Термоэдс термопары: Термопары. Типы, характеристики, конструкции, производство. Статья

Содержание

Термоэлектричество, термоэлектродвижущая сила, термопары

Определение 1

В замкнутой цепи, которая состоит из нескольких металлов либо полупроводников, электрический ток не возбуждается при условии, если температуры всех тел равны друг другу. Если же температуры в местах контактов различаются, тогда в цепи появляется электрический ток. Такой ток называется термоэлектрический. Возникновение термоэлектрического тока, а также связанных с ним явлений Пельтье и Томсона, называют термоэлектричеством.

Термоэлектричество

Явление термоэлектричества открыл ученый Зеебек. Он изучал данное явление, но толковал его неверно. Зеебек полагал, что под влиянием разности температур в разных, но соединенных проводниках происходит выделение магнетизма.

Рассмотрим пример опыта, в котором наблюдается возбуждение термоэлектрического тока.

Пример 1

К пластинке сурьмы Sb припаивают пластинку меди Cu.

Между пластинками находится магнитная стрелка. При нагреве одного из спаев возникнет ток, и магнитная стрелка отклоняется. По направлению отклонения стрелки понятно, что ток перемещается от меди к сурьме. При охлаждении спая направление тока меняется на противоположное.

Металл или полупроводник, по направлению которого бежит ток через более нагретый спай термоэлектрической пары, называется положительный, а другой – отрицательный. Первый – это анод, а второй – катод. В термоэлектрической паре медь–сурьма, сурьма будет положительной, а медь – отрицательной.

Термоэлектродвижущая сила

Определение 2

Термо ЭДС Ε – это величина сложения электродвижущих сил двух спаев. ЭДС 1-го спая f(t) зависит от вида контактирующих металлов и температуры.

Тогда запишем:

где t1 – это температура части с большей температурой, t2 – это температура части спая с меньшей температурой.

Коэффициент термоэлектродвижущей силы (дифференциальная термо ЭДС) α, то есть характеристика 2-х металлов термопары, находится по формуле:

В опытах величину α измеряют по отношению к свинцу (а иногда и к другому металлу). Это означает, что α вычисляется для термопары, у которой 1 ветвь составлена из изучаемого материала, а 2-я – из свинца. Коэффициент термоэлектрической силы α12 одного металла по отношению к другому металлу находится как:

где α1 и α2 – это значения коэффициентов термоэлектродвижущей силы 1-го и 2-го металлов по отношению к свинцу. Данные значения зависят от чистоты веществ и сильно меняются при добавлении примесей. Для некоторых веществ, к примеру термопар (Cu, Bi); (Ag, Cu), (Au, Cu), идеально подходит формула для ЭДС термопары Ε:

Для некоторых термопар зависимость ЭДС термопары можно представить формулой электродвижущей силы:

Исходя из выражения (5) ЭДС становится равной 0 при t1=t2 и при t1+t2=-αβ. Величина τ – это температура нейтральной точки, которая равняется:

Если при t2=const, увеличивать t1, то Ε будет увеличиваться по параболическому закону, достигнув максимума при t1=τ, а потом будет равна 0 и сменит знак при температуре t1=2τ-t2.

Определение 3

Точка инверсии – это температура, при которой величина ЭДС проходит через 0.

Слишком сложно?

Не парься, мы поможем разобраться и подарим скидку 10% на любую работу

Опиши задание

Термо ЭДС цепи, которая составлена из 2-х разных проводников, при небольшой разности температур ∆T→0, может выражаться формулой:

Формула (7) демонстрирует, что термо ЭДС цепи – это разность термо ЭДС каждого из плеч цепи, причем в каждом из проводников появляется термо ЭДС ∆Εi=αi∆T(i=1,2).

Для нахождения не только величины, но и направления термо ЭДС приписывают конкретный знак. Значение α считается положительным, если появляющийся в проводнике термо ток протекает от горячего к холодному. В замкнутой цепи термо ток в горячем спае протекает от проводника с меньшим α (алгебраически) к проводнику с большим α.

Термосвойства у полупроводников выражаются намного сильнее, чем у проводников.

Энергия электронов в металлах выражается не сильной зависимостью от температуры, а концентрации выражаются одинаковыми значениями при низкой и высокой температурах. У металлов наблюдается слабая зависимость положения уровня Ферми от температуры. Поэтому коэффициент термоэлектродвижущей силы для металлов и сплавов не превышает даже и нескольких микровольт на кельвин. В полупроводниках концентрация носителей заряда (электронов проводимости и отверстий), точно так же как и все параметры (энергия носителей заряда и положение уровня Ферми) значительно зависят от температуры. Коэффициент α намного больше по сравнению с металлами и может достигать значения более 1000 мкВК.

Термопара

Термоэлектричество используют для генерации электрического тока. Отдельная термопара (термоэлемент) наделен очень небольшой электродвижущей силой. Для получения значительных напряжений термоэлементы соединяют последовательно в батареи. Все нечетные спаи поддерживают на одной температуре, а все четные – при другой температуре. Причем электродвижущие силы отдельных элементов можно складывать. Термобатарея наподобие тепловой машины, включенной между нагревателем и холодильником. В этой машине большее количество теплоты, полученного от нагревателя, растрачивается на джоулево тепло и теплопроводность. Термобатареи из металлических термопар характеризуются слишком маленьким КПД (приблизительно 0,1%). Металлические термопары применяют лишь для установления температур и потоков лучистой энергии. Намного продуктивнее работают батареи термопар из полупроводников. Причем 1 ветвь термопары делают из полупроводника с электронной проводимостью, а 2-ю – из полупроводника с дырочной проводимостью. Коэффициент полезного действия полупроводниковых термопар доходит до 15%.

Пример 2

Необходимо найти термо ЭДС пары железо–константан. При условии что абсолютные значения α по отношению к платине находятся в интервале температур 0–100°С для Железа α1-αPt=+16 мкВК, для константана α2-αPt=-34,4 мкВК.

Решение

Дифференциальная термо ЭДС данной цепи равняется:

16-(-34,4)=50,4 мкВК.

При условии разности температур спаев:

T2-T1=100 К.

Тогда термо ЭДС данной пары будет равняться:

50,4·100=5,04 (мВ).

Ток в горячем спае будет протекать в направлении от константана к железу.

Ответ: 5,04 мВ

Пример 3

Необходимо объяснить, почему появляется термо ЭДС.

Решение

Для понимания причины появления термо ЭДС применим цепь из 2-х проводников (рисунок 1). Пускай температура контакта

B равна T1, температура контакта С равна T(Ti>T)Температура контактов А и D одинаковая и равняется T. Тепловые скорости электронов возле контакта B больше по сравнению с теми, что возле контакта С. Поэтому во 2-м проводнике появится поток диффундирующих электронов, направленный по направлению от B к С. На поверхности 2-го проводника образуются электрические заряды, а это означает, что возникает электрическое поле, его значение таково, что в установившемся состоянии данное поле порождает такой ток дрейфа, который может компенсировать ток диффузии.

Рисунок 1

Следовательно, если в проводнике существует градиент температур, тогда в нем возникает градиент электрического потенциала.

Помимо этого, термо ЭДС вызывается не только диффузией в объеме, но также и контактными скачками потенциала φi12 и φi21. Поскольку они зависят от температуры, тогда их сумма не равна 0. Напряжение, регистрируемое вольтметром на рисунке 1, равное термо ЭДС, суммируется из падения напряжения в объеме проводников и скачков потенциала в контактах.

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.

классификация, как работает, особенности применения

Термопа́ра — устройство основанное на преобразовании электрического сигнала в показатель температуры при изменении физических параметров веществ, из которых состоит прибор. Термопары широко распространены в промышленности, коммунальном хозяйстве, используются в массе бытовых приборов и автомобилях. От самых простых приборов (которые можно встретить в обычных утюгах) до сложных и дорогих (жаростойкие термопластины для измерения температуры на газовых турбинах) их можно встретить везде, где стоит задача измерения температуры.

Как работает термопара?

Термопара состоит из пары проводников из отличающихся материалов, соединенных между собой только с одной стороны.

Регистрирующие приборы (аналоговые, цифровые) измеряют разницу термо-ЭДС возникающих в местах спайки и на концах проводников.

Действие прибора построено на эффекте Зеебека(термоэлектрической эффект). Представьте две проволоки соединенные между собой двумя спайками. Если нагревать/охлаждать одну спайку, то по кольцу потечет ток. Его вызывает термо-ЭДС, которая возникает за счет разности потенциалов между спайками.

Интересное видео о термопарах от НИЯУ МИФИ смотрите ниже:

При одинаковой температуре спаек сума токов в цепи равна нулю – ток не течет. При отличающихся температурах возникает разность потенциалов между спайками. От интенсивности нагревания/охлаждения зависит и разность потенциалов.

Термо-ЭДС можно измерить. Она пропорциональна изменению разности температур на спайках. Самый простой способ измерения параметров тока в таких условиях – гальванометр (применяется для демонстрации эффекта Зеебека).

В современных сложных термопарах применяются электронные средства преобразования сигнала.

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:

Классификация термопар, их свойства и сферы применения

В российском ГОСТе применяется трехбуквенное обозначение кириллицей групп термопар, в международной классификации (МЭК) приняты латинские однобуквенные обозначения.

В большинстве случаев группы термопар соответствуют обеим системам классификации.

В таблице даны обозначения по ГОСТу, в скобках приведены аналоги по МЭК:

Тип термопары Материал Свойства
ТХА (К) Вольфрам + родий Для работы в нещелочных средах. Измеряет в пределах −250…+2500°С
ТНН (N) Никросил+ нисил Диапазон температур — 0…1230°С, относится к группе универсальных термопар
ТЖК (J) Железо + константан -200 до +750°С дешевый и надежный вариант для промышленности.
ТМК (Т) Медь + константан -250…+ 400°Снедорогие термопары
ТХК (L) Хромель+ копель наибольшая чувствительностью, но ограничены по диапазону измерений – до 600 °С и очень хрупкие.
ТПП (R, S) Платинородий + платина Для работы в газовых средах, окисленных средах. Недостаток – чувствительны к примесям, нагарам, требуют стерильных условий производства.
ТВР (А-1, А-2, А-3) Вольфрам + рений Диапазон измерений -22О0°С в нормальных средах. Сложны в производстве и эксплуатации.

В таблице приведены наиболее часто встречаемые в сети интернет термопары.

Также существуют другие виды термопар для редких условий работы. Как правило, это штучные приборы, разрабатываемые только под заказ.

Публикации

«Термоэлектрическая термометрия. Основы, проблемы, развитие».

Ж-л «Мир измерений», № 1, 2002 г. Каржавин А.В., Улановский А.А.

Из теории термоэлектричества

Температура — один из важнейших контролируемых параметров технологических процессов практически во всех отраслях народного хозяйства. Большая часть всех температурных измерений приходится на долю термоэлектрических преобразователей [1, с.8], принцип действия которых основан на явлении Зеебека.

В 1821 году немецкий ученый, уроженец г. Ревеля (ныне Таллин), Т. Й. Зеебек (1770-1831) обнаружил, что если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру, то в цепи протекает электрический ток. Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока.

Этот факт послужил основой для создания устройства, чувствительным элементом которого является термопара — два проводника из разнородных материалов, соединенных между собой на одном (рабочем) конце, другие два (свободные) конца проводников подключаются в измерительную цепь или непосредственно к измерительному прибору, причем температура свободных концов заранее известна. Термопара образует устройство (или его часть), использующее термоэлектрический эффект для измерения температуры. Под термоэлектрическим эффектом понимается генерирование термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), возникающей из-за разности температур между двумя соединениями различных металлов и сплавов (рис. 1), образующих часть одной и той же цепи.

Рис. 1 Идеальная термопара

Для бесконечно малой разности температур спаев термопары, состоящей из проводников А и В, ее термоЭДС определяется зависимостью ЕАВ = еАВ*dТ,где еАВ — дифференциальная термоЭДС пары АВ. Величину еАВ называют также коэффициентом термоЭДС, коэффициентом Зеебека или чувствительностью термопары.

ТермоЭДС термопары обусловлена тремя причинами [2]. Первая заключается в зависимости уровня Ферми энергии электронов в проводнике от температуры, что приводит к неодинаковым скачкам потенциала при переходе из одного металла в другой с спаях термопары, находящихся при разных температурах. Во-вторых, при наличии градиента температуры электроны в области горячего конца проводника приобретают более высокие энергии и подвижность. Вдоль проводника возникнет градиент концентрации электронов с повышенными значениями энергии, что повлечет за собой диффузию более быстрых электронов к холодному концу, а более медленных к горячему. Но диффузионный поток быстрых электронов будет больше. Кроме того, при наличии градиента температуры вдоль проводника возникает дрейф фононов — квантов энергии колебаний кристаллической решетки. Сталкиваясь с электронами, фононы сообщают им направленное движение от более нагретого конца проводника к более холодному. Последние два процесса приводят к избытку электронов вблизи холодного конца и недостатку их вблизи горячего конца. В результате внутри проводника возникает электрическое поле, направленное навстречу градиенту температуры. Таким образом, термоЭДС термопары возникает только из-за наличия продольного градиента температуры в проводниках, составляющих пару.

Дифференциальная термо-ЭДС (чувствительность) термопары eAB представляет собой разность абсолютных удельных коэффициентов термо-ЭДС A и B каждого проводника термопары:

eAB = dEAB / dT = AB ,

которую можно считать постоянной только в узком диапазоне температур. Абсолютный коэффициент термо-ЭДС данного проводника можно определить по измеренной теплоте Пельтье или Томсона. Явление Пельтье (1834 г.) заключается в том, что при протекании электрического тока через цепь, составленную из разнородных проводников, в месте контакта проводников происходит выделение или поглощение тепла в зависимости от направления тока. Количество выделившегося или поглотившегося в спае тепла QAB пропорционально заряду q, прошедшему через спай: QAB = AB*q = AB*I*t, где: AB — коэффициент Пельтье, В; I — сила тока, А; t —время, с.

Явление Томсона (1856 г.) заключается в том, что при прохождении электрического тока по однородному проводнику, вдоль которого имеется градиент температуры, в проводнике выделяется или поглощается тепло в зависимости от направления тока. Эта теплота выделяется(поглощается) в дополнение к выделяющейся теплоте Джоуля-Ленца (резистивный нагрев). Теплота Томсона пропорциональна силе тока I и градиенту температуры T:,где — коэффициент Томсона, В/К-1. Теплота Томсона является характеристикой материала проводника подобно удельному электросопротивлению и коэффициенту теплопроводности. Применив к трем указанным термоэлектрическим явлениям законы термодинамики, Томсон вывел следующие соотношения, позволяющие определять коэффициенты Пельтье и Зеебека (коэффициент термо-ЭДС):

Наличие информации об абсолютном коэффициенте термоЭДС хотя бы для материала одного проводника дает возможность определения абсолютных коэффициентов всех проводников по результатам измерений термоЭДС относительно этого проводника. В качестве такого эталона при низких температурах принимается свинец, а при средних и высоких температурах — платина.

