кремний соответственно), с температурным диапазоном от -200 до+1250°С.

Почему используется термопара?
Преимущества
Температурный диапазон . Наиболее реальные температурные диапазоны -от криогеники до выхлопа реактивного двигателя — могут быть перекрыты при помощи термопар. В зависимости от использованного металла проводников, термопара способна измерять температуру в диапазоне от -200 до+2500=С.

Надёжная. Термопары являются прочными приборами, невосприимчивыми к удару и вибрации и подходящими для использования в опасных окружающих условиях.

Быстрый отклик . Благодаря небольшим размерам и низкой теплоёмкости, термопары быстро откликаются на изменения температуры, особенно если воздействию подвергается измерительный спай. Они могут реагировать на быстро изменяющуюся температуру в пределах нескольких сотен миллисекунд.

Отсутствует саморазогрев . Поскольку термопары не требуют энергии питания, они не подвержены саморазогреву и от природы безопасны.

Недостатки
Сложная обработка сигнала . Необходима существенная обработка сигнала, чтобы преобразовать напряжение термопары в полезные показания температуры. Традиционно обработка сигнала требовала больших затрат времени, чтобы избежать привнесённых погрешностей, которые снижали точность.

Точность , Кроме внутренних неточностей в термопарах, обусловленных их металлургическими свойствами, измерение при помощи термопары является настолько точным, насколько точно может быть измерена температура эталонного спая, традиционно в пределах 1. 2°С.

Подверженность коррозии . Поскольку термопары состоят из двух разнородных металлов, в некоторых окружающих условиях коррозия с течением времени может привести к ухудшению точности. Следовательно, им может потребоваться защита, а уход и техническое обслуживание яачяются неоть-емлемыми процедурами.

Проблемы измерения при помощи термопар
По многим причинам нелегко преобразовать напряжение, генерируемое термопарой, в точные показания температуры: сигнал напряжения является небольшим, взаимосвязь температура-напряжение является нелинейной, эталонный спай требует компенсации, а термопары могут создавать проблемы заземления. Давайте рассмотрим эти проблемы по очереди.

Сигнал напряжения мал . Большинство общеупотребительных термопар относятся к типам J, К и Т. При комнатной температуре их напряжение изменяется на 5 2 мкВ/°С, 41 мкВ/°С и 41 мкВ/°С соответственно. Другие, менее известные типы имеют даже меньший температурный коэффициент напряжения. Этот небольшой сигнал требует каскада с большим усилением перед аналого-цифровым преобразованием. Таблица 1 сравнивает чувствительности различных типов термопар.

Таблица 1 . Изменение напряжения в зависимости от температуры (коэффициент термоЭДС) для различных типов термопар при 25°С

Тип термопары Коэффициент термоЭДС. мкВ/°С
E 61
J 52
K 41
N 27
R 9
S 6
T 41

Поскольку сигнал напряжения является небачьшим, схема обработки сигнала обычно нуждается в усилении 100 В/В или около этого — фактически простое согласование сигнала. Более трудным может быть распознавание истинного сигнала из помех, собираемых выводами термопары. Выводы термопары являются длинными и часто прокладываются в электрически зашумленном окружении. Помехи, считанные выводами, могут легко поглотить ничтожный сигнал термопары.

Чтобы выделить сигнал из помех, обычно сочетают два подхода. Первым является использование усилителя с дифференциальным входом, такого как измерительный усилитель, чтобы усилить сигнал. Поскольку большие помехи появляются на обоих проводах (синфазно), дифференциальное измерение их устраняет. Вторым является низкочастотная фильтрация, которая удаляет внеполосные помехи. Низкочастотный фильтр должен удалять и радиочастотные помехи (свыше 1 МГц), которые могут вызвать выпрямление в усилителе, и фон 50/60 Гц (источник питания). Важно расположить радиочастотный фильтр перед усилителем (или использовать усилитель с отфильтрованными входами). Расположение фильтра 50/60 Гц часто некритично — он может сочетаться с радиочастотным фильтром, располагаться между усилителем и АЦП, быть частью сигма-дельта-АЦП либо может быть заложен в программное обеспечение в качестве фильтра усреднения.

Компенсация эталонного спая . Температура эталонного спая термопары должна быть известной, чтобы получить точные показания абсолютной температуры. Когда термопары использовались впервые, это делали путём содержания эталонного спая в ванне со льдом. Рисунок 2 изображает цепь термопары с одним концом при неизвестной температуре и другим концом в ванне со льдом (0°С). Этот метод был использован для исчерпывающего исследования параметров различных типов термопар, следовательно, почти все таблицы термопар используют 0СС в качестве эталонной тем пер атур ы.

Однако содержание эталонного спая термопары в ванне со льдом является непрактичным для большинства систем измерения. Вместо этого большинство систем используют технологию, называемую компенсацией эталонного спая (также известную как компенсация холодного спая). Температуру эталонного спая измеряют при помощи другого термочувствительного прибора — обычно микросхемы, тер-мистора, диода или RTD (резистивного датчика температуры).

Отсчёт напряжения термопары затем корректируют для отображения температуры эталонного спая. Важно, чтобы эталонный спай был считан как можно более точно — с точностью датчика температуры, содержащегося при той же самой температуре, что и эталонный спай. Любая погрешность в определении температуры эталонного спая отразится на конечном отсчёте показаний термопары.

Для измерения образцовой температуры доступны различные датчики:

. термисторы . Они имеют быстрый отклик и небольшой корпус; однако они нуждаются в линеаризации и имеют ограниченную точность, особенно в широком диапазоне температур. Они также требуют тока для возбуждения, который может вызывать саморазогрев, приводящий к дрейфу. Общая точность системы в сочетании с обработкой сигнала может быть недостаточной;

. резистивные датчики температуры (RTD). Резистивные датчики температуры являются точными, стабильными и достаточно линейными, однако размер корпуса и стоимость ограничивают их применение в системах управления технологическими процессами;

. удалённые термодиоды . Это диоды, используемые для считывания температуры вблизи разъёма термопары. Формирующий кристалл преобразовывает напряжение на диоде, которое пропорционально температуре, в аналоговый или цифровой выходной сигнал. Его точность ограничена примерно ±1°С;

Интегрированный датчик температуры. Интегрированный датчик температуры — автономная ИС, которая считывает температуру локально, -должен быть тщательно установлен вблизи эталонного спая и может сочетать компенсацию эталонного спая и обработку* сигнала. Достижимы точности в пределах малых долей 1°С.

Сигнал напряжения является нелинейным. Наклон графика характеристики термопары изменяется в зависимости от температуры. Например, при 0°С выход термопары Т-типа изменяется на 39 мкВ/°С, но при 100°С наклон возрастает до 47 мкВ/»С.

Существуют три стандартных метода компенсации нелинейности термопары. Выбрать часть графика, которая является относительно плоской, и аппроксимировать наклон как линейный в данной области — подход, который работает особенно хорошо для измерений в ограниченном диапазоне температур. Не требуются сложные вычисления. Одной из причин, по которой термопары К- и J-типа являются популярными, является то, что они имеют большие промежутки температуры, для которых возрастающий наклон чувствительности (коэффициент тер-моЭДС) остаётся фактически постоянным (см. рис. 3 ).

Другим подходом является сохранение в памяти просмотровой таблицы, которая соотносит набор напряжений термопары с её относительной температурой. Затем используется линейная интерполяция между двумя ближайшими пунктами таблицы для получения других значений температуры.
Третьим подходом является использование уравнений высокого порядка, которые моделируют поведение термопары. Хотя этот метод имеет наибольшую точность, он также является самым затратным по вычислениям. Дтя каж-дой термопары существуют два набора уравнений. Один набор преобразовывает температуру» в напряжение термопары (полезное для компенсации эталонного спая). Другой набор преобразовывает напряжение термопары в температуру. Таблицы термопар и уравнений высокого порядка для термопар могут быть найдены на интернет-странице http://srdata.nist.gov/its90/main/. Все эти таблицы и уравнения основаны на температуре эталонного спая 0°С. Компенсация эталонного спая должна быть использована, если он находится при любой другой температуре.

Требования к заземлению . Промышленность выпускает термопары и с изолированными, и с заземлёнными наконечниками для измерительного спая (см. рис. 4 ). Обработка сигнала термопары должны быть спроектирована так, чтобы избежать петель заземления при измерении заземлённой термопарой, а также иметь контур для входных токов усилителя, когда измерение производится изолированной термопарой. Кроме того, если наконечник термопары заземлён, входной диапазон усилителя должен выдерживать любые разности в потенциалах заземления между наконечником термопары и землёй системы измерения (см. рис. 5 ).
Система обработки с двойным питанием для неизолированных систем будет, как правило, более устойчивой для заземлённого наконечника и незащищённых типов наконечников. Из-за своего широкого диапазона синфазного входного напряжения, усилитель с двойным питанием может обрабатывать большое дифференциальное напряжение между заземлением печатной платы и землёй наконечника термопары. Системы с одним источником питания могут работать удовлетворительно во всех трёх вариантах наконечников, если диапазон синфазного сигнала усилителя имеет некоторую возможность измерять потенциал ниже заземления в конфигурации с одним источником питания. Для преодоления ограничения по синфазному сигналу*, в системах с одним источником питания полезно сдвигать термопару к середине напряжения питания. Это хорошо работает для изолированных наконечников термопар либо если вся система измерения является изолированной. Однако это не рекомендуется для неизолированных систем, которые предназначены для измерения заземлённых или незащищённых термопар.

Практические схемы с термопарами . Обработка сигнала термопары является более сложной, чем обработка в других системах измерения. Время, необходимое для разработки и отладки обработки сигнала, может увеличить время выхода изделия на рынок. Ошибки в обработке сигнала, особенно в части компенсации измерительного спая, могут привести к более низкой точности. Две описанные ниже схемы посвящены этим проблемам.

Первая описывает простое аналоговое интегрированное аппаратное решение, сочетающее прямое измерение термопары с компенсацией эталонного спая при помощи единственной ИС. Второе решение подробно рассматривает схему компенсации эталонного спая на основе программного обеспечения, обеспечивающую повышенную точность для измерения термопары и гибкость в использовании термопар многих типов.

Решение для измерения 1: оптимизированное для простоты
Рисунок 6 показывает схему для измерения термопары типа К. Она основана на применении усилителя термопары AD8495, который специально разработан для термопар типа К. Это аналоговое решение оптимизировано для минимяльного времени разработки: Оно имеет простой тракт для сигнала и не требует написания кода программы.

Как этот простой сигнальный тракт удовлетворяет требованиям обработки сигнала для термопар К-типа?
Усиление и выходной масштабный коэффициент. Малый сигнал термопары усиливается AD8495 в 122 раза, обеспечивая выходную чувствительность 5 мВ/°С (200°С/В).

Подавление помех . Высокочастотные синфазные и дифференциальные помехи удаляются внешним радиочастотным фильтром. Низкочастотные синфазные помехи подавляет измерительный усилитель AD8495. Любой оставшийся шум удаляется внешним фильтром при последующей обработке.
Компенсация эталонного спая. Усилитель AD8495, который содержиттем-пературный датчик для компенсации изменений окружающей температуры, должен быть установлен вблизи эталонного спая, чтобы работать при той же температуре для точной компенсации эталонного спая.

Коррекция нелинейности . Усилитель AD8495 откалиброван для получения выхода 5мВ/°С на линейном участке графика термопары К-типа, с погрешностью линейности менее чем 2=С в диапазоне температур -25.-.400°С. Если необходим более широкий температурный диапазон, указание по применению AN-1087 от компании Analog Devices описывает, как может быть использована просмотровая таблица или уравнение в микропроцессоре для расширения диапазона температур.

Эксплуатация изолированных, заземлённых и незащищённых термопар . Рисунок 5 показывает подсоединённый к земле резистор 1 МОм, который учитывает все типы наконечников термопар. Усилитель AD8495 был специально разработан, чтобы обеспечить измерение на уровне нескольких сотен милливольт ниже потенциала земли при использовании одного источника питания, как показано на схеме. Если ожидается большая разность в потенциалах заземления, усилитель AD8495 также может быть использован с двойным источником питания.

Более подробно о AD8495. Рисунок 7 показывает структурную схему усилителя термопары AD8495. Усилители А1, А2 и A3 и показанные резисторы образуют измерительный усилитель, который усиливает выходной сигнал термопары К-типа настолько, чтобы соответствовать выходному напряжению 5 мВ/°С. Внутри блока «Компенсация эталонного спая» находится датчик окружающей температуры. Когда температура измерительного спая поддерживается постоянной, дифференциальное напряжение от термопары будет снижаться, если температура эталонного спая возрастает по любой причине. Если миниатюрный (3,2 х х 3,2 х 1,2 мм) усилитель AD8495 находится в тепловой близости к образцовому спаю, схема компенсации вводит дополнительное напряжение в усилитель, с тем чтобы выходное напряжение оставалось постоянным, компенсируя, таким образом, изменение эталонной температуры.
В таблицу 2 сведены характеристики интегрального аппаратного решения, использующего микросхему AD8495.

Таблица 2 . Решение 1 (см. рис. 6 ), сводка характеристик

Решение для измерения 2: оптимизированное для точности и гибкости
Рисунок 8 показывает схему для измерения термопары J-, К- и Т-типа с большой степенью точности. Эта схема включает высокоточный АЦП для измерения малых напряжений термопары и высокоточный датчик для измерения температуры эталонного спая. Оба прибора управляются по интерфейсу SPI от внешнего микроконтроллера.

Как эта конфигурация удовлетворяет требованиям обработки сигнала, приведённым ранее?
Удалить помехи и усилить напряжение. Микросхема AD7793, показанная в подробностях на рисунке 9 , является высокоточным аналоговым входным интерфейсом с малым потреблением и используется для измерения напряжения термопары. Выход термопары фильтруется внешним способом и подсоединяется к набору дифференциальных входов, AIN1(+) и AINl(-). Затем сигнал поступает на коммутатор, буферный усилитель и измерительный усилитель, который усиливает малый сигнал термопары, и на АЦП, который преобразовывает сигнал в цифровой.

Компенсация температуры эталонного спая. Микросхема ADT7320 (см. блок-схему на рис. 10 ), будучи установленной достаточно близко к образцовому спаю, может измерять температуру этого перехода с точностью до ±0,2СС в диапазоне от -10 до+85°С Встроенный в кристалл датчик температуры генерирует напряжение, пропорциональное абсолютной температуре, которое сравнивается с внутренним опорным источником и прикладывается к высокоточному7 цифровому модулятору. Оцифрованный результат от модулятора обновляет 16-разрядный регистр значения температуры. Регистр значения температуры затем может быть считан обратно из микроконтроллера при помощи интерфейса SPI и объединён с цифровым отсчётом из АЦП для выполнения компенсации.

Корректировка нелинейности . Микросхема ADT7320 обеспечивает превосходную линейность в своём паспортном диапазоне температур (-40. 125°С), не требующую коррекции или калибровки пользователем. Её цифровой выход, таким образом, может считаться точным представлением состояния эталонного спая. Чтобы определить фактическую температуру термопары, это эталонное измерение температуры должно быть преобразовано в эквивалентное термоэлектрическое напряжение при помощи уравнений, предоставленных Национальным институтом стандартов и технологии (NIST). Затем это напряжение добаатяется к напряжению термопары, измеренному микросхемой AD7793) а итог переводится обратно в температуру» термопары, снова при помощи уравнений NIST.

Эксплуатируйте изолированные и заземлённые термопары . Рисунок 8 показывает термопару с незащищённым (открытым) наконечником. Это обеспечивает наилучшее время отклика, но аналогичная конфигурация также могла бы использоваться и вместе с термопарой с незащищённым наконечником. Таблица 3 суммирует характеристики схемы измерения эталонного спая на основе программных средств с использованием информации NIST.

Таблица 3 . Решение 2 (см. рис. 8 ), сводка характеристик

Заключение
Термопары позволяют надёжно измерять температуру в достаточно широком диапазоне, но инженеры часто отказываются от их использования из-за неизбежного компромисса между временем разработки и точностью измерения. Статья предлагает экономически эффективные способы разрешения этих проблем.

Первое решение сосредотачивается на уменьшении сложности измерения посредством технологии аппаратной аналоговой компенсации эталонного спая. Это приводит к простому сигнальному тракту, не требующему программирования, с учётом интеграции, предоставленной усилителем термопары AD8495, обеспечивающего выход сигнала 5 мВ/°С, который может быть подан на аналоговый вход разнообразных микроконтроллеров.

Второе решение обеспечивает высочайшую точность измерения и также позволяет использовать различные типы термопар. Технология компенсации эталонного спая программным способом опирается на высокоточный цифровой датчик температуры ADT7320, чтобы обеспечить более точное измерение компенсации эталонного спая, недостижимое до сегодняшнего дня. Микросхема ADT7320 поставляется полностью откалиброванной и по техническим условиям соответствует диапазону температур —40. 125°С. Абсолютно понятная, в отличие от измерения традиционным термистором или резистивным датчиком, она не требует ни затратного этапа калибровки после монтажа платы, ни ресурсов процессора или памяти с калибровочными коэффициентами или процедурами линеаризации. Потребляя только микроватты мощности, эта ИС избегает проблем саморазогрева, которые подрывают точность традиционных решений с резистивным датчиком.

Приложение
Использование уравнения NIST для преобразования температуры микросхемы ADT7320 в напряжение
Компенсация эталонного спая термопары основана на следующем соотношении:

где ΔV — выходное напряжение термопары; V J1 — напряжение, генерируемое на спае термопары; V J2 — напряжение, генерируемое на эталонном спае.

Чтобы это соотношение для компенсации работало, оба вывода эталонного спая должны содержаться при одной и той же температуре. Выравнивание температуры выполняется при помощи изотермического клеммника, который позволяет выравниваться температуре обоих выводов, обеспечивая при этом электрическую изоляцию.

