Термопара — принцип работы | Сиб Контролс

Принцип работы термопар

Если два провода из разнородных металлов соединены друг с другом на одном конце, на другом конце данной конструкции, за счет контактной разницы потенциалов, появляется напряжение (ЭДС), которое зависит от температуры. Иными словами, соединение двух разных металлов ведет себя как гальванический элемент, чувствительный к изменению температуры. Такой вид температурного сенсора называется термопарой:

 

Данное явление предоставляет нам простой путь для нахождения электрического эквивалента температуры: необходимо просто измерить напряжение и Вы можете определить температуру этого места соединения двух металлов. И это было бы просто, если бы не следующее условие: когда Вы присоедините любой вид измерительного прибора к проводам термопары, то неизбежно сделаете второе место соединения разнородных металлов.

Следующая схема показывает, что железо — медное соединение J1 обязательно дополняется вторым железо — медным соединением J2 противоположной полярности:

Соединение J1 железа и меди (двух разнородных металлов) будет генерировать напряжение, зависящее от измеряемой температуры. Соединение J2, которое фактически необходимо , что мы каким-то образом подключили наши медные входные провода вольтметра к железной проволоке термопары, также соединение разнородных металлов, которое тоже будет генерировать напряжение, зависящее от температуры. Далее необходимо отметить, что полярность соединения J2 противоположна полярности соединения J1 (железный провод положительный; медный — отрицательный). В данное схеме имеется так же третье соединение (J3), но оно не оказавает влияние, потому что это соединение двух идентичных металлов, которое не создает ЭДС. Генерация второго напряжения соединением J2 помогает объяснить, почему вольтметр регистрирует 0 вольт, когда вся система будет при комнатной температуре: любые напряжения созданные точками соединения разнородных металлов будут равны по величине и противоположны по полярности, что и приведет к нулевым показаниям.

Только тогда, когда два соединения J1 и J2 находятся при разных температурах, вольтметр зарегистрирует какое-то напряжение.

Мы можем выразить эту связь математически следующим образом:

Vmeter = V_J1 − V_J2

Понятно, что вольтметр «видит» только разницу между этими двумя напряжениями, генерируемыми в точках соединения.

Таким образом, термопары – это исключительно дифференциальные температурные сенсоры. Они формируют электрический сигнал, пропорциональный разнице температур между двумя различными точками. Поэтому, место соединения (спай), которое мы используем,чтобы измерить необходимую температуру, называют «горячим» спаем, в то время как другое место соединения (от которого мы никак не можем избежать) называется «холодным» спаем. Такое название произошло от того, что обычно, измеряемая температура выше температуры, в которой находится измерительный прибор. Большая часть сложностей применения термопар связана с именно напряжением «холодного» спая и необходимости иметь дело с этим (нежелательным) потенциалом. Для большинства применений необходимо измерять температуру в одной определённой точке, а не разницу температур между двумя точками, что делает термопара по определению.

Существует несколько методов, чтобы заставить датчик температуры на базе термопары измерять температуру в нужной точке, и они будут рассмотрены ниже.

Студенты и профессионалы очень часто находят общий принцип влияния «холодного» спая и его эффектов невероятно запутанным. Чтобы разобраться в данном вопросе, необходимо вернуться к простому контуру с железо — медными проводами, показанному ранее как «отправная точка», а затем вывести поведение данного контура, применяя первый закон Кирхгоффа: алгебраическая сумма напряжений в любом контуре должна быть равна нулю. Мы знаем, что соединение разнородных металлов создает напряжение, если его температура выше абсолютного нуля. Мы также знаем, что с тем, чтобы сделать полный контур из железного и медного провода, мы должны сформировать второе соединение железа и меди, полярность напряжения этого второго соединения будет обязательно противоположной полярности первого.

Если мы обозначим первое соединение железа и меди как J1, а J2 второе, мы абсолютно уверенны в том, что напряжение, измеренное вольтметром в этой схеме, будет V_J1 − V_J2.

Все контуры термопары – независимо от того, простые они или сложные – демонстрируют эту фундаментальную особенность. Необходимо мысленно представить простой контур из двух разнородных металлических проводов и затем, выполняя «мысленный эксперимент», определить, как этот контур будет вести себя в местах соединения при одинаковой температуре и при различных температурах. Это — лучший способ для любого человека понять, как работают термопары.

Принцип действия термопар

Термопары самое известное средство измерения для многих сфер деятельности, таких как, промышленность, медицинские лаборатории, жилые дома и научные лаборатории. Применяются они для измерения температуры. Это связано с тем, что термопары имеют высоким диапазон измерения(от -270 до + 2500С), отличную точность, высокую надежность, низкую цену и свободную заменяемость. Для корректного применения нужно понимать ее принцип действия и структуру.

Принцип действия и структура термопар

Состоит термопара из двух проводников и трубки, которая служит защитой для термоэлектродов. Термоэлектроды состоят из неблагородных и благородных металлов, чаще всего из сплавов, закрепленные друг с другом на одном конце(рабочий конец или горячий спай), таким образом они образуют одну из частей устройства. Другие концы термопары (свободные концы или холодный спай) соединены с прибором измерения напряжения. Посередине двух несоединенными выводами возникает ЭДС, величина зависит от температуры рабочего конца.

Одинаковые термопреобразователи объединенные параллельно замыкают цепь, по правилу Зеебека, мы рассмотрим далее это правило, между ними образуется контактная разность потенциалов или термоэлектрический эффект, при соприкосновении на проводниках появляются электрические заряды, между их свободными концами возникает различие потенциалов, и он зависит от разности температур. Только тогда, когда температура между термоэлектродами одинакова, разница потенциалов приравнивается к нулю.

Например: Помещая спай с различными от нуля коэффициентами, в две кипящие кастрюли с жидкостью, температура первой 50, а второй 45, то разность потенциалов будет равна 5.

Разность потенциалов определяется разностью температур источников. Так же зависит материал из которого сделаны электроды термопары. Пример: У термопары Хромель-Алюмель температурный коэффициент равен 41, а у Хромель-Константан коэффициент равен 68.

Явление Зеебека

Состоит в следующем. Если в замкнутом контуре из двух разнородных проводников, а лучше полупроводников так, как эффект сильнее выражен для полупроводников, поддерживать места соединения этих проводников, обще принято называть, спаи, при разных температурах, то в такой цепи пойдет ток. Направление тока зависит от того какая из температур, какого спая выше. При одной разности в одном направлении, при другой разности в другом.

Это устройство, будучи разрезанным в одном из мест используется в качестве термопары, датчика температуры. В схеме 2, далее, будет показано спай 1, мы будем нагревать или охлаждать, а другой спай внутри гальванометра, который находится при комнатной температуре. В зависимости от того какая будет температура спая Т1 выше комнатной или ниже, стрелка гальванометра, будет отклоняться либо в одну, либо в другую сторону.

Если в цепи термопары обе проволоки из одного материала то ничего происходить не будет. Проверить это очень просто, возьмите две медные проволоки с изоляцией, меры безопасности никто не отменял, подсоедините их одними концами к гальванометру, а другими скрутите вместе (но лучше спаять), и начните нагревать, так же можно опустить в воду с кусочками льда. Если вы взяли одинаковые проволоки, то стрелка прибора останется на нуле. Но если вы возьмете разные проволоки и точно так же подсоедините их к прибору, а другие концы скрутите. И после этого будете нагревать или охлаждать, оголенные концы проводов, то вы сможете наблюдать, как и в какую сторону будет отклоняться стрелка гальванометра.

Методы подключения

Есть несколько методов включения преобразователя, но мы рассмотрим самые распространенные: простой и дифференциальный. Простой — измерительный прибор включается напрямую к двум термопарам. Дифференцированный — применяются проводники с разными соотношениями термо-ЭДС, соединённые в двух концах, а измерительный прибор подключается в разрыв одного из проводников.

Во время дистанционного включения, ставятся удлинительные либо компенсационные провода. Удлинительные провода создаются из тех же металлов, что и термоэлектроды, но с разными размерами. Компенсационные — изготовляются из благородных металлов, но их состав, отличается от состава термоэлектродов.

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

 

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.

принцип действия, схемы, таблица типов термопар и т.