Для большинства термопар дифференциальная термо-ЭДС существенно зависит от температуры и зависимость термо-ЭДС от температуры быть представлена в интегральном виде как: , которая, в свою очередь, может быть с заданной точностью аппроксимирована в рабочем диапазоне температур (Т1 … Т2) в виде полинома n-ой степени:

Широкому применению в промышленности термопары обязаны в первую очередь своей простоте, удобству монтажа, возможности измерения локальной температуры. К числу достоинств термопар относятся также широкий диапазон измеряемых температур, малая инерционность, возможность измерения малых разностей температур. Термопары могут обеспечивать высокую точность измерения температуры на уровне ±0.01°С.

Термоэлектрические преобразователи, основные типы и области применения

Согласно ГОСТ 6616-94 в странах СНГ стандартизованы типы термопар, наиболее распространенные из которых представлены в табл. 1.

Таблица 1

Тип термопары Обозначение МЭК Букв. обозн. НСХ Химический состав термоэлектродов, мас. % Пределы измеряемых температур
положительный отрицательный нижний верхний Кратко-
временно
Медь — константановая ТМКн Cu-CuNi T Cu Cu + (40-45)Ni + 1.0Mn + 0.7Fe -200 350 400
Хромель-копелевая ТХК L Ni + 9. 5 Cr Cu + (42-44)Ni + 0.5Mn + 0.1Fe -200 600 800
Хромель — константановая ТХКн NiCr-CuNi E Ni + 9.5 Cr Cu + (40-45)Ni + 1.0Mn + 0.7Fe -200 700 900
Железо — константановая ТЖК Fe-CuNi J Fe Cu + (40-45)Ni + 1.0Mn + 0.7Fe -200 750 900
Хромель-алюмелевая ТХА NiCr-NiAl K Ni + 9.5 Cr Ni + 1Si + 2Al + 2. 5Mn -200 1200 1300
Нихросил-нисиловая ТНН NiCrSi-NiSi N Ni + 14.2Cr + 1.4Si Ni + 4.4Si + 0.1Mg -270 1200 1300
Платинородий-платиновые ТПП13 R Pt + 13Rh Pt 0 1300 1600
Платинородий-платиновые ТПП10 S Pt + 10Rh Pt 0 1300 1600
Платинородий-платинородиевая B Pt + 30Rh Pt + 6Rh 600 1700
Вольфрамрений-вольфрамрениевые (А-1; А-2; А-3) W + 5%Re W + 20%Re 0 2200 2500

Примечания:

1. Указанные буквенные обозначения номинальной статической характеристики (НСХ) термопар соответствуют обозначениям стандарта МЭК 584-1, кроме термопары хромель-копель (L), не нормируемой данным стандартом.

2. По стандарту ФРГ DIN 43710 тип L соответствует термопаре Fe-CuNi (железо-медьникель), отрицательный термоэлектрод которой ближе по составу к копелю и термопара развивает немного большую термо-ЭДС, чем термопара железо-константан (J).

3. Термоэлектродные материалы обычно поставляются в соответствии с пределами допускаемых отклонений, нормированных для температур выше -40°С. Для измерения низких температур при заказе термоэлектродных материалов должны быть оговорены требования на допускаемые отклонения, соответствующие, как правило, 3 классу.

4. Рабочий диапазон термопреобразователя может находиться внутри диапазона измеряемых температур.

Верхний предел рабочего диапазона температур считается максимальной температурой длительного применения (1000 ч) термопреобразователя. За этот срок изменение статической характеристики термопары по отношению к номинальной не должно превышать 1%. Кратковременным применением считается работа термопреобразователя длительностью до 100 ч. За это время статическая характеристика термопары также не должна измениться больше, чем на 1% [3, с.83].

В таблице 2 приведены рекомендуемые рабочие атмосферы для применения приведенных выше типов термопар, а также их дифференциальная чувствительность в указанных диапазонах температур [1, с.34].

Из таблицы 2 видно, что универсальными термопарами являются две: медь-константановая и железо-константановая. Первая не нашла широкого применения в промышленности из-за узкого диапазона температур в области выше 0°С. Она используется, в основном, для измерения низких температур. Термопара типа J широко используется на Западе, но в России также не нашла широкого применения, по-видимому, из-за отсутствия производства высокочистого термоэлектродного железа. Кроме того, к недостаткам термопары можно отнести плохую коррозионную стойкость железного электрода и высокую чувствительность к деформации.

Таблица 2

Тип термопары Рабочие атмосферы Чувствительность в диапазоне температур
окислительная восстановительная инертная вакуум диапазон, °С dE/dT, мкВ/°С
ТМКн (Т) ++ + + + 0-400 40-60
ТХК ++ + + 0-600 64-88
ТХКн (E) ++ + + 0-600 59-81
ТЖК (J) ++ ++ + + 0-800 50-64
ТХА (K) ++ + + 0-1300 35-42
ТНН (N) ++ + + 0-1300 26-36
ТПП (R, S) ++ + + 600-1600 10-14
ТПР (B) ++ + + 1000-1800 8-12
ТВР H2 ++ ++ ++ 1300-2500 14-7

Примечания:

1. ++ рекомендуемая атмосфера; + эксплуатация в данной атмосфере возможна; — не рекомендуемая атмосфера.

2. Под окислительной атмосферой обычно подразумевается воздух (21% об. О2) или смеси газов при избытке кислорода, в которой происходит окисление вещества (потеря атомами и ионами электронов). Присоединение атомами кислорода (образование оксида) — частный случай реакций окисления. Слабоокислительная атмосфера содержит О2 в смеси газов на уровне 2-3%. В восстановительной атмосфере идут химические реакции, в которых атомы и ионы присоединяют электроны. При этом происходит понижение валентности элемента. Примеры восстановительных сред — сухой H2, CO, углеродсодержащие газовые среды, эндогаз, экзогаз, диссоциированный аммиак, выхлопные газы камер сгорания. Инертная атмосфера существует в газах N2, Ar, He.

В качестве основных термопар металлургического производства в диапазоне 1100-1600°С являются платинородий-платиновые термопары ТПП10 и ТПР, модификация ТПП13 широко применяется на Западе. Термопары ТПП10 используются также и в качестве эталонных средств измерения температуры. По совокупности свойств платина и платинородиевые сплавы являются уникальными материалами для термопар. Их основное свойство — хорошее сопротивление газовой коррозии, особенно на воздухе при высоких температурах. Указанное свойство в сочетании с высокой температурой плавления и достаточно большой термо-ЭДС, хорошей совместимостью со многими изолирующими и защитными материалами, а также с хорошей технологичностью и воспроизводимостью метрологических свойств, делает из незаменимыми для изготовления электродов термопар, измеряющих высокие температуры в окислительных средах. Эти сплавы устойчивы в аргоне и гелии, не растворяют азота и водорода и не образуют нитридов и гидридов, не взаимодействуют с СО и СО2. Тем не менее, применять платинородий-платиновые термопары в восстановительных атмосферах не рекомендуется, т.к. в этом случае происходит загрязнение платины и платинородия элементами, восстановленными из защитной или изолирующей керамики (обычно оксидной). До 1200°С платина и ее сплавы с родием практически не взаимодействует с огнеупорными материалами. При более высоких температурах контакт с SiO2 ведет к изменению термоЭДС, который в восстановительной атмосфере уже при температуре выше 1100°С ведет к разрушению платины из-за образования силицидов Pt5Si2 и легкоплавкой (830°С) эвтектики Pt-Pt5Si2, отлагающейся по границам зерен. Эта реакция возможна только в присутствии углерода и серы и осуществляется путем восстановления SiO2 до Si, который в присутствии СО соединяется с серой, образуя газообразный SiS2, последний реагирует с платиной. Таким образом реакция протекает через газовую фазу и не требует обязательного контакта термоэлектродов с кварцем. SiO2 может быть также восстановлен водородом до SiO (газ), который также реагирует с платиной. Вообще, кремний — основная причина охрупчивания и разрушения термопар. Он, как и некоторые другие элементы: Zn, Sn, Sb, Pb, As, Bi, P, В, S — относятся к платиновым ядам [4]. Сера и углерод обычно присутствуют в остатках смазочных масел и охлаждающих эмульсий (использованных при изготовлении металлической защитной арматуры чехла). Пары железа, хрома и марганца также представляют опасность для платиновых термоэлектродов, особенно в вакууме. Взаимодействие с парами металлов приводит к сильному дрейфу термоЭДС и преждевременному разрушению термопары. По этой причине платиновые термопары никогда не устанавливают непосредственно в металлические чехлы. Верхний температурный предел длительного применения термопары ТПП10, равный 1300°С, лимитируется катастрофическим ростом зерна платинового электрода при температурах выше 1400°С. В этом диапазоне используется термопара ТПР, с меньшей дифференциальной чувствительностью, но с верхним пределом рабочих температур до 1600°С. Эта термопара механически более прочна, менее склонна к росту зерна и охрупчиванию, менее чувствительна к загрязнениям. Кроме того, малая чувствительность термопары в диапазоне 0-100°С делает возможным применение термопары с медными удлинительными проводами.

Для устойчивой работы термопар из платины и ее сплавов необходима надежная изоляция термоэлектродов высокочистой оксидной керамикой, а также защита корундовыми (Al2O3) чехлами хорошего качества. Однако газоплотный корундовый чехол с минимальным содержанием примесей имеет сравнительно невысокую термостойкость. Хорошую стойкость к термоударам демонстрирует (скачок температуры не менее 250°С) керамика c невысоким содержанием Al2O3(70-80%) и пористостью 5-10%. Поэтому западные и некоторые российские производители выпускают платиновые термопреобразователи в двойных защитных чехлах: наружный — термостойкий из пористой керамики с содержанием Al2O3 на уровне 80% и внутренний — газоплотный из высокочистой керамики (99,5% Al2O3). При наличии в рабочей среде абразивных частиц наружный чехол может быть выполнен из самосвязанного карбида кремния, также обладающего высокой термостойкостью. Подробная информация по защите термопар при высоких температурах изложена в [5, с. 252-261 и 350-357].

К недостаткам термопар из драгоценных металлов можно отнести уже упоминавшуюся высокую чувствительность термоэлектродов к любым загрязнениям, появившимся при изготовлении, монтаже или эксплуатации термопар, а также их высокая стоимость.

Термопары вольфрам-рениевые ТВР имеют самый высокий предел длительного применения 2200°С, но только в неокислительных средах, т.к. катастрофическое окисление и разрушение термоэлектродов происходит уже при температуре 600°С. Термопара устойчива в аргоне, гелии, сухом водороде и азоте, а также в вакууме. Основной недостаток — плохая воспроизводимость термо-ЭДС, вынуждающая группировать термоэлектродные пары по группам с номинальными статическими характеристиками А-1, А-2, А-3.

Наиболее массовыми типами термопар в промышленности России являются термопара хромель-копель (на Западе применяется похожая термопара хромель-константан, тип Е) с температурой длительного применения до 600°С и термопара хромель-алюмель (тип К) с температурой длительного применения до 1200°С(см. табл. 1).

Термопара хромель-копель обладает наибольшей дифференциальной чувствительностью из всех промышленных термопар, применяется для проведения точных измерений температуры, а также для измерения малых разностей температур. Термопарам свойственна исключительно высокая термоэлектрическая стабильность при температурах до 600°С, обусловленная тем, что изменения термо-ЭДС хромелевого и копелевого термоэлектродов направлены в одну и ту же сторону и компенсируют друг друга. Технический ресурс термопар составляет несколько десятков тысяч часов. Недостаток — высокая чувствительность к деформации.

Термопара хромель-алюмель — самая распространенная в промышленности и научных исследованиях термопара с температурой длительного применения 1200°С. В стандарте РФ ГОСТР 50431-92 и более ранних стандартах указана температура длительной эксплуатации 1000°С. Исходя из многочисленных экспериментальных данных, величина 1200°С представляется несколько завышенной.

Термопары хромель-алюмель и хромель-копель предназначены для измерения температуры в окислительных и инертных средах. Содержание кислорода в окислительной атмосфере должно быть не менее нескольких процентов или его присутствие должно быть практически исключено. В атмосфере, содержащей менее 2-3% (объемн.) кислорода в хромеле резко усиливается селективное окисление хрома, что ведет к существенному уменьшению термоЭДС хромеля, а интеркристаллитный характер коррозии — к охрупчиванию (“зеленая гниль”). Длительное пребывание в вакууме при высоких температурах сильно уменьшает термо-ЭДС хромеля вследствие испарения хрома. В атмосфере, содержащей серу, интеркристаллитная коррозия охрупчивает термоэлектроды, в первую очередь алюмель. Кроме того, SO2 сильно окисляет хромель и является поэтому причиной большого отрицательного дрейфа термоЭДС. Рабочий ресурс термопар ТХА при температуре менее 850°С лимитируется только величиной дрейфа термо-ЭДС, а при 1000-1200°С — жаростойкостью термоэлектродов.

Термопара ТХА имеет широкий диапазон измеряемых температур, но применять ее во всем диапазоне нецелесообразно, т.к. это ухудшает точность измерений. Термопарой, которой пользуются для точного измерения температур до 500°С, не следует измерять более высокие температуры и, наоборот, термопарой, использовавшейся при температурах выше 900°С, нельзя измерять температуры 300-600°С. При высоких температурах в термоэлектродах образуются локальные неоднородности, происходит дрейф термоЭДС. Поэтому нельзя уменьшать глубину погружения термопары в рабочую среду, т.к. возникшие локальные неоднородности могут попасть в зону градиента температур и приведут к дополнительной ошибке измерений. Увеличение глубины погружения не вызывает дополнительной погрешности.

