Термопара за что отвечает
Термопара
Термопа́ра (термоэлектрический преобразователь температуры) — термоэлемент, применяемый в измерительных и преобразовательных устройствах, а также в системах автоматизации.
Международный стандарт на термопары МЭК 60584 (п.2.2) дает следующее определение термопары: Термопара — пара проводников из различных материалов, соединенных на одном конце и формирующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.
Для измерения разности температур зон, ни в одной из которых не находится вторичный преобразователь (измеритель термо-ЭДС), удобно использовать дифференциальную термопару: две одинаковых термопары, соединенных навстречу друг другу. 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.
Содержание
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 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.
Способы подключения
Наиболее распространены два способа подключения термопары к измерительным преобразователям: простой и дифференциальный. В первом случае измерительный преобразователь подключается напрямую к двум термоэлектродам. Во втором случае используютcя 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 [1] :
— Миниатюрную термопару из очень тонкой проволоки следует подключать только с использованием удлинительных проводов большего диаметра;
— Не допускать по возможности механических натяжений и вибраций термопарной проволоки;
— При использовании длинных удлинительных проводов, во избежании наводок, следует соединить экран провода с экраном вольтметра и тщательно перекручивать провода;
— По возможности избегать резких температурных градиентов по длине термопары;
— Материал защитного чехла не должен загрязнять электроды термопары во всем рабочем диапазоне температур и должен обеспечить надежную защиту термопарной проволоки при работе во вредных условиях;
— Использовать удлинительные провода в их рабочем диапазоне и при минимальных градиентах температур;
— Для дополнительного контроля и диагностики измерений температуры применяют специальные термопары с четырьмя термоэлектродами, которые позволяют проводить дополнительные измерения сопротивления цепи для контроля целостности и надежности термопар.
Применение термопар
Для измерения температуры различных типов объектов и сред, а 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 —30 х годах термопары использовались для питания детекторных приемников 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
Недостатки
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.
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 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.
Датчик-термопара
Что такое термопара
Термопара – это температурный датчик, использующийся в промышленности, технике, где требуется обеспечить высокую точность измеряемых показателей температуры или же когда замер выполняется в условиях агрессивной среды. В быту применяются в отопительных котлах, холодильниках, автомобилях (в системе охлаждения ДВС). Термопары сейчас устанавливаются в том числе в каждый смартфон, ноутбук и компьютер для контроля нагрева процессоров, микроконтроллеров, аккумуляторной батареи.
Устройство термопары, принцип работы
Принцип работы термопары основан на таком физическом явлении, как электродвижущая сила (ЭДС, открыта Томасом Зеебеком в 1821 году). Суть явления: в замкнутой цепи между двумя проводниками (электродами) разного типа (например, медью и железом) возникает ток. Единственное требование – это наличие разницы температур в местах контактов (спаев). И чем выше эта разница, тем выше напряжение генерируемого в цепи тока.
Место спайки, где выполняется замер температуры (конец термопары), принято называть «измерительным» спаем (иногда называют «горячим»). Место, где задается первоначальный уровень температуры, называют «эталонным» спаем (или «холодным»). К его же выводам (свободные концы термопары) подключают измерительный прибор, регистрирующий изменение значения ЭДС (мультиметр, автоматический контроллер).
Измеряемая же температура рассчитывается на основании двух значений:
Значение КХС – это условный коэффициент изменения ЭДС, рассчитываемый при температуре холодного спая в 0 градусов по Цельсию. Его определяют лабораторным методом, то есть подключая термопару к измерительному прибору и постепенно меняя значения горячего спая.
Типы и виды термопар
Термопары, в зависимости от используемых сплавов проводников, разделяют на:
В теории сделать термопару можно из любых двух проводников. Но вышеуказанные комбинации дают самые точные значения, а некоторые (ТХА, ТПП, ТПР, ТВР) – внесены в ГОСТ для использования в промышленных масштабах.
Различаются термопары и по типу конфигурации проводников. Бывают одноэлементные, двухэлементные, с заземлением на корпус и незаземленные. Точная конфигурация подбирается в зависимости от назначения.