д.

Термопары — это наиболее распространенное устройство для измерения температуры. Термопары генерируют напряжение при нагревании и возникающий ток позволяет проводить измерения температуры. Отличается своей простотой, невысокой стоимостью, но внушительной долговечностью. Благодаря своим преимуществам, термопара используется повсеместно.

Стандартная термопара

Рекомендуем обратить внимание и на другие приборы для измерения температуры.

Принцип работы термопары

Термопара представляет собой два провода, изготовленных из различных металлов. Эти два провода скреплены или сварены вместе и образуют спай. Когда на этот спай оказывают воздействие изменения температуры, то термопара реагирует на них генерируя напряжение, пропорциональное по величине изменениям температуры.

Если термопара подсоединена к электрической цепи, то величина генерируемого напряжения будет отображаться на шкале измерительного прибора. Затем показания прибора могут быть преобразованы в температурные показания с помощью таблицы. На некоторых приборах шкала откалибрована непосредственно в градусах.

Термопара в электрической цепи

Спай термопары

В конструкции большинства термопар предусмотрен только один спай. Однако, когда термопара подсоединяется к электрической цепи, то в точках ее подсоединения может образовываться еще один спай.

Цепь термопары

Цепь, показанная на рисунке, состоит из трех проводов, помеченных как А, В и С. Провода скручены между собой и помечены как D и Е. Спай представляет собой дополнительный спай, который образуется, когда термопара подсоединяется к цепи. Этот спай называется свободным (холодным) спаем термопары. Спай Е — это рабочий (горячий) спай. В цепи находится измерительный прибор, который измеряет разницу величин напряжения на двух спаях.

Два спая соединены таким образом, что их напряжение противодействует друг другу. Таким образом, на обоих спаях генерируется одна и та же величина напряжения и показания прибора будут равны нулю. Так как существует прямо пропорциональная зависимость между температурой и величиной напряжения, генерируемой спаем термопары, то два спая будут генерировать одни и те же величины напряжения, когда температура на них будет одинаковой.

Воздействие нагрева одного спая термопары

Когда спай термопары нагревается, величина напряжения повышается прямо пропорционально. Поток электронов от нагретого спая протекает через другой спай, через измерительный прибор и возвращается обратно на горячий спай. Прибор показывает разницу напряжения между двумя спаями. Разность напряжения между двумя спаями. Разность напряжения, показываемая прибором, преобразуется в температурные показания либо с помощью таблицы, либо прямо отображается на шкале, которая откалибрована в градусах.

Холодный спай термопары

Холодный спай часто представляет собой точку, где свободные концы проводов термопары подсоединяются к измерительному прибору.

В силу того, что измерительный прибор в цепи термопары в действительности измеряет разность напряжения между двумя спаями, то напряжение холодного спая должно поддерживаться на неизменном уровне, насколько это возможно. Поддерживая напряжение на холодном спае на неизменном уровне мы тем самым гарантируем, что отклонение в показаниях измерительного прибора свидетельствует о изменении температуры на рабочем спае.

Если температура вокруг холодного спая меняется, то величина напряжения на холодном спае также изменится. В результате изменится напряжение на холодном спае. И как следствие разница в напряжении на двух спаях тоже изменится, что в конечном итоге приведет к неточным показаниям температуры.

Для того, чтобы сохранить температуру на холодном спае на неизменном уровне во многих термопарах используются компенсирующие резисторы. Резистор находится в том же месте, что и холодный спай, так что температура воздействует на спай и резистор одновременно.

Цепь термопары с компенсирующим резистором

Рабочий спай термопары (горячий)

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

Рабочий спай и холодный спай

Типы термопары

Термопары конструируются с учетом диапазона измеряемых температур и могут изготавливаться из комбинаций различных металлов. Комбинация используемых металлов определяет диапазон температур, измеряемых термопарой. По этой причине была разработана маркировка с помощью букв для обозначения различных типов термопар. Каждому типу присвоено соответствующее буквенное обозначение, и это буквенное обозначение указывает на комбинацию используемых металлов в данной термопаре.

Типы термопар и диапазон их температур

Когда термопара подключается к электрической цепи, то она не будет работать нормально пока не будет соблюдена полярность при подключении. Плюсовые провода должны быть соединены вместе и подсоединены к плюсовому выводу цепи, а минусовые к минусовому. Если провода перепутать, то рабочий спай и холодный спай не будут в противофазе и показания температуры будут неточными. Одним из способов определения полярности проводов термопары -это определение по цвету изоляции на проводах. Помните, что минусовой провод во всех термопарах — красный.

Цвет изоляции проводов термопар

Во многих случаях приходится использовать провода для удлинения протяженности цепи термопары. Цвет изоляции соединительных проводов также несет в себе информацию. Цвет внешней изоляции соединительных проводов — разный, в зависимости от производителя, однако цвет первичной изоляции проводов обычно соответствует кодировке, указанной в таблице выше.

Неисправности термопары

Если термопара выдает неточные показания температуры, и было проверено, что нет ослабленных соединений, то причина может крыться либо в регистрирующем приборе, либо в самой термопаре, первым обычно проверяется регистрирующий прибор, так как приборы чаще выходят из строя, чем термопары.

Более того, если прибор показывает хоть какие-нибудь показания, пусть даже неточные, то, скорей всего, дело не в термопаре. Если термопара неисправна, то обычно она не выдает вообще никакого напряжения, и прибор не будет выдавать никаких показаний. Если показаний на приборе нет совсем, то вероятно дело в термопаре.

Если Вы подозреваете, что термопара вышла из строя, то проверьте ее сигнал на выходе с помощью прибора, который называется милливольтный потенциометр, который используется для измерения малых величин напряжения.

Потенциометр

Термопары. Виды и состав. Устройство и принцип действия

Преобразователь температуры в электрический ток называется термопарой. Такой термоэлемент используется в преобразовательных и измерительных устройствах, а также во многих системах автоматики. Если рассматривать термопары по международным стандартам, то это два проводника из разных материалов.

Устройство

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

Внешне такое устройство выглядит в виде двух тонких проволочек сваренных на одном конце между собой, образуя маленький шарик. Многие китайские мультиметры имеют в комплекте такие термопреобразователи, что дает возможность измерять температуру разных нагретых элементов устройств. Эти два проводника обычно помещены в стекловолоконную прозрачную трубку. С одной стороны находится аккуратный сварной шарик, а с другой специальные разъемы для подключения к измерительному прибору.

Промышленное оборудование имеет более сложную конструкцию, по сравнению с китайскими термопарами. Рабочий элемент термодатчика заключают в металлический корпус в виде зонда, внутри которого он изолирован керамическими изоляторами, способными выдержать высокую температуру и воздействие агрессивной среды. На производстве таким термодатчиком измеряют температуру в технологических процессах.

Термопары являются наиболее популярным старым термоэлементом, который применяется в различных приборах для измерения температуры. Он обладает высокой надежностью, низкой инертностью, универсален и имеет низкую стоимость. Диапазон измерения различными видами термопар очень широк, и находится в пределах -250 +2500°С. Конструктивные особенности термодатчика не позволяют обеспечить высокую точность измерений, и погрешность может составлять до 2 градусов.

В бытовых условиях термопары используются в паяльниках, газовых духовках и других бытовых устройствах.

Принцип действия

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

Напряжение, вырабатываемое термопарой, зависит от степени нагревания и вида применяемых металлов. Величина напряжения небольшая, и находится в интервале 1-70 микровольт на один градус.

При подключении такого температурного датчика к измерительному устройству, возникает дополнительный термоэлектрический переход. Поэтому образуется два перехода в разных режимах температуры. Входящий электрический сигнал на измерительном приборе будет зависеть от разности температур двух переходов.

Для измерения абсолютной температуры используют способ, называемый компенсацией холодного спая. Суть этого способа заключается в помещении второго перехода, не находящегося в зоне измерения, в среду образцовой температуры. Раньше для этого применяли обычный способ – размещали второй переход в тающий лед. Сегодня для этого используют вспомогательный температурный датчик, находящийся рядом со вторым переходом. По данным дополнительного термодатчика измерительное устройство корректирует итоги измерения. Это упрощает схему измерения, так как измерительный элемент и термопару совместно с дополнительным компенсатором можно соединить в одно устройство.