В термопарах ТХА наблюдаются два вида нестабильности термоЭДС: необратимая нестабильность, постепенно накапливающаяся со временем и обратимая циклическая нестабильность. Первый вид нестабильности обусловлен взаимодействием термоэлектродов с окружающей средой. Дрейф термоЭДС в градусах составляет не более 1% от измеряемой температуры на уровне 1000°Сза 1000-4000 часов при диаметре термоэлектродов более 1 мм [1,с.81]. Второй вид нестабильности обусловлен протеканием в хромеле превращений по типу ближнего упорядочения магнитных ячеек структуры сплава в интервале 250-550°С. В результате этих превращений термопары ТХА в состоянии поставки после нагрева при 250-550°С увеличивают термоЭДС относительно номинальных значений. Этот рост исчезает (магнитная структура разупорядочивается) после нагрева при более высоких температурах. Величина обратимого дрейфа термоЭДС зависит от предыдущей истории термоэлектродов, температур градуировки, скорости охлаждения, а также от градиента температурного поля, в котором находится термопара. Дрейф может достигать 3-4°С. Для уменьшения обратимого дрейфа полезно использовать хромель, подвергнутый предварительной термообработке “на упорядочение” при 425-475°Св течение 6 ч [1,с.89], однако исключить его полностью не представляется возможным, если термопарой измеряют температуру в широком диапазоне. Вот почему фирма ABB Automation Products (ФРГ) поставляет свои термоэлектродные материалы для термопар типа К только после дополнительного “отжига на упорядочение”. Магнитная структура хромелевого электрода в этом случае уже упорядочена, и после установки термопары на термометрируемый объект на участке термоэлектродов с градиентом температуры 250-550°С этот процесс уже не проявляется.

Все эти проблемы с термопарой ТХА инициировали разработку и стандартизацию ведущими промышленными странами термопары нихросил-нисил, созданной лабораторией материаловедения министерства обороны Австралии в 60-х годах. Материалы термоэлектродов нихросил и нисил демонстрируют существенно лучшую стабильность термоЭДС по сравнению с термопарой ТХА. Это достигнуто увеличением концентрации хрома и кремния в никеле, а также введением в нисил магния, которые перевели процесс окисления материала термоэлектродов из внутреннего межкристаллитного в поверхностный. При этом на термоэлектродах образуется защитная пленка окислов, подавляющих дальнейшее окисление. Увеличение содержания хрома в нихросиле до 14.2% фактически устранило обратимую нестабильность, характерную для хромеля. Новые сплавы показали также высокую радиационную стойкость, т.к. в них отсутствуют активирующиеся примеси Mn, Co, Fe. Дрейф термопары ТНН с термоэлектродами диаметром 3.2 мм за 1100 ч на воздухе при температуре 1200°С не превышает 100 мкВ, тогда как дрейф такой же термопары ТХА за 300 ч достиг 300 мкВ [6]. Эти данные также свидетельствуют о завышенном значении температуры длительного применения 1200°С для термопары ТХА. В работе [6] делается вывод о существенной необратимой нестабильности термопары ТХА при температурах выше 1050°С. Напротив, термопара ТНН при диаметре термоэлектродов не менее 2.5 мм и температуре до 1200°С демонстрирует дрейф термо-ЭДС, не превышающий дрейф термопар из драгоценных металлов (ТПП, ТПР). Показана перспективность применения термопары ТНН в качестве универсального средства измерения температур в диапазоне температур 0-1230°С, это повысит точность промышленных измерений, качество конечного продукта и, в конечном счете, эффективность всего производства.

Защитные чехлы термопреобразователей

Защитные газоплотные чехлы термопреобразователей существенно расширяют диапазон применения термопар в агрессивных средах и увеличивают их ресурс [5, c 345-349]. Для температур до 800°С применяются чехлы из нержавеющей стали типа Х18Н10Т или 10Х17Н13М2Т (повышенная устойчивость к межкристаллитной коррозии), при более высоких температурах использовалась, в основном, ферритная сталь 15Х25Т с температурой интенсивного окалинообразования 1050°С, которая имеет ограниченную свариваемость и склонна к охрупчиванию в диапазоне 450-850°С [7, c.353]. В настоящее время производятся также термопары ТХА в защитных чехлах из жаростойкой аустенитной стали типа Х23Н18, с такой же жаростойкостью в сочетании с хорошей свариваемостью. Для работы при температурах выше 1000°С потребителю предлагаются термопары ТХА в чехлах из сплавов ХН78Т и ХН45Ю на никелевой и железо-никелевой основах, соответственно. По ГОСТ 5632-72 температура интенсивного окалинообразования сплава ХН78Т составляет 1150°С, рекомендуемая максимальная температура длительного применения сплава ХН45Ю на воздухе 1250-1300°С, т. е. она перекрывает весь диапазон измеряемых температур термопары ТХА. Необходимо только учитывать, что сплав ХН78Т особенно чувствителен к содержанию серы в рабочей среде из-за высокого содержания никеля в сплаве. Образование легкоплавких соединений сернистого никеля приводит к разрушению чехла. Сплав ХН45Ю обладает отличной жаростойкостью, сохраняя хорошую коррозионную стойкость благодаря включению в сплав 3.4% Al, который образует на поверхности сплава тугоплавкую окисную пленку и препятствует развитию коррозионного процесса. Скорости коррозии этих сплавов в 7-10 раз меньше, чем стали 15Х25Т при тех же условиях эксплуатации.

Необходимо отметить, что в России недостаточно производится термопар в защитных чехлах, предназначенных для специальных областей применения. Универсальные чехлы не могут решить проблему защиты термопар во многих агрессивных средах.

Кабельные термоэлектрические преобразователи

В настоящее время широкое распространение в мире, в т. ч. и в России, получили термопарные кабели, представляющие собой пару термоэлектродов помещенную внутрь металлической трубки и изолированную от нее уплотненным плавленым порошком MgO-периклазом (см. рис. 2).

Рис. 2 Заготовка из термопарного кабеля с одной или двумя парами термоэлектродов

В России выпускают термопарный кабель двух типов КТМС-ХА и КТМС-ХК диаметров от 1 до 7.2 ммпо ТУ 16-505.757-75. Оболочка кабеля изготовлена из нержавеющей стали или жаростойкой стали или сплава. Общий вид кабельной термопары представлен на рис. 3. Термоэлектроды термопары со стороны рабочего торца сварены между собой лазерной сваркой, образуя рабочий спай внутри стальной оболочки термопарного кабеля. Рабочий торец заглушен приваренной стальной пробкой. Свободные концы термоэлектродов подключаются к клеммам головки термопреобразователя или компенсационным проводам.

Рис. 3 Общий вид кабельной термопары

Применение кабельных термопреобразователей позволяет достичь существенных преимуществ по сравнению с термопарами традиционного исполнения, таких как:

 

  • повышенные в 2-3 раза термоэлектрическая стабильность и рабочий ресурс при сравнимых рабочих условиях;
  • возможность изгибать, укладывать в труднодоступные места, в кабельные каналы, приваривать, припаивать или просто прижимать к поверхности для измерения ее температуры, при этом монтажная длина может достигать 60-100 метров;
  • малый показатель тепловой инерции, позволяющий применять их при регистрации быстропротекающих процессов;
  • блочно-модульное исполнение термопреобразователей в защитных чехлах, обеспечивающее дополнительную защиту термоэлектродов от воздействия рабочей среды и возможность оперативной замены чувствительного элемента;
  • универсальность применения в различных условиях эксплуатации, хорошая технологичность, малая материалоемкость.

 

Сравнительные испытания термопар показали, что дрейф термо-э.д.с. кабельной термопары КТХА наружным диаметром 3 мм (диаметр термоэлектродов 0.65 мм) при температуре 800°Сза 10 000 часов составляет примерно 100 мкВ, тогда как у обычной термопары ТХА с термоэлектродами диаметром 3.2 мм дрейф достигает 120 мкВ, а при диаметре электродов 0.7 мм он превышает 200-250 мкВ при тех же условиях. Дрейф термоЭДС кабельных термопар в оболочке из высоконикелевых сплавов при 980°С также вдвое меньше, чем дрейф показаний обычной термопары при той же температуре за 5000 ч [1, c. 83-84]. По данным [6] дрейф проволочной термопары ТХА с электродами диаметром 3.2 мм достигает 300 мкВ за 800 ч при температуре 1077°С, а при 1200°С —за 300 ч. Повышенная стабильность кабельных термопар объясняется затруднением окисления термоэлектродов из-за ограниченного количества кислорода внутри кабеля, а также дополнительной защитой термоэлектродов от воздействия рабочей среды с помощью металлической оболочки и оксида магния.

При работе в потоках жидкости или газа, двигающихся с большой скоростью, а также при высоких давлениях и температурах, в агрессивных средах, кабельные термопреобразователи помещаются в защитные чехлы (гильзы), предохраняющие их от изгибов и разрушений, и служат в качестве сменных чувствительных элементов. Защитные чехлы имеют типовые габаритные размеры. Внешний вид преобразователя аналогичен традиционному внешнему виду промышленных термопар (рис.4).

Рис. 4. Кабельный термопреобразователь блочно-модульного исполнения.

При этом термопреобразователи блочно-модульного исполнения, сохраняя все преимущества кабельных, приобретают такие достоинства, как:

 

  • возможность оперативной замены чувствительного элемента без демонтажа защитного чехла с объекта;
  • возможность одновременной поверки большого числа преобразователей вследствие малогабаритности демонтируемых кабельных чувствительных элементов;
  • удешевление последующих поставок, так как, при необходимости, заменять можно только наружный чехол или только чувствительный элемент.

 

Чехлы для термопреобразователей высокотемпературного исполнения для работы при температурах до 1100°С изготавливаются из жаростойких сталей и сплавов. Рабочий ресурс высокотемпературных кабельных термопреобразователей блочно-модульного исполнения также превосходит ресурс термопреобразователей с проволочным чувствительным элементом, хотя диаметр термоэлектродов в кабеле не превышает 1 мм, тогда как проволочные термоэлектроды высокотемпературного исполнения обычно имеют диаметр 3.2 мм. Авторы имеют много положительных отзывов о работе таких термопреобразователей при высоких температурах. Например, кабельные термопреобразователи в жаростойких защитных чехлах из сплава ХН78Т, установленные на кауперах (воздухоподогревателях) доменной печи ОАО “Чусовской металлургический завод”, безотказно работали в течение 14 месяцев (циклическое изменение температуры воздуха в каупере 800-1150 °С), в то время как ресурс проволочных (Ж3.2 мм) термопар в чехлах из стали 15Х25Т не превышал 6-8 месяцев.

Определяющим фактором для обеспечения рабочего ресурса кабельного термопреобразователя блочно-модульного исполнения является полная герметичность и высокая жаростойкость защитного чехла. В этом случае имеющийся внутри чехла кислород “выгорает” в течение первых часов эксплуатации, далее кабельный чувствительный элемент работает в газовой среде, близкой к инертной, что резко тормозит процесс диффузии кислорода через оболочку кабеля к термоэлектродам. Термоэлектроды в этом случае защищены от воздействия рабочей среды двойной оболочкой — кабеля и защитного чехла.

По этому пути производства термопреобразователей пошли ведущие мировые производители: ABB Automation Products (ФРГ), JUMO (ФРГ), Auxitroll (Франция), OMEGA Engineering (США), ARi Industries (США), OKAZAKI Manufacturing (Япония) и др.

Кабельное исполнение термопары хромель-алюмель позволяют уменьшить недостатки присущие электродам этой термопары. Использование же термопары нихросил-нисил в качестве чувствительного элемента кабеля с жаростойкой оболочкой приводит к появлению термопреобразователя с качественно новыми свойствами. В работе [8] приводятся данные по уникальной стабильности кабельной термопары ТНН в оболочке из модифицированного сплава никросил наружным диаметром кабеля 3 ммв течение 2200 ч при температуре 1100°С. Дрейф термоЭДС не превысил 4°С. Авторами настоящей статьи также получены данные [9] о высокой стабильности кабельной термопары ТНН в оболочке из сплава Инконель 600 наружным диаметром 3 мм при термоциклировании в диапазоне температур 20-1100°С. Дрейф термоЭДС не превысил 2,1°Сза 50 термоциклов.

Эти результаты и данные дополнительных исследований позволят действительно рекомендовать кабельную термопару ТНН в качестве эталонного и универсального средства измерений температуры и поддержать уже упоминавшиеся выводы работы [6].

К сожалению, десятилетие известных экономических трудностей задержали развитие термоэлектрической термометрии в России. Мы отстаем в производстве современных и высокоточных термоэлектродных материалов, в обеспечении термоэлектрических термометров надежными защитными материалами, свернуты многие работы по термометрии. Но начавшийся рост промышленного производства позволяет надеяться, что потребности промышленности в повышении точности контроля технологических процессов, заметный рост конкуренции на рынке средств измерений приведут не только к количественному росту, но и к качественно другим конструкциям первичных датчиков, отвечающим современным метрологическим требованиям, а также потребуют новых решений в области термоэлектрической термометрии. Первые результаты в этом направлении уже представлены в материалах Всероссийской конференции “Температура-2001”, состоявшаяся в ноябре 2001 годав г. Подольске. Важнейшее значение для законодательной метрологии, стандартизации средств измерений, несомненно, будет иметь 8-ой международный симпозиум по температуре, проводящийся раз в 10 лет, который состоится в ноябре 2002 годав Чикаго, США.

Список использованной литературы:

  1. И. Л. Рогельберг, В. М. Бейлин. Сплавы для термопар. Справочник, М., Металлургия, 1983.
  2. И. В. Савельев. Курс общей физики, т.3, М., Наука, 1979, с.213.
  3. А. Н. Гордов, О. М. Жагулло, А. Г. Иванова. Основы температурных измерений. М., Энергоатомиздат, 1992, с.69.
  4. Свойства элементов. Справочник под.ред. М. Е. Дрица, книга 2, М., Металлургия, 1997, с.253.
  5. О. А. Геращенко, А. Н. Гордов, А. К. Еремина, В. И. Лах, Я. Т. Луцик и др. Температурные измерения. Справочник, Киев, Наукова Думка, 1989.
  6. N. A. Burley Nicrosil\Nisil type N Thermocouple, Measurements & Control, April 1989, pp.130-133.
  7. С. Б. Масленков, Е. А. Масленкова Стали и сплавы для высоких температур. Справочник, кн.1, М., Металлургия, 1991 .
  8. H. L. Daneman The Choice of sheathing for mineral insulated thermocouples. Measurements&Control, June 1988, pp 242-243.
  9. А. В. Каржавин, С. В. Коломбет, А. А. Улановский Новые методы и средства поверки термоэлектрических термометров в диапазоне температур 300-1100°С. Сборник докладов 1-ой Всероссийской конференции “Температура-2001”,г. Подольск,13-15 ноября 2001 г.