Также существуют многоточечные термопары. Они используются, когда необходимо измерить разницу температур в нескольких измеряемых точках. Допустимое количество точек замера – 60. Чаще многоточечные термопары применяются в нефтепромышленности.
Дополнительно их различают по типу используемой колбы (где и располагаются проводники). Например, для измерения в условиях свыше 1000 градусов требуется использовать керамический «наконечник». А в химических реактивах, которые разъедают материал проводников, используется колба из устойчивого к кислотам или щелочам материала.
Ещё используется классифицирование по инерционности, то есть по скорости получения итогового значения ЭДС. Как правило, общий диапазон – от 40 секунд до 3,5 минут. Существуют датчики и с ненормированной инерционностью. Именно они преимущественно используются в быту, хоть и погрешность в их замерах высокая (для того же холодильника это не критично, так как отклонение результата не превышает 1,5%).
Подключение термопары
Проводники термопары к измерительному прибору (который регистрирует ЭДС) подключаются через компенсационные провода. Как правило, изготавливают их из тех же материалов, что и сами проводники термопары. Их главное назначение – минимально изменять значение ЭДС, обеспечивая тем самым минимальную погрешность измерения. По этой причине термодатчики производителями могут поставляться сразу с компенсационными проводами. Вместо них ещё могут применяться термисторы, которые вырабатывают ток компенсации для холодного спая. В плане конструкции такие датчики проще, но погрешность у них на порядок больше.
Ещё один вариант подключения – «на разрыв». Это когда в качестве компенсационных проводов используются проводники из того же материала, что и клеммы измерительного прибора. Но не для всех типов термопар это подходит, так как медь (которая используется в клеммах измерительных приборов) допускается паять не ко всем сплавам. И в таких датчиках место холодного спая – это концы проводников термопары. Если между холодным и горячим спаями расстояние малое, то и погрешность при измерении высоких температур получится большой.
Где используются?
Сейчас они являются самым распространенным вариантом температурных датчиков. Используются как в бытовых приборах, так и в промышленности (в том числе в металлургии, где измеряются температуры жидких металлов). Можно упомянуть следующие варианты применения термопар:
Как выбрать?
Первое, на чем следует акцентировать внимание: показания термодатчика зависят от типа используемого измерительного прибора. Поэтому, покупая термопару, нелишним будет поинтересоваться у производителя, с какими измерителями она совместима. Именно по этой причине в автомобиль можно ставить только определенные датчики: блок управления «не умеет» работать с другими (имеется в виду, с иными типами используемых проводников).
Основной критерий – это диапазон измеряемых температур. От этого значения зависит выбор сплава проводников, их конфигурация. В дополнение к этому у продавца следует уточнить наличие сертификата и паспорта датчика (при производстве их обязательно проверяют на соответствие характеристикам, сведения о проверке и дате ее выполнения указываются в паспорте).
Преимущества и недостатки
Ключевыми преимуществами термопар можно назвать следующие:
Из недостатков стоит упомянуть:
Итого, термопара – один из самых простых, точных и дешевых термодатчиков, принцип работы которого заключен в измерении значения электродвижущей силы (указывается в Вольтах, но не следует путать с напряжением).
Что такое термопара: об устройстве простыми словами
Термопара – это приспособление или устройство измерения температуры в промышленности, лабораторных условиях и других. Они также используются в медицинской промышленности, научных экспериментах, а также в некоторых бытовых приборах. Таким образом, можно сказать что сфера использования термопары очень обширна. Термопара может измерять температуру в самых различных сферах – воздух, жидкости, смазочные материалы и другие.
Подробнее об устройстве термопары, из чего она состоит и как работает будет рассказано в данной статье. В качестве дополнительной информации, статья содержит в себе несколько видеороликов и схем устройства.
Что такое термопара
Термопары существуют благодаря такому явлению, как контактная разность потенциалов. Если два разных твердых проводника или полупроводника привести в плотный контакт друг с другом, то в окрестности места их соприкосновения образуются разделенные электрические заряды. При этом на внешних концах данных проводников возникнет разность потенциалов. Эта разность потенциалов окажется равна разности работ выхода для каждого металла, поделенной на заряд электрона.