Разновидности

Температурные датчики на основе термопары разделяются по типу применяемых металлов.

Термопары из неблагородных металлов

Железо-константановые

• Достоинством стала низкая стоимость.
• Нельзя применять при температуре менее ноля градусов, так как на металлическом выводе влага создает коррозию.
• После термического старения показатели измерений возрастают.
• Наибольшая допустимая температура использования +500°С, при более высокой температуре выводы очень быстро окисляются и разрушаются.
• Железо-константановый вид является наиболее подходящим для вакуумной среды.

Хромель-константановые

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

Медно-константановые термопары

• Оба электрода отожжены для создания термоэлектрической однородности.
• Не восприимчивы к высокой влажности.
• Нецелесообразно применять при температурах, превышающих 400°С.
• Допускается применение в среде с недостатком или избытком кислорода.
• Допускается применение при температуре ниже 0°С.

Хромель-алюмелевые термопары

• Серная среда вредно влияет на оба электрода термодатчика.
• Нецелесообразно применять в среде вакуума, так как из электрода Ni-Cr может выделяться хром. Это явление называют миграцией. При этом термодатчик изменяет ЭДС и выдает температуру ниже истинной.
• Снижение показаний после термического старения.
• Применяется в насыщенной кислородом атмосфере или в нейтральной среде.
• В интервале 200-500°С появляется эффект гистерезиса. Это означает, что при охлаждении и нагревании показания отличаются. Разница может достигать 5°С.
• Широко применяются в разных сферах в интервале от -100 до +1000 градусов. Этот диапазон зависит от диаметра электродов.

Нихросил-нисиловые

• Наиболее высокая точность работы из всех термопар, изготовленных из неблагородных металлов.
• Повышенная стабильность функционирования при температурах 200-500°С. Гистерезис у таких термодатчиков значительно меньше, чем у хромель-алюмелевых датчиков.
• Допускается работа в течение короткого времени при температуре 1250°С.
• Рекомендуемая температура эксплуатации не превышает 1200°С, и зависит от диаметра электродов.
• Этот тип термопары разработан недавно, на основе хромель-алюмелевых термодатчиков, которые могут быстро загрязняться различными примесями при повышенных температурах. Если спаять два электрода с кремнием, то можно заранее искусственно загрязнить датчик. Это позволит уменьшить риск будущего загрязнения при работе.

Термодатчики из благородных металлов

Платинородий-платиновые

• Наибольшая рекомендуемая температура эксплуатации 1350°С.
• Допускается кратковременное использование при 1600°С.
• Нецелесообразно использовать при температуре менее 400°С, так как ЭДС будет нелинейной и незначительной.
• При температуре более 1000°С термопара склонна к загрязнению кремнием, содержащимся в керамических изоляторах. Поэтому рекомендуется применять керамические трубки из чистого оксида алюминия.
• Способны работать в окислительной внешней среде.
• Если температура работы более 900°С, то такие термодатчики загрязняются железом, медью, углеродом и водородом, поэтому их запрещается армировать стальными трубками, либо необходимо изолировать электроды керамикой с газонепроницаемыми свойствами.

Платинородий-платинородиевые

• Оптимальная наибольшая рабочая температура 1500°С.
• Нецелесообразно использование при температуре менее 600°С, где ЭДС нелинейная и незначительная.
• Допускается кратковременное использование при 1750°С.
• Может применяться в окислительной внешней среде.
• При температуре 1000 и более градусов термопара загрязняется кремнием, поэтому рекомендуется применять керамические трубки из чистого оксида алюминия.
• Загрязнение железом, медью и кремнием ниже, по сравнению с предыдущими видами.

Преимущества

1. Прочность и надежность конструкции.
2. Простой процесс изготовления.
3. Спай датчика можно заземлять или соединять с объектом измерения.
4. Широкий интервал эксплуатационных температур, что позволяет считать термоэлектрические датчики наиболее высокотемпературными из контактных видов.

Недостатки

• Материал электродов реагирует на химические вещества, и при плохой герметичности корпуса датчика, его работа зависит от атмосферы и агрессивных сред.
• Градуировочная характеристика изменяется из-за коррозии и появления термоэлектрической неоднородности.
• Требуется проверять температуру холодных спаев. В новых устройствах измерительных приборов на базе термодатчиков применяется измерение холодных спаев полупроводниковым сенсором или термистором.
• На большой длине удлинительных и термопарных проводников может появляться эффект «антенны» для имеющихся электромагнитных полей.
• ЭДС зависит от температуры по нелинейному графику, что затрудняет проектирование вторичных преобразователей сигнала.
• Если серьезные требования предъявляются к времени термической инерции термодатчика, и требуется заземлять спай, то необходимо изолировать преобразователь сигнала, чтобы не было утечки тока в землю.

Рекомендации по эксплуатации

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

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

Похожие темы:

Принцип действия и принцип работы термопары

В рамках данной статьи мы рассмотрим принцип действия, недостатки, преимущества и особенности термопары – температурного датчика, широко используемого в промышленности.

Принцип действия, преимущества и особенности термопары

В основе принципа работы термопары лежит явление, описанное Томасом Зеебеком в далеком 1822 году: при разности температур на измерительных контактах, расположенных на гомогенном материале, обладающем свободными зарядами, возникает разность потенциалов, или же напряжение.

Иными словами, вышеописанные условия приводят к возникновению термоэлектродвижущей силы (ТЭДС). Стоит отметить, что ТЭДС генерируется по всем длине термоэлектрода, а не в месте спая, что дает возможность понять соответствующие ограничения по точности, установленные самой природой процесса.

Как уже был сказано выше, ТЭДС возникает по всей длине электрода, а потому показания термопары определяются состоянием электродов в зоне с максимальным температурным градиентом. Исходя из этого, проверка термопар проводится при том же состоянии среды, как и на рабочем объекте.

Преимущества термопары

• Простота изготовления, прочность конструкции и надежность.
• Возможность использования в широком температурном диапазоне. Термопара является наиболее высокотемпературным из всех существующих контактных датчиков.
• Возможности приведения спая термопары в прямой контакт с объектом измерения и непосредственного заземления.

Недостатки термопары

• Термоэлектрическая неоднородность в проводниках, приводящая к изменению градуировочной характеристики. Вследствие термоэлектрической неоднородности возникают различные химические процессы (коррозия и т.д.), изменяющие состав сплава термопары.
• Контроль температуры холодных спаев. Как правило, все современные измерительные конструкции на основе термопар имеют полупроводниковый сенсор или встроенный тиристор для внесения корректировок в измененную ТЭДС в автоматическом режиме.
• Подверженность электродов воздействию агрессивных сред, в случае если корпус термопары недостаточно герметичен.
• Вероятность возникновения эффекта «антенны» при большой длине проводов термопары.
• Нелинейная зависимость ТЭДС от температуры, что усложняет разработку вторичных преобразователей сигнала.
• Необходимость обеспечения электрической изоляции преобразователя сигнала при повышенных требованиях к времени термической инерции термопары.

Термопары и их особенности

• Термопары из неблагородных металлов.
• Термопары из благородных металлов.

— Хромель-алюмель – тип «К». Является наиболее распространенной среди термопар. Позволяет измерять температуры и диапазоне от -200 °С до +1350°С, может использоваться в атмосфере с избытком кислорода, не может использоваться в атмосфере серы.

— Хромель-копаль – тип L. Температурный диапазон: -200 °С до +800 °С.

— Хромель-константан – тип Е (от -40 °С до +900 °С). Главные преимущества – термоэлектрически однородный материал электродов и высокая чувствительность.

— Медь-константан – тип Т (от -250°С до +300 °С). Влагостойкая термопара, которая может использоваться при недостатке или же избытке кислорода.

— Железо-константан – тип J (от -40 °С до +750 °С). Рекомендуется в разряженной атмосфере.

— Платинородий-платинородиевая – тип B (до +1500 °С). Может использоваться в окислительной среде.

— Платинородий-платиновая – тип S и тип R (до +1350 °С)

Работа термопары предопределяется ее типом и характеристиками. При выборе термопары обязательно учитывайте свои потребности и возможности конкретной модели.

