Термопары какие бывают – Термопара — Википедия

Содержание

Термопара — принцип работы | Уголок радиолюбителя

Температура является главной и одной из основных физических величин в автоматике. Для ее измерения в промышленных условиях используется, как правило, термопары и резистивные датчики температуры.

Измерительный диапазон, точность и эксплуатация этих датчиков температуры существенно отличаются, поэтому при выборе следует руководствоваться, главным образом, областью применения и диапазоном измеряемых температур.

В данной статье описан принцип работы термопары и детали, касающиеся измерения температуры с их помощью.

Термопара — описание

Термопара — это наиболее часто используемый датчики для измерения температуры. Ее используют в промышленности, лабораториях, на транспорте. Термопара используется в очень многих системах сбора данных, в многоканальных устройствах, в системах мониторинга данных и управления промышленными процессами.

Несмотря на ее широкое распространение, принцип работы термопары, на первый взгляд кажется менее понятным, чем работа иных датчиков температуры. Существует множество различных видов термопар и для получения с их помощью точных результатов измерения необходим правильный подбор пар металлов, устранения существующих ограничений и соответствующая обработка измерительных данных.

Преимущества термопары

Термопары имеют много преимуществ по сравнению с другими типами температурных датчиков. Основное преимущество — термопара не дорогая, хотя защитное покрытие, соединительные провода и разъемы могут существенно повлиять на общую стоимость измерительной системы, особенно, когда измеряемая среда является экстремальной.

Термопары являются также устройствами, механически простыми, прочными и надежными. Свойства типичных металлов, используемых в термопарах, дают предсказуемое выходное напряжения. Это позволяет использовать термопары во многих устройствах, в том числе в химически агрессивных средах.

Физическая конструкция термопары проста – все, что нужно для ее изготовления, — это скрученные вместе и спаянные провода соответствующих сплавов.

Промышленные термопары изготавливаются с помощью сварки, скручивания или пайки. Термопары покрывают широкий диапазон измеряемых температур: от -100°C и до 2500°C. Типичная точность измерения составляет ±1-2°C, что превышает требуемую точность в большинстве промышленных процессов.

Недостатки термопар

Несмотря на то, что термопары имеют относительно мало недостатков, но они значительно влияют на их применение и на оборудование, которое необходимо для их работы. К недостаткам следует отнести то, что выходное напряжение термопары составляет порядка нескольких микровольт на градус Цельсия, и что эти элементы, как правило, размещены вдали от устройств сбора и обработки данных.

Чтобы компенсировать влияние этих негативных факторов используют дифференциальный режим измерений, схемы с высоким коэффициентом усиления, фильтрацию и другие методы улучшения качества сигнала, призванные получить максимальный сигнал и минимальный шум.

И все это приводит к тому, что получается низкая скорость измерений, как правило, нескольких сотен замеров в секунду. Кроме того, выход с термопары является нелинейным, поэтому в оборудование или программное обеспечение, должна быть использована функция линеаризации, применяемая для преобразования напряжения термопары в значения температуры. Это касается в основном бытовых программ, так как коммерческая программа обычно включает в себя процедуры линеаризации.

Принцип действия термопары

В начале XIX века немецкий физик Томас Иоганн Зее

бек, обнаружил, что контакт между двумя металлами генерирует напряжение, являющееся функцией температуры.

Термопара — это практическое применение явления Зеебека. Это датчик температуры, состоящий из двух проволок разных металлов, соединенных вместе с одного конца. Эти металлы на рисунке 1 обозначены как „линия 1” и „линия 2” образуют контакты J1 и J4.

Рис. 1. Принцип действия термопары

Исторически сложилось так, что результат измерения температуры сопоставлялось с температурой второй термопары, предназначенной для измерения известной эталонной температуры. Самым простым и наиболее точным способом получения эталонной температуры было погружение стыка термопары в ледяную ванну, что стало причиной присвоения ему имени „холодный спай”.

Величина генерируемого таким образом, напряжения теперь зависит от разницы температур между контактами J1 и J4, а также от типов металлов, используемых в линии 1 и линии 2.

Этот результат можно описать следующим уравнением:

V=α(Tнеизвестная — Tэталонная),  где α-коэффициент Зеебека.

Различные термопары имеют разные коэффициенты, значения которых указывается на каждой термопаре. При такой конфигурации достаточно только измерить напряжение, затем найти соответствующую ему температуру, в таблице для данного сплава 1/сплава 2 термопары в зависимости от температуры 0°C.

Обратите внимание, что подключение термопары к вольтметру создает дополнительные потенциально нежелательные контакты J2 и J3. В результате эти контакты также являются термопарой, но они имеют похожий состав и противоположную полярность.