После того как температура эталонного спая измерена, она должна быть преобразована в эквивалентное термоэлектрическое напряжение, которое могло быть выработано этим спаем при измеренной температуре. Один из методов использует полином в виде степенного ряда. Термоэлектрическое напряжение вычисляется как:

E = a 0 + a 1 T+a 2 T 2 + + а 3 Т 3 + . + а n T n (2)

где Е — термоэлектрическое напряжение (микровольты); а п — коэффициенты полинома, зависящие от типа термопары; T- температура (°С); п = порядок полинома.

NIST публикует таблицы коэффициентов полинома для каждого типа термопары. В этих таблицах перечислены коэффициенты, порядок (число составляющих полинома), применимые диапазоны температуры для каждого списка коэффициентов и диапазон погрешности. Некоторые типы термопар требуют более одной таблицы коэффициентов для перекрытия всего диапазона температур при эксплуатации. Таблицы для степенных рядов полинома перечислены в основном тексте.

* Мы используем термины «измерительный спай» и «эталонный спай», а не более традиционные «горячий спай» и «холодный спай». Традиционное наименование системы может сбить с толку, поскольку во многих приложениях измерительный спай может быть холоднее, чем эталонный спай.

Термопара для газового котла: принцип работы, характеристики, устранение неисправностей

Применение газа для отопления частного дома или коттеджа очень удобно и экономически выгодно. Однако этот вид топлива таит в себе серьезную угрозу. Если по какой-либо причине горелка вдруг погаснет и подача газа не будет вовремя перекрыта, образуется утечка и это может обернуться серьезными неприятностями и поставить под угрозу жизнь людей, находящихся в помещении. Для того, чтобы незамедлительно перекрыть газ если пламя внезапно потухло и используется термопара для газового котла.

В этой статье мы расскажем о том, что такое термопара, зачем она нужна и как работает, рассмотрим основные виды и наиболее распространенные неисправности связанные с этими устройствами, а также методику их устранения.

Устройство, принцип работы и основные типы

Термопара это классический термоэлектрический преобразователь, который используется для измерения температуры, в различных областях промышленности, науки, медицины, а также в автоматических системах управления и контроля газовых котлов, плит и колонок.

Устроена она очень просто и легко может быть изготовлена самостоятельно. Два проводника из различных материалов соединяются в кольцо. Одно из мест соединения помещается в зону измерения, а второе подключаются к измерительному прибору или преобразовательному устройству.

Фото 1: Термопара для устройства газового контроля

Принцип действия термопары основан на термоэлектрическом эффекте или как его еще называют эффекте Зеебека. Оно заключается в том, что на стыке двух соединенных в кольцо проводников из разных металлов появляется напряжение. Если температура мест спайки одинакова — разность потенциалов нулевая. Но стоит один из спаев поместить в область с более высокой или более низкой температурой, появляется напряжение отличное от нуля и пропорциональное разнице температур. Коэффициент пропорциональности различен для разных металлов и называется коэффициентом термо-ЭДС.

Фото 2: Конструкция и принцип действия термопары

Основные материалы для изготовления термопар – благородные и неблагородные металлы. Большинство сплавов из них имеют довольно экзотические названия, которые очень популярны у составителей различных кроссвордов и сканвордов. В зависимости от того какие пары металлов используются при изготовлении, термопары делятся на несколько типов. Ниже приведена таблица с их основными видами, обозначениями и характеристиками:

Тип термопары Сплав Российская маркировка Диапазон температур, °C
K хромель-алюмель ТХА -200 — 1300
J железо-константан ТЖК -100 — 1200
N нихросил-нисил ТНН -200 — 1300
R платинородий-платина ТПП13 0 — 1700
S платинородий-платина ТПП10 0 — 1700
B платинородий-платинородий ТПР 100 — 1800
T медь-константан ТМКн -200 — 400
E хромель-константан ТХКн 0 — 600
U медь-медьникель -200 — 500
L хромель-копель ТХК -200 — 850

В системах автоматики газовых колонок, плит и котлов обычно используются термопары ТХА из хромель-алюмеля (тип K), ТХК из хромель-копеля (тип L), ТЖК из железа и константана (тип J). Датчики выполненные из сплава благородных металлов предназначены для высоких температур и в основном находят применение в литейном производстве и другой тяжелой промышленности.

Фото 3: Газовая горелка «Сахалин» для отопительных котлов и печей

Некоторые модели работающие на твердом топливе, например такие как твердотопливный котел отопления «Lemax» Forward могут комплектоваться газовыми горелками, в которых для защиты от утечек газа применяются термопары.

Вернуться к оглавлению

Термопара в системе газового контроля (газ-контроль)

Если вы решили установить в своем загородном доме твердотопливный котел, вам не надо заботиться о том, что будет если огонь вдруг погаснет. Однако когда вы используете газовое оборудование, вам необходима энергонезависимая автоматика, способная максимально быстро перекрыть подачу газа, в случае если горелка вдруг потухнет. Для этих целей в современных газовых котлах предусмотрена система газ контроль. Как же она работает?

Система состоит из двух основных частей: электромагнитного клапана и термопары. Один конец датчика размещается непосредственно в пламени горелки, а второй подключается к электроклапану, который состоит из сердечника с обмоткой, колпачка, возвратной пружины, якоря и резинки перекрывающей подачу газа.

Фото 4: Энергонезависимая система газ-контроль для плит и котлов

Работает газ-контроль довольно просто. Нажимая на кнопку подачи газа, вы заглубляете шток внутрь катушки, заряжая пружину. По инструкции розжига газового котла, клапан подачи нужно удерживать нажатым около нескольких десятков секунд. Это время необходимо для того чтобы прогрелась термопара и на ее концах появилось достаточное напряжение для удержания клапана внутри катушки.

В тот момент когда горелка гаснет, термопара начинает остывать, напряжение на концах термопары уменьшается и в какой-то момент, возвратная сила пружины перевешивает электромагнитную силу удерживающую шток внутри и возвращает клапан в исходное положение, перекрывая подачу газа. Этот процесс обычно занимает несколько десятков секунд.

Одна из особенностей газ-контроля в том, что он полностью электронезависим. В больших отопительных комплексах, подобных отечественному пеллетному котлу «Светлобор», при отключении электропитания вся система управления перестает функционировать. Система газового контроля на термопаре полностью электронезависима, и способна надежно функционировать без необходимости подключения к электросети.

Вернуться к оглавлению

Подключение, проверка и поиск неисправностей

Одна из распространенных неисправностей газовых котлов выглядит следующим образом: вы нажимаете кнопку подачи газа, поджигаете запальник, держите в течении положенных 30 секунд, отпускаете и горелка тут же гаснет. Одна из причин, которая может приводить к такому результату – неисправная термопара или ее плохой контакт с электромагнитным клапаном.

Фото 5: Подключение и проверка термопары на измерительном приборе

Устранить эту неполадку можно своими руками не прибегая у услугам мастера. Для этого необходимо выполнить следующие шаги:

  1. Гаечным ключом откручиваем прижимную гайку, удерживающую термопару в контакте с электромагнитным клапаном и извлекаем ее конец.
  2. Осматриваем разъем на предмет наличия различных окислов и загрязнений. При необходимости мелкой шкуркой-нулевкой аккуратно зачищаем место контакта.
  3. Далее следует проверить термопару мультиметром. Для этого подключаем один конец к измерительному прибору, а второй нагреваем ручной газовой горелкой. Напряжение на концах исправной термопары должно быть в около 50 мВ.
  4. Если все показатели в норме, следует собрать все обратно и попробовать запустить котел.

В том случае если проблема осталась, скорее всего неисправен сам электромагнитный клапан или по прежнему плохой контакт между ним и термопарой. Если клапан исправен, следует повторно прочистить место соединения и попробовать найти такое положений прижимной гайки при котором достигается хороший контакт.

Полезное: Для подключения термопар к измерительным приборам обычно используется компенсационный провод. В этом кабеле, жилы изготавливаются из того же материала, что и сам датчик. Это позволяет значительно снизить погрешность измерения.

Если термопара вышла из строя ее необходимо купить новую. На российском рынке представлено много различных производителей выпускающих эти датчики: Арбат, АКГВ, АОГВ(Жуковский завод), Honeywell. Цены на разные типы лежат в районе 600 — 2000 рублей.

Более подробно о том как самостоятельно в домашних условиях произвести ремонт термопары в газовом котле, смотрите в следующем видео:

Термопары активно применяются не только в автоматике газовых плит, котлов и колонок. На их базе выпущено множество различных терморегуляторов и термометров, как бытового так и промышленного назначения. Многие умельцы на базе термоэлектрического преобразователя изготавливают своими руками зарядные устройства и мини электростанции, способные заряжать телефоны и другие маломощные устройства прямо от костра или другого открытого огня. Надеемся наш рассказ вам понравился, и вы узнали немного больше о нюансах работы таких знакомых вам бытовых приборов.

Термопара

Устройство

На одном конце эти проводники соединены между собой для создания термоэлектрического эффекта, позволяющего измерять температуру.

Внешне такое устройство выглядит в виде двух тонких проволочек сваренных на одном конце между собой, образуя маленький шарик.Многие китайские мультиметрыимеют в комплекте такие термопреобразователи, что дает возможность измерять температуру разных нагретых элементов устройств.

Эти два проводника обычно помещены в стекловолоконную прозрачную трубку. С одной стороны находится аккуратный сварной шарик, а с другой специальные разъемы для подключения к измерительному прибору.Промышленное оборудование имеет более сложную конструкцию, по сравнению с китайскими термопарами. Рабочий элемент термодатчика заключают в металлический корпус в виде зонда, внутри которого он изолирован керамическими изоляторами, способными выдержать высокую температуру и воздействие агрессивной среды.

На производстве таким термодатчиком измеряют температуру в технологических процессах.Термопары являются наиболее популярным старым термоэлементом, который применяется в различных приборах для измерения температуры.Он обладает высокой надежностью, низкой инертностью, универсален и имеет низкую стоимость. Диапазон измерения различными видами термопар очень широк, и находится в пределах -250 +2500 градусов. Конструктивные особенности термодатчика не позволяют обеспечить высокую точность измерений, и погрешность может составлять до 2 градусов.В бытовых условиях термопары используются в паяльниках, газовых духовках и других бытовых устройствах.

Принцип действия

Работа рассматриваемого термодатчика заключается в использовании эффекта ученого физика Зеебека, который обнаружил, что при спайке двух разнородных проводов в них образуется термо ЭДС, величина которого возрастает с увеличением нагрева места спайки. Позже это явление назвали термоэлектрическим эффектом Зеебека.

Напряжение, вырабатываемое термопарой, зависит от степени нагревания и вида применяемых металлов. Величина напряжения небольшая, и находится в интервале 1-70 микровольт на один градус.При подключении такого температурного датчика к измерительному устройству, возникает дополнительный термоэлектрический переход.

Поэтому образуется два перехода в разных режимах температуры. Входящий электрический сигнал на измерительном приборе будет зависеть от разности температур двух переходов.Для измерения абсолютной температуры используют способ, называемый компенсацией холодного спая. Суть этого способа заключается в помещении второго перехода, не находящегося в зоне измерения, в среду образцовой температуры.

Раньше для этого применяли обычный способ – размещали второй переход в тающий лед.Сегодня для этого используют вспомогательный температурный датчик, находящийся рядом со вторым переходом. По данным дополнительного термодатчика измерительное устройство корректирует итоги измерения. Это упрощает схему измерения, так как измерительный элемент и термопару совместно с дополнительным компенсатором можно соединить в одно устройство.

Температурные датчики на основе термопары разделяются по типу применяемых металлов.

Точность и целостность системы измерений на основе термопарного датчика может быть увеличена, если соблюдать определенные условия:

    Не допускать вибраций и механических натяжений термопарных проводников.При применении миниатюрной термопары из тонкой проволоки. Необходимо применять ее только в контролируемом месте, а за этим местом следует применять удлинительные проводники.Рекомендуется применять проволоку большого диаметра, не изменяющую температуру измеряемого объекта.Использовать термодатчик только в интервале рабочих температур.Избегать резких перепадов температуры по длине термодатчика.При работе с длинными термодатчиками и удлинительными проводниками, необходимо соединить экран вольтметра с экраном провода.Для вспомогательного контроля и температурной диагностики используют специальные температурные датчики с 4-мя термоэлектродами, позволяющими выполнять вспомогательные температурные измерения, сопротивления, напряжения, помех для проверки надежности и целостности термопар.Проводить электронную запись событий и постоянно контролировать величину сопротивления термоэлектродов.Применять удлиняющие проводники в рабочем интервале и при наименьших перепадах температур.Применять качественный защитный чехол для защиты термопарных проводников от вредных условий.

Термопара(термоэлектрическийпреобразователь температуры) —термоэлемент, применяемый в

измерительныхи преобразовательных устройствах, атакже в системах автоматизации.

Международныйстандарт на термопары МЭК60584(п.2.2) дает следующее определениетермопары:

Термопара— пара проводников из различныхматериалов, соединенных на одном концеи формирующих

частьустройства, использующего термоэлектрическийэффект для измерения температуры.

Дляизмерения разности температур зон, нив одной из которых не находится вторичныйпреобразователь

(измерительтермо-ЭДС), удобно использоватьдифференциальную термопару: двеодинаковых термопары,

соединенныхнавстречу друг другу. Каждая из нихизмеряет перепад температур между своимрабочим

спаеми условным спаем, образованным концамитермопар, подключёнными к клеммамвторичного

преобразователя,но вторичный преобразователь измеряетразность. их сигналов, таким образом,две

термопарывместе измеряют перепад температурмежду своими рабочими спаями.

Принципдействия основан на эффектеЗеебека или, иначе, термоэлектрическомэффекте.

Когда концы проводника находятсяпри разных температурах, между нимивозникает разность потенциалов,пропорциональная разности температур.Коэффициент пропорциональности называюткоэффициентом термоэдс. У разных металловкоэффициент термоэдс разный и,соответственно, разность потенциалов,возникающая между концами разныхпроводников, будет различная. Помещаяспай из металлов с отличными коэффициентамитермоэдс в среду с температурой Т1,мы получим напряжение между противоположнымиконтактами, находящимися при другойтемпературе Т2,котороебудет пропорционально разности температурT1и Т2.

Вопрос №4 Виды термометров сопротивления.

Термометрсопротивления —датчик для измерения температуры,сопротивление чувствительного элементакоторого зависит от температуры. Можетбыть выполнен из металлического илиполупроводникового материала. 6 последнемслучае называется термистором.

Представляетсобой резистор, выполненный изметаллической проволоки или пленки иимеющий известную зависимостьэлектрического сопротивления оттемпературы Наиболее распространённыйтип термометров сопротивления —платиновые термометры Это объясняетсятем, что платина имеет высокий температурныйкоэффициент сопротивления и высокуюстойкость к окислению. Эталонныетермометры изготавливаются из платинывысокой чистоты с температурнымкоэффициентом не менее 0,003925. В качестверабочих средств измерений применяютсятакже медные и никелевые термометры.

Встандарте приведены диапазоны, классыдопуска, таблицы НСХ и стандартныезависимости сопротивление-температура.Стандарт соответствует международномустандарту МЭК 60751 (2008). В стандарте впервыеотказались от нормирования конкретныхноминальных сопротивлений. Сопротивлениеизготовленного термометра может бытьлюбым.

Промышленные платиновые термометрысопротивления в большинстве случаевиспользуются со стандартной зависимостьюсопротивление-температура (НСХ), чтообуславливает погрешность не лучше 0,1°С (класс АА при 0 °С). Термометрысопротивления на основе запыленной наподложку плёнки отличаются повышеннойвибропрочностью, но меньшим диапазономтемператур. Максимальный диапазон, вкотором установлены классы допускаплатиновых термометров для проволочныхчувствительных элементов составляет660 °С (класс С), для пленочных 600 °С (классС).

Высокаяточность измерений (обычно лучше ±1 °С),может доходить до 0,01 °С.

Возможностьисключения влияния изменения сопротивлениялиний связи на результат измерения прииспользовании 3-х или 4-х проводной схемыизмерений

Малыйдиапазон измерений (по сравнению стермопарами)

Немогут измерять высокую температуру

Термопарой называют устройство, используемое для измерения температуры в научных исследованиях, промышленности, медицины, автоматических системах.

Компенсационные методики термопар

Как работает термопара? Для её применение требуется использование методик, которые компенсируют температуру холодных спаев. В промышленности используют два главных метода:

1. Изготовление проводов от термопары до ЦПУ к прибору измерения осуществляется из таких же материалов, что и термпопара.

Это компенсационные провода. Данная методика обеспечивает перенос места холодных спаев в ЦПУ от термопары, где и производится измерение их температуры. Недостаток этой методики связан с потребностью прокладывания от объекта до ЦПУ компенсационных проводов, характеризующихся высокой стоимостью и неудобством монтажа.

2. Принцип работы термопары заключается в том, что измерительный преобразователь, необходимый для измерения температуры холодных слоев, встраивают непосредственно в головку термопары. Происходит снижение стоимости измерительное система в результате отсутствия компенсационных проводов, но повышаются расходы на встраиваемый измерительный преобразователь, нуждающийся во внешнем питании.

Наиболее распространёнными являются следующие виды термопар:

1. Хромель-алюмелиевые (ТХА). Это датчики общего назначения.

Их применяют в качестве различных щупов. Они отличаются небольшой стоимостью и большим температурным диапазоном: – 270 ÷ + 13720С. Не рекомендуется применять их в атмосфере, имеющей повышенное содержание серы, влияющей на оба электрода.

Хромель-копелевые (ТХК). Работают в жидких и газообразных средах, являющихся химически неагрессивными в температурном диапазоне: – 200 ÷ + 8000С. Данными датчиками замеряют температуру различных поверхностей, к примеру, поверхность брони домен.

3. Железо-константановые (ТЖКн). Данные термопары являются не такими популярными, как термопары ТХА, однако они являются недорогими и способны функционировать в разреженной атмосфере.

Температурный диапазон: – 210 ÷ +12000С. Но если температуры > 7600C, эффективность термопар снижается по причине перемены магнитных характеристик железа. Возможно формирование ржавчины на железном выводе по причине наличия конденсата.

Платинородиево-платиновые (ТПР, ТПП). Термопары, изготовленные из дорогостоящих материалов, характеризуются стабильностью показаний и низкой чувствительностью (примерно 10 мкВ/°C). Их используют для осуществления высокотемпературных измерений (> 3000C).