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 преобразования тепловой энергии в электрическую.Эффект описывает электрическое напряжение, возникающее при соединении двух разных проводников, и то, как создаваемое напряжение изменяется в зависимости от температуры.

Базовая конструкция термопары состоит из двух разнородных металлических проводов, каждая из которых имеет разные электрические свойства при разных температурах. Два металла находятся в контакте — касаются друг друга, скручены или сварены — 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 требуется 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 электроотрицательностях. 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. выдерживает 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.

Принцип работы термопары — ваше руководство по электрике

Привет друзья,

В этой статье я собираюсь обсудить принцип работы термопары , ее типы и свойства.

Термопары — это датчики температуры, которые широко используются для измерения изменений температуры. Они определяют температуру, и после ее измерения температура дополнительно измеряется другими приборами.

Поскольку они преобразуют неэлектрическую величину (температуру) в напряжение (электрическую величину), они также являются преобразователями.Поскольку для работы им не требуется внешний источник питания, они являются активными преобразователями.

Принцип работы термопары основан на эффекте Зеебака. Этот эффект заключается в том, что когда замкнутая цепь образуется путем соединения двух разнородных металлов в двух соединениях, и соединения поддерживаются при разных температурах, в этой замкнутой цепи индуцируется электродвижущая сила (ЭДС).

Величина наведенной э.д.с. различна для разных сочетаний металлов и пропорциональна разности температур спаев.Это основной принцип работы термопары.

Типовая принципиальная схема термопары показана на рисунке. На рисунке два разнородных металла «A» и «B» соединены в двух местах соединения «P» и «Q». Здесь «P» -пай — это измерительный или горячий спай, а «Q» — это опорный спай или холодный спай. И прибор PMMC подключается по этой схеме, как показано на рисунке.

Когда эти спаи поддерживаются при разных температурах, обычно холодный спай поддерживается при 0 ^o C, а измерительный спай поддерживается при неизвестной температуре, которую мы хотим измерить (т.е. температура соединения повышается за счет его нагрева). Э.д.с. будет генерироваться в этой цепи из-за разницы температур спаев.

Данный э.м.ф. порядка милливольт. И э.д.с. можно измерить с помощью прибора PMMC, подключив его в схему, как показано на рисунке.

Когда оба спая имеют одинаковую температуру, э.д.с. генерируемые на обоих стыках будут одинаковыми. По цепи не будет протекать ток. И прогиба счетчика не будет.

Когда оба перехода имеют разную температуру, через счетчик будет протекать ток. И измеритель покажет отклонение. Поскольку сгенерированная э.д.с. пропорциональна разнице температур, величина протекающего тока также будет пропорциональна разнице температур. Таким образом, измеритель можно откалибровать непосредственно по температуре.

Эталон, или холодный спай, обычно подключается к измерительному прибору и поддерживается при 0 ^o C.Для точного измерения температуры температура холодного спая должна оставаться постоянной или должна обеспечиваться соответствующая компенсация в случае ее изменения. Для уменьшения погрешности, большинство термоэлементов теперь устанавливаются с помощью приборов, которые обеспечивают автоматическую эталонную компенсацию.

Таким образом, термопара используется для измерения температуры. Поскольку он преобразует неэлектрическую величину (температуру) в электрическую величину (ЭДС), он также может использоваться в качестве преобразователя. Поскольку для работы не требуется никакого источника питания, это вторичный преобразователь.

Они используются для измерения температуры до 1400 ^o C. Существуют различные комбинации металлов, которые используются в термопарах. Различные комбинации генерируют разные ЭДС.

Металлы для изготовления термопары следует выбирать так, чтобы можно было получить линейную зависимость между изменением температуры и генерируемой ЭДС.

Выбор металла также зависит от диапазона измеряемых температур и от характера атмосферы, в которой будет использоваться термопара.

Э.д.с. генерируемое в термопаре, определяется как:

E = a (∆θ) + b (∆θ) ²

∆θ = разница температур между двумя спаями (в ^o C)
a, b = константы

как правило, «a» очень велико по сравнению с «b», поэтому «b» можно не учитывать. Следовательно, приведенное выше выражение можно приблизительно представить следующим образом:

E = a (∆θ)

∆θ = E / a

Как правило, они не устанавливаются непосредственно в трубопроводы или оборудование.Обычно их устанавливают в защитных колодцах, чтобы их можно было легко заменить или снять без остановки установки.

С введением защитных колодцев срабатывание термопары значительно замедляется. Если быстрое срабатывание является основным требованием, следует использовать термопары в голой или тонкой оболочке.

Типы термопар

T — Термопара типа

Положительный провод — Cu
Отрицательный провод — Constantan

Может использоваться до 350 ^o C.Это очень стабильно и недорого. Обычно он используется для очень низких температур.

E — Термопара типа

Положительный провод — Chromel
Отрицательный провод — Constantan

Может использоваться до 850 ^o C. Это наиболее чувствительная термопара. Он генерирует высокое выходное напряжение.

J — Тип термопары

Положительный провод — железо
Отрицательный провод — Constantan

Его можно использовать при температурах до 1000 ^o C. Это очень распространенный тип термопар.Его стабильность высокая.

K — Тип термопары

Положительный провод — Chromel
Отрицательный провод — Alumel

Может использоваться до 1200 ^o C. Это широко используемый тип термопары. Это более дешевый тип по сравнению с другими типами.

S — Тип термопары

Положительный провод — платина 10% родий
Отрицательный провод — платина

Его можно использовать при температурах до 1400 ^o C. Он имеет очень высокую точность, поэтому используется для очень высоких требований к точности.

Ток будет течь от провода с маркировкой «+ ve» к проводу с маркировкой «ve». В термопарах отрицательный вывод обычно представляет собой красный провод . Цвет положительного вывода будет соответствовать его типу.

Преимущества:

• Они отслеживают изменения температуры с небольшой задержкой во времени. Таким образом, его можно использовать в приложениях, где происходят очень быстрые изменения температуры. Он очень быстро реагирует на эти изменения.
• Они очень удобны для измерения температуры в одной конкретной точке в любом приборе или установке.

Недостатки:

• У них очень низкая точность. Поэтому их нельзя использовать для измерения с очень высокой точностью.
• Они должны защищать от загрязнения, чтобы обеспечить долгий срок службы.
• Они размещены на очень большом расстоянии от измерительного прибора. Это увеличивает ошибки в результате.

Спасибо, что прочитали о «принципе работы термопары».

Приборы | Все сообщения

© www.yourelectricalguide.com/ принцип работы термопары.

Что такое термопара и как она работает? Принцип работы термопары

Термопара состоит как минимум из двух металлов, соединенных вместе, чтобы образовать два спая. Один связан с телом, температуру которого нужно измерить; это горячий или измерительный спай. Другой переход связан с телом известной температуры; это холодный или опорный спай. Поэтому термопара измеряет неизвестную температуру тела относительно известной температуры другого тела.

Принцип работы

Принцип работы термопары основан на трех эффектах, открытых Зеебеком, Пельтье и Томсоном. Они следующие:

1) Эффект Зеебека: Эффект Зеебека утверждает, что когда два разных или разных металла соединяются вместе в двух стыках, на этих двух стыках создается электродвижущая сила (ЭДС). Количество генерируемой ЭДС различается для разных комбинаций металлов.

2) Эффект Пельтье: В соответствии с эффектом Пельтье, когда два разнородных металла соединяются вместе, образуя два перехода, внутри цепи генерируется ЭДС из-за различных температур двух переходов цепи.

3) Эффект Томсона: Согласно эффекту Томсона, когда два разнородных металла соединяются вместе, образуя два перехода, в цепи существует потенциал из-за градиента температуры по всей длине проводников в цепи.

В большинстве случаев ЭДС, предполагаемая эффектом Томсона, очень мала, и ею можно пренебречь, правильно подобрав металлы. Эффект Пельтье играет важную роль в принципе работы термопары.