Измерение термо-ЭДС термопар — Энциклопедия по машиностроению XXL

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕРМО-ЭДС ТЕРМОПАР  [c.97]

Для измерения термо-ЭДС термопар существует много схем. Все их можно условно разделить на две группы обычные с милливольтметром и потенциометрические.  [c.97]

На рис. 3.10 изображена схема измерения термо-ЭДС термопары милливольтметром. По цепи идет ток, поэтому согласно закону Ома можно написать  [c.97]

При работе на потенциометре сила тока / в основной цепи потенциометра устанавливается всегда одна и та же. Установку рабочего тока основной цепи проводят перед началом измерения термо-ЭДС термопары. Для этого замыкают контакты Я2 и /С] и переключатель Я ставят в положение I. При этом ЭДС нормального элемента НЭ оказывается включенной навстречу падению напряжения / 0 на сопротивлении Яо основной цепи потенциометра. Далее изменяют регулировочное сопротивление Я так, чтобы нуль-гальванометр ЯГ показал отсутствие тока. При этом,  [c.99]


Указанное определение объемной дифференциальной термо-эдс нуждается в уточнении. Для того чтобы провести экспериментальное измерение эффекта Зеебека, необходимы соединительные провода между образцом и измерительным прибором (рие. 48), которые состоят из другого материала, нежели исследуемый образец. Поэтому измеряется термо-эдс термопары образец — соединительные провода (металл), и полученная из опыта дифференциальная термо-эдс а в  [c.140]

В зависимости от способа измерения температуры нити различают термопарные вакуумметры и вакуумметры сопротивления. В первом случае температура нити определяется значением термо-ЭДС термопары, во втором — электрическим сопротивлением нити. Вакуумметр сопротивления менее удобен в эксплуатации и применяется реже, чем вакуумметр термопарный.[c.165]

В практике измерения температуры встречаются измерительные системы, включающие в себя большое число термоэлектрических термометров (несколько десятков и больше), которые, как правило, подключают к одному измерительному прибору с помощью одного или нескольких переключателей каждый переключатель позволяет поочередно подключать к прибору до 20 термопар. Чтобы при измерении термо-ЭДС исключить взаимное влияние термопар от разных переключателей, все неиспользуемые переключатели устанавливают в нулевое положение при этом подключенные к ним термометры оказываются отключенными от прибора.  [c.175]

На рис. 16.5, а показана однопроводная схема для непосредственного измерения термо-ЭДС восьми термопар, размещенных на вращающемся объекте. Термоэлектрод а у всех термопар общий и подключен к одному из колец токосъемника, а каждый из электродов б подключен к отдельному кольцу. Свободный спай термо-  [c.323]

Здесь Ail и А 2 — перепады температуры в первом и втором образцах, определяемые по средним температурам на обогреваемых поверхностях и по их температурам (ij, 4) на охлаждаемых поверхностях. Определение температуры по измеренным значениям термо-ЭДС термопар проводится по табл. 3.1  [c.129]

Проведение опытов и обработка результатов. С помощью регулятора напряжения по амперметру устанавливается определенная сила тока через пластины. По достижении установившегося теплового режима сила тока и температура воздуха записываются в протокол наблюдений. Одновременно в протокол заносятся результаты измерения термо-ЭДС всех 12 термопар. Опыт повторяют при новом значении силы тока. Определив по ЭДС термопар избыточные температуры А/сх й зная температуру воздуха, находят местные значения температуры поверхности пластины  [c.155]


При измерении температуры один спай цепи термопары, так называемый холодный спай, находится при 0°С (в тающем льде в сосуде Дьюара), а другой — горячий — в среде, температуру которой надо измерить. Таблицы тер-мо-ЭДС различных термопар составлены именно для случая, когда холодный спай находится при 0°С. Если по каким-либо причинам не удается поместить холодный спай в среду с температурой 0°С и он находится при комнатной температуре (например, при 20 °С), то в этом случае возникающая термо-ЭДС соответствует разности температур горячего и холодного спаев и при определении температуры нужно ввести так называемую поправку на холодный спай. Для этого необходимо измеренную термо-ЭДС сложить с термо-ЭДС, соответствующей температуре холодного спая (20 °С), и по полученному значению определить температуру при помощи таблиц.  [c.93]

Так как термо-ЭДС термопары зависит от температуры обоих спаев (горячего и холодного), то термопару часто применяют для измерения разности температур в двух точках — так называемая дифференциальная термопара. В этом случае в схеме отсутствует холодный спай и термо-ЭДС термопары соответствует разности температур. Схема дифференциальной термопары представлена на рис. 3.8,  [c.94]

Таким образом, измеренная милливольтметром разность потенциалов будет всегда меньше термо-ЭДС термопары на значение падения напряжения в цепи термопары кт. Чем больше сопротивление проводов термопары кт и сила тока I, тем больше погрешность. Для уменьшения этой погрешности стремятся выбирать внутреннее сопротивление милливольтметра наибольшим, а сопротивление проводов наименьшим. Однако полностью исключить погрешность таким способом невозможно. Учесть же ее не всегда бывает легко, так как сопротивление термопары Яг изменяется с температурой.  [c.97]

Значительно точнее можно измерить термо-ЭДС термопары потенциометром. Схема измерения при этом остается прежней (рис. 3.10), только вместо милливольтметра включается потенциометр.  [c.98]

Принципиальное отличие потенциометра от милливольтметра или гальванометра заключается в том, что в момент измерения в цепи термопары отсутствует электрический ток (/=0). Благодаря этому нет никакого падения напряжения вдоль цепи термопары и разность потенциалов на зажимах потенциометра равна термо-ЭДС термопары. Принцип устройства потенциометра заключается в следующем. В собственной электрической цепи этого прибора создается разность потенциалов которую можно изменять II измерять. Эта разность потенциалов подбирается равной термо-ЭДС термопары и включается навстречу ей при равенстве ЛП потенциометра и термо-ЭДС термопары ток в цепи термопары отсутствует, и это контролируется  [c.98]

Измерение термо-ЭДС образцовых термопар рекомендуется осуществлять потенциометрами как наиболее точными приборами, чтобы не вносить в измерение дополнительных погрешностей.  [c.106]

Прямое измерение — измерение, результат которого можно прочесть на шкале прибора. В качестве примера прямых измерений можно привести взвешивание на весах, измерение электрического напряжения вольтметром, измерение термо-ЭДС, развиваемой термопарой, потенциометром и т. п. Общая погрешность прямого измерения состоит из систематической и случайной погрешностей. Для уменьшения влияния случайных факторов и, следовательно, уменьшения случайной погрешности измерения проводят несколько раз. В результате этих единичных измерений получают п значений измеряемой величины Х, Хг,. .., Хп- Окончательный результат прямого измерения Хер определяется как среднее арифметическое единичных измерений  [c.181]

Схема измерения термо-ЭДС естественной термопары при резании с плазменным подогревом заготовки показана на рис. 47. Здесь же дана несколько упрощенная эквивалентная электрическая схема этого измерения. Резец 1 обрабатывает заготовку 2 диаметром й,  [c.104]

Пределы допускаемых отклонений измеренных значений термо-ЭДС термопар от основных значений, приводимых в табл. 5.2, должны определяться по уравнению  [c.30]

Принцип измерения теплового потока этим методом заключается в том, что разность температуры в центре и на краю фольги А7 прямо пропорциональна тепловому потоку, воспринятому константановой фольгой. Для измерения ДТ к центру константановой фольги припаивают тонкий медный провод 3. Таким образом получается дифференциальная термопара, составленная из медного провода 3, константановой фольги 1 и медного блока 2, горячий и холодный спаи которой образованы соответственно в центре и на периферии фольги. Сигнал этой термопары (термо-ЭДС) е пропорционален АГ и, следовательно, значению измеряемого теплового потока с плотностью q. Для случая постоянной плотности теплового потока по поверхности фольги эта связь установлена аналитическим путем  [c.279]

При измерении ЭДС, генерируемой вращающимся датчиком (термопарой), помехи в измерительной системе связаны не только с контактной ЭДС, возникающей в месте соприкосновения щетки с кольцом (см. 16.3), но и с появлением термо-ЭДС в местах подсоединения проводов к кольцам токосъемников или в местах соединения удлинительных проводов с элементами измерительной системы. Для исключения термо-ЭДС в спаях проводов с контактными кольцами последние можно выполнить из тех же материалов, что и термопарные провода.  [c.323]

Термоэлектрическая термометрия основана на температурной зависимости термо-ЭДС (Е), возникающей в термопаре — проводнике, состоящем из двух соединенных разнородных электропроводящих элементов (обычно металлических проводников, реже полупроводников). Термопары широко используются для измерения температур примерно от 4 до 3000 К-  [c.179]

Схема многослойной термопары представлена на рис. 3.9, где термопарой, состоящей из пяти спаев, измеряется небольшая разность температур в стенке. Получающаяся здесь термо-ЭДС в 5 раз больше, чем при измерении одной термопарой.  [c.95]

Экспериментальные методы оценки и измерения температуры. Метод естественной термопары основан на том, что контактирующие тела используются в качестве термоэлектродов, а их контактная связь — в качестве одного из спаев цепи термопары. По термо-ЭДС, возникающей в цепи при контакте двух разнородных металлов, оценивают температуру на поверхности контакта.  [c.111]

Интересно отметить здесь, что даже элементарное измерение температуры t x, т) уже само по себе предполагает решение обратной задачи, в ходе которого экспериментатор по наблюдаемому проявлению температуры (термо-ЭДС U) и известной характеристике L прибора (термопары) должен определить значение /(т) в месте заделки рабочего спая. Решение этой задачи можно представить формальным уравнением вида  [c.13]

Наибольшую термо-ЭДС развивает хромель-копелевая термопара (при 100° С термо-ЭДС равна 6,95 мв). Предельное отклонение от стандартной градуировки вследствие непостоянства химического состава ТХК при температуре 300° С составляет не больше 0,87%, при температуре 600° С — не больше 0,78%-Для измерения температур до 600° С это наиболее удобная термопара.  [c.165]

Термопара не обладает свойством идентифицируемости сигнала, поскольку термо-ЭДС регистрируется независимо от того, прикреплен ли спай к поверхности объекта, или крепление уже разрушилось, и термопара находится на расстоянии от исследуемой поверхности, а ее температура существенно отличается от температуры объекта. Иногда идентифицируемость сигнала представляется настолько важной для достижения высокой надежности результатов, что исследователи выбирают более сложную схему измерения, в которой, за счет этого усложнения, сигнал имеет однозначно различимую форму. Это позволяет проводить распознавание сигнала как визуально, так и с помощью формализованных компьютерных алгоритмов.  [c.18]

При измерении термо-ЭДС термопары ключ К2 замкнут, а переключатель П поставлен в положение II. Тогда термо-ЭДС термопары Е оказывается включенной навстречу падению напряжения в основной цепи потенциометра передвигая контакт С, можно добиться того, что нуль-гальванометр НГ покажет отсутствие тока в цепи термопары. Тогда, очевидно, Е=Шх. Сопротивление Rx известно по положению контакта С в момент компенсации термо-ЭДС зная силу тока I=Eus>iRn, можно рассчитать термо-ЭДС термопары E=EmRxlR[c.100]

Температура стенки и воздуха измерялась предварительно отградуированными термопарами типа ХА. Допускаемая погрешность градуировки Д0= 1°С. Термо-ЭДС термопар измерялась цифровым вольтметром Щ 1312 совместно с преобразователем П 1312. Из пас-нортных данных этих приборов находим, что класс их точности в диапазоне 0—16 мВ составляет 0,5. Измеренное значение термо-ЭДС термопары, установленной в выходной камере и измеряющей разность температур воздуха в опытном участке, равно 0,41 мВ. Измеренное значение термо-ЭДС для сечения № 10 (в конце обогреваемого участка хю=468 мм) равно 0,91 мВ.  [c.80]

Для измерения температуры поверхности опытной трубы установлены четыре хромель-копелевые термопары. Горячие спаи термопар приварены с внутренней стороны в среднем сечении трубы в разных точках по периметру, так как восходящий поток жидкости в сосуде имеет поперечное направление. Холодный спай, общий для всех термопар, помещается в рабочем объеме сосуда с термостатированной жидкостью. Следовательно, термопары измеряют избыточную температуру стенки опытной трубы относительно окружающей среды. Термо-ЭДС термопар измеряется цифровым вольтметром типа Щ1413. Нахождение по термо-ЭДС температуры осуществляется по градуировочной табл. 3.1.  [c.152]

Если термо-ЭДС термопары мала для измерения ее на обычных приборах (например, при измерении небольшой разности температур), для ее увеличения используют так называемые многоспайные термопары.[c.95]

Указанные две причины ставят границу точности при измерении температуры термопарами из неблагородных металлов. Даже если принять, что потенциометр, измеряю-вций термо-ЭДС термопар, не вносит никаких погрешностей, то и в этом случае при 400—500 °С вряд ли можно достичь погрешности измерения температуры меньше 1— 1,5°С, а при 800—900°С — меньше 3—4°С.  [c.197]

Изготовленйую термопару, как правило, градуируют по каким-либо эталонным приборам. При калибровке термопар из неблагородных металлов организации, выполняющие такую работу, дают значения термо-ЭДС термопары с погрешностью 0,01 мВ, что для хромель-алюмелевой термопары соответствует погрешности 0,25 °С. На первый взгляд кажется, что такая термопара, поставленная на экспериментальную установку, при учете результатов градуировки дает возможность измерять температуру с погрешностью 0,3 °С. На самом деле погрешность измерения температуры во много раз больше, что объясняется в основном двумя свойствами, присущими любым термопарам и в особенности термопарам из неблагородных металлов.[c.199]

Давление газа измерялось образцовым стрелочным и манганиновым манометрами, а температура — образцовой платина-платинородиевой термопарой. При температурах до 1300 К вводились экспериментально определенные поправки на зависимость термо-ЭДС термопары от давления [10]. При более высоких температурах величины поправок определялись методом экстраполяции. При определении поправок учитывалась теьшература в точке вывода термопары из зоны высокого давления, дополнительно измеренная с помощью хромель-алюмелевой термопары.  [c.89]

Измерение термо-ЭДС проволоки производится относительно чис- той платины — аттестованного образца термоэлектродной платины марки Пл1 или ПлО по ГОСТ 21007-75 с отношением Rioo/Ro на менее 1,3915 или платиновой ветви образцовой платинородиево-платиновой термопары не ниже II разряда.  [c.387]

Измерение температуры резания. Определение температуры резания в процессе плазменно-механической обработки экспериментальным путем представляет известные трудности. При обычном процессе для измерения температуры резания используется естественная термопара резец — обрабатываемый материал. Для создания цепи термотока в этом случае к одному контакту регистрирующего прибора подключается проводник, соединенный с режущей частью (пластиной) инструмента, а к другому — проводник, соединенный с заготовкой через токосьемник, расположенный со стороны шпинделя или задней бабки станка. Если такую схему применить при ПМО, то помимо погрешностей, имеющих место при обычной схеме обработки, возникает весьма существенная дополнительная погрешность, вызванная особенностями процесса резания с подогревом плазменной дугой. Эта погрешность может настолько исказить показания прибора, что результат измерения окажется совершенно недостоверным. Рассмотрим причину возникновения и пути устранения дополнительной погрешности измерения термо-ЭДС при ПМО.  [c.104]