Если температура контактов J2 и J3 одинакова (условие, которое может быть достигнуто довольно легко с помощью соответствующей проектировки оборудования), то эти контакты не будут влиять на измерение.

Таким образом, мы получили базовую модель, которая может быть использована для разработки более сложной системы работы термопары.

fornk.ru

Термопары для газовой плиты: принцип действия, характеристики

Существует множество устройств, позволяющих определить температуру окружающей среды или конкретного вещества, механизма. Предлагаем обсудить, что такое термопары для газовой плиты и котла, их принцип действия, какие бывают виды этих устройств, а также как подключить прибор своими руками.

Что такое термопары

Термопара ГОСТ Р 8.585-2001– это устройство, которое используется для измерения температуры, данное определение часто путают с термостатом или датчиком тока, но это совершенно разные понятия. Этот датчик может заменить метод естественного измерения температуры в широком использовании.

Формула работы по эффекту Зеебека:

E = α12 (T2 – T1),

Где α – это термоЭДС;

а разность T2 – T1 это, соответственно, температуры горячего и холодного проводников.

Фото – Эффект Зеебека

Приборы используются во многих промышленных, научных и бытовых приборах. Их можно найти почти во всех сферах деятельность: энергетическая промышленность, добыча газа и нефти фармацевтической, биотехнологической, и т.д. Термопары также применимы в повседневной бытовой технике, они необходимы для корректной работы колонки, газового котла (АОГВ), газовой плиты, муфельной печи, для блок-автоматики Арбат-1.

Фото – Термопара

Конструкция

Такие термодатчики состоят из двух проволок, изготовленных из разных металлов с различными температурными диапазонами. Эти гибкие проводки сваривают между собой, создавая неразрывное соединение. Именно этот узел отвечает за измерение температуры. Во время того, как концы спая испытывают изменение температуры, меняется сопротивление металлов. Этот показатель может фиксироваться при помощи специальных приборов или просто выводиться на табло, градуировочные таблицы, цифровой экран.

Конечно, есть более точные статические устройства с аналогичным принципом действия, но термопары выбирают из-за широкого применения, долговечности и относительно низкой стоимости (многие приборы можно купить за несколько сотен).

Фото – Термопара и мультиметр

Видео: измерение температуры с  помощью термопары

Типы термопар и их обозначение

Есть много типов термопар, каждые датчики имеют определенные характеристики в плане температурного диапазона, долговечности, ЭДС, устойчивости к вибрациям, химическим вещества и совместимости приборов. Например, их можно разделить по виду металлов: бывают благородные и неблагородные соединения.

Очень важен правильный расчет приборов. Обязательно покупайте устройства, у которых нужные Вам термические диапазоны, независимо от того, какая цена у термопары. Иначе в скором времени понадобится либо ремонт датчика из-за неисправности, либо его полная замена.

Виды термопар, их параметры и состав:

  1. Термопара K типа, ТХА либо ХА (никель-хром / никель-алюмель): этот вид является самым распространенным. Он недорогой, точный (погрешность +/- 1.1C или 0,4%), имеет большой диапазон температур (-270 к 1260C) и достаточно долговечный.
    Фото – Термопара никель алюминь
  2. Термопары L, ТХК (хромель / копель), хорошая и долговечная термопара, часто завод предоставляет этот датчик с wire-выходом 1.
    Фото -Термопара ТХК
  3. Термопара A-1, A-2, A-, ТВР – вольфраморениевые приборы.
  4. Термопара типа J (железо / константан): второй тип по популярности. Она имеет меньший температурный диапазон и более короткую продолжительность работы, но зато используется при более высоких температурах (-210 до 760C), чем K, имеет больший показатель термосопротивления.
    Фото – Термопара с цифровым экраном
  5. T термопары (медь / константан): это узкоспециализированное устройство, оно часто применяется в чрезвычайно низких температурах (-270 до 370C), например, измерения холодного криогенного воздуха или сверхнизких морозильниках имеют хороший термоЭДС.
  6. E термопары (никель-хром / константан): вид E имеет более сильный сигнал и высокую точность, K или типа J, но работает при умеренных температурных интервалах. Диапазон рабочих температур -270 до 870C;
  7. Вид N (никросил / нисиловые): очень точные устройства, но их стоимость гораздо выше, чем у термопары K. Работают в пределах от-270 до 392C.

Менее популярные, но их продажа довольно успешна: медные ТСМ, ХК, ПП, термопары в которых встроен усилитель (преобразователь) и прочие.

Фото – Чертеж термопары

Термоэлектрические промышленные датчики из благородных металлов (тип S, R, и Б) из-за их способности работать в широких температурных диапазонах, отличной долговечности и точности. Но они стоят гораздо дороже, чем термометры, перечисленные выше.