Диаграммы

Как это работает

Общая схема работы термопары показана на рисунке 1 выше. Он состоит из двух разнородных металлов, A и B. Они соединены вместе, образуя два перехода, p и q, которые поддерживаются при температурах T1 и T2 соответственно. Помните, что термопара не может образоваться, если не будет двух спаев. Поскольку два перехода поддерживаются при разных температурах, в цепи генерируется ЭДС Пельтье, которая является функцией температур двух переходов.

Если температура обоих переходов одинакова, на обоих переходах будет генерироваться равная и противоположная ЭДС, а общий ток, протекающий через переход, равен нулю. Если поддерживать разные температуры в переходах, ЭДС не станет равной нулю, и по цепи будет протекать чистый ток. Полная ЭДС, протекающая через этот контур, зависит от металлов, используемых в контуре, а также от температуры двух переходов. Полная ЭДС или ток, протекающий по цепи, можно легко измерить с помощью подходящего устройства.

Устройство для измерения тока или ЭДС включается в цепь термопары. Он измеряет количество ЭДС, протекающей через цепь из-за двух стыков двух разнородных металлов, поддерживаемых при разных температурах. На рисунке 2 показаны два спая термопары и устройство, используемое для измерения ЭДС (потенциометр).

Теперь температура эталонных спаев уже известна, а температура измерительного спая неизвестна.Выходной сигнал цепи термопары калибруется непосредственно по неизвестной температуре. Таким образом, выходное напряжение или ток, полученное от цепи термопары, напрямую дает значение неизвестной температуры.

Приборы для измерения ЭДС

Величина ЭДС, возникающая в цепи термопары, очень мала, обычно в милливольтах, поэтому для измерения ЭДС, генерируемой в цепи термопары, следует использовать высокочувствительные приборы. Обычно используются два устройства: обычный гальванометр и потенциометр для выравнивания напряжения.Из этих двух чаще всего используется балансирующий потенциометр вручную или автоматически.

На рис. 2 показан потенциометр, подключенный к цепи термопары. Переход p соединен с телом, температуру которого необходимо измерить. Спай q является эталонным спаем, температуру которого можно измерить термометром. В некоторых случаях эталонные спаи также можно поддерживать при температуре льда, подключив их к ледяной бане (см. Рисунок 3). Это устройство может быть откалибровано с точки зрения входной температуры, так что его шкала может давать значение непосредственно с точки зрения температуры.

Номер ссылки

Книга: Механические измерения Томаса Г. Беквита и Н. Льюиса Бака

Изображение предоставлено

1. Книга: Механические измерения Томаса Г. Беквита и Н. Льюиса Бака

2. https://www.tpub.com/content/doe/h2013v1/css/h2013v1_24.htm

Этот пост из серии: Что такое термопары? Как работают термопары?

Это серия статей, в которых описывается, что такое термопары, как работают термопары, материалы, используемые для термопар, а также различные формы и формы термопар.

1. Что такое термопара и как она работает?
2. Материалы, используемые для термопар и их формы

Принцип работы термопары

— Инструментальные средства

ТЕРМОПАРЫ

Термопара состоит из двух разнородных металлов, соединенных вместе на одном конце, которые создают напряжение (выраженное в милливольтах) при изменении температуры. Место соединения двух металлов, называемое чувствительным соединением, соединяется с удлинительными проводами.Любые два разнородных металла могут быть использованы для изготовления термопары.

P Принцип работы

• Когда два разнородных металла соединяются вместе, на стыке генерируется небольшое напряжение, называемое напряжением термоперехода . Это называется эффектом Пельтье .

• Если температура соединения изменяется, это вызывает изменение напряжения, что может быть измерено входными цепями электронного контроллера.Выходное напряжение — это напряжение, пропорциональное разнице температур между спаем и свободными концами. Это называется эффектом Томпсона .

• Оба этих эффекта можно комбинировать для измерения температуры. Удерживая один спай при известной температуре (эталонный спай) и измеряя напряжение, можно определить температуру чувствительного спая. Генерируемое напряжение прямо пропорционально разнице температур. Комбинированный эффект известен как эффект термопреобразования или эффект Зеебека .

На рисунке справа показана простая схема термопары.

Напряжение измеряется для определения температуры. На практике провода A и B подключаются к цифровому вольтметру (DVM), цифровому мультиметру (DMM), системе сбора цифровых данных или другому устройству измерения напряжения. Если измерительное устройство имеет очень высокий входной импеданс, напряжение, создаваемое термопаром, можно измерить точно.

Однако основная проблема с измерением температуры термопарами заключается в том, что провода A и B должны подключаться к выводам вольтметра, которые обычно сделаны из меди.Если ни провод A, ни провод B сами по себе не являются медными, подключение к DVM создает еще два термоперехода ! (Металлы термопар обычно не такие, как у проводов DVM.) Эти дополнительные термопары также создают напряжение термопары, которое может создать ошибку при попытке измерить напряжение с чувствительного перехода.

Как решить эту проблему?

Одним из простых решений является добавление четвертого термопреобразователя, называемого эталонным спаем , путем вставки дополнительной длины металлического провода А в схему, как показано ниже.Эталонный спай состоит из металлов A и B, как показано на рисунке.

Эта модифицированная схема анализируется следующим образом:

При таком расположении остаются еще два дополнительных спая термопары, где компенсированная термопара подключается к вольтметру (DVM). Два соединения с DVM теперь находятся между металлом A и медью. Эти два перехода расположены близко друг к другу, , и имеют одинаковую температуру , , , так что их напряжения термопреобразования идентичны и компенсируют друг друга.Между тем, новый эталонный спай помещается в место, где эталонная температура T _R известна точно, обычно в водно-ледяной бане с фиксированной температурой T _R = 0 ° C. Если чувствительный переход также имеет температуру 0 ° C (T _s = 0 ^o C), напряжение, генерируемое чувствительным переходом, будет равно и противоположно напряжению, генерируемому опорным переходом. Следовательно, V _o = 0, когда T _s = 0 ° C. Однако, если температура чувствительного перехода не равна T _R , V _o будет отличным от нуля.

Таким образом, V _o является уникальной функцией температуры датчика T _s и двух металлов, используемых для термопары . Таким образом, для известной эталонной температуры и известных материалов провода термопары для измерения температуры можно использовать выходное напряжение V _o . Это фундаментальная концепция использования термопар.

Материалы термопары

Термопары могут быть изготовлены из нескольких различных комбинаций материалов.Характеристики материала термопары обычно определяются при использовании этого материала с платиной. Наиболее важным фактором, который следует учитывать при выборе пары материалов, является «термоэлектрическая разница» между двумя материалами. Значительная разница между двумя материалами приведет к улучшению характеристик термопары.

На рисунке ниже показаны характеристики наиболее часто используемых материалов при использовании с платиной. Например: хромель-константан отлично подходит для температур до 2000 ° F; Никель / никель-молибден иногда заменяет хромель-алюмель; и вольфрам-рений используется для температур до 5000 ° F.Некоторые комбинации, используемые для специализированных приложений, включают хромель-белое золото, молибден-вольфрам, вольфрам-иридий и иридий / иридий-родий.

На рисунке ниже показаны характеристики материала термопары при использовании с платиной.

Характеристики типов термопар

Из бесконечного числа комбинаций термопар Американское приборостроительное общество (ISA) признает 12. Большинство этих типов термопар имеют однобуквенные обозначения; наиболее распространены J, K, T и E.Состав термопар соответствует международным стандартам, но цветовая кодировка проводов у них другая. Например, в США отрицательный вывод всегда красный, в то время как остальной мир использует красный цвет для обозначения положительного вывода. Часто стандартные типы термопар упоминаются по их торговым наименованиям. Например,

• A тип K термопара имеет цвет желтый и использует хромель — алюмель, , которые являются торговыми наименованиями сплавов проволоки Ni-Cr и Ni-Al.

• Термопара типа J имеет цвет черный и использует железо и константан в качестве составляющих металлов. (Константан представляет собой сплав никеля и меди.)

• Термопара типа T имеет цвет синий и использует медь и константан в качестве составляющих металлов.