5. Вольфрам-рениевые термопары.

Применяются для высокотемпературных измерений ( Преимущества и недостатки

1. Значительный температурный диапазон.

2. Спай термопары можно непосредственно заземлить или привести в непосредственный контакт с объектом измерения.

3. Простота производства, прочность и надежность конструкции.

1. Необходимость температурного контроля холодных спаев.

2. Появление в проводниках термоэлектрической неоднородности, что ведет к изменению градуировочной характеристики.

3. Материал электродов при плохой герметичности сильно подвержен влиянию атмосферы, агрессивных сред и т.д.

4. Возможность возникновения эффекта «антенны» на большой длине термопарных проводов для имеющихся электромагнитных полей.

5. Нелинейность зависимости ТЭДС от температуры. Это создает препятствия при проектировании вторичных трансформаторов сигнала.

Термоэлектрическим пирометром именуется устройство для измерения температуры, собранное из термопары, вторичного прибора и соединительных проводов.Разглядим устройство термопары.

К материалам для термоэлектродов термопар предъявляются огромные требования. Главным требованием является создание сравнимо большой термо-э. д.

с. (в паре с другим материалом), чем больше термо-э. д.

е., тем наименее чувствительным может быть вторичный прибор. В качестве сравнительного термоэлектрода (либо, как молвят, обычного электрода) в текущее время принят термозлектрод из платины. Это разъясняется тем, что пла­тина имеет высшую температуру плавления (1779°С), сравнимо просто выходит в химически чистом виде и обладает всепостоянством термоэлектрических параметров.

Очень принципиальным свойством для термопар являетсявзаимозаме­няемость.Взаимозаменяемыми числятся термопары, которые в схожих температурных критериях развивают схожую тер­мо-э. д. с.

и, как следует, могут работать с одним и этим же измери­тельным прибором данной градуировки. Два электрода из 1-го и такого же сплава не всегда бывают взаимозаменяемы, на термо- э. д.

с. оказывают влияние мельчайшие посторонние примеси в сплаве либо не­правильный отжиг после протяжки. Если термопара не взаимо­заменяема, то приходится переградуировать прибор, что трудно и не нужно.

Зависимо от материала электродов термопары, получившие практическое применение, делятся на две главные группы: термопары из великодушных металлов и термопары из неблагород­ных металлов.

Из серийно выпускавшихся термопар к первой группе относятся две термопары: платинородий – платиновая термопара типа ТПП (обозначение градуировки по ГОСТ 6616-61ПП-1).

В наименовании термопар первым обычно указывается положительный электрод, а вторым – отрицательный. Платинородий представляет собой сплав, в состав которого заходит 90% платины (Pt) и 10% родия (Rh). Термопара типа ТПР (обозначение градуировки ПР-30/6) состоит из платинородия (30% родия) и платинородия (6% родия).

Ко 2-ой группе относятся последующие термопары: хромель – алюмель, хромель – копель и термопара из сплава НК-СА. Хромель представляет собой сплав из 89% никеля (Ni), 9,8% хрома (Сг), 1% железа (Fe) и 0,2% марганца (Мп). Состав алюмеля: 94% Ni и 6% Al, Mn, Si. Состав копеля: 56% Си и 44% Ni.

Термопара типа ТПП (платинородий – платина)может применяться для измерения температур до 1600°С краткосрочно и до 1300°С продолжительно.

при всем этом равна соответ­ственно 16,71 и 13,13мв.Достоинством этой термопары является устойчивость термоэлектрической свойства (т. е. малые отличия э.

д. с. термопары от номинала, установленного стан­дартом), взаимозаменяемость термоэлектродов и высочайшая стойкость к хим воздействиям даже при больших температурах.

Толщинапроволокиввидубольшойцены электродов (платинородия и платины) сравнимо невелика – 0,5мм.Ди­аметр электродов термопар из неблагородных металлов колеблется в границах 0,5 – 5мм.

Используются термопары ТПП в качестве контрольных для проверки рабочих термопар, также для измерения температур в ответственных процессах.

Термопара типа ТПР применяется в тех же случаях, что и термопары ТПП. Пределы измерения температуры составляют 300 – 1600 (1800°С краткосрочно).

Термопара типа ТХЛ (хромель – алюмель)при кратковре­менном применении допускает измерить наивысшую темпера­туру 1300°С (э.

д. с. при всем этом равна 52,43мв).Рабочая температура зависимо от свойства и хим состава оболочек нахо­дится в границах 900 – 1000оС.

Термопара типа ТХК (хромель – копель)при кратковремен­ном применении может определять температуры до 800°С (э.

д. с. при всем этом равна 66,42мв);рабочая температура равна 600°С (термо э.

д. с. при всем этом составляет 49,02мв).

Термопары хромель – алюмель н хромель – копель имеют самое обширное распространение как эксплуатационные приборы в промышленных печах.

Термопара типа ТНС увлекательна тем, что термо-э. д. с.

ее при температурах от 0 до 200°С фактически отсутствует. При макси­мальной температуре (около 1000°С) она развивает э. д.

с. 13,39мв. Соответствующей особенностью термопары типа ТНС будет то, что на точность ее работы практически не оказывает влияние температура свободного конца (прохладного спая).

Конструктивное выполнение термопар определяется выбором материала защитной тpy6ы (арматуры) и изоляции.

Защитная ар­матура должна оградить термопару от деяния жарких, химически брутальных газов, разрушающих термо­пару. Потому арматура термопары дол­жна быть газонепроницаемой, механичес­ки стойкой, жароупорной и совместно с тем отлично проводить тепло. Для защиты термопар из неблагородных металлов используются железные трубы без шва (при температурах измерения до 600°С) и из нержавеющей стали (при измерении темпе­ратуры до 1100°С).

Для защиты термопар из великодушных металлов используются кварцевые и фарфоровые трубы. Рабочие концы термопар соединяют спайкой либо сваркой, в других частях термоэлектроды должны быть изолированы друг от друга. Термоэлектроды изолируются асбестом, когда предел измерения менее 300°С, кварцевыми трубами либо бусами (при t до 1000°С), фарфоровыми трубками либо бусами (приtдо 1300 – 1400°С).

На рис. 1 приведена конструкция термопары, выполненная из неблагородных металлов.

При обыкновенном методе включения из­мерительного прибора в цепь термопары свободные концы термопары располагают­ся в ее головке.Так как поддерживать температуру головки неизменной и низкой в зоне обычно больших измеряемых темпера­тур достаточно тяжело, свободные концы тер­мопары переносят в зону неизменной и низкой температуры.Для этой цели при­меняют так именуемыекомпенсационные провода. Длятермопар из неблагородных материалов компенсационные провода из­готовляются из числа тех же материалов, что и сама термопара.

В термопарах, выполнен­ных из великодушных металлов, компенса­ционные провода подбираются из матери­алов, развивающих меж собой при схожих температурах термо-э. д. с.

таковой же величины, как и основная термо­пара. Не считая того, вынесенный прохладный спай окружают термический изоляцией с высочайшей термический инерцией. Используют также специ­альныекомпенсационные коробкидля автоматической компенсации колебаний температуры прохладного спая.

Для автоматической компенсации температуры свободных концов термопары применяется особое устройство, которое представляет собой несколько сопротивлений, образующих мосто­вую схему (рис. 2)

СопротивленияR1R2R3иR4соединены в неустойчивый измерительный мост; сопротивленияR1R2R3иRДвыполнены из манганиновой проволоки, а сопротивление R4– из медной.

Величины сопротивлений подобраны таким макаром, что при тем­пературе среды 20°С меж точкамиВ и Гразность потенциалов равна нулю. В данном случае мост не оказывает влияние на величину измеряемой’ э. д.

с. При изме­нении температуры среды (свободных концов термо­пары) меняется термо-э. д.

с. термопары: растет при пони­жении температуры ниже 20°С и понижается при повышении темпе­ратуры выше 20°С, сразу меняется величина сопротивле­ния R4которая понижается при снижении температуры ниже 20°С и растет при повышении тем­пературы выше 20°С. Следователь­но, эти отличия изменяют раз­ность потенциалов меж точками ВиГв различных направлениях и фактически взаимно компенсиру­ются.

Дополнительное сопротивление RДустанавливается в цепи пита­ния моста и для различных материалов термопар имеет различную величину. Благодаря этому напряжение питания моста, поступаю­щее на зажимыАи Б, для разных термопар отстраивается на требуемую величину. В диагональВГвключены поочередно термопараТ,компенсационные проводаRК соединительные про­водаRСи милливольтметрmV.

Не считая того, в цепь соединительных проводов врубается под­гоночное сопротивлениеRПсозданное для подгонки со­противления наружной полосы до величины, обозначенной на шкале милливольтметра.

Компенсационная коробка питается напряжением постоян­ного тока в 4 в. Для этого она присоединяется к источнику питанияИП– устройству, состоящему из понижающего трансформатора, селенового выпрямителя и подгоночного сопротивления.

В автоматизации технологических процессов очень часто приходится снимать показатели о температурных изменениях, для их загрузки в системы управления, с целью дальнейшей обработки. Для этого требуются высокоточные, малоинерционные датчики, способные выдерживать большие температурные нагрузки в определённом диапазоне измерений. В качестве термоэлектрического преобразователя широко используются термопары – дифференциальные устройства, преобразующие тепловую энергию в электрическую.

Устройства также являются простым и удобным датчиком температуры для термоэлектрического термометра, предназначенного для осуществления точных измерений в пределах довольно широких температурных диапазонов. В частности, управляющая автоматика газовых котлов и других отопительных систем срабатывает от электрического сигнала, поступающего от сенсора на базе термопары. Конструкции датчика обеспечивают необходимую точность измерений в выбранном диапазоне температур.

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.

Рис. 1. Схема строения термопары

Красным цветом выделено зону горячего спая, синим – холодный спай.

Электроды состоят из разных металлов (металл А и металл В), которые на схеме окрашены в разные цвета. С целью защиты термоэлектродов от агрессивной горячей среды их помещают в герметичную капсулу, заполненную инертным газом или жидкостью. Иногда на электроды надевают керамические бусы, как показано на рис. 2).

Рис. 2. Термопара с керамическими бусами

Принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте. При замыкании цепи, например милливольтметром (см. рис. 3) в точках спаек возникает термо-ЭДС. Но если контакты электродов находятся при одинаковой температуре, то эти ЭДС компенсируют друг друга и ток не возникает. Однако, стоит нагреть место горячей спайки горелкой, то согласно эффекту Зеебека возникнет разница потенциалов, поддерживающая существование электрического тока в цепи.

Рис. 3. Измерение напряжения на проводах ТП

Примечательно, что напряжение на холодных концах электродов пропорционально зависит от температуры в области горячей спайки. Другими словами, в определённом диапазоне температур мы наблюдаем линейную термоэлектрическую характеристику, отображающую зависимость напряжения от величины разности температур между точками горячей и холодной спайки. Строго говоря, о линейности показателей можно говорить лишь в том случае, когда температура в области холодной спайки постоянна. Это следует учитывать при выполнении градуировок термопар. Если на холодных концах электродов температура будет изменяться, то погрешность измерения может оказаться довольно значительной.

В тех случаях, когда необходимо добиться высокой точности показателей, холодные спайки измерительных преобразователей помещают даже в специальные камеры, в которых температурная среда поддерживается на одном уровне специальными электронными устройствами, использующими данные термометра сопротивления (схема показана на рис. 4). При таком подходе можно добиться точности измерений с погрешностью до ± 0,01 °С. Правда, такая высокая точность нужна лишь в немногих технологических процессах. В ряде случаев требования не такие жёсткие и погрешность может быть на порядок ниже.

Рис. 4. Решение вопроса точности показаний термопар

На погрешность влияют не только перепады температуры в среде, окружающей холодную спайку. Точность показаний зависит от типа конструкции, схемы подключения проводников, и некоторых других параметров.

Типы термопар и их характеристики

Различные сплавы, используемые для изготовления термопар, обладают разными коэффициентами термо-ЭДС. В зависимости от того, из каких металлов изготовлены термоэлектроды, различают следующие основные типы термопар:

  • ТПП13 – платинородий-платиновые (тип R);
  • ТПП10 – платинородий-платиновые (тип S);
  • ТПР – платинородий-платинродиевые (тип B);
  • ТЖК – железо-константановые (тип J);
  • ТМКн – медь-константановые (тип T);
  • ТНН – нихросил-нисиловые (тип N);
  • ТХА – хромель-алюмелевые (тип K);
  • ТХКн – хромель-константановые (тип E);
  • ТХК – хромель-копелевые (тип L);
  • ТМК – медь-копелевые (тип M);
  • ТСС – сильх-силиновые (тип I);
  • ТВР – вольфрамрениевые (типы A-1 – A-3).

Технические требования к термопарам задаются параметрами определёнными ГОСТ 6616-94, а их НСХ (номинальные статические характеристики преобразования), оптимальные диапазоны измерений, установленные классы допуска регулируются стандартами МЭК 62460, и определены ГОСТ Р 8.585-2001. Заметим, также, что НСХ в вольфрам-рениевых термопарах отсутствовали в таблицах МЭК до 2008 г. На сегодняшний день указанными стандартами не определены характеристики термопары хромель-копель, но их параметры по прежнему регулируются ГОСТ Р 8.585-2001. Поэтому импортные термопары типа L не являются полным аналогом отечественного изделия ТХК.

Классификацию термодатчиков можно провести и по другим признакам: по типу спаев, количеству чувствительных элементов.

Типы спаев

В зависимости от назначения термодатчика спаи термопар могут иметь различную конфигурацию. Существуют одноэлементные и двухэлементные спаи. Они могут быть как заземлёнными на корпус колбы, так и незаземленными. Понять схемы таких конструкций можно из рисунка 5.

Рис. 5. Типы спаев

  • И – один спай, изолированный от корпуса;
  • Н – один соединённый с корпусом спай;
  • ИИ – два изолированных друг от друга и от корпуса спая;
  • 2И – сдвоенный спай, изолированный от корпуса;
  • ИН – два спая, один из которых заземлён;
  • НН – два неизолированных спая, соединённых с корпусом.

Заземление на корпус снижает инерционность термопары, что, в свою очередь, повышает быстродействие датчика и увеличивает точность измерений в режиме реального времени.

С целью уменьшения инерционности в некоторых моделях термоэлектрических преобразователей оставляют горячий спай снаружи защитной колбы.

Многоточечные термопары

Часто требуется измерение температуры в различных точках одновременно. Многоточечные термопары решают эту проблему: они фиксируют данные о температуре вдоль оси преобразователя. Такая необходимость возникает в химических и нефтехимических отраслях, где требуется получать информацию о распределении температуры в реакторах, колоннах фракционирования и в других ёмкостях, предназначенных для переработки жидкостей химическим способом.

Многоточечные измерительные преобразователи температуры повышают экономичность, не требуют сложного обслуживания. Количество точек сбора данных может достигать до 60. При этом используется только одна колба и одна точка ввода в установку.

Таблица сравнения термопар

Выше мы рассмотрели типы термоэлектрических преобразователей. У читателя, скорее всего, резонно возник вопрос: Почему так много типов термопар существует?

Дело в том, что заявленная производителем точность измерений возможна только в определённом интервале температур. Именно в этом диапазоне производитель гарантирует линейную характеристику своего изделия. В других диапазонах зависимость напряжения от температуры может быть нелинейной, а это обязательно отобразится на точности. Следует учитывать, что материалы обладают разной степенью плавкости, поэтому для них существует предельное значение рабочих температур.

Для сравнения термопар составлены таблицы, в которых отображены основные параметры измерительных преобразователей. В качестве примера приводим один из вариантов таблицы для сравнения распространённых термопар.

Тип термопары K J N R S B T E
Материал положительного электрода Cr—Ni Fe Ni—Cr—Si Pt—Rh (13 % Rh) Pt—Rh (10 % Rh) Pt—Rh (30 % Rh) Cu Cr—Ni
Материал отрицательного электрода Ni—Al Cu—Ni Ni—Si—Mg Pt Pt Pt—Rh (6 % Rh Cu—Ni Cu—Ni
Температурный коэффициент 40…41 55.2 68
Рабочий температурный диапазон, ºC 0 до +1100 0 до +700 0 до +1100 0 до +1600 0 до 1600 +200 до +1700 −185 до +300 0 до +800
Значения предельных температур, ºС −180; +1300 −180; +800 −270; +1300 – 50; +1600 −50; +1750 0; +1820 −250; +400 −40; +900
Класс точности 1, в соответствующем диапазоне температур, (°C) ±1,5 от −40 °C до 375 °C ±1,5 от −40 °C до 375 °C ±1,5 от −40 °C до 375 °C ±1,0 от 0 °C до 1100 °C ±1,0 от 0 °C до 1100 °C ±0,5 от −40 °C до 125 °C ±1,5 от −40 °C до 375 °C
±0,004×T от 375 °C до 1000 °C ±0,004×T от 375 °C до 750 °C ±0,004×T от 375 °C до 1000 °C ± от 1100 °C до 1600 °C ± от 1100 °C до 1600 ° ±0,004×T от 125 °C до 350 °C ±0,004×T от 375 °C до 800 °C
Класс точности 2 в соответствующем диапазоне температур, (°C) ±2,5 от −40 °C до 333 °C ±2,5 от −40 °C до 333 °C ±2,5 от −40 °C до 333 °C ±1,5 от 0 °C до 600 °C ±1,5 от 0 °C до 600 °C ±0,0025×T от 600 °C до 1700 °C ±1,0 от −40 °C до 133 °C ±2,5 от −40 °C до 333 °C
±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C ±0, T от 333 °C до 750 °C ±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C ±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C ±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C ±0,0075×T от 133 °C до 350 °C ±0,0075×T от 333 °C до 900 °C
Цветовая маркировка выводов по МЭК Зелёный – белый Чёрный – белый Сиреневый – белый Оранжевый – белый Оранжевый – белый Отсутствует Коричневый – белый Фиолетовый – белый

Способы подключения

Каждая новая точка соединения проводов из разнородных металлов образует холодный спай, что может повлиять на точность показаний. Поэтому подключения термопары выполняют, по возможности, проводами из того же материала, что и электроды. Обычно производители поставляют изделия с подсоединёнными компенсационными проводами.