  1. Платиновые S ТП-датчики (платинородий – 10% / платина): этот вид используется в очень высоких температурах (от -50 до 1480C). Обычно его используют в биотехнологических и фармацевтических сферах.
  2. R термопара ТПП (платинородиевые -13% / платина): применяется в еще больших температурах, чем вид S. Датчик имеет более высокий процент родия, что делает его более дорогим. Его принято считать боле стабильным и точным.
  3. B термопара ТПР (платинородий – 30% / платинородий – 6%): необходим для измерения чрезвычайно высоких температур (от 0 до 1700C). Очень дорогой и точный датчик работает в нефтяной и газовой промышленности, на атомных станциях.

Терморегуляторы также можно разделить по типу узла, которым соединены металлические проволоки. От этого фактора напрямую зависит точность прибора, чувствительность и прочие технические характеристики.

Фото – Устройство термопары

Заземленные температурные датчики (ТХА-0309, ТХК-079-1): Это наиболее распространенный вид соединения. Такой вид термопары производится при сварке двух концов проволоки в один узел, который завершает специальный зонд. Заземленные термопары имеют очень хорошее время отклика, потому что гильза имеет прямой контакт с внешней оболочкой, что позволяет очень быстро передавать тепло. Главным недостатком является чувствительность к электрическим помехам.

Незаземленные термопары (ТЖК) – это те, у которых провода сварены вместе, но не соединены, например это мультиметр с термопарой. Чувствительные элементы часто разделены минеральной изоляцией, иногда используется так называемый чехол.

Часто также используются открытые датчики, скажем, ТСП. У них очень быстрое время отклика, но они подвержены коррозии и недолговечны. Их редко используется производство, зато часто мы их видим в бытовых приборах.

Помимо этого, бывают даже многозонные термопары. Эти датчики могут измерять и фиксировать температуру по всей рабочей части, иногда их длина доходит до 10 метров. Принцип действия прибора прост: по всей протяженности расположены несколько точек, которые фиксируют изменения сопротивления, давления и температуры.

Фото – Длина термопар

Виды изоляции термопар

В зависимости от того, кто производитель, области применения и вида металла термопар, у них бывает разные защитные покрытия. Рассмотрим самые распространенные:

  • 316SS (нержавеющая сталь): сравнительно устойчива к коррозии и долговечна, но такой кабель не выдержит высоких градусов;
  • 304SS: также нержавейка, но с меньшим гидро-сопротивлением;
  • Инконель 600: материал рекомендуется для высоко коррозионных сред. Им покрываются многие импортные приборы.

Часто также можно встретить минеральный кожух (скажем, керамический материал), в основном им покрывают термопары для высоких температур.

Установка термопары

В зависимости от типа прибора, где Вам нужна термопара, будет значительно разниться её принцип установки. Монтаж датчика в духовку осуществляется очень легко, например у Indesit такое описание: нужно снять дно плиты и в него встроить в нужное отверстие провода термопары, после остается только градуировка. Если Вас интересует установка старого датчика, то перед подключением такого регулятора, нужно прочистить его головку наждачной бумагой средней зернистости.

Фото – Установка термопары

Замена термопары и калибровка производится только специалистом, чтобы не подвергать опасности Вас и Вашу семью. Крепление должно быть герметичным, иначе при поломке прибора он может дать искру, которая станет причиной взрыва или пожара.

Помните, для соединения этого приспособления к определенным приборам Вам понадобится компенсационный провод для термопар. Для каждого вида он имеет свои собственные характеристики включения. Также с целью контроля работы прибора часто присоединяется к цепочке градуировочная таблица, её можно купить в любом электротехническом магазине. Она поможет составить график перемены температур, напряжение и их зависимость от внешних факторов.

Нужно отметить, что изготовление такого датчика – это задача не из легких, часто самодельная термопара сильно грешит при работе или просто не включается. Мы рекомендуем всегда пользоваться только проверенными марками. Каждые полгода нужна проверка корректности данных (при постоянной работе проверить нужно прибор каждые три месяца), для поверки также вызывайте мастера.

Каждый производитель предоставляет свою стоимость этих приборов. Также, возможно, будет разная цена на термопары для газовых плит в разных городах и странах: России (Москве, Санкт-Петербург –СПб), Украине, Беларуси и т.д.

www.asutpp.ru

Измерение температуры. Термопары | КИПиА от А до Я

Принцип
действия термопары основан на так называемом эффекте Зеебека. Если две
проволоки из разных металлов с одного конца сварить (это место будет называться
рабочим или горячим спаем) и нагреть до температуры Т1, то на оставшихся
свободных концах проволок (холодный спай) с более низкой, комнатной
температурой Т2 появиться термоЭДС. Чем выше разница температур между рабочим и
холодным спаем ΔТ, тем больше термоЭДС. Величина термоЭДС не зависит от
диаметра и длины проволок, а зависит от материала проволок и температуры спаев

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Е
= f (Т1 – Т2), [мВ]

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

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

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

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

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

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

Посмотреть другие статьи в том числе про измерение температуры.

knowkip.ucoz.ru

Термопара: принцип действия, устройство

Существует огромное количество различных устройств и устройств, позволяющих определять температуру. Некие из их используются в ежедневной жизни, какие-то – для разных физических исследовательских работ, в производственных процессах и других отраслях.