• В термопаре типа S используется Pt / Rh-Pt

• В термопаре типа E используется Ni / Cr-Con

• A термопара типа N использует Ni / Cr / Si-Ni / Si

Каждая калибровка имеет свой диапазон температур и среду, хотя максимальная температура зависит от диаметра провода, используемого в термопаре.Различия в составе сплава и состоянии стыка между проволоками являются источниками погрешностей в измерениях температуры. Стандартная погрешность провода термопары варьируется от ± 0,8 ° C до ± 4,4 ° C, в зависимости от типа используемой термопары. Термопара типа K рекомендуется для большинства приложений общего назначения. Он предлагает широкий диапазон температур, низкую стандартную ошибку и хорошую коррозионную стойкость. Фактически, многие цифровые мультиметры (DMM) могут измерять температуру путем подключения термопары типа K со стандартными соединениями.

Напряжение, создаваемое термопарой, изменяется почти , но не точно, линейно с температурой. Следовательно, не существует простых уравнений, связывающих напряжение термопары с температурой. Напротив, напряжение представлено в таблице как функция температуры для различных стандартных термопар. Чтобы преобразовать показания в милливольтах в соответствующую температуру, вы должны обратиться к таблицам, подобным приведенной ниже. Эти таблицы можно получить у производителя термопар, и в них указана конкретная температура, соответствующая серии показаний в милливольтах. По соглашению, эталонная температура для таблиц термопар составляет 0ºC.

Выбор типа термопары

Поскольку термопары измеряют в широком диапазоне температур и могут быть относительно прочными, они очень часто используются в промышленности.

При выборе термопары используются следующие критерии:

1. Диапазон температур.
2. Химическая стойкость материала термопары или оболочки.
3. Устойчивость к истиранию и вибрации.
4. Требования к установке (может потребоваться совместимость с существующим оборудованием; существующие отверстия могут определять диаметр зонда).

Стандартные технические условия

Диаметры: Стандартные диаметры: 0,010 ″, 0,020 ″, 0,032 ″, 0,040 ″, 1/16 ″, 1/8 ″, 3/16 ″ и 1/4 ″ с двумя проводами.

Длина: Стандартные термопары имеют длину погружения 12 дюймов. Другая длина изготавливается на заказ.

Оболочки: Нержавеющая сталь 304 и инконель являются стандартными.

Изоляция: Оксид магния входит в стандартную комплектацию. Минимальное сопротивление изоляции провод к проводу или провод к оболочке составляет 1,5 МОм при 500 В постоянного тока для всех диаметров.

Калибровка: железо-константан (J), хромель — алюмель (K), медь-константан (T) и хромель-константан (E) являются стандартными калибровками.

Гибка: Легко сгибается и деформируется. Радиус изгиба должен быть не менее двойного диаметра оболочки.

Полярность: В производстве термопар стандартной практикой является окрашивание отрицательного вывода в красный цвет.

Соединения термопар:

Доступны зонды с термопарами в оболочке с одним из трех типов спая: заземленным, незаземленным или незащищенным.

Заземленное соединение — В этом типе провода термопары физически прикреплены к внутренней стороне стенки зонда. Это приводит к хорошей теплопередаче снаружи через стенку зонда к спайу термопары. Заземленный переход рекомендуется для измерения статических или текущих температур агрессивных газов и жидкостей, а также для приложений с высоким давлением.Спай заземленной термопары приварен к защитной оболочке, обеспечивая более быстрый отклик, чем спай незаземленного типа.

Незаземленный переход- В подземном зонде спай термопары отсоединен от стенки зонда. Время отклика уменьшается по сравнению с заземленным типом, но незаземленный обеспечивает электрическую изоляцию 1,5 M1 / ​​2 при 500 В постоянного тока для всех диаметров. Незаземленный спай рекомендуется для измерений в агрессивных средах, где желательно, чтобы термопара была электрически изолирована от оболочки и экранирована ею.Термопара из сварной проволоки физически изолирована от оболочки термопары порошком MgO (мягкий).

Открытый спай- В стиле открытого спая термопара выступает из конца оболочки и подвергается воздействию окружающей среды. Этот тип обеспечивает лучшее время отклика, но его использование ограничено некоррозийными и не находящимися под давлением приложениями. Соединение выходит за пределы защитной металлической оболочки, обеспечивая точный и быстрый отклик.Изоляция оболочки герметизирована там, где простирается переход, чтобы предотвратить проникновение влаги или газа, которое может вызвать ошибки.

Таким образом, открытый переход обеспечивает самое быстрое время отклика, за которым следует заземленный переход. Решения по измерению температуры могут повлиять на ожидаемые результаты процесса или нарушить их. Выбор правильного датчика для приложения может быть сложной задачей, но обработка этого измеренного сигнала также очень важна.

T Законы для гермопар

Первые несколько обозначений :

Пусть T ₁ будет температурой ванны 1, а T ₂ будет температурой ванны 2.

Пусть V _1-R определяется как напряжение, создаваемое термопарой при температуре T ₁ , когда используется надлежащий эталонный спай при температуре T _R (T _R = эталонная температура = 0 ^o C). ). V _1-R — напряжение, указанное в таблицах термопар при температуре T ₁ .

Пусть V _1-2 определяется как разница напряжений между V _1-R и V _2-R ,

V1-2 = V1-R — V2-R

Условные обозначения :

Ошибки отрицательного знака могут быть проблематичными при работе с этими уравнениями, если одно из них не согласовано.

По соглашению, таблицы термопар построены так, что на более высокая температура дает на более высокое напряжение термопары .

Другими словами, всегда предполагается, что два провода термопары (назовем их провод A и провод B) подключены к вольтметру таким образом, что напряжение составляет положительных , когда измеряемая температура на больше чем эталонная температура. Аналогично, напряжение отрицательное, , когда измеряемая температура на меньше, чем на эталонная температура.

Поскольку стандартная эталонная температура для таблиц термопар составляет 0ºC, положительные температуры в единицах ºC дают положительные термопереходные напряжения, а отрицательные температуры в единицах ^o C дают отрицательные термопереходные напряжения.

Обратите внимание, что если провода подключены к вольтметру стороной напротив , напряжения, конечно, будут иметь противоположный знак.

К термопарам применяются три закона или правила:

• Закон промежуточных металлов

«Третий (промежуточный) металлический провод может быть вставлен последовательно с одним из проводов без изменения показания напряжения (при условии, что два новых соединения имеют одинаковую температуру)».

Рассмотрим схему ниже, где прямоугольник вокруг термопары указывает на баню с постоянной температурой (например, кастрюлю с кипящей водой или баню с ледяной водой).

Закон промежуточных металлов гласит, что показание напряжения, V _1-2 , не изменится, если добавить третий (промежуточный) провод на одной линии с любым из проводов в цепи, как показано ниже:

На приведенной выше диаграмме предполагается, что оба новых перехода (между металлом B и металлом C) имеют одинаковую температуру, т.е.е. температура окружающей среды, T _a .

Легко видеть, что здесь должен соблюдаться закон промежуточных металлов, поскольку любое напряжение, генерируемое на одном из новых переходов, в точности компенсируется равным и противоположным напряжением, генерируемым на другом новом переходе.

Аналогичным образом, металл C можно вставить в любое другое место в цепи без какого-либо влияния на выходное напряжение, при условии, что два новых перехода имеют одинаковую температуру. Например, рассмотрим следующую модифицированную схему:

Опять же, если два новых перехода (на этот раз между металлами A и C) имеют одинаковую температуру, нет никакого общего влияния на выходное напряжение.

• Закон промежуточных температур

«Если одинаковые термопары измеряют разницу температур между T ₁ и T ₂ , и разницу температур между T ₂ и T 4 , тогда сумма соответствующих напряжений V _1-2 + V _2-3 должна равняться напряжению V _1-3 , генерируемому идентичной термопарой измерение разницы температур между T ₁ и T ₃ ”.

Математическая формулировка закона промежуточных температур:

V _1-3 = V _1-2 + V _2-3 для любых трех температур, T ₁ , T ₂ и T ₃ .

Рассмотрим схему ниже, где показаны шесть термоспаев, по два в каждой ванне с постоянной температурой. Примечание. Во избежание путаницы на схеме медные выводы цифрового вольтметра больше не показаны. Кроме того, для краткости буквы A и B обозначают металл A и металл B, два разных типа проводов для термопар.