Понятно, что если сомкнуть такую пару в кольцо, то результирующая ЭДС будет равна нулю, а если с одной стороны ее все же оставить разомкнутой, то будет иметь место реальная ЭДС, величиной от десятых долей вольта до единиц вольт, в зависимости от того, что это за материалы.
Суть в том, что при соприкосновении, к примеру, двух металлов, система выходит из равновесия потому что химические потенциалы этих двух металлов не равны друг другу, в результате происходит диффузия электронов в сторону уменьшения их энергии, что в свою очередь приводит к изменению заряда и электрического потенциала приведенных в контакт металлов. Так в приконтактной области начинается рост электрического поля, и как следствие мы имеем то, что имеем.
Если теперь снова рассмотреть два этих проводника из разных металлов, только замкнутых в кольцо, когда суммарная ЭДС по замкнутому контуру станет равна нулю, то здесь получится два контактных места. Назовем эти места спаями. Итак, есть два спая двух разных проводников. Что если попробовать подогреть один из спаев, а второй оставить при комнатной температуре? Очевидно, что поскольку соединенные металлы разные, и в каждом спае присутствует контактная разность потенциалов, то спаи будут испытывать разное отклонение ЭДС, находясь при разных температурах.
Эксперимент доказывает, что разность потенциалов между спаями будет пропорциональна разности их температур, так что можно ввести коэффициент пропорциональности, который называют термо-ЭДС. Для различных термопар термо-ЭДС будет разной. Если в разрезе такого кольца измерить напряжение, то в определенном интервале температур оно окажется почти строго пропорционально разности температур спаев. И даже если оставить только один спай (как на рисунке), и лишь его подогревать, а напряжение измерять между двумя концами, находящимися при одной и той же комнатной температуре, то все равно можно обнаружить очень четкую зависимость ЭДС от текущей температуры спая.
Что такое термопара и как она работает?
Какая связь между электричеством и теплом?
Между тем, как металл проводит тепло, и тем, как он проводит электричество, существует прямая связь.
Томас Зеебек и термоэлектрический эффект
Предположим, вы воткнете железный пруток в огонь. Вы поймете, что нужно отпустить его довольно быстро, потому что тепло будет подниматься по металлу от огня к вашим пальцам. Но знаете ли вы, что электричество тоже идет по нагретому прутку? Первым, кто правильно подхватил эту идею, был немецкий физик Томас Зеебек (1770–1831), который обнаружил, что если два конца металла будут иметь разную температуру, через них будет протекать электрический ток. Это один из способов обозначить то, что сейчас известно как эффект Зеебека или термоэлектрический эффект. По мере дальнейшего исследования Зеебек обнаружил, что все еще интереснее. Если он соединял два конца металла вместе, ток не протекал; аналогично, если два конца металла имели одинаковую температуру, ток не протекал.
Основная идея термопары: два разнородных металла (серые кривые) соединены на двух концах. Если один конец термопары поместить на что-то горячее (горячий спай), а другой конец на что-то холодное (холодный спай), возникает напряжение (разность потенциалов). Вы можете измерить его, поместив вольтметр (V) через два соединения.
Зеебек повторил эксперимент с другими металлами, а затем попытался использовать вместе два разных металла. Теперь, если способ протекания электричества или тепла через металл зависит от внутренней структуры материала, вы, вероятно, можете увидеть, что два разных металла будут производить разное количество электричества, когда они нагреваются до одной температуры. Так что, если вы возьмете полосу одинаковой длины из двух разных металлов и соедините их вместе двумя концами, чтобы получилась петля. Затем окуните один конец (одно из двух стыков) во что-нибудь горячее (например, стакан с кипящей водой), а другой конец (другой стык) во что-то холодное. Тогда вы обнаружите, что электрический ток течет через петлю (которая фактически представляет собой электрическую цепь), и величина этого тока напрямую связана с разницей в температуре между двумя переходами.
Ключевой момент, который следует помнить об эффекте Зеебека, заключается в том, что величина создаваемого напряжения или тока зависит только от типа металла (или металлов), а также от разницы температур. Для создания эффекта Зеебека не нужно соединение между разными металлами: только разница температур. Однако на практике в термопарах используются металлические переходы.