Одним из таких устройств является термопара. Принцип деяния и схему данного устройства мы разглядим в следующих разделах.

Физическая база работы термопары

Механизм работы термопары основан на обыденных физических процессах. В первый раз эффект, на базе которого работает данное устройство, был изучен германским ученым Томасом Зеебеком.

Сущность явления, на котором держится принцип деяния термопары, в последующем. В замкнутом электронном контуре, состоящем из 2-ух проводников различного вида, при воздействии определенной температуры среды появляется электричество.

Получаемый электронный поток и температура среды, воздействующая на проводники, находятся в линейной зависимости. Другими словами чем выше температура, тем больший электронный ток вырабатывается термопарой. На этом и основан принцип деяния термопары и указателя температуры сопротивления.

При всем этом один контакт термопары находится в точке, где нужно определять температуру, он называется «жарким». 2-ой контакт, другими словами – «прохладный», – в обратном направлении. Применение для измерения термопар допускается только в этом случае, когда температура воздуха в помещении меньше, чем в месте измерения.

Такая короткая схема работы термопары, принцип деяния. Виды термопар мы разглядим в последующем разделе.

Виды термопар

В каждой отрасли индустрии, где нужны измерения температуры, в главном применяется термопара. Устройство и механизм работы разных видов данного агрегата приведены ниже.

Хромель-алюминиевые термопары

Данные схемы термопар используются почти всегда для производства разных датчиков и щупов, позволяющих держать под контролем температуру в промышленном производстве.

Их различительными особенностями можно именовать достаточно малую стоимость и большой спектр измеряемой температуры. Они позволяют зафиксировать температуру от -200 до +13000 градусов Цельсия.

Нецелесообразно использовать термопары с схожими сплавами в цехах и на объектах с высочайшим содержанием серы в воздухе, потому что этот хим элемент плохо оказывает влияние как на хром, так и на алюминий, вызывая нарушения в функционировании устройства.

Хромель-копелевые термопары

Принцип деяния термопары, контактная группа которой состоит из этих сплавов, таковой же. Но эти устройства работают в главном в воды или газообразной среде, обладающей нейтральными, неагрессивными качествами. Верхний температурный показатель не превосходит +8000 градусов Цельсия.

Применяется схожая термопара, принцип деяния которой позволяет использовать ее для установления степени нагрева каких-то поверхностей, к примеру, для определения температуры мартеновских печей или других схожих конструкций.

Железо-константановые термопары

Данное сочетание контактов в термопаре не так всераспространено, как 1-ая из рассматриваемых разновидностей. Механизм работы термопары таковой же, но схожая композиция отлично показала себя в разреженной атмосфере. Наибольший уровень замеряемой температуры не должен превосходить +12500 градусов Цельсия.

Но, если температура начинает подниматься выше +7000 градусов, существует опасность нарушения точности измерений в связи с конфигурацией физико-химических параметров железа. Имеют место даже случаи коррозии стального контакта термопары при наличии в окружающем воздухе аква паров.

Платинородий-платиновые термопары

Более дорогая в изготовлении термопара. Принцип деяния таковой же, но отличается она от собственных братьев очень размеренными и достоверными показаниями температуры. Имеет пониженную чувствительность.

Основная область внедрения данных устройств — измерение больших температур.

Вольфрам-рениевые термопары

Также используются для измерения сверхвысоких температур. Наибольший предел, который можно зафиксировать при помощи данной схемы, добивается 25 тыщ градусов по шкале Цельсия.

Их применение просит соблюдения неких критерий. Так, в процессе измерения температуры необходимо вполне убрать окружающую атмосферу, которая оказывает негативное воздействие на контакты в итоге процесса окисления.

Для этого вольфрам-рениевые термопары обычно помещают в защитные кожухи, заполненные инертным газом, защищающим их элементы.

Выше подверглась рассмотрению любая существующая термопара, устройство, механизм работы ее зависимо от используемых сплавов. Сейчас разглядим некие конструктивные особенности.

Конструкции термопар

Существует две главные разновидности конструкций термопар.

  • С применением изоляционного слоя. Данная конструкция термопары предугадывает изолирование рабочего слоя устройства от электронного тока. Схожая схема позволяет использовать термопару в технологическом процессе без изоляции входа от земли.