Некоторые измерительные приборы содержат схемы корректировки показаний на основе встроенного термистора. К таким приборам просто подключаются провода, соблюдая их полярность (см. рис. 6).

Рис. 6. Компенсационные провода

Часто используют схему подключения «на разрыв». Измерительный прибор, подключают через проводник того же типа что и клеммы (чаще всего медь). Таким образом, в местах соединения отсутствует холодный спай. Он образуется лишь в одном месте: в точке присоединения провода к электроду термопары. На рисунке 7 показана схема такого подключения.

Рис. 7. Схема подключения на разрыв

При подключении термопары следует как можно ближе размещать измерительные системы, чтобы избежать использования слишком длинных проводов. Во всяком проводе возможны помехи, которые усиливаются с увеличением длины проволоки. Если от радиопомех можно избавиться путём экранирования проводки, то бороться с токами наводки гораздо сложнее.

В некоторых схемах используют компенсирующий терморезистор между контактом измерительного прибора и точкой холодного спая. Поскольку внешняя температура одинаково влияет на резистор и на свободный спай, то данный элемент будет корректировать такие воздействия.

И напоследок: подключив термопару к измерительному прибору, необходимо, пользуясь градуировочными таблицами, выполнить процедуру калибровки.

Применение

Термопары используются везде, где требуется измерение температуры в технологической среде. Они применяются в автоматизированных системах управления в качестве датчиков температуры. Термопары типа ТВР, у которых внушительный диаметр термоэлектрода, незаменимы там, где требуется получать данные о слишком высокой температуре, в частности в металлургии.

Газовые котлы, конвекторы, водонагревательные колонки также оборудованы термоэлектрическими преобразователями.

  • высокая точность измерений;
  • достаточно широкий температурный диапазон;
  • высокая надёжность;
  • простота в обслуживании;
  • дешевизна.

Недостатками изделий являются факторы:

  • влияние свободных спаев на показатели приборов;
  • ограничение пределов рабочего диапазона нелинейной зависимостью ТЭДС от степени нагревания, порождающей сложности в разработке вторичных преобразователей сигналов;
  • при длительной эксплуатации в условиях перепадов температур ухудшаются градуировочные характеристики;
  • необходимость в индивидуальной градуировке для получения высокой точности измерений, в пределах погрешности в 0,01 ºC.

Благодаря тому, что проблемы связанные с недостатками решаемы, применение термопар более чем оправдано.

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

Общие характеристики

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

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

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

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

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

ВИДЕО: Измерение температуры с помощью термопары

Принцип действия термопары

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

Схематическая работа устройства

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


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

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

Конструкция устройства

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

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

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

Термопара для котельного оборудования

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

Разновидности термопары

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

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

Принцип работы термопары

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

Монтаж

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

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

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

Термопара для печи

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

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

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

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

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

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

Преимущества и недостатки применения измерителя

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

  • Широкий диапазон температурных режимов, делающих устройство самым устойчивым контактным датчиком перед высокими показателями.
  • В результате нарушения целостности спая можно полностью заменить узел или создать прямой контакт непосредственно через измеряемые системы.
  • Простота устройства, прочность и большой эксплуатационный срок.
  • При установке температурного датчика необходимо регулярно контролировать изменения напряжения холодных спаев. Для облегчения задачи требуется приобрести дополнительный термистор. Также можно заменить устаревший прибор полупроводниковым сенсором, способным автоматически вносить изменения в ТЭДС.
  • Подверженность к поражению коррозией, в результате чего происходит термоэлектрическая недостаточность и нарушение градуировочных характеристик.
  • Электроды состоят из материалов, которые не считаются химически инертным, поэтому при нарушении герметичности корпуса система становится подверженной агрессивным процессам окружающей среды.
  • Длинные термопарные провода образовывают электромагнитное поле.
  • Возникают сложности в процессе создания вторичного преобразователя сигналов из-за несущественного взаимодействия ТЭДС и температурных режимов.
  • Для стабильной работы с термической инерцией, обязательным условием термопара считается обеспечение качественной электроизоляцией, заземление функционирующих спаев, предостерегающих от возникновения утечки в землю.

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

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).

ВАЖНО: Не рекомендуется использовать способ скручивания из-за быстрой потери свойств спая.

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. Наиболее широкое применение получил нормирующий преобразователь, размещенный в стандартной клеммной головке датчика с унифицированным сигналом 4-20мА, так называемая «таблетка».

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.

Типы и виды термопар

Многообразие термопар объясняется различными сочетаниями используемых сплавов металлов. Подбор термопары осуществляется в зависимости от отрасли производства и необходимого температурного диапазона.

Термопара хромель-алюмель (ТХА)

Положительный электрод: сплав хромель (90% Ni, 10% Cr).
Отрицательный электрод: сплав алюмель (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).

Изоляционный материал: фарфор, кварц, окиси металлов и т.д.

Диапазон температур от -200°С до 1300°С кратковременного и 1100°С длительного нагрева.

Рабочая среда: инертная, окислительная (O2=2-3% или полностью исключено), сухой водород, кратковременный вакуум. В восстановительной или окислительно-восстановительной атмосфере в присутствии защитного чехла.

Недостатки: легкость в деформировании, обратимая нестабильность термо-ЭДС.

Возможны случаи коррозии и охрупчивания алюмеля в присутствии следов серы в атмосфере и хромеля в слабоокислительной атмосфере («зеленая глинь»).

Термопара хромель-копель (ТХК)

Положительный электрод: сплав хромель (90% Ni, 10% Cr).
Отрицательный электрод: сплав копель (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).

Диапазон температур от -253°С до 800°С длительного и 1100°С кратковременного нагрева.

Рабочая среда: инертная и окислительная, кратковременный вакуум.

Недостатки: деформирование термоэлектрода.

Возможно испарение хрома при длительном вакууме; реагирование с атмосферой, содержащей серу, хром, фтор.

Термопара железо-константан (ТЖК)

Положительный электрод: технически чистое железо (малоуглеродистая сталь).
Отрицательный электрод: сплав константан (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).

Используется для проведения измерений в восстановительных, инертных средах и вакууме. Температура от -203°С до 750°С длительного и 1100°С кратковременного нагрева.

Применение складывается на совместном измерении положительных и отрицательных температур. Невыгодно использовать только для отрицательных температур.

Недостатки: деформирование термоэлектрода, низкая коррозийная стойкость.

Изменение физико-химических свойств железа около 700°С и 900 °С. Взаимодействует с серой и водными парами с образованием коррозии.

Термопара вольфрам-рений (ТВР)

Положительный электрод: сплавы ВР5 (95% W, 5% Rh)/ВАР5 (BP5 с кремнещелочной и алюминиевой присадкой)/ВР10 (90% W, 10% Rh).
Отрицательный электрод: сплавы ВР20 (80% W, 20% Rh).

Изоляция: керамика из химически чистых окислов металлов.

Отмечается механическая прочность, термостойкость, малая чувствительность к загрязнениям, легкость изготовления.

Измерение температур от 1800°С до 3000°С, нижний предел – 1300°С. Измерения проводятся в среде инертного газа, сухого водорода или вакуума. В окислительных средах только для измерения в быстротекущих процессах.

Недостатки: плохая воспроизводимость термо-ЭДС, ее нестабильность при облучении, непостоянная чувствительность в температурном диапазоне.

Термопара вольфрам-молибден (ВМ)

Положительный электрод: вольфрам (технически чистый).
Отрицательный электрод: молибден (технически чистый).

Изоляция: глиноземистая керамика, защита кварцевыми наконечниками.

Инертная, водородная или вакуумная среда. Возможно проведение кратковременных измерений в окислительных средах в присутствии изоляции. Диапазон измеряемых температур составляет 1400-1800°С, предельная рабочая температура порядка 2400°С.

Недостатки: плохая воспроизводимость и чувствительность термо-ЭДС, инверсия полярности, охрупчивание при высоких температурах.

Термопары платинородий-платина (ТПП)

Положительный электрод: платинородий (Pt c 10% или 13% Rh).
Отрицательный электрод: платина.

Изоляция: кварц, фарфор (обычный и огнеупорный). До 1400°С – керамика с повышенным содержанием Al2O3, свыше 1400°С – керамику из химически чистого Al2O3.

Предельная рабочая температура 1400°С длительно, 1600°С кратковременно. Измерение низких температур обычно не производят.

Рабочая среда: окислительная и инертная, восстановительная в присутствии защиты.

Недостатки: высокая стоимость, нестабильность при облучении, высокая чувствительность к загрязнениям (особенно платиновый электрод), рост зерен металла при высоких температурах.

Термопары платинородий-платинородий (ТПР)

Положительный электрод: сплав Pt c 30% Rh.
Отрицательный электрод: сплав Pt c 6% Rh.

Среда: окислительная, нейтральная и вакуум. Использование в восстановительных и содержащих пары металлов или неметаллов средах в присутствии защиты.

Максимальная рабочая температура 1600°С длительно, 1800°С кратковременно.

Изоляция: керамика из Al2O3 высокой чистоты.

Менее подвержены химическим загрязнениям и росту зерна, чем термопара платинородий-платина.

Форум сайта mypractic.ru

В интернете написано бесчисленное количество статей о термопарах. В них столько формул, схем, советов. Но на мой поисковый запрос ”как измерить температуру термопарой” я не получил ни одного вразумительного правильного ответа. Или ничего не понятно, или советуют измерить напряжение на термопаре и посмотреть значение температуры по таблице. Что совершенно не правильно.
Я расскажу, как сделать это методически правильно. Подробнее о термопарах я писал в одном из уроков программирования Ардуино. Здесь я приведу только самую необходимую информацию.
Немного теории и терминов.
Термопара (правильное название – термоэлектрический преобразователь) представляет собой два спаянных проводника из разнородных металлов.

tp1.JPG (4.29 КБ) 6502 просмотра
В цепи образовывается термо-ЭДС, величина которой зависит от температуры и материалов проводников.
Если соединения разнородных проводников объединены в кольцо и имеют одинаковую температуру, то сумма термо-ЭДС спаев равна 0. Если же температура спаев отличается друг от друга, то общая ЭДС между ними зависит от разности температур спаев. Это свойство приводит к следующей конструкции термопары.
tp2.JPG (10.4 КБ) 6502 просмотра
Рабочий спай образуют два проводника из разнородных металлов. Его размещают в точке, температуру которой измеряют.
tp3.JPG (2.69 КБ) 6502 просмотра
Холодные спаи это точки подключения проводников термопары к другому металлу, обычно к меди. Это могут быть соединения с медными проводами связи с термопарой или клеммные колодки измерительного прибора. Температура холодного спая влияет на общую термо-ЭДС. Поэтому ее необходимо измерять и учитывать в вычислениях.
Термопары делают из самых разных материалов, даже из платины. Но самые распространенные и дешевые это:

    ТХК – хромель-копелевые;
    ТХА – хромель-алюмель.

Как практически измерить температуру термопарой.
Зависимость ЭДС от температуры для каждого типа термопары указана в виде таблицы. Называется номинальная статическая характеристика (НСХ). Представляет собой таблицу с двумя столбцами: температура рабочего спая и соответствующая ей термо-ЭДС. Для разных типов термопар НСХ содержатся в ГОСТ Р 8.585-2001. Загрузить в формате PDF можно по этой ссылкеГОСТ Р 8.585-2001.
Неважно, измеряется температура вручную или используется электронный прибор. В любом случае необходимо выполнить следующую последовательность действий:

    измерить термо-ЭДС термопары (Eобщ.);
    измерить температуру холодного спая;
    по таблице НСХ термопары определить термо-ЭДС холодного спая (E хол. спая), используя температуру холодного спая;
    определить термо-ЭДС рабочего спая, т.е. сложить ЭДС холодного спая и общую термо-ЭДС ( E раб. спая = E хол. спая + E общ. );
    по таблице НСХ термопары определить температуру рабочего спая, используя термо-ЭДС рабочего спая.

Пример.
У меня есть термопара TP-01A. Типичная, широко распространенная термопара от тестера, типа ТХА.
tp4.JPG (9.09 КБ) 6502 просмотра
Вот как я измерил температуру жала паяльника.

    Прикоснулся рабочим спаем термопары к жалу паяльника и замерил тестером напряжение на ее выводах. Получилось 10,7 мВ.
    Замерил термометром температуру окружающей среды, получилось примерно 24 °C. Посчитал, что выводы термопары имеют температуру окружающей среды. Т.е. температура холодного спая равна 24 °C.
    По таблице из ГОСТ Р 8.585-2001 для термопары типа K определил, что ЭДС холодного спая при 24 °C равна 0,96 мВ.
    Вычислил термо-ЭДС рабочего спая, 10,7 + 0,96 = 11,66 мВ.
    По той же таблице НСХ определил, что значению ЭДС 11,66 мВ соответствует температуре 287 °C. Это и есть измеренная температура жала паяльник.

Это самая точная методика.

Измерение температуры с помощью термопар.

При измерении температуры с помощью термопар используются два основных метода: непосредственное измерение термоЭДС с помощью милливольтметра и компенсационный метод.

Так как значение термоЭДС, развиваемой термопарой, невелико, для непосредственного измерения ее необходимы высокочувствительные милливольтметры магнитоэлектрического типа. Прибора этого типа работают на основе взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и измеряемого тока, протекающего по подвижной рамке. Для создания достаточного вращающего момента при весьма небольшом токе рамка выполняется из большого числа витков медного провода. Противодействующий момент создается спиральными пружинами, по которым и подводится ток в рамку. Шкала милливольтметра градуируется непосредственно в градусах и на ней указывается тип термопары, для которой предназначен данный милливольтметр.

Обозначим через Rв сопротивление милливольтметра, Rт – сопротивление термопары, Rп – сопротивление соединительных проводов. Ток, проходящий по рамке милливольтметра под действием термоЭДС Етп,

Iв= Етп/( Rв+ Rт+ Rп). (1.1)

Из этой формулы видно, что показания прибора зависят не только от термоЭДС Етп, но и от сопротивленийRв, Rт, Rп. Так как шкала прибора уже проградуирована для термопары определенного типа, то сопротивленияRв и Rтуже учтены при градуировке. А сопротивления внешней цепи также указываются на шкале (обычно 0,5; 5; 15 или 25 Ом).

Оценим показания прибора, шкала которого проградуирована в милливольтах. Напряжение на его зажимах Uв=IвRв.

Uв=EтпRв/(Rв+ Rт+Rп) (1.2)

Обозначим внешнее сопротивление цепи Rвн=Rn+Rп и выразим из (1.2.) термоЭДС

Eтп=Uв(Rв+ Rвн)/ Rв= U в+ U в(Rвн/ Rв) (1.3)

Из (1.3) видно, что измеряемое милливольтметром напряжение будет всегда меньше, чем ЭДС термопары, на U в(Rвн/ Rв).Эта величина будет тем меньше, чем больше сопротивление милливольтметраRв по сравнению с внешним сопротивлениемRвн.Обычно милливольтметры имеют кроме сопротивления рамки еще добавочное сопротивление из манганина, сто в сумме дает не менее 100 Ом.

Обычно градуировка термопар осуществляется при температуре холодного спая Т2=0. на практике при измерении температуры Т1холодный спай имеет Т20. Следовательно, по измеренной термоЭДС нельзя точно определить Т2. необходимо вводить так называемую поправку на температуру холодных спаев. Существует несколько способов поддержания неизменной температуры холодных спаев. Например, можно поместить холодные спаи в ванну с тающим льдом, но это возможно лишь в лабораторных условиях или при наладке. Можно холодные спаи закапывать в землю на глубину нескольких метров, где температура довольно стабильна, или помещать холодные спаи в специальную коробку с тепловой изоляцией.

Если температура холодных спаев известна, то к показаниям измерительного прибора добавляют поправку, соответствующую термоЭДС при Т2. Эту поправку следует брать из градуировочной кривой.

Поправку на температуру холодных спаев можно ввести и механическим путем: при отключенной термопаре сместить стрелку на шкале прибора на отметку, соответствующую температуре холодных спаев (обычно температуре окружающей среды). Применяют также схемы автоматической коррекции температурных погрешностей, в которых используются свойства терморезисторов изменять сопротивление в зависимости от температуры.

Рассмотрим принципиальную схему включения термопары и милливольтметра (рис 10.3). Измерительный прибор может находиться на довольно значительном удалении от термопары. Длина соединительных проводов может составлять несколько метров. В местах присоединения этих проводов также возникают термоЭДС. Для точной компенсации этих термоЭДС необходим определенный подбор материалов проводов и термопар. Для присоединения термопар служат специальные, так называемые компенсационные провода. Каждой паре материалов компенсационных проводов присваивают буквенное обозначение, а каждому материалу придают определенную расцветку, для чего используют оплетку из цветной пряжи или цветные опознавательные нити, проложенные в проводе.

Для термопар типа ТПП применяются компенсационные провода с обозначением П в красной и зеленой оплетке с зелено-белыми нитями внутри. Материал провода – медь в паре с медно-никелевым сплавом. Для термопар типа ТХА применяются провода с обозначением М в красной и коричневой оплетке с красно-белыми нитями из меди в паре с констаном. Для термопар ТХК применяют провода с обозначением ХК в фиолетово-желтой оплетке с нитями такого же цвета и материалом хромель-копель, т.е. компенсационными проводами могут быть и основные термоэлектроды.

