Термопара: устройство и классификация, монтаж и принцип работы

Что такое термопара

Термопары существуют благодаря такому явлению, как контактная разность потенциалов. Если два разных твердых проводника или полупроводника привести в плотный контакт друг с другом, то в окрестности места их соприкосновения образуются разделенные электрические заряды. При этом на внешних концах данных проводников возникнет разность потенциалов. Эта разность потенциалов окажется равна разности работ выхода для каждого металла, поделенной на заряд электрона.

Вопрос экспертуЗачем нужен вольтметр при подборе термопары?Вольтметром измерить контактную разность потенциалов не удастся, однако на вольт-амперной характеристике она себя проявит, так например она проявляет себя в транзисторе и в диоде на p-n переходе.

Понятно, что если сомкнуть такую пару в кольцо, то результирующая ЭДС будет равна нулю, а если с одной стороны ее все же оставить разомкнутой, то будет иметь место реальная ЭДС, величиной от десятых долей вольта до единиц вольт, в зависимости от того, что это за материалы.

Дополнительный материал: Как смастерить лабораторный блок питания самостоятельно.

Суть в том, что при соприкосновении, к примеру, двух металлов, система выходит из равновесия потому что химические потенциалы этих двух металлов не равны друг другу, в результате происходит диффузия электронов в сторону уменьшения их энергии, что в свою очередь приводит к изменению заряда и электрического потенциала приведенных в контакт металлов. Так в приконтактной области начинается рост электрического поля, и как следствие мы имеем то, что имеем.

Если теперь снова рассмотреть два этих проводника из разных металлов, только замкнутых в кольцо, когда суммарная ЭДС по замкнутому контуру станет равна нулю, то здесь получится два контактных места. Назовем эти места спаями. Итак, есть два спая двух разных проводников. Что если попробовать подогреть один из спаев, а второй оставить при комнатной температуре? Очевидно, что поскольку соединенные металлы разные, и в каждом спае присутствует контактная разность потенциалов, то спаи будут испытывать разное отклонение ЭДС, находясь при разных температурах.

Принцип работы термопары.

Эксперимент доказывает, что разность потенциалов между спаями будет пропорциональна разности их температур, так что можно ввести коэффициент пропорциональности, который называют термо-ЭДС. Для различных термопар термо-ЭДС будет разной. Если в разрезе такого кольца измерить напряжение, то в определенном интервале температур оно окажется почти строго пропорционально разности температур спаев. И даже если оставить только один спай (как на рисунке), и лишь его подогревать, а напряжение измерять между двумя концами, находящимися при одной и той же комнатной температуре, то все равно можно обнаружить очень четкую зависимость ЭДС от текущей температуры спая.

Чем отличаются параллельное и последовательное соединение конденсаторов. Читать далее Металлоискатель пират своими руками подробная инструкция. Читать далее Что такое подстроечный резистор: описание устройства и область его применения. Читать далее

Так и работают термопары. Описанное явление относится к термоэлектрическим, а сам эффект, на базе которого работают все термопары, называется эффектом Зеебека, в честь его первооткрывателя — Томаса Зеебека. Сегодня можно встретить промышленные термопары, у которых, в зависимости от требуемого измеряемого диапазона температур, электроды изготавливают из специально подобранных сплавов.
К примеру термопары из сплавов хромель и алюмель имеют коэффициент термо-ЭДС, равный 40 микровольт на °C, и предназначены для измерения температур в диапазоне от 0 до +1100°C. А пара медь-константан, столь популярная в качестве демонстрационного пособия, позволяет измерять температуры от -185 до +300°C.

Конструктивные особенности

Если относиться более скрупулезно к процессу замера температуры, то эта процедура осуществляется с помощью термоэлектрического термометра. Основным чувствительным элементом этого прибора считается термопара.

Сам процесс измерения происходит за счет создания в термопаре электродвижущей силы. Существуют некоторые особенности устройства термопары:

• 
  Электроды соединяются в термопарах для измерения высоких температур в одной точке с помощью электрической дуговой сварки. При замере небольших показателей такой контакт выполняется с помощью пайки. Особенные соединения в вольфрам-рениевых и вольфрамо-молибденовых устройствах проводятся с помощью плотных скруток без дополнительной обработки.
• Соединение элементов проводится только в рабочей зоне, а по остальной длине они изолированы друг от друга.
• Метод изоляции осуществляется в зависимости от верхнего значения температуры. При диапазоне величины от 100 до 120 °C используется любой тип изоляции, в том числе и воздушный. При температуре до 1300 °C применяются трубки или бусы из фарфора. Если величина достигает до 2000 °C, то применяется изоляционный материал из оксида алюминия, магния, бериллия и циркония.
• В зависимости от среды использования датчика, в которой происходит замер температуры, применяется наружный защитный чехол. Выполняется он в виде трубки из металла или керамики. Такая защита обеспечивает гидроизоляцию и поверхностное предохранение термопары от механических воздействий. Материал наружного чехла должен выдерживать высокую температуру воздействия и обладать отличной теплопроводностью.