  • Без внедрения изоляционного слоя. Такие термопары могут подключаться только к измерительным схемам, входы которых не имеют контакта с землей. Если данное условие не соблюдается, в устройстве возникнет две независящих замкнутых схемы, в итоге чего показания, приобретенные при помощи термопары, не будут соответствовать реальности.

Бегущая термопара и ее применение

Существует отдельная разновидность данного устройства, называемая «бегущей». Принцип деяния бегущей термопары мы на данный момент разглядим более тщательно.

Эта конструкция применяется в главном для определения температуры металлической заготовки при ее обработке на токарных, фрезерных и других схожих станках.

Необходимо подчеркнуть, что в этом случае может быть внедрение и обыкновенной термопары, но, если процесс производства просит высочайшей точности температурного режима, бегущую термопару тяжело переоценить.

При применении данного способа в заготовку заблаговременно запаивают ее контактные элементы. Потом, в процессе обработки болванки, данные контакты повсевременно подвергаются воздействию резца либо другого рабочего инструмента станка, в итоге чего спай (который является основным элементом при снятии температурных характеристик) вроде бы «бежит» по контактам.

Этот эффект везде применяется в металлообрабатывающей индустрии.

Технологические особенности конструкций термопар

При изготовлении рабочей схемы термопары делается спайка 2-ух железных контактов, которые, как понятно, сделаны из различных материалов. Место соединения носит заглавие «спай».

Необходимо подчеркнуть, что делать данное соединение при помощи спайки необязательно. Довольно легко скрутить совместно два контакта. Но таковой метод производства не будет владеть достаточным уровнем надежности, также может давать погрешности при снятии температурных характеристик.

Если нужно измерение больших температур, спайка металлов заменяется на их сварку. Это связано с тем, что почти всегда припой, используемый при соединении, имеет низкую температуру плавления и разрушается при превышении ее уровня.

Схемы, при изготовлении которых была использована сварка, выдерживают более широкий спектр температуры. Да и этот метод соединения имеет свои недочеты. Внутренняя структура металла при воздействии высочайшей температуры в процессе сваривания может поменяться, что воздействует на качество получаемых данных.

Не считая того, следует держать под контролем состояние контактов термопары в процессе ее эксплуатации. Так, может быть изменение черт металлов в схеме вследствие воздействия брутальной среды. Может произойти окисление или обоюдная диффузия материалов. В схожей ситуации следует поменять рабочую схему термопары.

Разновидности спаев термопар

Современная промышленность производит несколько конструкций, которые используются при изготовлении термопар:

  • с открытым спаем;

  • с изолированным спаем;

  • с заземленным спаем.

Особенностью термопар с открытым спаем является нехорошая сопротивляемость наружному воздействию.

Последующие два типа конструкции могут применяться при измерении температур в брутальных средах, оказывающих разрушительное воздействие на контактную пару.

Не считая того, в текущее время индустрия осваивает схемы производства термопар по полупроводниковым технологиям.

Погрешность измерений

Корректность температурных характеристик, получаемых при помощи термопары, находится в зависимости от материала контактной группы, также наружных причин. К последним можно отнести давление, радиационный фон или другие предпосылки, способные воздействовать на физико-химические характеристики металлов, из которых сделаны контакты.

Погрешность измерений состоит из последующих составных частей:

  • случайная погрешность, вызванная особенностями производства термопары;

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

  • погрешность, предпосылкой которой послужили наружные помехи;

  • погрешность контрольной аппаратуры.

Достоинства использования термопар

К преимуществам использования схожих устройств для контроля температуры, независимо от области внедрения, можно отнести:

  • большой просвет характеристик, которые способны быть зафиксированы при помощи термопары;

  • спайку термопары, которая конкретно участвует в снятии показаний, можно расположить в конкретном контакте с точкой измерения;

  • легкий процесс производства термопар, их крепкость и долговечность эксплуатации.

Недочеты измерения температуры при помощи термопары

К недочетам внедрения термопары следует отнести:

  • Необходимость в неизменном контроле температуры «прохладного» контакта термопары. Это отличительная особенность конструкции измерительных устройств, в базе которых лежит термопара. Принцип деяния данной схемы сузивает область ее внедрения. Они могут быть применены исключительно в том случае, если температура окружающего воздуха ниже температуры в точке измерения.

  • Нарушение внутренней структуры металлов, используемых при изготовлении термопары. Дело в том, что в итоге воздействия наружной среды контакты теряют свою однородность, что вызывает погрешности в получаемых температурных показателях.

  • В процессе измерения контактная группа термопары обычно подвержена нехорошему воздействию среды, что вызывает нарушения в процессе работы. Это снова же просит герметизации контактов, что вызывает дополнительные издержки на сервис схожих датчиков.