Рассмотрим измерение температуры компенсационным методом с помощью термопары и автоматического потенциометра. На рис.10.4 показаны термопара ТП, вырабатывающая термоЭДС Ед, и мостовая схема, вырабатывающая компенсирующее напряжениеUк, снимаемое между точками А и Б. Разность этих напряжений подается на вход усилителя (У), который питает управляющую обмотку исполнительного электродвигателя (ЭД). Обмотка возбуждения ЭД постоянно подключена к источнику переменного напряжения, а скорость вращения ЭД зависит (примерно пропорционально) от напряжения на его управляющей обмотке. Электродвигатель (ЭД) через редуктор (Р) перемещает движок калиброванного реохорда (потенциометрического датчика)Rпдо тех пор, пока напряжениеUкне сравняется с Ед. Одновременно перемещается указатель на шкале прибора и перо самописца. ПриUк=Еднапряжение на входе усилителя равно нулю (Uк-Ед=0) и электродвигатель (ЭД) остановится. Каждому значению выходного сигнала датчика Ед=f(ТС) соответствует определенное положение указателя на шкале. Шкала проградуирована вС и на ней указан тип термопары, для которой выполнена градуировка.

Мостовая схема в данном случае служит не для измерения, а для выработки компенсирующего напряжения Uк и автоматической коррекции из-за изменения температуры холодного спая. Плечи моста состоят из проволочных резисторовR1–R4, выполненных из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления (например, из манганина), и терморезистораRк, изготовленного из материала с большим температурным коэффициентом сопротивления (например, из меди или никеля). Резистор располагается вблизи холодных спаев термопары. Мост питается от источника постоянного тока Е – обычно это батарейка (например, сухой элемент типа ЭСЛ-30). При всяком изменении температуры холодных спаев термопары изменяется Еди одновременно меняется сопротивлениеRк, что приводит к изменению компенсирующего напряженияUкна туже величину, на какую изменилось Ед. Следовательно, колебания окружающей температуры не изменяют показаний на шкале прибора. Регулировочное сопротивлениеRрслужит для установки тока питания моста при разряде батареи (уменьшении Е).

Обычно на панели автоматического потенциометра имеется кнопка с самовозвратом, обозначенная словами «Установка рабочего тока». При нажатии этой кнопки, не показанной на рис.10.4, рабочая цепь прибора размыкается, а усилитель включается на разность ЭДС батарейки и специального, стабильного нормального элемента. Если батарейка разрядилась, то под действием разности этих ЭДС, усиленной усилителем, электродвигатель ЭД перемещает движок регулировочного резистора Rр, автоматически устанавливая требуемое значение тока питания моста.

Ответственной деталью в измерительной схеме является реохорд. Он выполнен из манганиновой проволоки, намотанной на медной изолированной основе. Движок реохорда выполнен в виде контактного ролика.

Бесконтактное измерение температуры.

О температуре нагретого тела можно судить на основании измерения параметров его теплового излучения, представляющего собой электромагнитные волны различной длины. Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называются пирометрами.Они позволяют измерять температуру в диапазоне от 100 до 6000С и выше.

Физические тела характеризуются либо непрерывным спектром излучения (твердые и жидкие вещества), либо избирательным (газы). Участок спектра в интервале длин волн 0,02…0,4 мкм соответствует ультрафиолетовому излучению, участок 0,4…0,76 мкм – видимому излучению, участок 0,76…400 мкм – инфракрасному излучению. Интегральное излучение – это суммарное излучение, испускаемое телом во всем спектре длин волн.

Монохроматическим называют излучение, испускаемое при определенной длине волны.

На основании законов излучения разработаны пирометры следующих типов:

суммарного (полного) излучения, в которых измеряется полная энергия излучения;

частичного излучения (квазимонохроматические), в которых измеряется энергия в ограниченном фильтром (или приемником) участке спектра;

спектрального распределения, в которых измеряется интенсивность излучения фиксированных участков спектра.

В пирометрах полного излучения оценивается не менее 90% суммарного потока излучения источника. При измерении температуры реального тела пирометры этого типа показывают не действительную температуру, а так называемую радиационную температуру тела. Поэтому эти пирометры называют радиационными. При известном суммарном коэффициенте черноты тела возможен пересчет с радиационной температуры тела на его действительную температуру. Исходя из этого, пирометры полного излучения удобно использовать при измерении разностей температур в неизменных условиях наблюдения в диапазоне от 100…3500С. Основная допустимая погрешность в технических пирометрах возрастает с увеличением верхнего предела измерения температуры. Так, для 1000С — 12%, для 2000С — 20%.

В радиационном пирометре (рис 2.84) лучи нагретого тела поступают на линзу 1, которая направляет их через диафрагму 2 на приемник излучения 3. приемник излучения состоит из большого числа термопар (термобатарея), горячие спаи которых выполнены в виде секторных тонких пластинок. Сигнал с термопар, соединенных последовательно, подается на отсчетное устройство ОУ. Через окуляр 4 с фильтром 5 производится наведение пирометра на объект измерения. Приемники полного излучения подразделяются на электрические (термобатареи, болометры, тепловые индикаторы, пироэлектрические кристаллы), пневматические (детектор Голея) и оптические (жидкие кристаллы). Наибольшая чувствительность (105В Вт-1) у пневматических приемников. У электрических она составляет от 10 –4до10–3В* Вт-1.

Приемники полного излучения отличаются тем, что их спектральная чувствительность постоянна в широком диапазоне длин волн от дальней инфракрасной области до ближней ультрафиолетовой. Для увеличения поглощательной способности чувствительные поверхности приемников окрашивают в черный цвет. Для уменьшения теплоотвода в среду приемник помещают в вакуумированные или газонепроницаемые корпуса.

Термобатареи выполняются на основе термопар, соединенных последовательно (до 20 термопар). Их горячие спаи располагаются на узком участке поверхности, на который фиксируется излучение.

Болометры – это термометры сопротивления, изготовленные либо из фольги проводящих металлов, либо из полупроводников (термисторов).

Тепловые быстродействующие индикаторы выполняются в виде тонкослойной термопары или болометра, в которых активный слой имеет хороший тепловой контакт с основанием. Они применяются для идентификации мощных сигналов, например лазерного излучения.

Пироэлектрические приемники –это кристаллы с определенным видом симметрии, в которых в зависимости от изменения температуры проявляется эффект спонтанной поляризации.

Пирометры полного излучения подразделяются на пирометры с преломляющей оптической системой (рис. 2.85, а) и пирометры с отражающей оптической системой (рис. 2.85,б).

В первом случае излучение от объекта измерения 1 через линзовый объектив 2 и диафрагму 3 поступает на приемник полного излучения 4. для наводки на объект измерения служит окуляр 6 с дымчатым фильтром 5 и диафрагмой 7. Отсчетным устройством является милливольтметр 9.

В пирометрах с отражающей оптической системой (рис.2.85 б) излучение от объекта измерения 1 попадает на приемник излучения 3 после прохождения через защитную полиэтиленовую пленку 2, диафрагму 4 и зеркальный объектив 5. Для наводки на объект излучения служит зрительная труба 6. Отсчет показаний производится по шкале милливольтметра 8. Полиэтиленовая пленка прозрачно для инфракрасного излучения и служит для защиты оптической системы пирометра от загрязнения потоков воздуха.

Пирометры частичного излучения работают в узком диапазоне волн, они называются квазимонохроматическими пирометрами. К данному типу относятся оптические и фотоэлектрические пирометры. Разновидностями оптических пирометров являются пирометр «с исчезающей нитью», пирометр «с оптическим круговым клином», фотоэлектрические монохроматические пирометры.

На рис.2.86, а изображена схема оптического пирометра «с исчезающей нитью», принцип действия которого основан на сравнении яркости объекта измерения и яркости градуированного источника излучения в определенной длине волны.

Изображение излучателя 1 с линзой 2 и диафрагмой 4 объектива пирометра фокусируется в плоскости нити накаливания 5. Оператор через диафрагму 6, линзу окуляра 8, красный светофильтр 7 на фоне раскаленного тела видит нить лампы. Перемещая движок реостата 11, оператор изменяет силу тока, проходящего через лампу, и добивается уравнивания яркостей нити и излучателя. Момент «исчезания» нити на фоне объекта соответствует равенству яркостей нити и объекта излучения. Регистрирующий прибор 9 фиксирует силу тока, соответствующую этому моменту, и позволяет произвести считывание результата измерения температуры объекта излучения. Красный светофильтр 7 пропускает область излучения с шириной около 0,1 мкм и с эффективной длиной волны 0,65 мкм.

Данный тип пирометров позволяет измерять температуры в интервале 700…8000С. Основная допустимая погрешность измерения для интервала температур 1200…2000С составляет20С.

Пирометр с оптическим круговым клином является модификацией описанного выше. В нем яркостную температуру нити лампы накаливания поддерживают постоянной, а уравнивание яркостей осуществляется перемещением оптического клина, пропускающего больше или меньше света от объекта. По положению клина судят о яркостной температуре объекта излучения.

Фотоэлектрические пирометры основаны на использовании зависимости интенсивности излучения от температуры в узком интервале длин волн спектра. В качестве приемников в данных пирометрах используются фотодиоды, фотосопротивления, фотоэлементы и фотоумножители.

На рис. 2.86, б приведена схема фотоэлектрического монохроматического пирометра, в котором в качестве приемника применяется фотоэлемент. Поток от излучателя 1 с линзой 2 и диафрагмой 3 объектива фокусируется на отверстии 7 в держателе светофильтра 5 таким образом, чтобы изображение визируемого участка поверхности излучателя перекрывало данное отверстие. В этом случае величина светового потока, падающего на катод фотоэлемента 6, расположенного за светофильтром 5, определяется яркостью излучателя, т.е. его температурой. В держателе светофильтра 5 расположено еще одно отверстие 8, через которое на фотоэлемент попадает поток от лампы 17 обратной связи. Световые потоки от излучателя 1 и лампы 17 подаются на катод попеременно через отверстия 7 и 8 с частотой 50 Гц, что обеспечивается с помощью вибрирующей заслонки 9.

При различии световых потоков излучателя 1 и лампы 17 в токе фотоэлемента появится переменная составляющая, имеющая частоту 50 Гц и амплитуду, пропорциональную разности данных потоков. Усилитель 13 обеспечивает усиление переменной составляющей, а фазовый детектор 14 – последующее ее выпрямление. Полученный выходной сигнал подается на лампу 17, что вызывает изменение тока накаливания. Это будет происходить до тех пор, пока на катоде фотоэлемента световые потоки от двух источников не уравняются. Следовательно, ток лампы обратной связи однозначно связан с яркостной температурой объекта измерения.

В цепь лампы 17 включено калибровочное сопротивление 16, падение напряжения на котором пропорционально силе тока и измеряется быстродействующим потенциометром 15, снабженным температурной шкалой.

В фотоэлектрических пирометрах с пределами измерения 500…1100С применяется кислородно-цезиевый фотоэлемент, а в приборах со шкалой 800…4000С – вакуумный сурьмяно-цезиевый. Пределы допускаемой погрешности до 2000С не превышают1%.

Фотоэлектрические пирометры характеризуются малой инерционностью (до 10-3с), поэтому их используют для регистрации быстропротекающих температурных процессов, а также для измерений температуры малых объектов.

Пирометры спектрального распределенияизмеряют цветовую температуру объекта по отношению интенсивностей излучения в двух определенных участках спектра. Основное преимущество таких пирометров заключается в независимости их показаний от излучательной способности объекта, а также от наличия дыма, пыли и испарений в пространстве между объектом и пирометром.

В пирометрах сравнения (рис. 2.87,а) отношение спектральных интенсивностей оценивается субъективно по цветовому ощущению, создаваемому смесью двух монохроматических пучков. Излучение от объекта измерения 1 чрез объектив 2, нейтральный оптический клин 3 и двойной светофильтр 4 направляется к фотометрическому кубику 5. Двойной светофильтр 4 выполнен в виде двух клиньев (красного и зеленого), относительным перемещением которых можно изменять соотношение между интенсивностями красного и зеленого цветов. На фотометрический кубик поступает также излучение от лампы 9 через матовое стекло 10, красный и зеленый светофильтр 11 и объектив 12. Через окуляр 6 глаз оператора 8 видит два участка, соответствующих излучению от объекта измерения 1 и лампы 9, окрашенных смесью зеленого и красного цветов с различным соотношением их интенсивности. Взаимным смещением оптических клиньев двойного светофильтра 4 уравнивают соотношение излучения объекта измерения 1 и излучения лампы 9. Для уравновешивания соотношения цветов необходимо равенство яркостей излучения объекта и лампы. Этого добиваются изменением положения нейтрального оптического клина 3. После уравновешивания положения нейтрального клина определяют яркостную температуру, а положение одного из клиньев двойного светофильтра определяет цветовую температуру объекта.

Оператор, работающий с пирометром сравнения, должен обладать хорошим цветоощущением.

В пирометрах спектрального отношения (рис.2.87,б) вводится модуляция светового потока. Световой поток от объекта измерения 1 прерывается обтюратором 4 с двумя светофильтрами, пропускающими излучение на двух длинах волн1и2к фотоэлементу 5. Переменная составляющая выходного сигнала фотоэлемента усиливается в усилителе 6 и подается на реверсивный двигатель 7, который перемещает уравновешивающий фильтр 3 до тех пор, пока не уравняются интенсивности излучения на обеих длинах волн. В положении равновесия перемещение фильтра 3 является мерой измеряемой температуры.

Термопары. Назначение, устройство, принцип действия, работа. Марки и градуировки термопар.

Термопары являются датчиками температуры и работают в комплекте с вторичными приборами: милливольтметрами и потенциометрами. Термопара представляет собой спай из двух разнородных металлических проводников (термоэлектродов), которые предназначены для измерения температуры в объекте.

1 – «горячий» спай (рабочий);

2 — положительный термоэлектрод;

3 — отрицательный термоэлектрод;

4 — «холодные» концы (свободные);

5 – компенсационные провода.

Принцип действия термопары основан на термоэлектрическом эффекте (эффект Зеебека).

Он гласит: «В замкнутой цепи из двух разнородных металлических проводников возникает электрический ток, если два места соединения (спая) имеют разную температуру». Термо э.д.с. на концах термопары зависит от материала термоэлектродов и температуры «горячего» и «холодного» спаев.

Для технических измерений применяют термопары из следующих материалов

1. ТХК — термопара хромель – копель, пределы измерения от -50 0 С до +600 0 С (кратковременно 800 0 С);

2. ТХА — термопара хромель – алюмель, от -50 0 С до +1000 0 С (кратковременно 1300 0 С);

3. ТПП — термопара платинародий – платина от -20 0 С до +1300 0 С

(кратковременно 1600 0 С);

4. ТПР — термопара платинародий — платинародий от (+300 0 С до +1600 0 С) (кратковременно+1800 0 С)

5. ТВР — термопара вольфрам – рений (до 2300 0 С)

Градуировки термопар

Гр. ХК; Гр. ХА; Гр. ПП; Гр. ПР 30/6 ; Гр. ВР 5/20.

Положительным является электрод, материал которого стоит первым в градуировке, отрицательным — второй.

Билет №15

Расход (определение), виды расходов, единицы измерения.

Расход – это количество продукта, протекающего через поперечное сечение трубопровода в единицу времени.

Различают: массовый и объемный расходы.

Единицы измерения массового расхода:

т/час; т/мин; т/с; кг/час; кг/мин; кг/с; г/час; г/мин; г/с.

Единицы измерения объемного расхода:

м 3 /ч; м 3 /мин; м 3 /с; л/час; л/мин; л/с.

Билет №16

Классификация приборов для измерения расхода по принципу действия

Расход – это количество продукта, протекающего через поперечное сечение трубопровода в единицу времени.

Классификация приборов для измерения расхода по принципу действия:

1) расходомеры переменного перепада давления (85 %);

2) расходомеры постоянного перепада давления (7 %);

3) электромагнитные расходомеры;

4) расходомеры, основанные на других принципах измерения (тахометрические, ультразвуковые, тепловые, вихревые, вихреакустические, массовые).

Билет №17

Расходомеры переменного перепада давления

Действие этих приборов основано на возникновении перепада давления на установленном внутри трубопровода сужающем устройстве (СУ).

Перепад давления обозначается DP и определяется по формуле:

где Р1 — давление до сужающего устройства;

Р2 — давление после сужающего устройства.

Перепад давления измеряется дифманометром, зависит от расхода протекающего вещества и может служить мерой расхода.

Эти расходомеры широко распространены в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, т.к. обеспечивают:

1) возможность в широком диапазоне измерять расходы жидкостей, газов и паров при различных температурах и давлениях;

2) относительно высокую точность измерения;

3) регистрацию показаний и передачу их на расстояние;

В комплект расходомера входят:

1) сужающее устройство;

СУ предназначено для создания в трубопроводе переменного перепада давления.

Дифманометр предназначен для измерения этого перепада давления и преобразования его в пневматический или электрический сигнал с выходом на вторичный прибор.

Зависимость между расходом и перепадом давления – квадратичная. Поэтому шкала у дифманометров неравномерная (квадратичная).

где: Q- массовый расход;

α — коэффициент расхода;

Fo — диаметр отверстия сужающего устройства;

Термопары: виды, устройство и принцип работы

Термопара ГОСТ Р 8.585-2001 представляет собой устройство для измерения температуры, которое состоит из двух разнородных проводников, контактирующих друг с другом в нескольких или одной точке, которые иногда соединяют компенсационные провода. В тот момент, когда на одном из таких участков изменяется температура, создается определенное напряжение. Термопары часто используются для контроля температур разнообразных сред, а также для конвертации температуры в энергию, в частности, в электрический ток.

Коммерческий преобразователь стоит доступно, является полностью взаимозаменяемым, оснащен стандартными разъемами и может измерять широкий диапазон температур. В отличие от большинства других методов измерения градусов, термопары с автономным питанием не требуют внешнего способа возбуждения. Основным ограничением при работе термопар является точность; вполне возможны ошибки вплоть до одного градуса по Цельсию, что достаточно много для стандартного измерителя или контроллера.

Фото – Вид термопары

Основные параметры прибора зависят от материала. Любой узел из разнородных металлов будет производить электрический потенциал, относящийся к определенной температуре и образующий сопротивление. Термопары для практического измерения температуры созданы из конкретных сплавов, имеющих предсказуемую и повторяемую зависимость между температурой и напряжением. Различные сплавы используются для различных температурных диапазонов, если Вы хотите купить термопару, то предварительно обязательно проконсультируйтесь с продавцом-консультантом выбранной компании.