Результаты экспериментов показывают, что применение обычной схемы устройства для измерения температур с помощью естественной термопары при ПМО недопустимо. В ТПИ предложено для измерения термо-ЭДС при ПМО размещать токосъемник измерительной цепи в области, имеющей потенциал, равный среднему потенциалу ззготовки в зоне резания, возникающему под влиянием тока дуги. Тогда электрические напряжения от прохождения тока плазменной дуги по заготовке не будут влиять на измерительную цепь естественной термопары. Определение этой оптимальной области было выполнено с помощью эксперимента, в процессе которого эквипотенциали определяли, моделируя процесс распространения тока дуги на заготовке. При моделировании плазмотрон был заменен контактом (рис. 49), подключенным к генератору постоянного тока. Контакт прижимали к заготовке в том же месте, где при ПМО располагалось пятно нагрева. Далее потенциометром ПП-63 изучали форму и размеры эквипотенциалей при силах тока, соответствующих рабочим значениям в процессе плазменно-механического точения. Электрический потенциал точки входа М полагали равным 100%, остальные потенциалы представляли в относительных величинах. Моделирование показало, что независимо от величины силы тока и от того, в какой части заготовки находится поверхность резания, эквипотенциали пересекают последнюю в точках, симметричных месту входа тока М. Следовательно, эквипотенциаль, проходящая через зону контакта кромки резца с заготовкой (например, через точку Л ), рассекает поверхность резания в симметричной относительно пятна нагрева точке О. В это место и следует устанавливать токосъемник измерительной цепи естественной термопары. Из рассмотрения кривых АО… СО (см. рис. 48) следует, что показания потенциометра не зависят от положения зоны резания по длине заготовки, а погрешности измерения не зависят от силы тока.  [c.107]

Милливольтметры, применяемые для измерения термо-ЭДС термоэлектрических термометров в промышленности и лабораторной практике, могут быть показывающими, самопишущими и регулирующими. По конструктивному исполнению приборы бывают щитовыми и переносными. Для переносных приборов установлены следующие классы точности (ГОСТ 9736-80) 0,2 0,5 и 1,0, для щитовых — 0,5 1,0 и 1,5. Щитовые милливольтметры типа М-64, МР-64-02 и МВР-6 выпускаются в плоскопрофильном металлическом корпусе и предназначены для утопленного монтажа на вертикальных щитах. Узкопрофильные милливольтметры со световым указателем типа МВУ-6 выпускаются для утопленного монтажа на вертикальных, горизонтальных и наклонных щитах. Милливольтметры, предназначенные для работы в комплекте с термоэлектрическими термометрами, могут иметь различные диапазоны измерения для стандартных градуировок термопар в пределах их применения (табл. 5.1). Ма шкале милливольтметра указывается градуировка термоэлектрического термометра (или пирометра полного излучения), в комплекте с которым должен работать данный милливольтметр. Шкалы могут начинаться как от О °С, так и от других значений. Внутреннее сопротивление милливольтметра Raa для класса точности 0,2 0,5 1,0 1,5 должно быть соответственно не менее 500 500 300, 200 Ом. Внешнее сопротивление милливольтметров, предназначенных для работы с термоэлектрическими термометрами, должно быть равно 5 или 15 Ом. Отклонение температуры окружающего воздуха от нормальной вызывает дополнительную погрешность, которая может достигать 0,5 предела допускаемой основной погрешности да каждые 10°С отклонения температуры.  [c.36]

Следует заметить, что в некоторых работах ВТИ применялась дифференциальная термопара платина — золото, обладающая большой термоэлектрической однородностью и стабильностью, меньшим сопротивлением и развивающая большую термо-ЭДС, чем термопара илатинородий — платина. Такая термопара позволяет повысить точность измерения. Термопара платина — золото использовалась как семи- или шастиспайная в зависимости от того, какие термоэлектроды использовались в качестве выводных. Опыты показали, что при тща-  [c.103]

Фактически соотношение (7-11) соблюдается не всегда и зависимость термо-ЭДС от разности температур спаев может быть не строго линейной (см. кривую 7 на рис. 7-27). Провод, составленный из двух изолированных друг от друга проволок из различных металлоб или сплавов inep-мопара), применяют для измерения тем-гератур. В термопарах используются проводники, имеющие большой и стабильный  [c.197]

Температуру пайки в среде сухого и увлажненного водорода измеряют с помощью специальных вольфрам-рениевых термопар в случае сухого водорода — термопарами ТВР-0777, увлажненного (с избыточным давлением до 0,04 МПа) — термопарами ТВР-1338. Предел измерений температур этими термопарами300—1800°С, длина погружаемой части 100—500 мм, продолжительность работы 4000 ч. Изменение первоначального значения термо-ЭДС по градуировочной таблице за время работы термопары при температуре 1800 С в течение 200 ч не превышает 1,5%. Рабочий спай термопары после 200 ч работы при максимальной температуре возобновляют. Термопары помещены в молибденовый герметичный кожух, а при эксплуатации свыше 100 С их заключают в водоохлаждаемый чехол из коррозионно-стойкой стали.  [c.199]

Thermo ouple — Термопара. Устройство для измерения температур, состоящее из стержней двух разнородных металлов или сплавов, которые электрически соединены с одного конца и присоединены к вольтметру другим концом. Благодаря разности температур, возникает термо-ЭДС, которая приблизительно пропорциональна разности температур между горячим и холодным спаями.  [c.1062]

Определение термо-ЭДС манганиновой проволоки в паре с медной проволокой производится следующим образом берух образец манганиновой проволоки длиной не менее 750 Ш й к его концам припаивают или приваривают медные выводы. При испытании проволоки диаметром 0,3 мм и более диаметры медных выводов должны быть не более диаметра испытуемой проволоки, при испытании проволоки диаметром иенее 0,3 мм диаметры медных выводов должны быть не более 0,3 мм. Один из спаев помещают в ванну с температурой 0°С, а другой спай — в ванну с температурой +100 «С, Измерение ЭДС термопары производится с точностью до 1 мкВ.  [c.376]

Температуру резания измеряли с помощью термопары инструмент— деталь. Холодные спаи термопар размещали на максимально возможных расстояниях от горячих и принимали специальные меры по компенсации паразитных термо-ЭДС. Усиление сигнала термо-ЭДС производилось микровольтмиллиамперметром типа Ф-116/2 с высокоомным входом и с записью на потенциометре КСП-4, измерение составляющих силы резания — динамометром  [c.61]


Термоэлектричество, термо-ЭДС | Формулы и расчеты онлайн

Некоторые свободные электроны могут покинуть поверхность металла, если их энергия окажется равной или превысит работу выхода. Работа выхода зависит от типа материала. При плотном соединении (контакте) двух металлических поверхностей электроны из металла с меньшей работой выхода будут переходить в металл с большей работой выхода. При этом возникает контактная разность потенциалов, величина которой зависит от температуры.

Термоэлектричество

Термоэлемент состоит из двух таких соединений (сваренных или спаянных). Если их температуры одинаковы, то контактные напряжения компенсируются. Если контактные соединения имеют различную температуру, то возникает термо-ЭДС, вызывающая термоток. Его величина зависит от сопротивления цепи, материалов и разности температур. В зависимости от величины термо-ЭДС металлы образуют термоэлектрический ряд напряжений.

Справочная таблица — Термо-ЭДС некоторых металлов

Термо-ЭДС некоторых металлов по отношению к меди для разности температур 100 К (температура меди 0°С)

Металл U (мВ/К)
Bi -8
Ni -2.2
Pt -0.7
Hg -0.3
Al -0.3
Pb -0.3
Ag -0.05
Cu 0
Cd +0.1
Fe +1.0
Sb +4.0

На рисунке показано направление тока термоэлемента. Положительным потенциалом обладает металл, стоящий в таблице ниже.

ЭДС наиболее употребительных термоэлементов приведены в следующей таблице.

Справочная таблица — Термо-ЭДС некоторых термопар

Термо-ЭДС некоторых термопар для разности температур 100 К

Термопара U, мВ Термопара U, мВ
Медь — константан 4.25 Нихром — константан 6.21
Железо — константан 5.37 Платина — платинородий 0.643
Нихром — никель 4.1 Железо — медь 1.05

Температура холодного спая 0 °С.

Особенно большими термо-ЭДС обладают полупроводниковые термоэлементы.

Эффект Пельтье

Явление, обратное термоэлектрическому эффекту, называется эффектом Пельтье. Если пропускать ток через соединение металлов, аналогичное термоэлементу, то между контактами возникает разность температур. При этом охлаждается контакт, который следует нагревать для получения того же направления термотока.

Термоэлектричество, термо-ЭДС
стр. 707

Принцип действия термопар (термоэлектрический преобразователь)

     Термопара (термоэлектрический преобразователь) — устройство, применяемое для измерения температуры в промышленности, научных исследованиях, медицине, в системах автоматики.

 

     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 одинаковые термопары, соединенные навстречу друг другу. 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.

 

 

Схема термопары типа К. При температуре спая проволок из хромеля и алюмеля равной 300 °C и температуре свободных концов 0 °C развивает термо-ЭДС 12,2 мВ.

 

Фотография термопары

 

Принцип действия

 

     Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Между соединёнными проводниками имеется контактная разность потенциалов; если стыки связанных в кольцо проводников находятся при одинаковой температуре, сумма таких разностей потенциалов равна нулю. Когда же стыки находятся при разных температурах, разность потенциалов между ними зависит от разности температур. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными от нуля коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой Т1, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т2, которое будет пропорционально разности температур Т1 и Т2.

 

Способ подключения (Схема 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 термо-ЭДС, 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 избежание 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 также 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.

 

     В 1920-х — 1930-х годах термопары использовались для питания простейших радиоприемников и других слаботочных приборов. Вполне возможно использование термогенераторов для подзарядки АКБ современных слаботочных приборов (телефоны, камеры и т. п.) с использованием открытого огня.

 

Преимущества термопар

 

  • Высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01 °С).
  • Большой температурный диапазон измерения: от −250 °C до +2500 °C.
  • Простота.
  • Дешевизна.
  • Надёжность.

 

Недостатки

 

  • Для получения высокой точности измерения температуры (до ±0,01 °С) требуется индивидуальная градуировка термопары.
  • 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 датчика 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 нелинейна. 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.

 

  • платинородий-платиновые
  • платинородий-платиновые
  • платинородий-платинородиевые
  • железо-константановые (железо-медьникелевые)
  • медь-константановые (медь-медьникелевые)
  • нихросил-нисиловые (никельхромникель-никелькремниевые)
  • хромель-алюмелевые
  • хромель-константановые
  • хромель-копелевые
  • медь-копелевые
  • сильх-силиновые
  • вольфрам и рений — вольфрамрениевые

 

     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. По этой причине характеристики импортных датчиков из этих металлов могут существенно отличаться от отечественных, например импортный Тип L и отечественный ТХК не взаимозаменяемы. При этом, как правило, импортное оборудование не рассчитано на отечественный стандарт.

 

     В настоящее время стандарт МЭК 60584 пересматривается. Планируется введение в стандарт вольфрам-рениевых термопар типа А-1, НСХ для которых будет соответствовать российскому стандарту, и типа С по стандарту АСТМ.

 

     В 2008 г. МЭК ввел два новых типа термопар: золото-платиновые и платино-палладиевые. Новый стандарт МЭК 62460 устанавливает стандартные таблицы для этих термопар из чистых металлов. Аналогичный Российский стандарт пока отсутствует.

 

Сравнение термопар

 

     Таблица ниже описывает свойства нескольких различных типов термопары. В пределах колонок точности, T представляет температуру горячего спая, в градусах Цельсия. Например, термопара с точностью В±0.0025Г—T имела бы точность В±2.5 В°C в 1000 В°C.

 

Тип термопары

Темп. коэффициент,

μV/°C

Температурный диапазон °C (длительно) Температурный диапазон °C (кратковременно) Класс точности 1 (°C) Класс точности 2 (°C)
K 41 0 до +1100 −180 до +1300 ±1.5 от −40 °C до 375 °C
±0.004×T от 375 °C до 1000 °C
±2.5 от −40 °C до 333 °C
±0.0075×T от 333 °C до 1200 °C
J 55.2 0 до +700 −180 to +800 ±1.5 от −40 °C до 375 °C
±0. 004×T от 375 °C до 750 °C
±2.5 от −40 °C до 333 °C
±0.0075×T от 333 °C до 750 °C
N   0 до +1100 −270 to +1300 ±1.5 от −40 °C до 375 °C
±0.004×T от 375 °C до 1000 °C
±2.5 от −40 °C до 333 °C
±0.0075×T от 333 °C до 1200 °C
R   0 до +1600 −50 to +1700 ±1.0 от 0 °C до 1100 °C
±[1 + 0.003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °C
±1.5 от 0 °C до 600 °C
±0.0025×T от 600 °C до 1600 °C
S   0 до 1600 −50 до +1750 ±1.0 от 0 °C до 1100 °C
±[1 + 0.003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °C
±1.5 от 0 °C до 600 °C
±0.0025×T от 600 °C до 1600 °C
B   +200 до +1700 0 до +1820   ±0. 0025×T от 600 °C до 1700 °C
T   −185 до +300 −250 до +400 ±0.5 от −40 °C до 125 °C
±0.004×T от 125 °C до 350 °C
±1.0 от −40 °C до 133 °C
±0.0075×T от 133 °C до 350 °C
E 68 0 до +800 −40 до +900 ±1.5 от −40 °C до 375 °C
±0.004×T от 375 °C до 800 °C
±2.5 от −40 °C до 333 °C
±0.0075×T от 333 °C до 900 °C

 

Источник: wikipedia

 

Ступица для термопар

Термопара — это датчик, измеряющий температуру. Он состоит из двух разных типов металлов, соединенных одним концом. Когда соединение двух металлов нагревается или охлаждается, создается напряжение, которое может быть обратно соотнесено с температурой. Термопара — это простой, надежный и экономичный датчик температуры, используемый в широком диапазоне процессов измерения температуры.

Термопары производятся в различных стилях, например, зонды термопар, зонды термопар с разъемами, зонды термопар с переходным соединением, инфракрасные термопары, термопары с неизолированным проводом или даже просто термопары.

Термопары обычно используются в широком диапазоне приложений. Из-за широкого диапазона моделей и технических характеристик, но чрезвычайно важно понимать его основную структуру, функциональность и диапазоны, чтобы лучше определить правильный тип термопары и материал термопары для применения.

Как работает термопара?

Когда два провода, состоящие из разнородных металлов, соединяются с обоих концов и один из концов нагревается, в термоэлектрической цепи протекает постоянный ток.

Если эта цепь разорвана в центре, чистое напряжение разомкнутой цепи (напряжение Зеебека) является функцией температуры перехода и состава двух металлов. Это означает, что, когда соединение двух металлов нагревается или охлаждается, создается напряжение, которое может быть обратно соотнесено с температурой.