Согласно принятой здесь системе обозначений,

V1-3 = V1-R — V3-R,

, которое можно записать как

V1-3 = (V1-R — V2-R) + (V2-R — V3-R)

Но поскольку (тоже по определению)

V1-2 = V1-R — V2-R и

V2-3 = V2-R — V3-R,

непосредственно следует, что

V1-3 = V1-2 + V2-3.

«Для данного набора из 3 проводов термопары, A, B и C, все измеряют одинаковую разность температур T ₁ — T ₂ , напряжение измеряется проводами A и C должно равняться сумме напряжения, измеренного проводами A и B, и напряжения, измеренного проводами B и C ”.

Рассмотрим установку ниже, где показаны шесть термоспаев, три в ванне с постоянной температурой T ₁ и три в ванне с постоянной температурой T ₂ . Как указано выше, буквы A, B и C обозначают различные типы проводов для термопар.

Математически закон аддитивных напряжений можно сформулировать как:

V1-2 (провода A и C) = V1-2 (провода A и B) + V1-2 (провода B и C)

Или, переставив по напряжению разности ,

V1-2 (провода A и B) = V1-2 (провода A и C) — V1-2 (провода B и C).

Термобатарея

Термобатарея определяется как несколько последовательно соединенных термопар. Например, термобатарея с тремя чувствительными элементами показана ниже:

По мере увеличения T ₂ выходное напряжение значительно увеличивается. Преимущество термобатареи (по сравнению с одним чувствительным переходом) является повышенная чувствительность .

Здесь выходное напряжение в три раза больше, чем вырабатывается только одной термопарой при идентичных условиях, как показано ниже:

При достаточном количестве чувствительных переходов термобатарея действительно может генерировать полезное напряжение.Например, термоэлектрических часто используются для управления запорными вентилями в печах .

Также читайте: Основы термопар и датчиков RTD

Основы термопар и RTD

Термопары

Что такое термопары?

Термопары — это датчики температуры. Они работают по принципу, согласно которому соединение двух разнородных металлов (образующих замкнутую цепь) создает измеримое напряжение (электродвижущую силу), когда два конца термопары имеют разные температуры (см. Рисунок 1).Поскольку термопары имеют простую конструкцию и превосходную надежность, они используются в качестве промышленных датчиков температуры в широком диапазоне областей. Более того, подключение измерительного прибора (самописцев, РСУ, ПЛК и т. Д.) К одному концу цепи позволяет измерять разность потенциалов (электромагнитную силу) (см. Рисунок 2).

Существует много типов термопар для измерения различных температур. Обычно используемые типы с превосходными характеристиками стандартизированы стандартами JIS, IEC и другими.Ниже приведены типичные типы термопар (обычно представленные символами) и их особенности (преимущества и недостатки).

Термопары Преимущества и недостатки

Термопара состоит как минимум из двух металлов, соединенных вместе, чтобы образовать два спая. Один связан с телом, температуру которого нужно измерить; это горячий или измерительный спай. Другой переход связан с телом известной температуры; это холодный или опорный спай.Поэтому термопара измеряет неизвестную температуру тела относительно известной температуры другого тела.

• Принцип работы

  Принцип работы термопары основан на трех эффектах, открытых Зеебеком, Пельтье и Томсоном. Они следующие:

  1) Эффект Зеебека: Эффект Зеебека утверждает, что когда два разных или разных металла соединяются вместе в двух стыках, на этих двух стыках создается электродвижущая сила (ЭДС).Количество генерируемой ЭДС различается для разных комбинаций металлов.

  2) Эффект Пельтье: В соответствии с эффектом Пельтье, когда два разнородных металла соединяются вместе, образуя два перехода, внутри цепи генерируется ЭДС из-за различных температур двух переходов цепи.

  3) Эффект Томсона: Согласно эффекту Томсона, когда два разнородных металла соединяются вместе, образуя два соединения, в цепи существует потенциал из-за градиента температуры по всей длине проводников в цепи.

  В большинстве случаев ЭДС, предполагаемая эффектом Томсона, очень мала, и ею можно пренебречь, правильно подобрав металлы. Эффект Пельтье играет важную роль в принципе работы термопары.

Термопара: принцип работы

Общая схема работы термопары показана на рисунке. Он состоит из двух разнородных металлов, A и B. Они соединены вместе, образуя два перехода, p и q, которые поддерживаются при температурах T ₁ и T ₂ соответственно.Помните, что термопара не может образоваться, если не будет двух спаев. Поскольку два перехода поддерживаются при разных температурах, в цепи генерируется ЭДС Пельтье, которая является функцией температур двух переходов.

Если температура обоих переходов одинакова, на обоих переходах будет генерироваться равная и противоположная ЭДС, а общий ток, протекающий через переход, равен нулю. Если поддерживать разные температуры в переходах, ЭДС не станет равной нулю, и по цепи будет протекать чистый ток.Полная ЭДС, протекающая через этот контур, зависит от металлов, используемых в контуре, а также от температуры двух переходов. Полная ЭДС или ток, протекающий по цепи, можно легко измерить с помощью подходящего устройства.

Устройство для измерения тока или ЭДС включается в цепь термопары. Он измеряет количество ЭДС, протекающей через цепь из-за двух стыков двух разнородных металлов, поддерживаемых при разных температурах.Показаны два спая термопары и устройства для измерения ЭДС (потенциометра).

Теперь температура эталонных спаев уже известна, а температура измерительного спая неизвестна. Выходной сигнал цепи термопары калибруется непосредственно по неизвестной температуре. Таким образом, выходное напряжение или ток, полученное от цепи термопары, напрямую дает значение неизвестной температуры.

Датчики температуры сопротивления

Что такое датчики температуры сопротивления?

Резистивные датчики температуры (RTD) — это датчики температуры.Они работают по принципу, согласно которому удельное сопротивление металла увеличивается пропорционально его температуре.

Платиновый RTD использует платину (Pt) в качестве резистивного термочувствительного элемента, который имеет хорошие температурные характеристики, является линейным и стабильным.

Среди различных типов датчиков температуры платиновые термометры сопротивления широко используются благодаря своей высокой точности. В частности, во всем мире пользуется популярностью Pt100 (значение сопротивления при 0 ° составляет 100 Ом). Никель и медь также используются для RTD.Термисторы используются в качестве резисторов.

Доступны три типа техники подключения : двухпроводная, трехпроводная и четырехпроводная.

Кроме того, измерительная схема на стороне измерительного прибора различается в зависимости от способа подключения. Рисунки, проиллюстрированные ниже, объясняют принципы трехпроводного метода, наиболее часто используемого в промышленных измерениях, и четырехпроводного метода, используемого для прецизионных измерений.

а) Принцип трехпроводной техники

Сопротивление проводов r1 и r2 идеально согласовано и, следовательно, компенсируется по мостовой схеме.Следовательно, поддержание низкого и равномерного сопротивления трех проводов позволяет выполнять измерения температуры с небольшими ошибками, даже если провода между Rt и измерительным прибором сделаны длиннее.

б) Принцип четырехпроводной техники

Постоянный ток проходит через r1 и r4, и напряжение измеряется на выводах RTD, что не зависит от сопротивления проводов при измерении. Таким образом, эта система позволяет точно измерять температуру.

Если резистивный датчик температуры четырехпроводной схемы подсоединен к измерительному прибору трехпроводной схемы, отключение одного из выводов датчика температуры при четырехпроводной схеме обеспечивает простую конфигурацию измерения температуры. В этом случае необходимо поддерживать низкое и равномерное сопротивление трех выводов так же, как и при трехпроводной технике. неиспользованный провод должен быть заделан (изолирован), чтобы избежать воздействия шума и других факторов.

Также читайте: Термопара: расчет температуры по милливольтам

Датчик термопары

: подробный обзор | Принцип работы термопары

Датчик термопары — один из многих типов датчиков температуры, используемых для измерения различных переменных в промышленных приложениях.Они часто используются для измерения и контроля температуры выхлопных газов газовых турбин, дизельных двигателей, высокотемпературных печей и т. Д. Термопары используются не только в промышленности, но и в некоторых бытовых и коммерческих приложениях. В термостатах датчики пламени и дыма, приборы, работающие на газе или жидком топливе, и т. Д. Объединены в пары с датчиками термопар для контроля повышения рабочей температуры. Поскольку датчики термопар имеют большое значение и являются широко используемыми типами датчиков температуры, важно знать об этом.В этом посте обсуждается, что такое термопары и как они работают.

