Термопара

Содержание показать

Термопара (Thermocouple) – это два проводника из разных металлов, спаянные в одной точке. Эта точка измерения температуры называется – рабочий спай. Свободные концы называются холодным спаем. Если рабочий спай нагреть относительно холодного спая, то между свободными концами возникает напряжение (термо-ЭДС), пропорциональное разности температур.

Так как с помощью термопары всегда измеряется разность температур, то, чтобы определить температуру точки измерения, свободные концы у холодного спая должны содержаться при известной неизменной температуре.

Принцип работы термопары

Принцип действия термопар основан на термоэлектрическом эффекте,заключающемся в том, что в замкнутом контуре, состоящем из двух разнородныхпроводников (или полупроводников), течет ток, если места спаев проводниковимеют различные температуры. Если взять замкнутый контур, состоящий изразнородных проводников (термоэлектродов), то на их спаях возникнут термо-ЭДС E(t) и E(t0), зависящие от температур этих спаев t и t0. Так какэти термо-ЭДС оказываются включенными встречно, то результирующая термо-ЭДС,действующая в контуре, равна E(t) – E(t0).

При равенстве температур обоих спаев результирующая термо-ЭДС равнанулю. Спай, погружаемый в контролируемую среду, называется рабочим концомтермопары, а второй спай – свободным. У любой пары однородных проводников значение результирующей термо-ЭДС зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температуры вдоль проводников.

Термоэлектрический контур можно разомкнуть в любом месте и включить в него один или несколько разнородных проводников. Если все появившиеся при этом места соединений находятся при одинаковой температуре, то результирующая термо-ЭДС, действующая в контуре, не изменяется. Это используется для измерения термо-ЭДС термопары. Создаваемая термопарами ЭДС сравнительно невелика: она не превышает 8 мВ на каждые 100 0С и обычно не превышает по абсолютной величине 70 мВ. Термопары позволяют измерять температуру в диапазоне от –200 до 22000С. Для измерения температур до 1100 0С используют в основном термопары из неблагородных металлов, для измерения температур от 1100 до 1600 0С – термопары из благородных металлов и сплавов платиновой группы, а для измерения более высоких температур – термопары из жаростойких сплавов (на основе вольфрама).

Наибольшее распространение для изготовления термоэлектрических преобразователей получили платина, платинородий, хромель, алюмель. При измерениях температуры в широком диапазоне учитывается нелинейность функции преобразования термоэлектрического преобразователя.

Постоянная времени термоэлектрических преобразователей зависит от их конструкции и качества теплового контакта рабочего спая термопары со средой и для промышленных термопар исчисляется в минутах. Однако известны конструкции малоинерционных термопар, у которых постоянная времени лежит впределах 5 – 20 секунд и ниже.

Электроизмерительный прибор (милливольтметр) или измерительный усилитель термо-ЭДС могут подключаться к контуру термопары двумя способами: в свободный конец термопары или в один из термоэлектродов; выходная термо-ЭДС от способа подключения измерительных устройств не зависит. Как указано выше, при измерении температуры свободные концы термопары должны находиться при постоянной температуре, но как правило, свободные концы термопары конструктивно выведены на зажимы на ее головке, аследовательно, расположены в непосредственной близости от объектов,температура которых измеряется.

Чтобы отнести эти концы в зону с постоянной температурой, применяются удлиняющие провода, состоящие из двух жил, изготовленных из металлов или сплавов, имеющих одинаковые термоэлектрические свойства с термоэлектродами термометра.

Для термопар из неблагородных металлов удлиняющие провода изготавливаются чаще всего из тех же материалов, что и основные термоэлектроды, тогда как для датчиков из благородных металов в целях экономии удлиняющие провода выполняются из материалов, развивающих в паремежду собой в диапазоне температур 0 – 150 0С ту же термо-ЭДС, что и электроды термопары. Так, для термопары платина – платинородий применяются удлинительные термоэлектроды из меди и специального сплава, образующие термопару, идентичную по термо-ЭДС термопаре платина-платинородий в диапазоне 0 – 150 0С. Для термопары хромель – алюмель удлинительные термоэлектроды изготавливаются из меди и константана, а для термопары хромель – копель удлинительными являются основные термоэлектроды, новыполненные в виде гибких проводов. При неправильном подключении удлинительных термоэлектродов возникает существенная погрешность.

В лабораторных условиях температура свободных концов термопары поддерживается равной 0 0С путем помещения их в сосуд Дьюара, наполненный истолченным льдом с водой. В производственных условиях температура свободных концов термопары обычно отличается от 0 0С. Так как градуировка термопар осуществляется при температуре свободных концов 0 0С, то это отличие может явиться источником существенной погрешности; для уменьшения указанной погрешности, как правило, вводят поправку в показания термометра. При выборе поправки учитываются как температура свободных концов термопары,так и значение измеряемой температуры (это связано с тем, что функция преобразования термопары нелинейна); это затрудняет точную коррекцию погрешности.