  • Существует опасность воздействия электрических волн на термопару, конструкция которой предугадывает длинноватую контактную группу. Это также может сказаться на результатах измерений.

  • В неких случаях встречается нарушение линейной зависимости меж электронным током, возникающим в термопаре, и температурой в месте измерения. Схожая ситуация просит калибровки контрольной аппаратуры.

Заключение

Невзирая на имеющиеся недочеты, способ измерения температуры при помощи термопар, который был в первый раз придуман и опробован еще в 19 веке, отыскал свое обширное применение во всех отраслях современной индустрии.

Не считая того, есть такие области внедрения, где внедрение термопар является единственным методом получения температурных данных. А ознакомившись с данным материалом, вы довольно много разобрались в главных принципах их работы.

tipsboard.ru

Конструкция, устройство термоэлектрических преобразователей — термопары.

Условно термоэлектрические преобразователи подразделяются на термопреобразователи общепромышленного назначения и специальные. Термоэлектрический преобразователь — это термопара с изолированными электродами, помещенными в защитную арматуру. Рассмотрим вначале первую группу. Существует большое разнообразие конструктивных исполнений преобразователей. На рис. 1 представлена схема устройства одной из разновидностей преобразователя общепромышленного назначения.

Рис. 1. Конструкция термопреобразователя напряжения промышленного назначения.

1 — электроды; 2 — рабочий пай; 3 — трубка; 4 — защитная арматура; 5 — керамический наконечник; 6 — заливка; 7 — головка; 8 — сборка; 9 — зажимы; 10 — удлиняющие провода; 11 — герметизированный ввод; 12 — элементы крепления термопреобразователя

Электроды 1 термопреобразователей ТХК и ТХА общепромышленного назначения обычно выполняются из проволоки диаметром, обеспечивающим пренебрежимо малое сопротивление термопары и достаточную механическую прочность. При этом можно не учитывать изменение сопротивления электродов при изменении температуры, что важно при использовании некоторых типов милливольтметров в качестве вторичных приборов. Рабочий спай 2 обычно выполняется сваркой.

Для изоляции термоэлектродов используют кварцевые (до 1000 °С) или фарфоровые (до 1400 °С) трубки или бусы. При более высоких температурах применяются оксиды металлов: алюминия, магния, бериллия и т.п. На рис. 1 в качестве изолятора изображена трубка 3, представляющая стержень с двумя продольными отверстиями, в которые пропущены электроды. Рабочий спай может быть защищен керамическим наконечником 5. Материалом защитной арматуры 4 обычно является нержавеющая сталь (до 900 °С), при высоких температурах используются специальные сплавы. Арматура заканчивается головкой 7, в которой расположена сборка 8 с зажимами 9, к которым подведены электроды термопары и через герметизированный ввод 11 — термоэлектродные удлиняющие провода 10. Внутренняя полость защитной арматуры может быть герметизирована заливкой б верхней части. На наружной поверхности арматуры могут располагаться элементы 12 (например, штуцера) для крепления защитной арматуры к объекту. Защитная арматура может не иметь штуцера, либо штуцер может быть подвижным (при невысоких давлениях контролируемой среды). Длина монтажной части L различных модификаций составляет (0,08…2,5) м, диаметр рабочей части (5…25) мм.

Конструкция, в которой рабочий спай изолирован от защитной арматуры, представлена на рис. 1. Существуют конструкции, в которых рабочий спай приварен к чехлу или прижат к нему. Это снижает инерционность преобразователя, но резко уменьшает помехозащищенность измерительного канала, особенно при заземлении какой-либо точки входного элемента потенциометра. Это вызвано тем, что рабочий спай через свою арматуру и защитный чехол оказывается заземленным, причем в другой точке, чем заземление измерительного прибора. В этом случае образуется паразитный контур и при различии потенциалов точек заземления на входе вторичного прибора появляется паразитный сигнал, не устраняемый входным фильтром. В силу этого целесообразно применять преобразователи с изолированным рабочим спаем.

Специальные термопреобразователи изготовляются на основе кабельных термопреобразователей типов КТХАС, КТХАСП, КТХКС. Они предназначены для измерения температуры от -50 до 1000 °С ив основном используются в реакторной термометрии. Кабельные термопреобразователи имеют наружный диаметр от 1 до 6 мм, длину от 10 до 50 м с числом жил 2 или 4 (одна жила или одна пара жил из хромеля, другая из копеля или алюмеля). Схематично устройство кабельного термопреобразователя с изолированным рабочим спаем представлено на рис. 2, а. Возможна конструкция термопреобразователей, у которых рабочий спай не изолирован от оболочки.

