Термопары: классификация, как работает, особенности применения

Содержание, в автоматизации технологических процессов очень часто приходится снимать показатели о температурных изменениях, для их загрузки в системы управления, с целью дальнейшей обработки, читайте в статье, принцип действия и устройство термопары предельно просты, термопара — это термоэлектрический преобразователь, существует множество разнообразных устройств и механизмов, позволяющих измерять температуру, термопа́ра — устройство основанное на преобразовании электрического сигнала в показатель температуры при изменении физических параметров веществ, из которых состоит прибор, термопара активно применяется в газовых котлах и котельных установках, содержание, температура в камере сгорания работающей котельной установки достаточно велика и измерить ее можно с помощью термоэлектрического эл

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.

Схема строения термопарыРис. 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).

Термопара с керамическими бусамиРис. 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.

Измерение напряжения на проводах ТПРис. 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.

Решение вопроса точности показаний термопарРис. 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.

Что такое термопара, принцип действия

Что такое термопара, принцип действия, основные виды и типы - изображение 1

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

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

Устройство термопары - фотография 2

Назначение термопары

Данное устройство преобразовывает тепловую энергию в электрический ток и позволяет измерять температуру. В отличие от традиционных ртутных градусников, способно работать в условиях как экстремально низких, так и экстремально высоких температур. Данная особенность обусловила широкое применение термопары в самых разнообразных установках: промышленные металлургические печи, газовые котлы, вакуумные камеры для химико-термической обработки, духовой шкаф бытовой газовой плиты. Принцип работы термопары всегда остается неизменным и не зависит от того, в каком устройстве она монтируется.

От надежной и бесперебойной работы термопары зависит работа системы аварийного отключения приборов в случае превышения допустимых лимитов температур. Поэтому данное устройство должно быть надежным и давать точные показания, чтобы не подвергать риску жизнь людей.

Какая связь между электричеством и теплом?

Вы заметили, что, когда мы говорим о проводимости в физике, мы можем иметь в виду две вещи? Иногда мы имеем в виду тепло, а иногда – электричество. Металл, такой как железо или золото, действительно хорошо проводит тепло и электричество; такой материал, как пластик, не очень хорошо проводит ни одно из них. 

Между тем, как металл проводит тепло, и тем, как он проводит электричество, существует прямая связь. 

Электрический ток проходит через металлы крошечными заряженными частицами внутри атомов, называемыми электронами. Когда электроны «маршируют» через материал, они уносят с собой электричество, как муравьи, несущие листья. Если электроны могут переносить электрическую энергию через металл, они также могут переносить тепловую энергию – и поэтому металлы, которые хорошо проводят электричество, также являются хорошими проводниками тепла. (Однако с неметаллами все не так просто, потому что тепло проходит через них другими, более сложными способами. Но для понимания термопар нам нужно учитывать только металлы.)

Где используются термопары

ТП чаще, чем другие датчики применяют для оборудования, связанного с высокими плюсовыми температурами: топливные котлы и плиты, иное оснащение с горелками, бойлеры, паяльники, пирометры, печи, металлургия.

Устройство термопары

Термин «термоэлектрический преобразователь» отображает природу сенсора — дифференциальный измеритель, который делает замеры, преобразовывая тепло в электричество.

Общий вид термопар

Термопары — это простые и эффективные сенсоры для высокоточных термоэлектрических термометров, работающих в повышенных температурных рамках.

Виды термопар

Яркий пример применения: в составах автоматики топливных котлов и отопления. Сработка оснащения инициируется электросигналом от сенсорного узла с ТП.

Термопары с клапаном

Термопары наряду с NTC и PTC термисторами — самые популярные измерители температуры для оборудования, последние имеют свои достоинства (считаются более точными в своих диапазонах), но не охватывают настолько широкие температурные рамки, как ТП.

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.

Типы спаевРис. 5. Типы спаев

Буквами обозначено:

  • 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.

Особенности работы с термопарами для точных и высокоточных измерений

  1. Недостаток большинства термопар – это необходимость градуировки каждого прибора в отдельности.

    Для точных измерений на предприятиях-изготовителях каждая термопара проходит отдельные испытания.

  2. Необходимо вносить поправку на температуру среды измерительных устройств.
  3. Термопара должна находиться в одинаковых условиях по всей длине измерительного участка.
  4. Для определения наиболее точного результата можно использовать рядом с основной термопарой контрольные термопары.
  5. Для точных измерений используют провода с экранами, для уменьшения наводок: токи, вызываемые термо-ЭДС, незначительны по своей величине.

Ещё одно интересное видео о термопарах смотрите ниже:

Как укладывать наноизол

Монтирование материала выполняется строго по стандартизированным правилам. С целью обеспечения защиты утеплителя пароизоляционный материал размещают во внутренней части помещения между обшивкой и теплоизоляционным слоем.

Хромель-константановые

  • Способны работать при пониженных температурах.Материалы электродов обладают термоэлектрической однородностью.Их достоинство – повышенная чувствительность.

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.

Таблица 1.

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 ±[1 + 0,003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °C ±[1 + 0,003×(T − 1100)] 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).

Компенсационные проводаРис. 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.

Схема подключения на разрывРис. 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.

Измерение температуры с помощью термопары

Если вы измеряете несколько известных температур с помощью этого устройства с металлическим спаем, вы можете выяснить формулу – математическое соотношение, – которое связывает ток и температуру. Это называется калибровкой: это как разметка шкалы на термометре. После калибровки у вас есть инструмент, который можно использовать для измерения температуры всего, что вам нравится.