Существуют разные типы термопары, очень важно обращать внимание также на стойкость к коррозии. Если точка измерения находится далеко от измерительного прибора, промежуточное соединение может быть выполнено путем расширения проводов, которые являются менее дорогостоящими, чем материалы, используемые, чтобы сделать датчик. Приспособления обычно стандартизованы по отношению к эталонной температуре 0 градусов по Цельсию; производственные компании часто используют электронные методы компенсации холодного спая для корректировки изменения температуры на клеммах прибора. Электронные приборы могут также компенсировать прочие различные характеристики термопары, тем самым улучшить точность и достоверность измерений.

Фото – Термопара для котла

Применение термопары достаточно широкое: их используют в науке и промышленности; приспособлениями можно осуществлять измерение температуры для печей, газовой колонки, спая, газовых турбин выхлопных газов, дизельных двигателей и других промышленных процессов. Данные устройства термосопротивления также используются в частных домах, офисах и предприятий. Также они могут заменить термостаты в АОГВ и прочих газовых отопительных приборах.

Принцип действия термопары

Согласно правилу Зеебека, если проводник подвергается воздействию, его сопротивление и напряжение изменяется – это называется термоэлектрический эффект или эффект Зеебека. Любая попытка измерить это напряжение обязательно включает подключение другого проводника к «горячему» концу термопары. Этот дополнительный гибкий провод, потом также может стать градиентом температуры, а также разработать собственное напряжение, которое будет противостоять текущему. Величина этой разности напрямую зависит от металла, который используется при работе. Использование разнородных сплавов для замыкания цепи создает новую цепь, в которой два конца могут генерировать различные напряжения, в результате чего образуется небольшое различие в напряжении, доступные для измерения. Это различие увеличивается с ростом температуры и составляет от 1 до 70 микровольт на градус Цельсия (мкВ / ° C) для стандартных сочетаний металлов.

Фото – Принцип работы термопары

Напряжение не генерируется на стыке двух металлов термопары, а вдоль этой части длины двух разнородных металлов, подверженного градиента температуры. Поскольку обе длины разнородных металлов испытывают один и тот же температурный градиент, конечный результат является результатом измерения разности температур между термопарой и спаем. Пока контакт находится в постоянной температуре, это не имеет значения, каким образом узел изготовлен (это может быть пайка, точечная сварка, обжим и т.д.), однако это имеет решающее значение для точности. Если соединение выполнено недостаточно качественно, то получится более серьезная погрешность, чем градус. Особенно в высокой точности нуждается мультиметр с термопарой, разнообразные производственные датчики, контроллеры высоких температур для газовой печи и т.д.

Фото – Термопара арбат

Видео: Измерение температуры с помощью термопары

Типы термопары

В определенных условиях, легко создается термопара своими руками, но необходимо знать, какие бывают виды данных устройств, в частности, чем отличаются модели ТХА, ТХК, ТПП, ТВР, ТЖК, ТПР, ТСП. Они распределятся как:

Сплав хромель – константан. Данное соединение имеет высокую производительность (68 мкВ / ° C), что делает его подходящим для криогенного использования. Кроме того, он является немагнитным. Диапазон температур составляет от -50 ° С до +740 ° С.

Это железо – константан. Здесь область работы немного уже от -40 ° C до +750 ° C, но выше чувствительность – около 50 мкВ / ° С.

Это термопары, которые создан из сплав хромель алюминий. Они являются наиболее распространенными устройствами общего назначения с чувствительностью около 41 мкВ / ° C. Эти приборы могут работать в пределах -200 ° С до 1350 ° C / -330 ° F до +2460 ° F.

Фото – термопары хромель-алюмель

Термопары тип K могут быть использованы включительно до 1260 ° С в неокисляющих или инертных атмосферах без появления быстрого старения. В незначительно окислительной среде (например, углекислом газе) между 800 ° C-1050 ° С, проволока из хромеля быстро разъедается и становится намагниченной, также это явление известное как «зелена гниль». Это вызывает большое и постоянное ухудшение работы регулятора.

Класс термопар M (Ni / Mo 82% / 18% – Ni / Co 99,2% / 0,8%, по весу) используется в вакуумных печах. Максимальная температура составляет до 1400 ° С.

Никросил-нисиловые термопары являются подходящими для использования между -270 ° C и 1300 ° C, вследствие его стабильности и стойкости к окислению. Чувствительность около 39 мкВ / °С.

  1. Сплавы родия и платины

Платиновые термопары типа B, R, и S являются одними из самых стабильных термопар, но имеют более низкую термоЭДС, чем другие типы, всего около 10 мкВ / ° С. Класс B, R, и S обычно применяется только для измерения высоких температур из-за их высокой стоимости и низкой чувствительности.

Обозначение B у термопары означает, что в её состав входят такие металлы, как Pt / Rh 70% / 30% – Pt / Rh 94% / 6%, подходят для использования в среде до 1800 ° C. Класс S применяются до 1600 градусов, в то время как C до 1500.

  1. Сплавы рения и вольфрама

Эти термопары хорошо подходят для измерения очень высоких температур. Типичная область их применения – то автоматика промышленных процессов, производство водорода, вакуумные печи (особенно перед выходом обрабатываемого материала). Но ими нельзя работать в кислотных средах.

Монтаж термопары

Импортные термопары устанавливаются точно также, как и отечественные, замена производится своими руками, рассмотрим самый простой метод.

  1. Открутите медную или свинцовую гайку подключения внутри резьбового соединения к газовой линии.
  2. Под монтажным кронштейном на термопаре нужно отвинтить компенсационный винт, который держит трубку на место.
  3. Вставьте новую термопару в отверстие кронштейна. Убедитесь, что система не подключена к газовому или электрическому снабжению.
  4. Нажмите на гайку для резьбового соединения, где медный провод подключается к газовой линии. Убедитесь в том, соединение чистое и сухое.
  5. Плотно закрепите соединение, но не перетягивайте, при необходимости установите керамический уплотнитель или защитные прокладки.

Нужно отметить, что контролер плиты должен быть вмонтирован не слишком сильно, но чтобы руками он не отсоединялся.

Фото – Термопара для печи

При установке медная и стальная труба подачи и отвода топлива или прочих веществ, направлены вниз – это очень важная зависимость.

Концевой выключатель расположен под автоматом контроля безопасности на печи, чуть ниже пленума. Если пленум становится слишком горячим, концевой выключатель отключает горелку. Он также отключает вентилятор, когда температура падает до определенного уровня, после того, как горелка выключается. Если вентилятор работает постоянно, либо контроль вентилятора на термостате был установлен в положение ВКЛ, то выключатель нуждается в корректировке. В первую очередь проверьте термостат. Если элемент был включен, то переведите его в автоматический режим, с предварительной установкой сигнала.

Любая лабораторная система контроля требует настройки. Градуировка или калибровка термопары также может осуществляться самостоятельно.

Для регулировки переключателя, снимите крышку элемента управления. Под ней находится зубчатый циферблат. Есть два указателя на стороне вентилятора. Указатели должны быть установлены около 25 градусов. Установите верхний указатель около 115 градусов по Фаренгейту, а нижний около 90 градусов. Если Вы почувствовали запах газа при выполнении этих работ или включения, нужно проверить утечку и уплотнители. Таким же способом можно заменить кабель и прочие детали системы.

Изготовление осуществляется на специальных заводах. Часто ремонт устройств можно осуществить непосредственно в дилерских центрах. Средняя стоимость термопары pt100 или овен (гильза с хромелем алюминия) составляет от 3 долларов до 6 в Москве. Перед покупкой обязательно проконсультируйтесь со специалистом, какое приспособление Вам необходимо, при потребности Вам будет предоставлена таблица предлагаемой продукции.

Классификация по типам

При желании возможно создать такой прибор даже самостоятельно. Однако следует все же знать некоторые особенности таких преобразователей, их различие по типу применяемых материалов. А классифицируются виды термопар так:

  1. Тип E. Используется сплав хромель – константан. Эти датчики обладают высокой чувствительностью – до 68 мкВ/°C. Подходят для криогенного использования. Температуры, при которых возможно применение, колеблются от -50 °C до +740 °C.
  2. Тип J. Здесь применяют состав железо – константан. Используются для условий в температурных диапазонах от -40 °C до +750 °C. Имеет повышенную производительность –50 мкВ / °С.
  3. Термопары типа K выполняются на основе сплава хромеля и алюминия. Это, несомненно, самые популярные датчики широкого назначения. Обладают производительностью до 41 мкВ/°C. Применяются в температурных диапазонах от -200 °С до +1350 °C. В неокисляющих и инертных условиях датчики типа K используются до 1260 °C.
  4. Тип M. Эти термопары применяются в основном в вакуумных печах. Используются при температурах до +1400 °C.
  5. Регуляторы типа N — никросил-нисиловые. Они стабильны и стойки к окислению, имеют производительность 39 мкВ/ °C. Поэтому их используют при температурах от -270 °C до +1300 °C.
  6. Устройства типов B, R и S выпускаются из сплава родия и платины. Класс B, R и S — датчики довольно дорогие и имеют низкую производительность: всего 10 мкВ/° C. Используются благодаря высокой надежности исключительно для измерения высоких температур.
  7. Датчики на основе сплавов рения и вольфрама. В основном они работают в автоматике промышленных процессов, в производстве водорода и так далее. Не рекомендуется применять в кислотных средах.

Технические характеристики прибора

Примечательно, что термопарам не нужны никакие дополнительные источники питания. Они применяются для измерения температур достаточно большого диапазона: от -200 °C до +2000 °C. При этом они обладают меняющимися параметрами. Проблематично еще и то, что надо учитывать влияние температуры свободных концов на заключительные результаты измерений. Помимо этого, низкое выходное напряжение требует достаточно точных усилителей.

Ярким примером использования приборов, созданных по принципу термопар, служат компактные цифровые термометры. В настоящее время — это основной и, пожалуй, самый массовый прибор для осуществления статических и динамических измерений.

Выходным сигналом термопары является постоянное напряжение. Он достаточно просто преобразуется в цифровой код. А затем его можно измерить с помощью простейших приборов. Для этих целей можно взять, к примеру, малогабаритный цифровой мультиметр.

Измерительные приборы на основе термопар отличает высокая точность и чувствительность, а также правильность характеристик преобразования. Обычно напряжение на выходе колеблется от 0 до 50 мВ, а типичная производительность — от 10 до 50 мкВ/°C. Все зависит от используемых в датчике материалов.

Основной принцип работы

В основу принципа работы термопары положен термоэлектрический эффект, называемый иначе эффект Зеебека. Он гласит, что когда проводник подвергается воздействию, соответственно изменяется его сопротивление и напряжение.

Принцип действия термопары состоит в том, что если соединить последовательно два разнородных металлических проводника, то при этом образуется замкнутая электрическая цепь. Если затем нагреть это соединение, то в цепи возникнет электродвижущая сила (термо-ЭДС). Под ее воздействием в замкнутой цепи и возникает электрический ток.

Место нагрева, как правило, называют горячим спаем, соответственно холодный спай не нагревается. Значение термо-ЭДС измеряется путем подключения в разрыв электрической цепи гальванометра или микровольтметра. То есть она напрямую зависит от разности температур между холодным и горячим спаем.

Вследствие нагревания места соединения проводников термопары между свободными концами образуется разность потенциалов. Она легко преобразовывается в цифровой код. Возникает возможность определения температуры нагрева на месте соединения проводников.

Для точности проведения измерений холодный спай должен всегда иметь неизменную температуру. Поскольку этого довольно сложно добиться, применяются компенсационные схемы.

Достоинства и недостатки

Термопары обладают многими достоинствами в сравнении с аналогичными термоэлектрическими датчиками температуры. К плюсам, например, относят:

  • простая конструкция;
  • прочность;
  • надёжность;
  • универсальность;
  • низкая стоимость;
  • можно пользоваться в самых разных условиях;
  • можно измерять самые разные температуры;
  • точность произведенных измерений.

Однако, как и любой другой прибор, эти датчики имеют свои недостатки:

  • довольно низкое напряжение на выходе;
  • нелинейность.

Измерение температур с использованием термопар, изобретенное еще в XIX веке, достаточно широко применяется в современном производстве. Кроме того, существуют такие сферы деятельности, где применение этих датчиков становится порой единственным возможным способом получения необходимых измерений.

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

Общие характеристики

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

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

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

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

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

ВИДЕО: Измерение температуры с помощью термопары

Принцип действия термопары

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

Схематическая работа устройства

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

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

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

Конструкция устройства

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

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

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

Термопара для котельного оборудования

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

Разновидности термопары

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

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

Принцип работы термопары

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

Монтаж

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

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

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

Термопара для печи

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

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

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

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

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

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

Преимущества и недостатки применения измерителя

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

  • Широкий диапазон температурных режимов, делающих устройство самым устойчивым контактным датчиком перед высокими показателями.
  • В результате нарушения целостности спая можно полностью заменить узел или создать прямой контакт непосредственно через измеряемые системы.
  • Простота устройства, прочность и большой эксплуатационный срок.
  • При установке температурного датчика необходимо регулярно контролировать изменения напряжения холодных спаев. Для облегчения задачи требуется приобрести дополнительный термистор. Также можно заменить устаревший прибор полупроводниковым сенсором, способным автоматически вносить изменения в ТЭДС.
  • Подверженность к поражению коррозией, в результате чего происходит термоэлектрическая недостаточность и нарушение градуировочных характеристик.
  • Электроды состоят из материалов, которые не считаются химически инертным, поэтому при нарушении герметичности корпуса система становится подверженной агрессивным процессам окружающей среды.
  • Длинные термопарные провода образовывают электромагнитное поле.
  • Возникают сложности в процессе создания вторичного преобразователя сигналов из-за несущественного взаимодействия ТЭДС и температурных режимов.
  • Для стабильной работы с термической инерцией, обязательным условием термопара считается обеспечение качественной электроизоляцией, заземление функционирующих спаев, предостерегающих от возникновения утечки в землю.

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

Назначение

Термоэлектрический преобразователь, или термопара, является приспособлением, используемым для контроля температуры на промышленных предприятиях, в процессе научных исследований, при эксплуатации автоматики и в медицинских учреждениях.

Физическая величина, численно определяющая размер энергии тела, получаемой за счет движения молекул веществ, в зависимости от теплоты, называется температурой. Поскольку непосредственно температуру вещества измерить невозможно, то ее величину определяют, благодаря трансформации иных физических параметров вещества. В качестве таких физических параметров могут выступать давление, электрическое сопротивление, объем, интенсивность излучения, температурная электродвижущая сила, коэффициент расширения вещества и ряд других.

Существует два способа контроля температуры:

  • При непосредственном контакте с объектом с помощью термопар;
  • При отсутствии непосредственного контакта с объектом – пирометрия либо термометрия излучения используется при необходимости измерения очень больших температур.

Особенностью работы термопары является наличие термоэлектрического эффекта, или эффекта Зеебека, названного в честь ученого, открывшего данное явление в 19 веке. Сущностью такого эффекта является наличие контактной разности потенциалов между разнородными проводниками. Соответственно, принцип работы термопары заключается в следующем.

При скрутке двух концов разнородных проводников или сплавов таким способом, чтобы они представляли собой закольцованную электрическую цепь, и если далее поддерживать противоположные окончания проводов при разной температуре, то в данной цепи сформируется термоэлектродвижущая сила, величина которой будет пропорциональна разности температур между скрутками проводников. Соответственно, цепь, состоящая из двух разнородных проводников либо сплавов, является термопарой, или термоэлементом.

Величина тока работающих термопар зависит от:

  1. Материала проводников;
  2. Разности температур на противоположных спайках.

Проводник термоэлектрического преобразователя, по которому электрический ток направлен от горячей спайки к холодной, является положительным, при обратном направлении электрического тока термоэлектрод является отрицательным. Маркировка термопары осуществляется в следующем порядке:

  1. Принадлежность самого устройства;
  2. Материал положительного проводника;
  3. Материал отрицательного проводника.

Разновидности и конструктивные особенности

Термопары ввиду своих структурных особенностей подразделяются на такие виды:

  1. По специфике применения:
  • Наружное;
  • Погружаемое.
  1. По особенностям предохраняющего кожуха:
  • без кожуха;
  • со стальным кожухом – устройство эксплуатируется для контроля температур до 600оС;
  • со стальным кожухом из специфического сплава – устройство необходимо для измерения температур до 1100оС;
  • с кожухом из фарфора – устройство применяется для контроля температур до 1300оС;
  • со стальным кожухом из тугоплавких сплавов – устройство эксплуатируется при температурах более 2000оС.
  1. По методу фиксации термопреобразователей:
  • С неподвижным чувствительным элементом;
  • С подвижным чувствительным элементом;
  • С подвижным креплением.
  1. По герметичности клемм:
  • С простой верхушкой;
  • С водонепроницаемой верхушкой;
  • Без колпачка, со специфической герметизацией выводных клемм.
  1. По изолированности:
  • Изолированные от влияния активных или неагрессивных сред;
  • Не изолированные.
  1. По герметизации от большого давления:
  • Не герметичные;
  • Герметичные.
  1. По стойкости к механическому влиянию:
  • Устойчивые к вибрации;
  • Ударостойкие;
  • Простые.
  1. По количеству контролируемых зон:
  • Рассчитанные на одну зону;
  • Рассчитанные на несколько зон.
  1. По скорости реакции на изменение температуры:
  • С высокой инерционностью. Скорость реагирования составляет до 210 секунд;
  • С посредственной собственной инерцией. Скорость реакции составляет до 60 секунд;
  • С малой инерционностью. Скорость реакции составляет до 40 секунд;
  • С ненормированной скоростью реакции.
  1. По длине функционирующей части:
  • Длиной от 120 мм до 1580 мм. Находят свое применение в однозонных термопарах;
  • Длиной до 20000 мм. Используются в многозонных термопарах.