Почему возникает эффект Зеебека?
Измерение температуры с помощью термопары
Просто поместите один из металлических концов в ванну со льдом (или что-нибудь еще с точно известной температурой). Поместите другой металлический стык на предмет, температуру которого вы хотите узнать. Теперь измерьте происходящее изменение напряжения и, используя формулу, которую вы вычислили ранее, вы можете точно рассчитать температуру вашего объекта. Гениально! У нас есть пара металлов, которые соединены для измерения тепла (что по-гречески называлось «термос»). Вот почему это называется термопарой.
Что такое термопары на практике?
Для чего используются термопары?
Термопары широко используются в науке и промышленности, потому что они, как правило, очень точны и могут работать в огромном диапазоне действительно высоких и низких температур. Поскольку они генерируют электрические токи, они также полезны для автоматизированных измерений: гораздо проще получить электронную схему или компьютер для измерения температуры термопары через определенные промежутки времени, чем делать это самостоятельно с помощью термометра. Поскольку в них нет ничего особенного, кроме пары металлических полос, термопары также относительно недороги и (при условии, что используемые металлы имеют достаточно высокую температуру плавления) достаточно долговечны, чтобы работать в довольно суровых условиях.
Для нагревательных систем термопары являются незаменимым инструментом, который позволяет измерять показатели температуры системы, нагревательных элементов, обрабатываемых материалов. К примеру, на экструзионных линиях термопары устанавливаются на каждый кольцевой нагреватель, греющий цилиндр экструдера, в каждую зону нагрева для измерения температуры расплава, в фильеру для определения температуры на выходе.
Термопара. Принцип работы
Полное название устройства – термоэлектрический преобразователь. Упрощенно его называют термопарой. Прибор используется для температурных замеров в тех или иных отраслях промышленности и производства, медицины, автоматизированных системах.
Для чего нужны термопары
Назначением всех термопар является измерение температур. Во внимание принимаются такие параметры измеряемого объекта, как его объем и давление внутри, электросопротивление, показатели термоэлектродвижущих сил, интенсивность излучений и пр.
Исходя из того, в каком диапазоне необходимо проводить замеры температуры, прибегают к двум разновидностям замеров:
Что касается второго вида измерения, к нему прибегают при необходимости замерить очень горячие среды, либо если нет возможности получить прямой доступ к объекту. Измерения посредством термопар проводятся методом прямого контакта.
Плюсы данного способа именно по отношению к термопарам заключаются в:
Принцип функционирования термопары
Любая термопара состоит из двух проводов, которые спаяны между собой и при этом произведены из различающихся по своим физическим параметрам металлов. Провода скрепляются посредством так называемого спая. При воздействии на спай измененных температур термопара начинает реагировать на это и генерировать электрическое напряжение, которое всегда находится в прямо пропорциональной зависимости от величины колебания температуры.
При присоединении термопары к электроцепи величина сгенерированного напряжения отображается на специальной шкале прибора. Затем эти показания преобразуются в температурные – либо непосредственно внутри самого прибора, либо согласно откалиброванной выносной шкале.
Спаи на термопарах и требования к ним
Как правило, конструкция термопары подразумевает наличие лишь одного спая. Иногда предусматривается и еще один – если термопару необходимо подсоединить к электроцепи (непосредственно в точках присоединения).
На схеме цепь включает в себя три проводка – A, B, C. Скрученные провода имеют обозначения D и E. Спай же представлен в виде дополнительного, образующегося при соединении термопары к электроцепи. В приведенном случае спай носит название холодного (свободного), а спай, обозначенный литерой Е – горячего (рабочего).
Поскольку имеет место прямо пропорциональная зависимость между температурными показателями и напряжением, которое генерирует термопара, оба спая генерируют одну и ту же величину напряжения – если температурные показатели на них будут одинаковыми.
Если же спай на термопаре подвергнуть нагреву, то значение напряжения начинает возрастать в прямой соразмерной зависимости. Соответственно, поток отрицательно заряженных частиц от разогретого спая перетекает сквозь второй спай, проходит сквозь измерительное устройство и переходит назад на горячий спай. Соответственно, прибором начинает фиксироваться и демонстрироваться разница напряжений на этих спаях. Эту разницу может преобразовать как оператор через специальные таблицы в соответствующие температурные значения, так и сам прибор – смотря какой модели термопарный измеритель был задействован.