Просто поместите один из металлических концов в ванну со льдом (или что-нибудь еще с точно известной температурой). Поместите другой металлический стык на предмет, температуру которого вы хотите узнать. Теперь измерьте происходящее изменение напряжения и, используя формулу, которую вы вычислили ранее, вы можете точно рассчитать температуру вашего объекта. Гениально! У нас есть пара металлов, которые соединены для измерения тепла (что по-гречески называлось «термос»). Вот почему это называется термопарой.

Что такое термопары на практике?

Для различных применений доступен широкий спектр различных термопар на основе металлов с высокой проводимостью, таких как железо, никель, медь, хром, алюминий, платина, родий и их сплавы . Иногда конкретная термопара выбирается исключительно потому, что она точно работает в определенном диапазоне температур, но условия, в которых она работает, также могут влиять на выбор (например, материалы в термопаре могут быть немагнитными , некоррозионными или стойкими к атакам. отдельными химическими веществами).

Точность измерения

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

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

ВАЖНО: Характеристики на момент изготовления меняются в период эксплуатации.

Рекомендации по эксплуатации

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.

Градуировка и проверка термопар

Таблица – Градуировка и проверка термопар.

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.

Быстродействие измерения

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

Что такое термопара, принцип действия, основные виды и типы

Факторы, увеличивающие быстродействие:

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

Варианты спаев

Спаи создаются с разными определёнными конфигурациями под конкретные назначения термопар. Есть 1 и 2-элементные варианты, с заземлением на корпус защитной капсулы или без такового.

Варианты спаев

Заземление на корпус (не всегда оно есть) уменьшает инерционность термопары, а это улучшает быстродействие сенсора и точность в реальном времени. Также для достижения лучшей эффективности некоторые модели имеют горячий спай снаружи защитной колбы (кожуха, корпуса).

Термопара-зонд

Недостатки термопары

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

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

Проверка работоспособности термопары

Для проверки работоспособности подключают специальный измерительный прибор (тестер, гальванометр или потенциометр) или измеряют напряжение на выходе милливольтметром. При наличии колебаний стрелки или цифрового индикатора термопара является исправной, в противном случае устройство подлежит замене.

Что такое термопара, принцип действия, основные виды и типы

Причины выхода из строя термопары:

  1. Неиспользование защитного экранирующего устройства;
  2. Изменение химического состава электродов;
  3. Окислительные процессы, развивающиеся при высоких температурах;
  4. Поломка контрольно-измерительного прибора и т.д.

Видео по теме

https://www.youtube.com/watch?v=YN5VryJaanM

Погрешность измерений

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

состоит из следующих составных частей:

  • случайная погрешность, вызванная особенностями изготовления термопары;

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

  • погрешность, причиной которой послужили внешние помехи;

  • погрешность контрольной аппаратуры.

Другие самоделки

Нами описан способ создания «голого» датчика, обрабатывающее устройство было уже готово — мультиметр. Своими руками для такой термопары можно создать и иные приемники на микроконтроллерах Arduino, ATmega, а также, и усилители на подобных микросхемах — они потребуются, так как ЭДС очень низкая.

Самоделка с термопарой и МК

Для самоделок популярный усилитель микроконтроллер для термопары LM358P/LM358D для диапазона 0…+70° C.

Усилитель термопары для Arduino

В сети есть много чертежей, как сделать термопару для различных задач с микроконтроллерами Arduino, ATmega и с цифровым дисплеем.

Готовые самоделки на Arduino с термопарой

Типы и виды термопар

Термопары, в зависимости от используемых сплавов проводников, разделяют на:

  • хромель-алюмелевые (ТХА), диапазон измерения от -270 до 1372 градусов, погрешность до 0,75%;
  • железо-константановые (ТЖК), диапазон от -210 до 1200 градусов, погрешность 0,75%;
  • платинородий-платинородиевые (ТПР), диапазон от 0 до 1820 градусов, погрешность – 0,5% (только свыше 800 градусов);
  • медь-константановые (ТМКн), диапазон от -270 до 400 градусов, погрешность 0,75% при температуре выше нуля, 1,5% — ниже нуля;
  • платинородий-платиновые (ТПП 10), диапазон от -50 до 1768 градусов, погрешность 0,25%;
  • вольфрамрениевые (ТФР), диапазон от 0 до 2320 градусов, погрешность – 1% (если свыше 425 градусов).

В теории сделать термопару можно из любых двух проводников. Но вышеуказанные комбинации дают самые точные значения, а некоторые (ТХА, ТПП, ТПР, ТВР) – внесены в ГОСТ для использования в промышленных масштабах.

Различаются термопары и по типу конфигурации проводников. Бывают одноэлементные, двухэлементные, с заземлением на корпус и незаземленные. Точная конфигурация подбирается в зависимости от назначения.

Также существуют многоточечные термопары. Они используются, когда необходимо измерить разницу температур в нескольких измеряемых точках. Допустимое количество точек замера – 60. Чаще многоточечные термопары применяются в нефтепромышленности.

Дополнительно их различают по типу используемой колбы (где и располагаются проводники). Например, для измерения в условиях свыше 1000 градусов требуется использовать керамический «наконечник». А в химических реактивах, которые разъедают материал проводников, используется колба из устойчивого к кислотам или щелочам материала.

Ещё используется классифицирование по инерционности, то есть по скорости получения итогового значения ЭДС. Как правило, общий диапазон – от 40 секунд до 3,5 минут. Существуют датчики и с ненормированной инерционностью. Именно они преимущественно используются в быту, хоть и погрешность в их замерах высокая (для того же холодильника это не критично, так как отклонение результата не превышает 1,5%).

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...