К конструктивным особенностям термопар относятся:

  1. Рабочий спай двух проводников в основном образовывается путем электродуговой сварки предварительно скрученных термоэлектродов. Одним из способов соединения является пайка, однако подключение термопары вольфрам-рениевой или вольфрам-молибденовой обходится обычным скручиванием без дополнительной сварки;
  2. Проводники соединяются только в активной части. Остальная часть проводов строго изолируется;
  3. Изоляционным материалом может быть любой источник, вплоть до воздуха, однако температура измеряемой среды должна быть ниже 120оС. При температурах вещества до 1300оС применяются фарфоровые изоляторы. Поскольку при t> 2000оС фарфор теряет свои физические свойства и размягчается, то применяются трубки из окиси алюминия, магния, бериллия, тория, циркония;
  4. Для предотвращения механического влияния на термопару ее помещают в предохранительную трубку-кожух с герметизированным концом. Этот кожух должен обеспечивать изоляцию от внешней среды, предотвращать механические натяжения и обеспечивать хорошую теплопроводность. Выдерживание предельной температуры термопары в течение длительного времени и стойкость к активной среде контролируемого вещества являются основополагающими требованиями к трубке-кожуху.

Типы термопар и их характеристики

Термопара хромель-алюмель (ТХА)

Термопара хромель-алюмель ТП6

Термоэлектрический преобразователь хромель-алюмель предназначен для эксплуатации в агрессивных и благородных средах, а также допускается использовать в сухом водороде и вакууме, однако на короткое время. Отличительной особенностью ТХА является максимальная устойчивость к облучению внутри ядерного реактора. К недостаткам устройства относятся сравнительно высокая восприимчивость к механическим воздействиям и непостоянство температурной электродвижущей силы. Такие типы термопар применимы для измерения температуры вещества от -200оС до 1100оС и эксплуатируются в основном в сталеварных печах, энергосиловой аппаратуре, отопительных приборах и научной работе.

В качестве положительного электрода выступает проводник никелевого сплава хромель НХ9,5, а роль отрицательного электрода занимает проволока никелевого сплава алюмель НМцАК2-2-1.

Термопара хромель-копель (ТХК)

Термопара хромель-копель ТХК 1199

Основными областями по применению термопар хромель-копель являются промышленные, производственные предприятия и сфера научных исследований. Наряду с остальными термопарами, устройство работает в основном для длительных измерений температуры до 600оС, хотя граничные пределы по температуре составляют от -253оС до 1100оС. Имеется максимальная восприимчивость из всех выпускаемых термопар, также присутствует паразитная большая восприимчивость к механическому воздействию на термодатчик. В качестве проводника для позитивного щупа используется никелевый сплав хромель НХ9,5, проволокой же для негативного щупа является медно-никелевый сплав копель МНМц43-0,5.

Термопара железо-константан (ТЖК)

Термоэлемент ЖК нашел применение в научных испытаниях и производственных предприятиях в агрессивных, благородных, восстановительных веществах и вакууме при -203оС Термопара вольфрам-рений (ТВР)

В производстве керамики, тугоплавких металлов, твердых сплавов, разливке стали, контроле температуры газовых потоков, низкотемпературной плазмы применяется термопара вольфрам-рений. Эти типы термопар считаются наилучшими термопарами в промышленности с рабочей t>1800оС. Веществами, с которыми эксплуатируется термопара, являются сухой водород, азот, гелий, аргон и вакуум при температуре 1300оС Термопара вольфрам-молибден (ТВМ)

Будучи очень дешевыми термопарами, эти типы термопар массово эксплуатируются для

измерения температуры в благородных средах, водороде, вакууме, при 1400оС 1400оС.

Позитивные и негативные электроды изготавливаются из вольфрамовой и молибденовой проволоки, которые являются металлами технической чистоты.

Термопара платинородий-платина (ТПП)

Функциональность ТПП характеризуется максимальной достоверностью и устойчивостью, потому широко применяется в научных опытах и технике. Также за счет своих физических особенностей ТПП стала эталоном температурной шкалы МПТШ-68. Комфортный температурный диапазон – до 1600оС. Слабой стороной ТПП является повышенная восприимчивость к загрязнениям, очень высокая цена, нестабильная работа при облучении. В качестве материалов щупов выступают сплавы платинородия ПР10 или ПР13 для позитивного щупа и платина для негативного щупа.

Термопара платинородий-платинородий (ТПР)

Эти типы термопар, прежде всего, эксплуатируются при производстве цемента, стали и стекла, огнеупоров, ввиду возможности длительное время контролировать температуру более 1400оС. Помимо возможности применения в вакуумной среде, к дополнительным преимуществам ТПР относятся сравнительно большая устойчивость при очень больших температурах, лучшая механическая прочность, практически отсутствие хрупкости и минимальная восприимчивость к загрязнению. Проводник электропозитивного щупа изготовлен из платинородия ПР30, негативный щуп выполнен на платинородия ПР6.

Изложенный материал объясняет, что такое термопара, их разнообразие, специфические особенности и сферы использования. Становится понятен физический смысл и порядок определения температуры в той или иной среде.

Как подключить термопару

Термопарами широко пользуются для измерения температуры на различных объектах и автоматизированных системах контроля и управления. Использование для измерения температуры термопарами является популярным благодаря своей простоте и конструкционной надежности датчика. Термопары (термоэлектрические преобразователи) можно использовать при больших температурных диапазонах, кроме того, они являются очень дешевыми.

В общем, у них множество плюсов. Какие способы есть для подключения термопары и измерения температуры нужного объекта?

Вы можете воспользоваться для подключения термопар к приборам специальными термоэлектродными (компенсационными) проводами. Для их изготовления надо использовать те же материалы, что использовались при изготовлении самой термопары. Вы можете также пользоваться металлическими проводами, имеющими термоэлектрические характеристики, которые являются аналогичными свойствам электродов на самой термопаре. Вы должны соблюдать полярность в процессе соединения компенсационных проводов с ней.

Позаботьтесь об экранировании линии связи прибора и датчика. Благодаря этому вы избежите пагубного воздействия помех на измерительные элементы термопары. Пользуйтесь как экраном заземленной стальной трубой. Если вы не будете соблюдать данное условие, то в процессе измерения могут возникнуть значительные погрешности.

Для измерения температуры, которую имеет компьютерный процессор, вам надо просверлить радиатор по центру, затем произвести установку датчика именно в это место. При этом вам надо прижать датчика используя любые подручные средства. Вы можете использовать клей для его закрепления, но при использовании этого варианта у вас могут возникнуть некоторые сложности. Кроме вы будете испытывать сложности с теплопроводностью самого радиатора, поэтому этим методом необходимо пользоваться только в крайнем случае.

Произведите подключение электронной измерительной системы или измерительного прибора на концы термоэлектродов или в месте разрыва одного из них. Термопарой и измерительным электрическим прибором будет образован термоэлектрический термометр. В тех местах, где подключаются проводники термопары, начнет появляться термоЭДС. Оно оказывает воздействие на вход в измерительную систему, при этом сумма сигналов начинает поступать из рабочей термопары, а также «термопар», возникших в местах их подключения.

Для того чтобы не допустить этого эффекта, вам надо стараться постоянно думать о поддержании температуры в холодном спае. Эта температура должна измеряться с помощью другого датчика, затем величина термоЭДС должна быть отнята от сигнала от термопары.

Что такое термопара: виды, характеристики и принцип работы термопары лабораторных печей

Промышленные и лабораторные печи используются для подготовки и обработки различных материалов. Техника выполняет множество термозадач. Измерить степень прогрева, соответственно контролировать рабочие процессы, легко при помощи термопары. Можно приобрести уже готовый элемент или создать его собственноручно.

Термопары имеют различные граничные показатели, что позволяет подобрать вариант, работающий с определенным температурным диапазоном

Особенности термопары для муфельной печи

Термопара для электропечи – это деталь, позволяющая измерять температуру в различных, в том числе и экстремальных условиях. Выполняется элемент из двух спаянных в одной точке проводников. Проволока изготавливается из спецсплавов. Нагреваясь, основа вырабатывает электричество. Чем выше температура в камере, тем больше милливольт образуется.

Термопара выполняется из двух проводников, которые выполнены из разных сплавов. Соединяются они между собой исключительно с одной стороны

Выпускаются термопары в разном исполнении, отличаться может:

  • Толщина электродов.
  • Материал проводов.
  • Внешняя оболочка.
  • Клемника и т.д.

Tермопарная оболочка выполняется как из специализированных сплавов, так и керамики

Конструктивные особенности термопары

Перед тем, как сделать термопару убедитесь, что выбранный способ исполнения подойдет для предполагаемых производственных условий. Тип конструкции напрямую отражается на:

  • Максимальной рабочей температуре.
  • Среде применения.
  • Эксплуатационном сроке.

Из конструктивных особенностей заострить внимание стоит на:

  • Соединении. Электродные кончики скручиваются между собой и скрепляются в одной точке. Для этого применяют сварку или пайку. Тугоплавкую проволоку нередко соединяют скруткой, не сваривая. При этом стыковка возможна исключительно в рабочем спае. По длине необходимо оградить провода от взаимодействия.
  • Изоляции. Как изолировать электроды, зависит от наибольшего температурного предела. Для максимальной отметки от +100°С до +120°С может применяться любой способ, в том числе и воздушный. Если отметка достигает +1300°С, используют фарфоровые одно- и двухканальные трубки. Пирометрическая керамика не подойдет для более высоких температур, она может размягчиться. В этом случае рекомендуются трубки из окиси алюминия, выдерживающие до +1950°С. Для t° от +2000°С применяют изоляцию из окиси магния или бериллия, а также двуокиси тория или циркония.
  • Внешней защите. Обязательно нужно учитывать рабочую среду. Термопару защищают при помощи металлической, керамической или металлокерамической трубки-чехла с закрытым концом. Благодаря ей обеспечивается механическая стойкость элемента, его герметичность.

Создавая электропечь для промышленных целей, важно правильно подобрать защитный материал термопары. Убедитесь, что он сможет выдержать длительное пребывание в граничных температурах. Учитывается степень стойкости к химической среде, газонепроницаемость и теплопроводность

На чем основан принцип работы термопары

Как работает термопара – принцип работы базируется на термоэлектрике. Его действие заключается в следующем:

  • Между спаянными элементами образуется контактное отличие потенциалов.
  • Когда участки состыкованных в цепь проводов с равным нагревом, сумма разностей – ноль.
  • Если спайки имеют не одинаковую отметку нагрева, отличие потенциалов будет зависеть от имеющегося термопоказателя.

Как работает термопара – схема подключения измерителя градации температур в муфельной печи

Показатель пропорциональности – это коэффициент термо-ЭДС. Если отметка 0, значит ток не течет. Если величина выше или ниже ноля – между концами появится перепад потенциалов.

Принцип действия термопары легко рассмотреть на примере эффекта Зеебека. Спайки из сплава с не нулевыми коэффициентами термо-ЭДС, помещены в зону с определенной t° – T1. Получаем напряжение, возникшее между нашими контактами. Возникает другая термоотметка – T2. Показатель будет соответствовать разности температур T1 и T2

Основные виды термопар

Применяются термопары в оборудовании различного назначения. Поэтому для проводников используются разнообразные сплавы, характеристики которых позволяют предельно точно длительно или кратковременно определять температуру в среде.

Согласно ГОСТ термопары делят на категории ТСП, ТНН, ТМК, ТПР, ТМК, ТЖК, ТВР, ТПП, ТХК и ТХА. Их подразделяют на подгруппы, учитывая материалы для проводников и предельные температуры:

Тип

Сплавы

Максимальная температура

Свойства

Е

Немагнитное соединение, характеризующееся высокой производительностью

J

Сплав отличается чувствительностью к изменению температур

К

Подходит для инертных и неокисляющих атмосфер

М

Применяется для вакуумных печей.

N

Универсальны, характеризуются высокой стабильностью

В, R, S

Используется для вакуумной, газовой и окисленной среды

Таблица основных классов и характеристики термопар

Как выбрать термопару для муфельной печи

Если Вам необходима термопара для муфельной печи, при выборе подходящей модели обратите внимание на:

  • Длину проводника.
  • Диаметр измерительного штыря.
  • Сечение провода.
  • Диапазон температур.
  • Стабильность показателей.

При выборе термопары для лабораторных или промышленных муфельных печей, обязательно учитывайте максимальные рабочие температуры и длительность процессов

Как сделать термопару

Независимо от того, создаете вы электропечь своими руками, или заменяете поврежденные элементы, важно соблюдать правила установки всех деталей. Подключение термопары к преобразователю может осуществляться одним из вариантов:

  • Дифференциальным. Применяются два спаянных проводника, с разными ЭДС коэффициентами. Преобразователь подсоединяется к месту разрыва одного из электродов.
  • Простым. Подключение системы выполняется напрямую к двум термо проводам.

Чтобы дистанционно подключить термопары, необходимо выбрать провода. Есть два основных типа

  • Компенсационные. Чаще всего применяют для термопар, выполненных из драгсплавов. Их состав отличается от электродного.
  • Удлинительные. Выполняются из материала, используемого для электродов, но имеют иное сечение.

Материалы для термопары имеют свои особенности, достоинства и недостатки. Учитывайте все факторы, чтобы выбрать наиболее подходящий вариант, для конкретных задач

Если Вам нужна многофункциональная, хорошая муфельная печь обращайтесь в ТД «Лабор». Специалисты компании помогут разобраться во всех деталях и подберут оптимальный вариант оборудования, учитывая все производственные нюансы!

Выбор датчика температуры

Термопары (термоэлектрические преобразователи)

Принцип действия термопары

Термопара – старейший и до сих пор наиболее распространенный в промышленности температурный датчик. Действие термопары основано на эффекте, который впервые был открыт и описан Томасам Зеебеком в 1822 г. Наиболее правильное определение этого эффекта следующее: a difference of potential will occur if a homogeneous material having mobile charges has a different temperature at each measurement contact. (Если гомогенный материал, обладающий свободными зарядами, имеет разную температуру на измерительных контактах, то между контактами возникает разность потенциалов). Для нас более привычно обычно приводимое в литературе несколько другое определение эффекта Зеебека – возникновении тока в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при наличии градиента температур между спаями. Второе определение, очевидно, следует из первого и дает объяснение принципу работы и устройству термопары. Однако, именно первое определение дает ключ к пониманию эффекта возникновения ТЭДС не в месте спая, а по всей длине термоэлектрода, что очень важно для понимания ограничений по точности, накладываемых самой природой термоэлектричества. Поскольку генерирование ТЭДС происходит по длине термоэлектрода, то показания термопары зависят от состояния термоэлектродов в зоне максимального температурного градиента. Поэтому поверку термопар следует проводить при той же глубине погружения в среду, что и на рабочем объекте. Учет термоэлектрической неоднородности особенно важен для рабочих термопар из неблагородных металлов.

Главные преимущества термопар:

— широкий диапазон рабочих температур, это самый высокотемпературный из контактных датчиков.
— спай термопары может быть непосредственно заземлен или приведен в прямой контакт с измеряемым объектом.
— простота изготовления, надежность и прочность конструкции.

Недостатки термопар:

— необходимость контроля температуры холодных спаев. 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.
— возникновение термоэлектрической неоднородности в проводниках и, как следствие, изменение градуировочной характеристики из-за изменения состава сплава в результате коррозии и других химических процессов.
— материал электродов не является химически инертным и, при недостаточной герметичности корпуса термопары, может подвергаться влиянию агрессивных сред, атмосферы и т.д.
— на большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.
— зависимость ТЭДС от температуры существенно не линейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.
— когда жесткие требования выдвигаются к времени термической инерции термопары, и необходимо заземлять рабочий спай, следует обеспечить электрическую изоляцию преобразователя сигнала для устранения опасности возникновения утечек через землю.

Общие сведения и особенности работы термопар

Стандартные таблицы для термоэлектрических термометров и классы допуска и диапазоны измерений приведены в ГОСТ Р 8.585-2001 «Государственная система обеспечения единства измерений. Термопары. Номинальные с татические характеристики преобразования». Эти данные приводятся также в разделе справочник.

Наиболее точные термопары – с термоэлектродами из благородных металлов: платинородий-платиновые ПП (тип S ( Pt-10%Rh / Pt) (тип R (Pt-13%Rh / Pt), платинородий-платинородиевые ПР (тип В (Pt-30%Rh / Pt-6%Rh)). Преимуществом является значительно меньшая термоэлектрическая неоднородность, чем у термопар из неблагородных металлов, устойчивость к окислению, вследствие чего высокая стабильность. Преимуществом термопары типа ПР также является практически нулевой выходной сигнал при температурах вплоть до 50 °С, таким образом устраняется необходимость термостатирования холодных спаев. Недостатком является высокая стоимость и малая чувствительность (около 10 мкВ/К при 1000 °С). Хотя платинородиевые термопары превосходят по точности и стабильности термопары из неблагородных металлов и сплавов, минимальная расширенная неопределенность результата измерения температуры в диапазоне до 1100 °С составляет 0,2-0,3 °С. Причины нестабильности термопар связаны с загрязнением, окислением и испарением материалов термоэлектродов. При температурах 500-900 °С формируется стабильный окисел родия. Недостаток родия изменяет состав платино-родиевого термоэлектрода, что приводит к изменению зависимости ЭДС от температуры и к возникновению термоэлектрических неоднородностей.

В последние годы за рубежом были разработаны и исследованы термопары из чистых металлов: золото-платиновые и платина-палладиевые. По результатам опубликованных исследований можно сделать вывод о их лучшей стабильности и точности по сравнению с платинородий-платиновыми термопарами (см. в разделе публикации «Термопары из чистых металлов»)

Термопары из неблагородных металлов очень широко используются во всех отраслях промышленности. Они дешевы и просты в обращении, устойчивы к вибрациям, могут выпускаться во взрывозащищенном исполнении. Особенно удобны в обращении кабельные термопары, электроды которых заключены в специальный герметичный гибкий кабель с минеральной изоляцией. Такая конструкция позволяет расположить термопару в самых сложных конструктивных узлах объекта. Преимуществом термопар также является высокая чувствительность. Существенным недостатком является образование термоэлектрической неоднородности в зоне максимального градиента температур, что может привести к ошибке в градуировке более 5 °С. Этот недостаток делает очень сомнительной саму возможность периодической поверки термопар в лабораторных условиях и диктует необходимость поверять термопары из неблагородных металлов на месте их рабочего монтажа. Наименьшая термоэлектрическая неоднородность характерна для термопары нихросил/нисил (тип N). Одной из существенных составляющих неопределенности измерений термопарами является учет температуры холодных спаев или точность компенсации спаев в цифровых преобразователях.