Узнать больше

Зонды термопары против провода термопары?

Термопары доступны в различных комбинациях металлов или калибровок.Наиболее распространены термопары из «неблагородных металлов», известные как типы J, K, T, E и N. Существуют также высокотемпературные калибровки — также известные как термопары из благородных металлов — типов R, S, C и GB.

Каждая калибровка имеет свой диапазон температур и среду, хотя максимальная температура зависит от диаметра провода, используемого в термопаре.

Хотя калибровка термопары определяет диапазон температур, максимальный диапазон также ограничен диаметром провода термопары.То есть очень тонкая термопара может не достичь полного диапазона температур.

Термопары типа

K известны как термопары общего назначения из-за их низкой стоимости и диапазона температур.

Узнать больше

Как выбрать термопару? Поскольку термопара может принимать разные формы и формы, важно понимать, как правильно выбрать правильный датчик.
Наиболее распространенными критериями, используемыми при выборе, являются температурный диапазон, химическая стойкость, стойкость к истиранию и вибрации, а также требования к установке.Требования к установке также будут определять ваш выбор датчика термопары.

Существуют разные типы термопар, и их применение может отличаться. Открытая термопара будет работать лучше всего, когда требуется большое время отклика, но незаземленная термопара лучше в агрессивных средах.

Узнать больше

Как мне узнать, какой тип соединения выбрать?

Доступны зонды с термопарами в оболочке с одним из трех типов спая: заземленным, незаземленным или открытым.На конце зонда с заземленным переходом провода термопары физически прикреплены к внутренней стороне стенки зонда. Это приводит к хорошей теплопередаче снаружи через стенку зонда к спайу термопары. В незаземленном зонде спай термопары отделен от стенки зонда. Время отклика ниже, чем у заземленного типа, но незаземленный предлагает электрическую изоляцию.

Продукты OMEGA, используемые в этом приложении

Какова точность и температурный диапазон различных термопар?

Важно помнить, что и точность, и диапазон зависят от таких факторов, как сплавы термопары, измеряемая температура, конструкция датчика, материал оболочки, измеряемая среда, состояние среды (жидкая, твердая , или газ) и диаметр либо провода термопары (если он оголен), либо диаметр оболочки (если провод термопары не оголен, но в оболочке).

Узнать больше

Зонды термопары против провода термопары?

Важно помнить, что датчик температуры измеряет только его собственную температуру. Тем не менее, выбор датчика типа зонда по сравнению с датчиком проводного типа — это вопрос того, как лучше всего довести температуру спая термопары до температуры процесса, которую вы пытаетесь измерить.

Использование датчика проволочного типа может быть приемлемым, если жидкость не воздействует на изоляцию или материалы проводника, если жидкость находится в состоянии покоя или почти в этом состоянии, а температура находится в пределах возможностей материалов. Но если предположить, что жидкость коррозионная, высокотемпературная, находится под высоким давлением или течет по трубе, тогда датчик типа зонда, возможно, даже с защитной гильзой, будет лучшим выбором.

Все сводится к тому, как лучше всего довести спай термопары до той же температуры, что и процесс или материал, температуру которого вы пытаетесь измерить, чтобы получить необходимую информацию.

Узнать больше

Статьи по теме

Два способа измерения температуры с помощью термопар: простота, точность и гибкость

Введение

Термопара — это простой и широко используемый компонент для измерения температуры.В этой статье представлен базовый обзор термопар, описаны общие проблемы, возникающие при их проектировании, и предложены два решения по преобразованию сигналов. Первое решение сочетает в себе компенсацию холодного спая и преобразование сигнала в единой аналоговой ИС для удобства и простоты использования; второе решение отделяет компенсацию холодного спая от обработки сигнала, чтобы обеспечить измерение температуры с помощью цифрового выхода с большей гибкостью и точностью.

Теория термопар

Термопара, показанная на Рисунке 1, состоит из двух проводов из разнородных металлов, соединенных вместе на одном конце, и называется спай измерения («горячий»).Другой конец, где провода не соединены, подключается к дорожкам схемы преобразования сигнала, обычно сделанным из меди. Этот спай между металлами термопары и медными дорожками называется опорным спаем («холодный»). *

Рисунок 1. Термопара.

* Мы используем термины «измерительный спай» и «эталонный спай», а не более традиционные «горячий спай» и «холодный спай». Традиционная система именования может сбивать с толку, поскольку во многих приложениях измерительный спай может быть холоднее эталонного спая.

Напряжение, возникающее на спая, зависит от температуры на обоих стыке измерительного и опорного узла. Поскольку термопара является дифференциальным устройством, а не устройством для измерения абсолютной температуры, для получения точных абсолютных показаний температуры необходимо знать температуру эталонного спая. Этот процесс известен как компенсация холодного спая (компенсация холодного спая).

Термопары

стали промышленным стандартом для экономичного измерения широкого диапазона температур с разумной точностью.Они используются в различных областях применения при температурах до + 2500 ° C в котлах, водонагревателях, печах и авиационных двигателях — и это лишь некоторые из них. Самая популярная термопара — тип K , состоящая из Chromel ® и Alumel ® (никелевые сплавы с товарными знаками, содержащие хром и алюминий , марганец и кремний, соответственно), с диапазоном измерения — От 200 ° C до + 1250 ° C.

Зачем нужна термопара?

Преимущества
  • Температурный диапазон: Большинство практических температурных диапазонов, от криогенных до выхлопа реактивных двигателей, можно обслуживать с помощью термопар.В зависимости от используемой металлической проволоки термопара может измерять температуру в диапазоне от –200 ° C до + 2500 ° C.
  • Надежность: термопары — это надежные устройства, устойчивые к ударам и вибрации, и подходящие для использования в опасных средах.
  • Быстрый отклик. Поскольку термопары маленькие и обладают низкой теплоемкостью, они быстро реагируют на изменения температуры, особенно если чувствительный спай обнажен. Они могут реагировать на быстро меняющиеся температуры в течение нескольких сотен миллисекунд.
  • Без самонагрева: поскольку термопарам не требуется мощность возбуждения, они не склонны к самонагреву и искробезопасны.
Недостатки
  • Комплексное преобразование сигнала: требуется существенное преобразование сигнала для преобразования напряжения термопары в пригодное для использования значение температуры. Традиционно обработка сигнала требовала больших затрат времени на разработку, чтобы избежать ошибок, снижающих точность.
  • Точность: Помимо погрешностей, присущих термопарам из-за их металлургических свойств, измерение термопар является настолько точным, насколько может быть измерена температура эталонного спая, обычно в пределах от 1 ° C до 2 ° C.
  • Восприимчивость к коррозии: поскольку термопары состоят из двух разнородных металлов, в некоторых средах коррозия со временем может привести к ухудшению точности. Следовательно, им может потребоваться защита; и уход и обслуживание имеют важное значение.
  • Восприимчивость к шуму: при измерении изменений сигнала микровольтного уровня могут возникнуть проблемы с шумом от паразитных электрических и магнитных полей. Скручивание пары проводов термопары может значительно уменьшить наводку магнитного поля. Использование экранированного кабеля или прокладки проводов в металлическом кабелепроводе и ограждении может уменьшить наводку электрического поля.Измерительный прибор должен обеспечивать фильтрацию сигнала аппаратно или программно с сильным подавлением частоты сети (50 Гц / 60 Гц) и ее гармоник.

Трудности измерения с помощью термопар

Преобразовать напряжение, генерируемое термопарой, в точное показание температуры непросто по многим причинам: сигнал напряжения мал, зависимость температуры от напряжения нелинейная, требуется компенсация холодного спая, а термопары могут создавать проблемы с заземлением. Давайте рассмотрим эти вопросы по порядку.

Сигнал напряжения мал: Наиболее распространенными типами термопар являются J, K и T. При комнатной температуре их напряжение изменяется на 52 мкВ / ° C, 41 мкВ / ° C и 41 мкВ / ° C соответственно. Другие менее распространенные типы имеют еще меньшее изменение напряжения с температурой. Этот слабый сигнал требует каскада с высоким коэффициентом усиления перед аналого-цифровым преобразованием. В таблице 1 сравниваются чувствительности различных типов термопар.

Таблица 1. Изменение напряжения в зависимости отПовышение температуры
(коэффициент Зеебека) для различных типов термопар при 25 ° C.

Термопара
Тип
Коэффициент Зеебека
(мкВ / ° C)
E 61
Дж 52
К 41
N 27
R 9
S 6
т 41

Поскольку сигнал напряжения невелик, схема формирования сигнала обычно требует усиления около 100 или около того — довольно простое преобразование сигнала. Что может быть сложнее, так это отличить реальный сигнал от шума, улавливаемого выводами термопары. Провода термопары длинные и часто проходят в среде с электрическими помехами. Шум, улавливаемый проводами, может легко подавить крошечный сигнал термопары.

Для выделения сигнала из шума обычно комбинируются два подхода. Первый — использовать усилитель с дифференциальным входом, например инструментальный усилитель, для усиления сигнала. Поскольку большая часть шума возникает на обоих проводах (, синфазный сигнал, ), дифференциальное измерение устраняет его.Второй — это фильтрация нижних частот, которая удаляет внеполосный шум. Фильтр нижних частот должен устранять как радиочастотные помехи (выше 1 МГц), которые могут вызвать выпрямление в усилителе, так и 50 Гц / 60 Гц (источник питания) гул . Важно установить фильтр для радиопомех перед усилителем (или использовать усилитель с фильтрами на входах). Расположение фильтра 50/60 Гц часто не критично — его можно комбинировать с фильтром RFI, размещенным между усилителем и АЦП, встроенным как часть сигма-дельта АЦП, или его можно запрограммировать в программном обеспечении. как усредняющий фильтр.

Компенсация холодного спая: Температура холодного спая термопары должна быть известна для получения точных показаний абсолютной температуры. Когда термопары были впервые использованы, это было сделано путем выдерживания холодного спая в ледяной бане. На рисунке 2 изображена схема термопары, один конец которой находится при неизвестной температуре, а другой конец находится в ледяной бане (0 ° C). Этот метод использовался для исчерпывающей характеристики различных типов термопар, поэтому почти во всех таблицах термопар используется 0 ° C в качестве эталонной температуры.

Рис. 2. Базовая схема железо-константановой термопары.

Но держать эталонный спай термопары в ледяной бане нецелесообразно для большинства измерительных систем. Вместо этого в большинстве систем используется метод, называемый компенсацией холодного спая (также известный как компенсация холодного спая ). Температура эталонного спая измеряется с помощью другого термочувствительного устройства — обычно ИС, термистора, диода или RTD (резистивного датчика температуры). Затем значение напряжения термопары компенсируется, чтобы отразить температуру холодного спая.Важно, чтобы эталонный спай считывался как можно точнее — с помощью точного датчика температуры, поддерживающего ту же температуру, что и эталонный спай. Любая ошибка в считывании температуры холодного спая будет отображаться непосредственно в окончательном показании термопары.

Для измерения эталонной температуры доступны различные датчики:

  1. Термисторы: они имеют быстрый отклик и небольшой корпус; но они требуют линеаризации и имеют ограниченную точность, особенно в широком диапазоне температур.Им также требуется ток для возбуждения, который может вызвать самонагревание и дрейф. Общая точность системы в сочетании с формированием сигнала может быть низкой.
  2. Резистивные датчики температуры (RTD): RTD точны, стабильны и достаточно линейны, однако размер корпуса и стоимость ограничивают их использование в приложениях для управления технологическим процессом.
  3. Дистанционные термодиоды: диод используется для измерения температуры возле разъема термопары. Микросхема кондиционирования преобразует напряжение на диоде, которое пропорционально температуре, в аналоговый или цифровой выход.Его точность ограничена примерно ± 1 ° C.
  4. Встроенный датчик температуры: Встроенный датчик температуры, автономная ИС, которая определяет температуру локально, должна быть осторожно установлена ​​рядом с эталонным спаем и может сочетать компенсацию холодного спая и формирование сигнала. Может быть достигнута точность с точностью до малых долей в 1 ° C.

Сигнал напряжения нелинейный: Наклон кривой отклика термопары изменяется в зависимости от температуры.Например, при 0 ° C выходной сигнал термопары типа T изменяется на 39 мкВ / ° C, но при 100 ° C крутизна увеличивается до 47 мкВ / ° C.

Есть три распространенных способа компенсации нелинейности термопары.

Выберите относительно плоский участок кривой и аппроксимируйте наклон как линейный в этой области — подход, который особенно хорошо работает для измерений в ограниченном диапазоне температур. Никаких сложных вычислений не требуется. Одна из причин популярности термопар K- и J-типа заключается в том, что они обе имеют большие диапазоны температур, для которых наклон приращения чувствительности (коэффициент Зеебека) остается довольно постоянным (см. Рисунок 3).

Рисунок 3. Изменение чувствительности термопары в зависимости от температуры. Обратите внимание, что коэффициент Зеебека K-типа примерно постоянен и составляет около 41 мкВ / ° C от 0 ° C до 1000 ° C.

Другой подход состоит в том, чтобы сохранить в памяти справочную таблицу, которая сопоставляет каждый набор напряжений термопары с соответствующей температурой. Затем используйте линейную интерполяцию между двумя ближайшими точками в таблице, чтобы получить другие значения температуры.

Третий подход заключается в использовании уравнений более высокого порядка, которые моделируют поведение термопары.Хотя этот метод является наиболее точным, он также требует больших вычислительных ресурсов. Для каждой термопары существует две системы уравнений. Один набор преобразует температуру в напряжение термопары (полезно для компенсации холодного спая). Другой набор преобразует напряжение термопары в температуру. Таблицы термопар и уравнения термопар более высокого порядка можно найти на http://srdata.nist.gov/its90/main/. Все таблицы и уравнения основаны на температуре холодного спая 0 ° C. Компенсацию холодного спая необходимо использовать, если он имеет любую другую температуру.

Требования к заземлению: Производители термопар изготавливают термопары как с изолированными, так и с заземленными наконечниками для измерительного спая (рисунок 4).

Рисунок 4. Типы измерительного спая термопары.

Устройство преобразования сигнала термопары должно быть спроектировано таким образом, чтобы избежать контуров заземления при измерении заземленной термопары, но также иметь путь для входных токов смещения усилителя при измерении изолированной термопары. Кроме того, если наконечник термопары заземлен, диапазон входного сигнала усилителя должен быть рассчитан на обработку любых разностей потенциалов заземления между наконечником термопары и заземлением измерительной системы (рисунок 5).

Рисунок 5. Варианты заземления при использовании разных типов наконечников.