Вам это будет интересно  Киловатт — производная единица измерения мощности

Конструкция датчика во многом зависит от условий его применения. При создании термопары во внимание принимается диапазон измеряемых температур, состояние внешней среды, тепловая инерционность и т. д.

Принцип работы

Работа любой термопары основывается на термоэлектрическом эффекте, который был открыт Т.И. Зеебеком в далёком 1821 году. Данный эффект заключается в том, что если последовательно соединить друг с другом два разнородных металлических проводника, образуя таким образом замкнутую электрическую цепь, и в одном месте соединения проводников произвести нагрев, то в цепи возникает электродвижущая сила (ЭДС). Данную электродвижущую силу называют термо-ЭДС. Под действием термо-ЭДС в замкнутой цепи начинает протекать электрический ток.

Как работает термопара.

Место нагрева обычно называют горячим спаем. Место, где нет нагрева – холодный спай. Если в разрыв цепи подключить гальванометр или микровольтметр, то можно измерить величину термо-ЭДС, которая будет составлять несколько мили- или микровольт. Значение термо-ЭДС будет зависеть от величины нагрева в месте соединения проводников и от величины температуры в месте соединения проводников, где нагрев не происходит. Т.е. значение термо-ЭДС зависит от разности температур между холодным и горячим спаем. Также термо-ЭДС зависит и от рода самих проводников.

Будет интересно➡  Что такое электрическое сопротивление

Таким образом, если место соединения разнородных проводников термопары нагреть, то между несоединёнными (свободными) концами проводников возникнет разность потенциалов, которую можно измерить электроизмерительным прибором. Благодаря современным преобразователям возникающую разность потенциалов можно преобразовать в определённое цифровое значение, т.е. вполне реально узнать значение температуры нагрева в месте соединения проводников термопары. Для того чтобы измерения были точными, температура холодного спая должна быть неизменной. Т.к. это не всегда возможно, используются специальные компенсационные схемы для компенсации температуры холодного спая.

Устройство термопары.

Конструкция устройства

Современные термопары изготавливаются различной формы и длины. По конструктивному исполнению их можно разделить на две группы:

• бескорпусные термопары;
• термопары с защитным кожухом.

Первые представляют собой изделие, у которого место соединения двух проводников не закрыто и не защищено от внешних воздействий. Такое исполнение позволяет достичь быстрого времени измерения температуры и низкой инертности. Второй тип термопары выпускается в виде зонда. Зонд представляет собой металлическую трубку с внутренним изолятором, выдерживающим высокую температуру. Внутрь зонда помещается термоэлектрический элемент термопары. Благодаря такой конструкции термоэлемент защищён от влияния агрессивных сред различных технологических процессов.

Термопара типа J.

Холодный спай

Холодный спай часто представляет собой точку, где свободные концы проводов термопары подсоединяются к измерительному прибору. В силу того, что измерительный прибор в цепи термопары в действительности измеряет разность напряжения между двумя спаями, то напряжение холодного спая должно поддерживаться на неизменном уровне, насколько это возможно. Поддерживая напряжение на холодном спае на неизменном уровне мы тем самым гарантируем, что отклонение в показаниях измерительного прибора свидетельствует о изменении температуры на рабочем спае.

Если температура вокруг холодного спая меняется, то величина напряжения на холодном спае также изменится. В результате изменится напряжение на холодном спае. И как следствие разница в напряжении на двух спаях тоже изменится, что в конечном итоге приведет к неточным показаниям температуры. Для того, чтобы сохранить температуру на холодном спае на неизменном уровне во многих термопарах используются компенсирующие резисторы. Резистор находится в том же месте, что и холодный спай, так что температура воздействует на спай и резистор одновременно.

Термопара газовой плиты.

Рабочий спай термопары (горячий)

Рабочий спай — это спай, который подвержен воздействию технологического процесса, чья температура измеряется. Ввиду того, что напряжение, генерируемое термопарой прямо пропорционально ее температуре, то при нагревании рабочего спая, он генерирует больше напряжения, а при охлаждении — меньше.

Из чего состоит термопара.