Требования к материалам для изготовления термопар и спаев для них являются строгими, поскольку эксплуатация данных приборов предполагается в жестких средах:
Холодные спаи для термопар
Холодные спаи – точки, в которые свободные концы провода термопары присоединяются к прибору для измерения. Так как прибор проводит замеры разности напряжений на спаях, то и напряжение на холодном спае должно быть поддержано на постоянном уровне. Таким образом, гарантирована максимальная точность замеров в разных эксплуатационных условиях.
Горячие (рабочие) спаи в термопарах
Имеется также так называемый рабочий (он же горячий) спай, подвергаемый влиянию технологического процесса. Его температура будет изменяться. Так как напряжение, которое генерирует термопара, прямо пропорционально ее температурным показателям, то во время нагрева горячего спая будет сгенерировано больше напряжения и, наоборот – во время охлаждения меньше.
Разновидности термопар
Производители предлагают потребителям разные виды термопар, которые различаются по диапазонам замеряемых температур, их колебаниям. Изготавливают термопары из самых разных металлов и их вариаций. От того, в какой комбинации были использованы те или иные металлы, будет зависеть и измеряемый температурный диапазон.
Соответственно, производителями была введена специальная маркировка, которая обозначает типы термопар:
Когда термопару подключают к электроцепи, она не будет функционировать в нормальном режиме до тех пор, пока не будут соблюдены правила полярностей.
Так, провода положительного полюса нужно соединить вместе и подсоединить к плюсовым выводам в электроцепи, а минусовые – к минусовым. Если не соблюсти данное правило, то горячий спай и холодный не окажутся в необходимой противофазе, следовательно, температурные показания окажутся неточными.
В термопарах могут использоваться удлинительные провода. Цвет на внешней изоляции проводов соединительного типа может быть произвольным – в зависимости от того или иного изготовителя устройства, но первичная изоляция должна соответствовать кодам из таблицы:
Возможные неисправности в термопарах
Несмотря на то, что термопары относятся к достаточно надежным устройствам, и они могут выходить из строя и выдавать погрешности в замерах. Прежде всего, в этом случае нужно проверить устройство на предмет наличия ослабленного соединения. Если все плотно соединено, то, возможно, проблема кроется в приборе регистрации, либо непосредственно в термопаре.
Примечательно, что в случае неправильных показаний причина почти всегда в приборе регистрации. Ведь, если неисправна сама термопара, то прибор не будет демонстрировать вообще никаких показаний.
Если есть подозрения на выход из строя термопары, то нужно для начала проверить ее сигналы на выходе при помощи потенциометра.
Возможные погрешности в замерах при помощи термопар
Если термопара начала выдавать погрешности при измерениях, которые находятся далеко за пределами допустимых, то следует выявить их причину.
Точность замеров может пострадать из-за влияния сопротивления изоляционных материалов на термоэлектродах. При воздействии на них высоких температур сопротивление может снизиться, что, соответственно, отразится и на точности результатов замеров.
Еще одна причина появления погрешности при замерах – изменения температурных показателей на свободных концах термопары. Во время проведения замеров температура может колебаться и отличаться от температурных показателей на свободных концах устройства во время его градуирования.
Погрешности возможны и в силу того, что термопарные электроды обладают различными значениями в плане термо ЭДС по своей длине. Этот эффект хорошо изучен и даже получил название «термоэлектрическая неоднородность термоэлектродных сплавов». Причина его возникновения – неоднородные физические свойства металла или металлического сплава, из которых изготовлены элементы термопары. В разных участках элементов могут наблюдаться разные параметры плотности металлов и сплавов, неоднородность структуры. Соответственно, производители стараются изготавливать термопары с максимально однородными характеристиками металлов.
Для повышения точности проводимых замеров желательно исключать внешние воздействия – электромагнитные и радиационные поля, химические посторонние реакции и т.д
Если прибор был проградуирован с нарушениями процедуры, то это также будет служить причиной проявления погрешностей.