Для неизолированных систем система формирования сигнала с двумя источниками питания обычно будет более надежной для типов заземленных и открытых наконечников. Благодаря широкому диапазону входного синфазного сигнала усилитель с двумя источниками питания может справиться с большим перепадом напряжения между землей печатной платы и землей на наконечнике термопары. Системы с однополярным питанием могут удовлетворительно работать во всех трех случаях, если синфазный диапазон усилителя имеет некоторую возможность измерения под землей в конфигурации с однополярным питанием.Чтобы справиться с ограничением синфазного сигнала в некоторых системах с однополярным питанием, полезно смещение термопары до среднего напряжения. Это хорошо работает для изолированных наконечников термопар или если вся измерительная система изолирована. Однако он не рекомендуется для неизолированных систем, предназначенных для измерения заземленных или открытых термопар.

Практические решения с термопарами: Преобразование сигнала термопары сложнее, чем в других системах измерения температуры.Время, необходимое для разработки и отладки системы формирования сигнала, может увеличить время вывода продукта на рынок. Ошибки в формировании сигнала, особенно в секции компенсации холодного спая, могут привести к снижению точности. Следующие два решения устраняют эти проблемы.

В первом описывается простое аналоговое интегрированное аппаратное решение, сочетающее прямое измерение с помощью термопары с компенсацией холодного спая с использованием одной ИС. Второе решение представляет собой программную схему компенсации холодного спая, обеспечивающую повышенную точность измерения термопар и гибкость в использовании многих типов термопар.

Измерительное решение 1: оптимизировано для простоты

На рис. 6 показана схема измерения термопары К-типа. Он основан на использовании усилителя термопары AD8495, который разработан специально для измерения термопар типа K. Это аналоговое решение оптимизировано для минимального времени разработки: оно имеет прямую сигнальную цепочку и не требует программирования.

Рис. 6. Измерительное решение 1: оптимизировано для простоты.

Каким образом эта простая сигнальная цепочка удовлетворяет требованиям к формированию сигнала для термопар K-типа?

Масштабный коэффициент усиления и выхода: Сигнал малой термопары усиливается коэффициентом усиления AD8495, равным 122, что дает чувствительность выходного сигнала 5 мВ / ° C (200 ° C / В).

Подавление шума: Высокочастотный синфазный и дифференциальный шум удаляется внешним фильтром радиопомех. Низкочастотный синфазный шум подавляется инструментальным усилителем AD8495. Любой оставшийся шум устраняется внешним постфильтром.

Компенсация холодного спая: AD8495, который включает в себя датчик температуры для компенсации изменений температуры окружающей среды, должен быть размещен рядом с холодным спаем, чтобы поддерживать одинаковую температуру для точной компенсации холодного спая.

Коррекция нелинейности: AD8495 откалиброван для выдачи выходного сигнала 5 мВ / ° C на линейном участке кривой термопары K-типа с погрешностью линейности менее 2 ° C в диапазоне от –25 ° C до + 400 ° Диапазон температур C. Если требуются температуры за пределами этого диапазона, в примечании к применению AN-1087 компании Analog Devices описывается, как можно использовать справочную таблицу или уравнение в микропроцессоре для расширения диапазона температур.

Работа с изолированными, заземленными и незащищенными термопарами: На рисунке 5 показан резистор сопротивлением 1 МОм, подключенный к земле, который подходит для всех типов наконечников термопар.AD8495 был специально разработан для измерения нескольких сотен милливольт под землей при использовании с одним источником питания, как показано. Если ожидается больший перепад заземления, AD8495 также может работать от двух источников питания.

Подробнее об AD8495: На рисунке 7 показана блок-схема усилителя термопары AD8495. Усилители A1, A2 и A3 — и показанные резисторы — образуют инструментальный усилитель, который усиливает выходной сигнал термопары K-типа с коэффициентом усиления, подходящим для создания выходного напряжения 5 мВ / ° C.Внутри коробки с надписью «Компенсация реф. Перехода» находится датчик температуры окружающей среды. С измерением температуры перехода поддерживается постоянным, дифференциальное напряжение от термопары будет уменьшаться, если температура спая поднимается по какой-либо причине. Если крошечные (3,2 мм × 3,2 мм × 1,2 мм) AD8495 находится в непосредственной тепловой близости от спая, компенсация опорного спая схемотехника впрыскивает дополнительное напряжение в усилитель, так что выход остается напряжение постоянным, таким образом, компенсируя ссылки изменение температуры.

Рисунок 7. Функциональная блок-схема AD8495.

В таблице 2 приведены характеристики интегрированного аппаратного решения с использованием AD8495:

Таблица 2. Решение 1 (Рисунок 6) Сводная информация о производительности

Термопара Тип Диапазон измерения температуры спая Диапазон температур холодного спая Точность
при 25 ° C
Потребляемая мощность
К от –25 ° C до + 400 ° C

от 0 ° C до 50 ° C

± 3 ° C (класс А)

± 1 ° C (класс C)

1. 25 мВт

Измерительное решение 2: оптимизировано для точности и гибкости

На рис. 8 показана схема измерения термопары J-, K- или T-типа с высокой степенью точности. Эта схема включает высокоточный АЦП для измерения напряжения малосигнальной термопары и высокоточный датчик температуры для измерения температуры холодного спая. Оба устройства управляются через интерфейс SPI от внешнего микроконтроллера.

Рис. 8. Измерительное решение 2: оптимизировано для обеспечения точности и гибкости.

Как эта конфигурация соответствует требованиям к согласованию сигналов, упомянутым ранее?

Устранение шума и усиление напряжения: AD7793, подробно показанный на рисунке 9 — высокоточный маломощный аналоговый входной каскад, — используется для измерения напряжения термопары. Выход термопары фильтруется извне и подключается к набору дифференциальных входов AIN1 (+) и AIN1 (-). Затем сигнал направляется через мультиплексор, буфер и инструментальный усилитель, который усиливает небольшой сигнал термопары, и на АЦП, который преобразует сигнал в цифровой.

Рисунок 9. Функциональная блок-схема AD7793.

Компенсировать температуры спая: The ADT7320 (подробно на рисунке 10), если их поместить достаточно близко к спаю, может измерять температуру опорного спая точно, до ± 0,2 ° C, от -10 ° C до +85 ° C. Встроенный датчик температуры генерирует напряжение, пропорциональное абсолютной температуре, которое сравнивается с внутренним опорным напряжением и подается на прецизионный цифровой модулятор. Оцифрованный результат модулятора обновляет 16-битный регистр значения температуры.Затем регистр значения температуры может быть считан с микроконтроллера с использованием интерфейса SPI и объединен со считыванием температуры с АЦП для осуществления компенсации.

Рисунок 10. Функциональная блок-схема ADT7320.

Правильная нелинейность: ADT7320 обеспечивает отличную линейность во всем номинальном температурном диапазоне (от –40 ° C до + 125 ° C), не требуя корректировки или калибровки пользователем. Таким образом, его цифровой выход можно рассматривать как точное представление состояния холодного спая.

Чтобы определить фактическую температуру термопары, это эталонное измерение температуры должно быть преобразовано в эквивалентное термоэлектрическое напряжение с использованием уравнений, предоставленных Национальным институтом стандартов и технологий (NIST). Затем это напряжение добавляется к напряжению термопары, измеренному AD7793; и суммирование затем переводится обратно в температуру термопары, снова с использованием уравнений NIST.

Работа с изолированными и заземленными термопарами: На рисунке 8 показана термопара с оголенным наконечником.Это обеспечивает лучшее время отклика, но такая же конфигурация может также использоваться с термопарой с изолированным наконечником.

В Таблице 3 приведены характеристики программного решения для измерения холодного спая с использованием данных NIST:

Таблица 3. Решение 2 (Рисунок 8) Сводная информация о производительности

Термопара Тип Диапазон измерения температуры спая Диапазон температур холодного спая Точность
Потребляемая мощность
Дж, К, Т Полный диапазон

от –10 ° C до + 85 ° C

от –20 ° C до + 105 ° C

± 0. 2 ° С

± 0,25 ° С

3 мВт

3 мВт

Заключение

Термопары обеспечивают надежное измерение температуры в довольно широком диапазоне температур, но они часто не являются первым выбором для измерения температуры из-за необходимого компромисса между временем разработки и точностью. В этой статье предлагаются рентабельные способы решения этих проблем.

Первое решение сконцентрировано на уменьшении сложности измерения с помощью аппаратного метода компенсации аналогового эталонного спая. В результате получается прямая сигнальная цепочка без необходимости программирования программного обеспечения, основанная на интеграции, обеспечиваемой усилителем термопары AD8495, который выдает выходной сигнал 5 мВ / ° C, который может подаваться на аналоговый вход самых разных микроконтроллеров.

Второе решение обеспечивает высочайшую точность измерения, а также позволяет использовать различные типы термопар. Программный метод компенсации эталонного спая, он основан на высокоточном цифровом датчике температуры ADT7320, который обеспечивает гораздо более точное измерение компенсации эталонного спая, чем это было возможно до сих пор. ADT7320 поставляется полностью откалиброванным и рассчитанным на диапазон температур от –40 ° C до + 125 ° C. Полностью прозрачный, в отличие от традиционного измерения термистора или датчика RTD, он не требует дорогостоящего этапа калибровки после сборки платы и не потребляет ресурсы процессора или памяти с коэффициентами калибровки или процедурами линеаризации.Потребляя только микроватты энергии, он позволяет избежать проблем с саморазогревом, которые снижают точность традиционных резистивных датчиков.

Приложение

Использование уравнения NIST для преобразования температуры ADT7320 в напряжение

Компенсация холодного спая термопары основана на соотношении:

(1)

где:

Δ В = выходное напряжение термопары

В @ Дж 1 = напряжение, генерируемое на спайе термопары

V @ J 2 = напряжение, генерируемое в спае

Чтобы это соотношение компенсации было действительным, обе клеммы холодного спая должны поддерживаться при одинаковой температуре. Выравнивание температуры достигается с помощью изотермической клеммной колодки, которая позволяет выравнивать температуру обоих клемм при сохранении гальванической развязки.

После измерения температуры эталонного спая ее необходимо преобразовать в эквивалентное термоэлектрическое напряжение, которое будет генерироваться спайом при измеренной температуре. Один метод использует полином степенного ряда. Рассчитано термоэлектрическое напряжение:

(2)

где:

E = термоэлектрическое напряжение (микровольты)

a n = полиномиальные коэффициенты, зависящие от типа термопары

T = температура (° C)

n = порядок полинома

NIST публикует таблицы полиномиальных коэффициентов для каждого типа термопар.В этих таблицах приведены списки коэффициентов, порядок (количество членов в полиноме), допустимые диапазоны температур для каждого списка коэффициентов и диапазон ошибок. Для некоторых типов термопар требуется более одной таблицы коэффициентов, чтобы охватить весь рабочий температурный диапазон. Таблицы для полиномов степенных рядов перечислены в основном тексте.

Зачем нужны термопары? | Thermoworks


Все еще решаете, подходит ли термопара для вас или вашей организации? Ниже мы описали, что такое термопара и какие технические преимущества вы можете ожидать от определенных типов датчиков.В частности, мы сравнили датчики термопары и датчики термистора, чтобы вы могли лучше понять, почему вы можете использовать термопары.

Что такое термопара?

Есть несколько типов электронных датчиков температуры. Каждый из них имеет свои технические преимущества и недостатки в зависимости от предполагаемого назначения или области применения датчика. Обычным выбором для коммерческих и профессиональных приборов является термопара . Термопара сделана из двух проволок из разных сплавов.Они свариваются вместе, образуя «термопару». Этот набор проводов создает напряжение, которое изменяется в зависимости от температуры. Это напряжение можно измерить, обработать и отобразить как температуру. Различные сплавы работают по-разному. На протяжении десятилетий промышленность остановилась на нескольких определенных «типах» термопар, каждый из которых использует определенную комбинацию определенных сплавов. Наиболее распространенной является термопара «типа K» (см. Термопары типа K от Thermoworks), которая изготовлена ​​из двух металлов: хромеля и алюминия.Это наиболее часто используемый тип в общепромышленном использовании, науке, пищевой промышленности и общественном питании.

На практике и с правильным датчиком и электроникой термопара дает несколько преимуществ по сравнению с другими распространенными датчиками, такими как термистор . Термисторы можно найти во многих недорогих цифровых термометрах. Их можно производить дешево, а электронику, необходимую для преобразования их сигналов в температуру, можно сделать очень недорого. Однако у недорогих термисторов есть некоторые ограничения, которые может преодолеть термопара.

Диапазон температур
В зависимости от конструкции и материалов датчика температуры, в котором используется термопара типа K, диапазон температур может быть очень широким. Некоторые датчики могут измерять температуру до 2200 ° F (см. Высокотемпературные термопары типа K). Даже с изоляцией проводов, предназначенной для более низких температур, такой как PTFE, диапазоны зондов часто могут охватывать от -58 ° F до 572 ° F. Многие датчики и термометры термисторного типа имеют более узкий диапазон. Хотя сейчас доступны некоторые термисторы с верхним пределом 572 ° F, их точность значительно снижается примерно на 300 ° F.Кроме того, термистор быстрее и необратимо повреждается при температурах выше указанного предела.

Скорость
Быстрый отклик важен во многих приложениях. На скорость датчика температуры напрямую влияет его масса или размер. Чем больше размер сенсора или узла зонда, тем медленнее будет считывание. Термистор сделан из бусинки углерода, к которому прикреплены два провода. Затем его покрывают эпоксидной смолой или стеклом. Хотя большинство термисторов несколько большие (подходят для трубки зонда 1/8 дюйма или больше), современные технологии привели к появлению термисторов, которые могут быть довольно маленькими.Однако термопару все же можно сделать меньше даже самых крошечных термисторов. В конце концов, термопара состоит из двух проводов, тогда как термистор добавляет немного углерода и покрытие. При использовании тонкой проволоки для термопары чувствительный валик или сварной шов можно также поместить внутрь трубок очень узкого диаметра, таких как иглы для подкожных инъекций. Даже в трубке немного большего размера, скажем, диаметром 1/16 дюйма (в которую может поместиться усовершенствованный термистор) можно разместить шарик термопары дальше в заостренном конце зонда, чем термистор.Это способствует способности термопары уравновешиваться до целевой температуры несколько быстрее, чем термистор.

Конструкция зонда
Поскольку термопара сделана из соединения двух разных металлов, возможности для различных механических конструкций больше, чем для других сенсоров. Для крошечных сборок датчиков можно использовать проволоку очень тонкого сечения. Плоская проволока часто используется для поверхностных термопар. Проволока большого сечения может использоваться для очень высокотемпературных датчиков или для чрезвычайно прочных сборок.Шарики термопар также подходят для датчиков воздуха или газа с быстрым откликом. Другие типы датчиков обычно имеют более ограниченные конструктивные ограничения.