Рис. 2. Конструкция термоэлектрического преобразователя специального применения:

а, 6 — одно- и многозонный преобразователи; 1 — рабочий спай; 2 — термоэлектроды; 3 — оболочка; 4 — втулка; 5 — герметик; 6 — выводы

В кабельных преобразователях изоляция термоэлектродов осуществляется спрессованным порошком оксида магния. Существенным ее недостатком является гигроскопичность, причем с повышением влажности она набухает (может разорвать оболочку) и теряет изоляционные качества. Поэтому герметизация концов термопреобразователя с последующей проверкой ее качества обязательна. Материал оболочки — нержавеющая сталь. При малых диаметрах термопреобразователя электроды оказываются очень тонкими (до 0,2 мм) и с большим погонным сопротивлением. Для повышения прочности и уменьшения сопротивления измерительной цепи во втулке 4 они наращиваются более толстыми проводниками того же материала, которые и являются выводами. Существуют преобразователи с утоненным или плоским рабочим участком.

В качестве изолятора может быть использован оксид алюминия, обладающий хорошими изоляционными свойствами до 1200 °С, радиационно стойкий, подобно оксиду магния, он также гигроскопичен (хотя не набухает при увлажнении). Его недостаток — твердость зерен, что не обеспечивает плотной упаковки и соответственно высокой изоляции. Для измерения температур до 2000 °С может быть использован оксид бериллия, недостаток которого — токсичность.

Специфические (наряду с общими) требования предъявляются к материалам оболочек термопреобразователей для реакторных измерений: минимальное сечение поглощения нейтронов, минимальная наведенная активность, высокая радиационная стойкость, высокая коррозионная стойкость и технологичность. В качестве материала применяются стали с большим содержанием никеля. При изготовлении термопреобразователей важно следить за качеством изоляции электродов между собой и от оболочки. Наличие трещин или газовых полостей в изоляции приведет к понижению сопротивления под действием излучения и появлению ионизационных токов. Поэтому обязательной является процедура проверки герметичности оболочки и измерение сопротивления изоляции. По существующим нормам сопротивление должно быть не менее 1000 МОм.

Для измерения температуры в нескольких точках могут использоваться кабельные многозонные термопреобразователи (рис. 2, б). Такой преобразователь (ТЭП) имеет три или пять рабочих спаев при расстоянии между ними 1 или 1,5 м при общей длине 25 м и внешнем диаметре оболочки 3 или 6 мм. Число выводов ТЭП соответственно равно 4 или 6. Из рис. 2, б видно, что для измерения температуры в точке t1 прибор нужно подключить к выводам 1 и 4, а для измерения в точке t3 — к выводам 3 и 4. Все материалы н элементы многозонного ТЭП аналогичны однозонному (рис. 2, а). Достоинства такого ТЭП очевидны — возможность измерения температуры в нескольких точках в труднодоступных местах благодаря большой протяженности и малому диаметру при малом количестве металла, вводимого в контролируемую зону.

Удлиняющие термоэлектродные провода обычно изготавливаются в виде пары изолированных проводов сечением (0,2…4) мм2 в общей оболочке. Материал изоляции проводов и оболочки определяется условиями прокладки. Для целей помехозащищенности выпускаются провода, экранированные металлической оплеткой. Учитывая, что каждый провод удлиняющих проводов должен подключаться к определенному электроду термопреобразователя, изоляция проводов или цветные нити в оплетках имеют определенную расцветку.

Рис. 3. Схемы измерительного комплекта с размещением свободных концов в УК (в) и в ИП (б)

Итак, можно уже представить из чего должен состоять измерительный комплект для измерения температуры термоэлектрическим методом (рис. 3, а): термоэлектрический преобразователь (ТЭП), компенсационное устройство (УК) для автоматического введения поправки на изменение температуры свободных концов преобразователя, удлиняющих термоэлектродных проводов TЭ1 и ТЭ2 между ТЭП и УК (чтобы свободные концы оказались на зажимах УК) и измерительного прибора (ИП). Между УК и ИП соединительная линия выполняется одинаковыми монтажными (медными) проводами (МП). Обычно введение поправки на изменение температуры свободных концов осуществляется схемой самого прибора ИП. В этом случае отдельный блок УК не применяется, и ТЭП подключается непосредственно к ИП удлиняющими термоэлектродными проводами (рис. 3, б). Целиком измерительный комплект называется термоэлектрическим термометром. При применении длинных термопреобразователей (кабельных), их концы могут непосредственно соединяться с зажимами УК или ИП без использования удлиняющих термоэлектродных проводов.

www.eti.su

ТЕРМОПАРА И ПРИНЦИПЫ ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ

23.03.2014

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

 

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

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

 

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

 

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

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

 

Принципиальная схема включения двух термопар

 

 

СПОСОБЫ ПОДКЛЮЧЕНИЯ

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

 