Для измерения высоких температур до 2500 °С используют вольфрам-рениевые термопары. Особенностью их использования является необходимость устранения окислительной атмосферы, разрушающей проволоку. Для вольфрам-рениевых термопар используют специальные герметичные конструкции чехлов, заполненные инертным газом, а также танталовые и молибденовые чехлы с неорганической изоляцией из оксида бериллия и оксида магния. Одно из важных применений вольфрам-рениевых термопар состоит в измерении температур в ядерной энергетике в присутствии потока нейтронов.

Особенностью работы с термопарами является применение стандартных удлинительных и компенсационных проводов. Провода позволяют передавать сигнал с термопары на сотни метров к измерительному прибору, внося минимальную потерю точности. Удлинительные провода изготавливаются из того же материала, что и термоэлектроды термопары, но с более низкими требованиями по качеству материалов. Компенсационные провода изготавливаются из совершенно других материалов, чем термоэлектроды и применяются для термопар из благородных металлов. Так, для термопары ПР в качестве компенсационной может использоваться медная проволока. Применение компенсационных проводов может стать доминирующим источником неопределенности измерения температуры в промышленности, если разность температур двух концов провода существенна. Так, например, если для термопары типа S используется компенсационный провод, температура которого изменяется от 23 °С (головка термопары) до 0 °С (лед), то возникает дополнительная ЭДС около 15 мкВ, что приведет к ошибке в измерении 1,4 °С для температуры 900 °С. Стандарт МЭК 60584-3 на компенсационные провода(Thermocouples — Part 3: Extension and compensating cables — Tolerances and identification systems) введен в обращение в апреле 2008 г. (см. раздел Стандарты МЭК)

Рекомендации по выбору типа термопары

Термопары из неблагородных металлов

Тип J (железо-константановая термопара)

• Не рекомендуется использовать ниже 0 °С, т.к. конденсация влаги на железном выводе приводит к образованию ржавчины;
• Наиболее подходящий тип для разряженной атмосферы;
• Максимальная температура применения – 500 °С, т.к выше этой температуры происходит быстрое окисление выводов. Оба вывода быстро разрушаются в атмосфере серы.
• Показания повышаются после термического старения.
• Преимуществом является также невысокая стоимость.

Тип Е (хромель-константановая термопара)

• Преимуществом является высокая чувствительность.
• Термоэлектрическая однородность материалов электродов.
• Подходит для использования при низких температурах.

s Тип Т (медь-константановая термопара)

• Может использоваться ниже 0 °С;
• Может использоваться в атмосфере с небольшим избытком или недостатком кислорода;
• Не рекомендуется использование при температурах выше 400 °С;
• Не чувствительна к повышенной влажности;
• Оба вывода могут быть отожжены для удаления материалов, вызывающих термоэлекрическую неоднородность.

Тип К (хромель-алюмелевая термопара)

• Широко используются в различных областях от – 100 °С до +1000 °С (рекомендуемый предел, зависящий от диаметра термоэлектрода);
• В диапазоне от 200 до 500 °С возникает эффект гистерезиса, т.е показания при нагреве и охлаждении могут различаться. Иногда разница достигает 5 °С;
• Используется в нейтральной атмосфере или атмосфере с избытком кислорода;
• После термического старения показания снижаются;
• Не рекомендуется использовать в разряженной атмосфере, т.к. хром может выделяться из Ni-Cr вывода (так называемая миграция), термопара при этом изменяет ТЭДС и показывает заниженную температуру;
• Атмосфера серы вредна для термопары, т.к. воздействует на оба электрода.

Тип N (нихросил-нисиловая термопара)

• Это относительно новый тип термопары, разработанный на основе термопары типа К. Термопара типа К может легко загрязняться примесями при высоких температурах. Сплавляя оба электрода с кремнием, можно тем самым загрязнить термопару заранее, и таким образом снизить риск дальнейшего загрязнения во время работы.
• Рекомендуемая рабочая температура до 1200 °С (зависит от диаметра проволоки).
• Кратковременная работа возможна при 1250 °С;
• Высокая стабильность при температурах от 200 до 500 °С (значительно меньший гистерезис, чем для термопары типа К);
• Считается самой точной термопарой из неблагородных металлов.

Общие советы по выбору термопар из неблагородных металлов

ниже нуля – тип Е, Т
комнатные температуры – тип К, Е, Т
до 300 °С – тип К
от 300 до 600°С – тип N
выше 600 °С – тип К или N

Термопары из благородных металлов

Тип S (платнородий-платиновая термопара)

• Рекомендуемая максимальная рабочая температура 1350 °С;
• Кратковременное применение возможно при 1600 °С;
• Загрязняется при температурах выше 900 °С водородом, углеродом, металлическими примесями из меди и железа. При содержании железа в платиновом электроде на уровне 0,1%, ТЭДС изменяется более, чем на 1 мВ (100°С) при 1200 °С и 1,5 мВ (160 °С) при 1600 °С. Такая же картина наблюдается при загрязнении медью. Таким образом, термопары нельзя армировать стальной трубкой, или следует изолировать электроды от трубки газонепроницаемой керамикой.
• Может применяться в окислительной атмосфере.
• При температуре выше 1000 °С термопара может загрязняться кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных керамических материалов. Важно использовать керамические трубки, состоящие из высокочистого оксида алюминия.
• Не рекомендуется применять ниже 400 °С, т.к ТЭДС в этой области мала и крайне не линейна.

Тип R (платнородий-платиновая термопара)

• Свойства те же, что и у термопар типа S.

Тип В (платнородий-платинородиевая термопара)

• Рекомендуемая максимальная температура рабочего диапазона 1500 °С (зависит от диаметра проволоки);
• Кратковременное применение возможно до 1750 °С;
• Может загрязняться при температурах выше 900 °С водородом, кремнием, парами меди и железа, но эффект меньше, чем для термопар типа S и R;
• При температуре выше 1000 °С термопара может загрязняться кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных керамических материалов. Важно использовать керамические трубки, состоящие из высокочистого оксида алюминия.
• Может использоваться в окислительной среде;
• Не рекомендуется применение при температуре ниже 600 °С, где ТЭДС очень мала и не линейна.

Источники погрешности термопар

Принцип действия термопар и особенности преобразования и передачи сигнала приводят к следующим возможным проблемам при их эксплуатации, вызывающим ошибку в определении температуры

1. Дефекты формирования рабочего спая термопары;
2. Возникновение термоэлектрической неоднородности по длине термоэлектродов и изменение градуировочной характеристики термопары;
3. Электрическое шунтирование проводников изоляцией и возможное возникновение гальванического эффекта;
4. Тепловое шунтирование;
5. Электрические шумы и утечки.

Формирование спая

Существует много способов формирования рабочего спая термопары: механическое скручивание, пайка, сварка и т.д. При сварке в спай добавляется третий метал, но т.к. температуры проводников, исходящих из спая одинаковы, это не может привести к какой-либо погрешности. Проблема заключается в том, что третий метал, как правило, имеет более низкую температуру плавления и при высоких температурах спай может разорваться. Более того, может происходить загрязнение электродов чужеродным испаряющимся металлом. Поэтому рекомендуется производить сварку рабочего спая. Однако процесс сварки тоже требует особого внимания, т.к. перегрев может повредить термопарную проволоку и газ, используемый для сварки, может диффундировать в проволоку. Дефектная сварка может привести в разрыву спая при эксплуатации. В программном обеспечении, используемом для считывания и обработки сигнала термопары всегда есть специальный тест на разрыв спая.

Образование термоэлектрической неоднородности. Искажение градуировочной характеристики термопары

Это наиболее серьезный и трудно диагностируемый источник погрешности, т.к. результат отсчета ТЭДС может показаться вполне приемлемым и в то же время быть ошибочным. Термоэлектрическая неоднородность может быть результатом диффузии примесей из окружающей атмосферы при высоких температурах, высокотемпературным отжигом или механической обработкой электродов. Она может образоваться в результате протягивания электродов, неосторожного обращения, ударов и вибраций, вызывающих напряжения в проволоке. Изменение состава сплава может наблюдаться на отдельном участке проволоки, находящейся длительное время в зоне резкого температурного градиента. Однако неоднородность влияет на изменение градуировочной характеристики только в том случае, если она попадает в зону температурного градиента при измерении. Чем больше градиент температуры, тем больше погрешность, возникающая из-за неоднородности. Один из способов уменьшения данной погрешности – сделать более плавным изменение температуры на длине термоэлектрода, например, используя металлические рукава и чехлы.

Сопротивление изоляции термопары

Сопротивление изоляции термоэлектродов уменьшается с повышением температуры по экспоненциальному закону. При высокой температуре, в отдельных случаях, этот эффект может привести к образованию так называемого «виртуального» спая, т.е. фактического замыкания электродов в средней точке термопары. Таким образом, термопара будет измерять температуру не в области рабочего спая, а температуру в средней области. При высоких температурах следует также очень тщательно подбирать материал для изоляции, т.к. примеси и химические вещества изоляции могут проникнуть в электроды и изменить их свойства.

Гальванический эффект

Красящие вещества, применяемые в некоторых видах изоляции, могут вызвать образование электролита при попадании воды. Это может привести в гальваническому эффекту, который по силе превышает эффект Зеебека. Необходимо принимать меры для защиты термопарной проволоки от вредной атмосферы, проникновения воды и других жидкостей.

Тепловое шунтирование

Необходимо помнить, что термопара, как и любой другой контактный датчик, при введении в объект измерения меняет его температуру. Поэтому, если объект мал, термопара тоже должна иметь малые размеры. Однако термопара, изготовленная из тонкой проволоки, более подвержена эффектам загрязнения, отжига, возникновения напряжений, электрическому шунтированию. Чтобы минимизировать эти эффекты применяют удлинительные провода, которые соединяют термоэлектроды термопары с измерительным вольтметром и имеют коэффициент Зеебека близкий к коэффициенту термопары данного типа. Обычно удлинительный провод имеет больший диаметр, его сопротивление, включенное последовательно с термоэлектродом, не вызывает потерь при передаче сигнала на длинные расстояния. Кроме того, удлинительный провод проще протянуть через подводящий измерительный канал, чем тонкую термопарную проволоку. Поскольку требования к допускам удлинительных проводов установлены только в узком интервале температур, и сам провод может быть подвержен механическим повреждениям и натяжению, следует обеспечить минимальный температурный градиент вдоль провода.

Электрические шумы

Широкополосный шум может быть подавлен аналоговым фильтром. Единственный тип шума, который не может подавить система считывания и обработки сигнала – сдвиг, обусловленный утечкой постоянного тока в системе. Хотя обычно такие утечки не вызывают больших погрешностей, возможность их возникновения должна всегда приниматься во внимание и, по-возможности, предотвращаться, особенно если термоэлектроды очень малы и их сопротивление велико.

Подбор термопарной проволоки

Проволока для термопар изготавливается в соответствии со стандартом на допуска для термопар различных типов и классов. Куски проволоки, взятые из одного сертифицированного мотка, обычно имеют более близкое совпадение в значениях ТЭДС, чем куски из разных мотков, хотя абсолютное отклонение от номинальной ТЭДС может быть значительным. Если термопара изготавливается с целью получения большей точности, чем установлена стандартом, необходима проверка на термоэлектрическую неоднородность термоэлектродов и последующие меры для снижения вероятности возникновения неоднородности.

Диагностика состояния термопары при эксплуатации

Некоторые очень ценные предложения по разработке диагностических процедур были изложены в работах др. Рида (США). Три компонента предлагаемой системы: запись всех событий на объекте (event record), тест блока холодных спаев (the zone box test), отслеживание изменения сопротивления термопары (the thermocouple resistance history).

Электронная запись всех событий особенно важна, когда на объекте установлены сотни датчиков и требуется отследить ошибку в измерениях, полученных с каждого датчика. Например, если в определенный момент термопара одного типа была заменена на термопару другого типа, но по ошибке не была изменена стандартная функция преобразования, сигнал будет ложный, и только по электронным записям событий можно выяснить причину выхода из строя датчика.

Тест блока холодных спаев. Этот тест проводится для проверки работы контроллера, сканера, вольтметра и системы компенсации холодных спаев. Термопара в рабочих условиях регистрирует температуру горячего спая и показания вольтметра будут V=E(Tг-Tх). Во время тестирования мы замыкаем короткими кусками медной проволоки терминалы на блоке холодных спаев. В это время регистрируется температура холодных спаев и показания вольтметра должны быть равны V=0. Фактически это испытание тестирует все элементы измерительной системы, кроме самой термопары.

Измерение сопротивления термопары. Внезапное изменение сопротивления термопарной цепи является индикатором неполадок в работе. Если мы непрерывно будем регистрировать и проводить электронную запись сопротивления проводов каждой термопары во времени, то при внезапном изменении сопротивления, мы немедленно получим сигнал, который может быть индикатором разрыва, шунтирования изоляцией, влияния вибраций и других возможных нарушений. Так, если термопара, походящая через высокотемпературную зону и имеющая спай в более холодной зоне стала внезапно показывать 1200 °С вместо 300 °С, это может означать либо опасное повышение температуры зоны, либо выход термопары из строя и замыкание в месте повышенной температуры. Тестирование сопротивления поможет выявить причину. Сопротивление термоэлектродов изменяется с температурой, но если оно изменилось скачком, то это означает непредвиденное замыкание или разрыв. Нужно иметь ввиду, что когда термопара генерирует напряжение, то оно может вызвать существенную ошибку в измерении сопротивления. Измерение сопротивления термопары похоже на измерение сопротивления источника напряжения. Эту проблему решают с помощью технологии компенсации ТЭДС (offset compensated ohms measurement). Вольтметр сначала измеряет напряжение, генерируемое термопарой без включения источника измерительного тока, используемого при измерении сопротивления. Затем это напряжение вычитается программным способом из результирующего напряжения, измеренного при включенном источнике.

Рекомендации по работе с термопарами

Целостность и точность измерительной системы, включающей термопарный датчик, может быть повышена с помощью следующих мер:

— Использовать проволоки большого диаметра, которая, однако, не будет изменять температуру объекта измерения;
— Если необходимо использовать миниатюрную термопару из очень тонкой проволоки, следует использовать ее только в месте измерения, вне объекта следует использовать удлинительные провода;
— Избегать механических натяжений и вибраций термопарной проволоки;
— Если необходимо использовать очень длинные термопары и удлинительные провода следует соединить экран повода с экраном вольтметра и тщательно перекручивать выводы;
— По-возможности избегать резких температурных градиентов по длине термопары;
— Использовать термопару только в пределах рабочих температур, желательно с запасом;
— Использовать подходящий материал защитного чехла при работе во вредных условиях, чтобы обеспечить
надежную защиты термопарной проволоки;
— Использовать удлинительные провода в их рабочем диапазоне и при минимальных градиентах температур;
— Вести электронную запись всех событий и непрерывно контролировать сопротивление термоэлектродов;
— Для дополнительного контроля и диагностики измерений температуры применяют специальные термопары с четырьмя термоэлектродами, которые позволяют проводить дополнительные измерения температуры, электрических помех, напряжения и сопротивления для контроля целостности и надежности термопар

Дополнительные материалы на сайте о термопарах:

Прочитайте на нашем сайте также о других типах датчиков температуры:

Термопара для газовых котлов

Температура в камере сгорания работающей котельной установки достаточно велика и измерить ее можно с помощью термоэлектрического элемента (термопары). Этот элемент является чуть ли не единственным средством измерения высоких температур, использующимся во многих сферах нашей жизни. В данном случае речь пойдет о такой его разновидности, как термопара для газового котла, работающая совместно с автоматическим газовым клапаном.

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.

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.

Преимущества и недостатки

В силу того, что изготавливать термопару достаточно просто и недорого, она стала незаменимым элементом автоматики и контроля в газоиспользующем оборудовании. Помимо этого, есть и другие преимущества данных изделий:

  • Выступая в роли датчика контроля пламени, термоэлектрический элемент может работать и как датчик температуры.
  • Отсутствие движущихся частей, сложных комплектующих и дорогих материалов делает изделие недорогим и долговечным.
  • Широкий диапазон измеряемых температур.
  • Достаточная точность измерений, позволяющих использовать данное устройство в отопительной технике.
  • Простота, с которой производится монтаж или замена термопары в газовом котле.

Из недостатков термоэлектрических датчиков можно отметить то, что возрастание разницы потенциалов происходит не пропорционально росту температуры, то есть, зависимость нелинейная. Кроме того, рост напряжения имеет предел и он невелик, в термопаре газовых котлов его значение достигает 50 мВ. Такие свойства изделия не создают проблем при взаимодействии с отсекающим устройством, но при измерении температуры такой слабый и нелинейный сигнал требует усиления и калибровки.

Простота и надежность конструкции термоэлектрического датчика имеют и отрицательную сторону. Когда этот элемент выходит из строя, что иногда случается по причине некачественного выполнения спая, то ремонт термопары невозможен. Изделие может просто прогореть и ремонтировать там нечего, остается только произвести замену, причем как можно быстрее, поскольку газовый котел без термопары работать не будет. Но тут не должно возникнуть особых проблем, устройство легко снимается и отсоединяется, да и цена его вовсе не велика.

Совет. Иногда термопара прекращает работать только потому, что в месте соединения слабый контакт. Нужно ослабить и открутить прижимную гайку, извлечь из газового клапана проводник и очень аккуратно очистить его конец, после чего собрать все обратно.

Заключение

Невзирая на свою простую конструкцию, термоэлектрический элемент – одна из важнейших деталей любого современного газового котла. Она выступает в качестве датчика температуры и наличия пламени, обеспечивая безопасную работу отопителя. В случае если произойдет затухание запальника или превышение температуры, термопара отреагирует изменениям напряжения и заставит сработать отсекающий клапан.

Каждый электрик должен знать:  Схемы включения и компенсации термопар
Добавить комментарий