Виды устройств

Каждый вид термопар имеет свое обозначение, и разделены они согласно общепринятому стандарту. Каждый тип электродов имеет свое сокращение: ТХА, ТХК, ТВР и т. д. Распределяются преобразователи соответственно классификации:

• 
  Тип E — представляет собой сплав хромеля и константана. Характеристикой этого устройства считается высокая чувствительность и производительность. Особенно это подходит для использования при крайне низких температурах.
• J — относится к сплаву железа и константана. Отличается высокой чувствительностью, которая может достигать до 50 мкВ/ °C.
• Вид K — считается самым популярным устройством, состоящим из сплава хромеля и алюминия. Эти термопары могут определить температуру в диапазоне от -200 °C до +1350 °C. Приборы используются в схемах, расположенных в неокисляющих и инертных условиях без признаков старения. При применении устройств в довольно кислой среде хромель быстро разъедается и приходит в негодность для измерения температуры термопарой.
• Тип M — представляет сплавы никеля с молибденом или кобальтом. Устройства могут выдерживать до 1400 °C и применяются в установках, работающих по принципу вакуумных печей.
• Вид N — нихросил-нисиловые устройства, отличием которых считается устойчивость к окислению. Используются они для измерения температур в диапазоне от -270 до +1300 °C.

Вам это будет интересно  Материал, из какого должен изготавливаться искусственный заземлитель

Существуют термопары, выполненные из сплавов родия и платины. Относятся они к типам B, S, R и считаются самыми стабильными устройствами. К минусам этих преобразователей относится высокая цена и низкая чувствительность.

При высоких температурах широко используются устройства из сплавов рения и вольфрама. Кроме того, по назначению и условиям эксплуатации термопары могут бывать погружаемыми и поверхностными.

По конструкции крепления устройства обладают статическим и подвижным штуцером или фланцем. Широкое применение термоэлектрические преобразователи нашли в устройстве компьютеров, которые обычно подсоединяются через COM порт и предназначены для измерения температуры внутри корпуса.

Трудности измерении температур термопарой

Малый сигнал на выходе

Напряжение крайне мало, и поэтому требуется дополнительное усиление сигнала. Измерительные схемы для термопары очень сложны, потому как требуется сверх точное усиление сигнала. Для таких целей изготовляются специальные микросхемы, с помощью которых можно соорудить достаточно компактный измеритель температуры.

Компенсация эталонного спая

Первые, в своем роде, термопары погружали эталонным спаем в ванну со льдом, что бы температура была постоянной. Но сейчас это не подходит современным системам измерения, хотя поддержание температуры спая все равно необходимо. В данный момент используют технологию компенсации эталонного спая. Для этих целей применяется другой термочувствительный элемент. Например — термисторы, резистивные датчики или удаленные термодиоды.

Нелинейность характеристики

Характеристика напряжения термопары не линейна, и изменяет наклон в зависимости от величины сигнала. Есть такие способы решения проблемы:

• Аппроксимировать наклон как линейный (особенно хорошо работает для термопар К- и -J типа);
• Соотнести набор напряжений термопары с ее относительной температурой, путем сохранения характеристики в памяти просмотровой таблицы;
• Моделировать поведение термопары уравнениями высокого порядка.

В зависимости от используемой пары материалов термопары делят на:

• Чистый метал;
• Сплав.

Способы измерения температуры при помощи термопар

При измерениях следует определится, что Вы ставите в приоритет — оптимизацию для простоты или точности и гибкости.

Оптимизация для простоты

Суть в включении в схему измерения усилителя AD8495, специализированного на термопарах типа К. Выбор этого варианта не требует написание программы и имеет простой тракт сигнала.

Тип термопарыДиапазон температуры измерительного спаяДиапазон температуры эталонного спаяТочность при 25°СПотребляемая мощность

Оптимизация для точности и гибкости

Тут мы имеем для измерения малых напряжений термопары  схему со сверхточным АЦП  и измерение температуры спая высокоточным термодатчиком. Можно использовать с термопарами J-, K- и Т- типа. Управление видеться от микроконтроллера.

Тип термопарыДиапазон температуры
измерительного спаяДиапазон температуры эталонного спаяТочностьПотребляемая мощность

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

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.

Измерение высоких температур

Если Вы измеряете в среднем (400-1500 °С) или высоком (1600-2500 °С) диапазоне температур, то в этом случае применяются защита в виде чехла из огнеупорных материалов. Высокая плотность и термостойкость – вот те требования, которые применяться к защите.

Достоинства:

• — надежность;
• — отсутствует саморазогрев;
• — дешевизна;
• — высокая точность;
• — широкий температурный диапазон.

Недостатки:

• -сложность обработки сигнала;
• — подверженность коррозиям;
• — подверженность помехам;
• — малая чувствительность (порядку 0,1 мВ/°К);
• — высокое исходное сопротивление;
• — необходимость поддержки.

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.

<td>0; +1820−250; +400−40; +900

Схема подключения термопары

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

Стандарты на цвета проводников термопар

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

ВАЖНО: Необходимо узнать используемый стандарт на предприятии для предотвращения ошибок.

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.

Быстродействие измерения

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

Факторы, увеличивающие быстродействие:

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

Особенности применения наиболее распространённых термопар

Технические характеристики зависят напрямую от материалов, из которых они произведены.

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.

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.

Термопара типа К.

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.

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.