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

 

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

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

 

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕРМОПАР

 

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

 

ПРЕИМУЩЕСТВО ТЕРМОПАР

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

НЕДОСТАТКИ

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

ТИПЫ ТЕРМОПАР

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

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

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

 

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

www.kvota.com.ua

Термопара для котла. Для чего нужна Термопара. Основные компоненты и принцип работы термопары. | ТЕПЛОТА

Термопара активно применяется в газовых котлах и котельных установках. Основное назначение термопары — измерение температуры в камере сгорания и автоматическое перекрытие подачи газа в случае исчезновения пламени. Такие случаи возникают нередко, начиная от внезапных порывов ветра и заканчивая обычным отключением газа.
Поскольку в камере сгорания котла очень высокая температура, обычные измерительные приборы и устройства защиты не способны справиться со своей задачей и выдержать такие термические нагрузки. В таких случаях используют термопару.
В статье блога Теплота рассмотрим для чего нужна термопара, основные компоненты и принцип ее работы, из каких металлов состоят проводники термопары, а также как проверить работоспособность термопары и ее заменить.

Для чего нужна Термопара.

Термопара применяется для преобразования термической энергии в электрический ток для электромагнитных катушек в газовых котлах и служит основным элементом защиты газ-контроля. Она изготавливается из нескольких видов металла, устойчивых к максимальным температурам внутри камеры сгорания. Термопара работает вместе с автоматическим отсекающим газовым клапаном, который перекрывает подачу газа.

Автоматика газового котла

Основные компоненты и принцип работы термопары.

Термоэлектрический преобразователь представляет собой элементарную конструкцию, состоящую из двух проводников, которые соприкасаются друг с другом в одной или нескольких точках. Сами проводники состоят из разнородных металлов. Именно отличие в составах металла является основополагающим фактором работы термопары. В основе принципа действия заложено физическое явление, имеющего название эффект Зеебека. Когда два элемента из различных металлов прочно соединяют между собой в одной точке, а место стыка помещают в открытый огонь, то на оставшихся холодных концах спаянного проводника появляется разница потенциалов. Если к этим концам подсоединить измерительный прибор в виде вольтметра, то произойдет замыкание цепи, а датчик покажет появившееся напряжение. Напряжение от разницы потенциалов нагретых металлов будет незначительным, однако его будет вполне достаточно для проявления индукции в чувствительных катушках электромагнитных отсекающих клапанов. Как только на холодных концах проводников появляется напряжение, клапан автоматически срабатывает и открывает проход топлива к запальнику.

Термопара котла — эффект Зеебека

Из каких металлов состоят проводники термопары.

Все термопары создаются из определенных сплавов благородных и неблагородных металлов, которые имеют постоянную повторяемую зависимость между разницей температурой и напряжением. Каждая группа сплавов используется для конкретных диапазонов температур и применяется в установленных нагревательных приборах.

Термопара арт.0.200.042 (Eurosit — Италия, A3, с резьбой M8x1, клапан М8×1, L=320 мм)

На рынках современного котельного оборудования чаще всего применяются три основных типа термопар:
Тип Е. Изготавливается из пластин хромеля и константа. Отличается высокой надежностью. Имеет заводскую маркировку ТХКн. Диапазон рабочей температуры составляет от 0 до +600°С.
Тип J. Аналог предыдущей термопары, но вместо хромеля здесь применяется железо. Устройство практически не уступает по функциям типу Е, однако цена значительно меньше. Маркировка – ТЖК. Диапазон температур варьируется в пределах от -100 до +1200°С.
Тип К. Наиболее распространенный и повсеместно применяемый тип термопары. Маркировка – ТХА. В составе содержатся пластины из хромеля и алюминия. Рабочие температуры находятся в пределах от – 200 до +1350°С. Такие приборы довольно чувствительны к малейшим изменениям температур, но при этом сильно зависят от окружающей среды. К примеру углекислый газ способен существенно снизить срок эксплуатации устройства и вызвать преждевременный ремонт.

Проверка и замена термопары.

Как правило, термопара не подлежит восстановлению в случае преждевременного выхода из строя. Если газовая установка перестает зажигаться по причине отсутствия подачи газа, то это свидетельствует о неисправности клапана или самого терморегулятора. Чтобы проверить его работоспособность, достаточно один конец соединить с измерительным датчиком (мультиметром), а второй конец нагреть вручную с помощью зажигалки или газовой горелки. Исправная термопара должна показывать напряжение в районе 50 мВ. Если на самих проводниках имеются окисленные или загрязненные участки, а мультиметр показывает напряжение отличное от нормы – термопара вышла из строя. В таких случаях рекомендуется просто поменять термоэлемент и установить вместо него новый.

teplota.kh.ua