Точность
В промышленности и науке термопары не всегда ассоциировались с высокой точностью. Многие производители термопар используют проволоку и методы, которые обеспечивают только уровни точности, аналогичные точности недорогих термисторов. Тем не менее, ThermoWorks использует специальный провод для термопар, который обеспечивает точность сменных датчиков лучше, чем ± 0. 9 ° F между 32 ° F и 212 ° F. Это лучше, чем у большинства термисторов того же диапазона. Точность термопары можно еще больше повысить, если узел зонда термопары будет постоянно прикреплен к электронной схеме, а затем откалиброван вместе с электроникой в ​​«калибровке системы». Этот процесс устраняет ошибку взаимозаменяемости отдельных термопар и способствует общей точности измерения всего в несколько десятых градуса. Усовершенствованная конструкция схем позволяет ThermoWorks обеспечивать точность выше ± 0.5 ° F в некоторых термопарах.

Стоимость
При сравнении типичных цен на промышленные датчики температуры, термопары обычно считаются менее дорогими, чем некоторые типы научных или коммерческих датчиков и датчиков. По сравнению с датчиками массового производства недорогих потребительских товаров, термопара может быть несколько дороже, чем некоторые термисторы. Обычно это связано с более высокими затратами, связанными с более прочными материалами датчиков промышленного класса. Не все термопары одинаковы.Некоторые производители датчиков заменяют низкокачественные провода термопар в своих сборках, чтобы указать более низкие цены. Результат — более низкая точность и более быстрый износ провода даже при нормальном использовании.

Прочие соображения
Термопары иногда избегают, когда общая стоимость термометра очень ограничена. Электроника, необходимая для считывания показаний термопары, сложнее и дороже, чем требуется для термистора. Некоторые производители сокращают здесь углы и поставляют электронику, которая не решает проблем с точностью, присущих термопарам.Многие термопары, производимые на Дальнем Востоке, дают измерения с точностью до нескольких градусов вместо нескольких десятых. Требования к спецификации следует внимательно прочитать.



Типы термопар типа K


Все датчики температуры ThermoWorks

Типы датчиков и термопар

Датчики термопары

отличаются от обычных типов термопар своей меньшей конструкцией и возможностью изгибаться. Благодаря этим особенностям их можно использовать в труднодоступных местах.

Сборка датчика термопары

Термопары этого типа состоят из внешней металлической оболочки, которая содержит изолированные внутренние выводы, залитые керамическим компаундом высокой плотности (кабель с минеральной изоляцией, также называемый кабелем MI). Термопары в оболочке можно изгибать до минимального радиуса, в пять раз превышающего диаметр оболочки, и этот тип термопар устойчив к экстремальной вибрации.

Inconel 600 или нержавеющая сталь — это материалы оболочки, в основном используемые для этого типа термопар. Inconel 600 (сплав Ni 2.4816) — стандартный материал для высокотемпературных применений, требующих устойчивости к коррозии; и для применений, требующих устойчивости к индуцированному коррозионному растрескиванию под напряжением и точечной коррозии, когда среда содержит хлорид. Датчики термопары, изготовленные из Inconel 600, устойчивы к галогенам, хлору, хлористому водороду и аммиаку в водных растворах. Датчики термопары, изготовленные из нержавеющей стали 316, обеспечивают высокую устойчивость к агрессивным средам, а также к парам и дымовым газам в химических средах.

В нашем обширном ассортименте термопар типа вы можете найти подходящую версию для любого применения.

Часто используемые типы термопар:

Тип K : Термопары NiCr-NiAl подходят для использования в окислительной или инертной газовой среде с температурой до 2100 ° F (ASTM E230: 2200 ° F) с проводом самого большого диаметра.

Тип J : термопары Fe-CuNi подходят для использования в вакууме; в окислительной и восстановительной атмосферах; или в атмосфере инертного газа. Они используются для измерения температуры до 1300 ° F (ASTM E230: 1400 ° F) с проводом самого большого диаметра.

Тип N : Термопары NiCrSi-NiSi подходят для использования в окислительной атмосфере; в атмосфере инертного газа; или в атмосфере сухого восстановления до 2200 ° F (ASTM E230: 2300 ° F). Они должны быть защищены от сернистой атмосферы.Они очень точны при высоких температурах. Напряжение источника (ЭДС) и температурный диапазон практически такие же, как у термопары типа К. Они используются в приложениях, где требуется более длительный срок службы и большая стабильность.

Тип E : Термопары NiCr-CuNi подходят для использования в атмосфере окислительного или инертного газа до 1600 ° F (ASTM E230: 1650 ° F) с проводом самого большого диаметра.

Тип T : термопары Cu-CuNi подходят для температур ниже 32 ° F с верхним пределом температуры 650 ° F (ASTM E230: 700 ° F) и могут использоваться в окислительной, восстановительной или инертной газовой среде.Они не подвержены коррозии во влажной атмосфере.

Чтобы определить тип термопары для применения, рассмотрите прямой контакт со средой.

Термопары

типов R, S и B также доступны со встроенным кабелем MI. Для получения информации о температурном диапазоне, классе точности и размерах для этих термопар с благородной оболочкой обратитесь в службу технической поддержки WIKA по телефону 1-888-431-1559 (нажмите 1).

Конструкции наконечников термопарных датчиков


Свяжитесь с нами

Хотите получить дополнительную информацию? Напишите нам:

Как работают термопары? Краткое руководство

Термопары — это надежные датчики температуры, которые используются во многих промышленных приложениях.Узнайте, что такое термопары, как они работают и почему они так популярны.

Термопары — это электрические устройства, используемые для измерения температуры. Их точность, быстрое время реакции и способность выдерживать сильные вибрации, высокое давление и экстремальные температуры делают их идеальными для широкого спектра применений. Но как работает термопара?

Принцип работы термопары

Принцип работы термопары основан на эффекте Зеебека или термоэлектрическом эффекте, который относится к процессу, в котором тепловая энергия преобразуется в электрическую.Эффект описывает электрическое напряжение, возникающее при соединении двух разных проводников, и то, как создаваемое напряжение зависит от температуры.

Базовая конструкция термопары состоит из двух разнородных металлических проводов, каждая из которых имеет разные электрические свойства при разных температурах. Два металла соприкасаются — касаются друг друга, скручиваются или свариваются — на одном конце; это точка измерения . На другом конце находится точка подключения , названная так потому, что она подключается к считывателю напряжения.Когда температура изменяется в точке измерения, изменяется и электронная плотность каждой металлической проволоки. Эта изменяющаяся электронная плотность составляет напряжение , которое измеряется в точке подключения.

Обратите внимание, что термопары фактически не измеряют абсолютную температуру. Вместо этого они измеряют разность температур между точкой измерения и точкой подключения. Вот почему термопарам также нужна компенсация холодного спая , которая гарантирует, что температура окружающей среды на соединительных выводах холодного спая не влияет на результат измерения, что позволяет получать более точные показания.

Металлические пары в термопарах

Для того, чтобы термопара работала хорошо, два ее провода должны обеспечивать как можно больший контраст в индивидуальных значениях электроотрицательности. Это сделано для того, чтобы устройство считывания напряжения могло обнаружить наибольшую разницу термоэлектрических напряжений.

Термопары из недрагоценных металлов , известные как типы J, T, K, E и N, производят более высокие термоэлектрические напряжения, чем более дорогие благородные металлы, известные как типы R, S и B. Последний тип, однако, может выдерживать температуру до 3092 ° F (1700 ° C) или даже выше.Некоторые из обычных пар металлов — это железо и медь-никель (тип J), медь и медь-никель (тип T), а также никель-хром и никель-алюминий (тип K). Термопары из благородных металлов обычно изготавливаются из платины и родия (типы S, R и B).

WIKA USA производит широкий спектр высококачественных термопар с различными температурными диапазонами, конфигурациями и материалами. Для получения дополнительной информации о том, как работает термопара, посмотрите это короткое видео или свяжитесь с нашими специалистами по измерению температуры.

Термопары-Типы термопар — J, K, E, T, N, B, R, S

Хромель {90% никель и 10% хром} Alumel {95% никель, 2% марганец, 2% алюминия и 1% кремний}


Твитнуть



Термопара типа K

Это наиболее распространенный тип термопар, обеспечивающий самый широкий диапазон рабочих температур. Термопары типа K обычно работают в большинстве случаев, поскольку они сделаны на основе никеля и обладают хорошей коррозионной стойкостью.

• 1. Положительный полюс — немагнитный (желтый) , отрицательный — магнитный (красный).

• 2. Традиционный выбор недрагоценных металлов для высокотемпературных работ.

• 3. Подходит для использования в окислительной или инертной атмосфере при температурах до 1260 ° C (2300 ° F).

• 4. Уязвим к воздействию серы (воздерживаться от воздействия серосодержащих атмосфер).

• 5. Лучше всего работать в чистой окислительной атмосфере.

• 6.Не рекомендуется для использования в условиях частичного окисления в вакууме или при чередовании циклов окисления и восстановления.

Состоит из положительной ветви, состоящей примерно из 90% никеля, 10% хрома и отрицательной ветви, состоящей примерно из 95% никеля, 2% алюминия, 2% марганца и 1% кремния. Термопары типа K являются наиболее распространенными термопарами общего назначения. термопара с чувствительностью приблизительно 41 мкВ / ° C, хромель положительный по отношению к алюмелю. Он недорогой, и доступен широкий выбор датчиков в диапазоне от -200 ° C до + 1260 ° C / от -328 ° F до + 2300 ° F.Тип K был определен в то время, когда металлургия была менее развита, чем сегодня, и, следовательно, характеристики значительно различаются между образцами. Один из составляющих металлов, никель, является магнитным; Характерной чертой термопар, изготовленных из магнитного материала, является то, что они претерпевают ступенчатое изменение выходной мощности, когда магнитный материал достигает точки отверждения (около 354 ° C для термопар типа K).

Термопары типа K (хромель / константан)

Термопары типа K обычно работают в большинстве случаев, поскольку они сделаны на основе никеля и обладают хорошей коррозионной стойкостью.Это наиболее распространенный тип калибровки датчиков, обеспечивающий самый широкий диапазон рабочих температур. Благодаря своей надежности и точности термопара типа K широко используется при температурах до 2300 ° F (1260 ° C). Этот тип термопары должен быть защищен подходящей металлической или керамической защитной трубкой, особенно в восстановительной атмосфере. В окислительных средах, таких как электрические печи, защита труб не всегда необходима, когда подходят другие условия; тем не менее, он рекомендуется для обеспечения чистоты и общей механической защиты.Тип K обычно дольше, чем тип J, потому что проволока JP быстро окисляется, особенно при более высоких температурах.

Диапазон температур:
• Провод класса термопары, от −454 ° до 2300 ° F (от −270 до 1260 ° C)

• Провод класса удлинения, от −32 ° до 392 ° F (от 0 до 200 ° C)

• Точка плавления, 2550 ° F (1400 ° C)

Точность (в зависимости от того, что больше):
• Стандарт: ± 2. 2C% или ± 0,75%

• Специальные пределы погрешности: ± 1,1C или 0,4%

Отклонения в сплавах могут повлиять на точность термопар. Для термопар типа K первый класс допуска составляет ± 1,5 K в диапазоне от -40 до 375 ° C. Однако отклонения между термопарами одного производства очень малы, и при индивидуальной калибровке можно достичь гораздо более высокой точности.

Металлургические изменения могут вызвать отклонение калибровки от 1 до 2 ° C за несколько часов, со временем увеличивающееся до 5 ° C.Доступен специальный сплав типа K, который может поддерживать особую предельную точность до десяти раз дольше, чем обычный сплав.

RTD против термопары — Sure Controls

В чем разница между резистивным датчиком температуры (RTD) и термопарой? И RTD, и термопары — это датчики, используемые для измерения тепла в таких шкалах, как Фаренгейт и Кельвин. Такие устройства используются в широком диапазоне приложений и настроек, часто ставя перед людьми дилемму выбора использования RTD или термопар. У каждого типа датчика температуры есть свои преимущества и недостатки, которые делают его пригодным для определенных условий и обстоятельств.

Детекторы термометров сопротивления

Электрическое сопротивление металлов повышается по мере увеличения нагрева и нагрева металлов, в то время как их электрическое сопротивление падает по мере уменьшения нагрева и охлаждения металлов. RTD — это датчики температуры, которые используют изменения электрического сопротивления металлов для измерения изменений локальной температуры.Чтобы показания можно было интерпретировать, металлы, используемые в RTD, должны иметь электрическое сопротивление, известное людям и записанное для удобства. В результате медь, никель и платина являются популярными металлами, используемыми в конструкции термометров сопротивления.

Термопары

Термопары — это датчики температуры, в которых используются два разных металла в датчике для создания напряжения, которое может быть считано для определения местной температуры. При создании термопар можно использовать различные комбинации металлов, чтобы обеспечить различные калибровки с разными диапазонами температуры и характеристиками датчика.

Загрузите лист проектирования термопар Sure Controls для получения дополнительной информации.

RTD и термопара

Поскольку термины охватывают весь диапазон датчиков температуры, предназначенных для использования в различных условиях, невозможно сделать вывод, являются ли RTD или термопары лучшим вариантом в целом. Вместо этого более полезно сравнивать характеристики RTD и термопар, используя определенные характеристики, такие как стоимость и диапазон температур, чтобы пользователи могли выбирать, исходя из конкретных потребностей своих организаций.
В целом, термопары лучше, чем RTD, когда дело касается стоимости, прочности, скорости измерения и диапазона температур, который может быть измерен с их помощью. Стоимость большинства термопар в 2,5–3 раза меньше, чем у RTD, и хотя установка RTD дешевле, чем установка термопар, экономия затрат на установку недостаточна, чтобы склонить чашу весов. Кроме того, термопары более долговечны и быстрее реагируют на изменения температуры благодаря той же конструкции. Однако главное преимущество термопар — это их диапазон.Большинство RTD ограничены максимальной температурой в 1000 градусов по Фаренгейту. Напротив, некоторые термопары можно использовать для измерения температуры до 2700 градусов по Фаренгейту. RTD
превосходят термопары тем, что их показания более точны и более воспроизводимы. Повторяемость означает, что пользователи, считывающие одну и ту же температуру, дают одинаковые результаты в нескольких испытаниях. RTD, выдающие более повторяемые показания, означают, что их показания более стабильны, а их конструкция гарантирует, что RTD продолжат выдавать стабильные показания дольше, чем термопары.Кроме того, RTD принимает более надежные сигналы, и их легче калибровать показания RTD из-за их конструкции.

Заключение

Вкратце, RTD и термопары имеют свои преимущества и недостатки. Кроме того, каждая марка RTD и термопар имеет свои преимущества и недостатки.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.