Обзор термопар

Датчик термопары — это чувствительное к температуре устройство, состоящее из двух проводов из разнородного материала. Из-за разного состава эти провода обладают разной электропроводностью. Разница в электропроводности порождает дифференциальное электрическое соединение, между которым дополнительно создается зависящее от температуры напряжение. Эта активность называется термоэлектрическим эффектом.Это измеренное напряжение в дальнейшем используется для интерпретации температуры.

Датчики термопары доступны в различных моделях и сборках. Они производятся в виде зондов для термопар, термопар с переходным соединением, термопар с разъемами, термопар с неизолированным проводом и т. Д. Хотя термопары обеспечивают универсальность, функциональность или принцип работы остаются неизменными.

Обсудим принцип работы термопар.

Знать о принципе работы термопар

Термопара работает согласно эффекту Зеебека.

Эффект Зеебека можно описать как генерацию дифференциального напряжения из-за разницы в электропроводности двух разных материалов. Названный в честь французского ученого Томаса Йохана Зеебека, который подтвердил, что если два разнородных металла соединяются и нагреваются, разница в повышении температуры этих двух металлов приводит к возникновению электродвижущей силы (ЭДС). Та же самая концепция перевернута в применении термопары.

Когда электрический ток проходит через два сваренных разнородных металла, возникает разница напряжений, которая проецируется в обратном направлении для расчета разницы температур.Когда электрический ток проходит через переход, из-за ограничений проводимости и сопротивления металлов происходит повышение температуры. Оба материала нагреваются при разных температурах, и разница в проводимости дает два разных напряжения для двух разных металлов.

Хотя принцип работы датчиков термопары несложен, он все же зависит от нескольких различных факторов. Для точного измерения недостаточно измерения разности напряжений.

Одним из наиболее важных факторов для точного измерения температуры датчиком термопары является эталонная температура на стыке (Tref). Важно знать точное значение Tref, чтобы избежать поправочного коэффициента при вычислении напряжения и температуры. Есть два конкретных метода, используемых для определения и идентификации Tref. Ниже приведены методы, которые способствуют точности показаний датчика термопары.

• Ледяная баня Метод: В этом методе соединительный блок погружается в ванну с полузамороженной дистиллированной водой, чтобы заморозить температуру соединения.После погружения Tref устанавливается на 0 ° C для справки по расчетам.
• Метод компенсации холодного спая: В этом методе температура точки стыка будет изменяться, но она постоянно измеряется с помощью второго датчика температуры. Измеряется Tref в точке соединения, а затем точный Tref на момент считывания используется в качестве поправочного коэффициента.

Компенсация показаний температуры выполняется одним из этих двух методов для безошибочной работы датчиков термопар.

Хотя введение и принцип работы термопар убедительны, важно также обратить внимание на качество этого датчика. Качество сборки датчиков термопар обеспечивает точность считывания. Следовательно, необходимо покупать термопары у проверенных производителей или поставщиков, таких как The Transmitter Shop. Компания уже несколько лет поставляет промышленное технологическое оборудование, такое как термопары, преобразователи, датчики и т. Д. Можно найти продукцию премиум-качества от таких ведущих брендов, как Rosemount, Foxboro, Honeywell и т. Д.

Принцип работы

и его применение

Чтобы узнать о , что такое термопара , мы должны знать его определение . Термопару можно определить как устройство, состоящее, по крайней мере, из 2 соединенных металлов, которое образует 2 соединения. Один из переходов подключен к корпусу устройства, температуру которого необходимо измерить, а второй — к объекту, температура которого уже известна. Неизвестный температурный спай известен как измерительный или горячий спай, в то время как известный температурный спай известен как эталонный или холодный спай.

Таким образом, термопару можно рассматривать как устройство, способное измерять температуру неизвестного объекта со ссылкой на объект, температура которого известна. Одно из ключевых применений a термопары — это измерение разности напряжений или ЭДС в цепи.

Принцип работы термопары

Всего существует 3 эффекта, на которых основан принцип работы термопары. Все три эффекта — это эффект Томсона, Пельтье и Зеебека, которые подробно описаны ниже.

1. Эффект Томсона: Эффект Томсона имеет дело с двумя металлами или объектами, которые соединяются вместе, образуя 2 определенных соединения. В цепи существует потенциал, из-за которого градиент температуры сближается по всей длине проводников.
2. Эффект Пельтье: Эффект Пельтье имеет дело с двумя металлами или объектами, которые не похожи друг на друга и соединяются вместе, образуя 2 соединения. ЭДС генерируется между схемами из-за разницы температур между двумя переходами.
3. Эффект Зеебека: Эффект Зеебека имеет дело с двумя металлами или объектами, независимо от того, соединены ли они одинаковыми или разными. Затем между сформированными переходами генерируется ЭДС, которая определяет разницу температур объектов или металлов.

Работа термопары

Ниже приведены принципиальные схемы термопар.

Схема термопары

Здесь подробно обсуждается принцип термопары .Конструкция термопары уже показана на первом рисунке, которая состоит из двух разных металлов, названных A и B, которые соединяются вместе, образуя 2 конкретных соединения, названных p и q, имеющих температуры T1 и T2. Обе температуры поддерживаются хорошо. Формирование термопары невозможно без образования спая, и, как показано на рисунке, оба спая поддерживаются при разных температурах, поэтому формируется эффект Пельтье, и ЭДС генерируется через схему.

В случае, если температура обоих переходов одинакова, то на обеих сторонах переходов возникает одинаковая, но противоположная генерация ЭДС, и полный ток, протекающий через переходы, равен нулю. Однако, если в соединениях должны поддерживаться разные температуры, тогда сумма ЭДС не будет равна нулю, и через переходы будет протекать некоторый ток. Следует помнить, что полный ток, протекающий через цепь, полностью зависит от типов металлов, используемых в цепи, а также от образующихся переходов.

Устройства для измерения ЭДС цепи термопары

Для измерения ЭДС цепи термопары может быть много устройств. Степень развития ЭДС в схеме термопары зависит от металлов, однако в большинстве случаев величина ЭДС очень мала, обычно в милливольтах. Поэтому очень важна чувствительность прибора, измеряющего ЭДС. Всего существует 2 устройства, которые в основном используются для измерения ЭДС, известные как потенциометр балансировки напряжения и гальванометр.

Схема термопары

На схеме термопары ниже показаны устройства для измерения ЭДС в цепи термопары. Здесь p-переход должен быть соединен с металлом, температура которого неизвестна, а q-переход должен быть соединен с металлом, температура которого известна, или эталонным металлом. В некоторых случаях эталонный спай должен быть подключен к ледяному стержню, чтобы поддерживать его температуру, как у льда, как показано на рисунке ниже.Устройство для измерения ЭДС может быть легко откалибровано в соответствии с входной температурой, так что калибровка устройства может быть выполнена мгновенно.

Уравнения цепи термопары

Как уже подробно объяснялось, термопара — это устройство, состоящее из двух разных металлов или элементов, которые соединены вместе для образования соединения, также известного как измерительный конец. Металлы известны как термоэлементы. Эти металлы также иногда называют ножками термопар.Оба конца соединений отличаются друг от друга названиями отрицательных и положительных концов. Всего имеется две температуры T1 и T2, о которых говорилось ранее. Это может быть показано на рисунке ниже для измерения выхода термопары .

Измерение выхода термопары

Поскольку существует разница температур как между хвостовой частью, так и спаями термопары, поэтому разница напряжений должна быть измерена между двумя термоэлементами термопары на конце хвостовой части.Это делает термопару преобразователем напряжения температуры. Отношение разности напряжений между хвостовиком и спаем термопары определяется следующим уравнением.

Уравнение термопары

Здесь ЭДС известна как электродвижущая сила или также известна как напряжение, которое создается термопарой на хвосте, в то время как T1 и T2 — это температуры, которые снимаются с измерительного конца и эталонного конца, в то время как S12 известен как коэффициент зеебека обоих металлов термопары.