На практике для устранения погрешности широкое применение находит автоматическое введение поправки на температуру свободных концов термопары.Для этого в цепь термопары и милливольтметра включается мост, одним из плеч которого является медный терморезистор, а остальные образованы манганиновыми терморезисторами. При температуре свободных концов термопары, равной 0 0С,мост находится в равновесии; при отклонении температуры свободных концов термопары от 0 0С напряжение на выходе моста не равно нулю и суммируется с термо-ЭДС термопары, внося поправку в показания прибора (значение поправки регулируется специальным резистором). Вследствие нелинейности функции преобразования термопары полной компенсации погрешности не происходит, но указанная погрешность существенно уменьшается.

Подключение к ПЛК

Холодные концы подключаются (непосредственно или с помощью компенсационных проводов, которые должны быть выполнены из тех же металлов, что и термопара) к клеммам соответствующего аналогового входа (с соблюдением полярности!) промышленного контроллера, который программно выполняет компенсацию температуры холодного спая и рассчитывает температуру в точке измерения.

При внутренней компенсации контроллер использует температуру модуля, к которому подключена термопара. При более точной внешней компенсации эталонная температура холодного спая измеряется с помощью дополнительного термометра сопротивления, который подключается к специальному входу контроллера.

Устройство термопары

Компенсация температуры холодного спая (КХС)

Компенсация холодного спая (КХС) – это компенсация, вносимая в виде поправки в итоговые показания при измерении температуры в точке подсоединения свободных концов термопары. Это связано с расхождениями между реальной температурой холодных концов с вычисленными показаниями градуировочной таблицы для температуры холодного спая при 0°С.

Термопара

КХС является дифференциальным способом, при котором показания абсолютной температуры находятся из известного значения температуры холодного спая (другое название эталонный спай).

Конструкция термопары

При конструировании термопары учитывают влияние таких факторов, как «агрессивность» внешний среды, агрегатное состояние вещества, диапазон измеряемых температур и другие.

Особенности конструкции термопар:

  • Спаи проводников соединяются между собой скруткой или скруткой с дальнейшей электродуговой сваркой (редко пайкой).
  • Термоэлектроды должны быть электрически изолированы по всей длине, кроме точки соприкосновения.
  • Способ изоляции подбирается с учетом верхнего температурного предела.
  1. До 100-120°С – любая изоляция;
  2. До 1300°С – фарфоровые трубки или бусы;
  3. До 1950°С – трубки из Al2O3;
  4. Свыше 2000°С – трубки из MgO, BeO, ThO2, ZrO2.
  • Защитный чехол.

Материал должен быть термически и химически стойким, с хорошей теплопроводностью (металл, керамика). Использование чехла предотвращает коррозию в определенных средах.

Особенности конструкции термопары

Существуют некоторые особенности устройства термопары:

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

Конструктивные исполнения термопар

Термопары конструктивно различаются:

  • По способу контакта с измеряемой средой: погружные, поверхностные.
  • По условиям эксплуатации: стационарные, переносные; разового, многократного и кратковременного применений.
  • По защищённости от воздействий окружающей среды: обыкновенные, водозащищённые, защищённые от агрессивной среды, взрывозащищённые (в т.ч. искробезопасные).
  • По герметичности к измеряемой среде: герметичные, негерметичные.
  • По инерционности – показатель тепловой инерции не более 10 с; средней – не более 60 с; большой – более 60 с; ненормируемой инерционности (НИ).
  • По устойчивости к механическим воздействиям: обыкновенные; виброустойчивые.
  • По числу термопар для измерения температуры в одной зоне: одинарные; двойные; тройные.
  • По числу зон: однозонные; многозонные.
  • По наличию контакта «горячего» спая с металлической частью защитной арматуры: с неизолированным спаем, с изолированным спаем.

Удлиняющие (компенсационные) провода

Данный вид проводов необходим для удлинения концов термопары до вторичного прибора или барьера. Провода не используются в случае наличия у термопары встроенного преобразователя с унифицированным выходным сигналом. Наиболее широкое применение получил нормирующий преобразователь, размещенный в стандартной клеммной головке датчика с унифицированным сигналом 4-20мА, так называемая «таблетка».

Материал проводов может совпадать с материалом термоэлектродов, но чаще всего заменяется на более дешевый с учетом условий, предотвращающих образования паразитных (наведенных) термо-ЭДС. Применение удлиняющих проводов также позволяет оптимизировать производство.

Лайфхак! Для правильного определения полярности компенсационных проводов и их подключения к термопаре запомните мнемоническое правило ММ — минус магнитится. То есть берём любой магнит и минус у компенсации будет магнитится, в отличии от плюса.

Типы термопар и их характеристики

Различные сплавы, используемые для изготовления термопар, обладают разными коэффициентами термо-ЭДС. В зависимости от того, из каких металлов изготовлены термоэлектроды, различают следующие основные типы термопар:

  • ТПП13 – платинородий-платиновые (тип R);
  • ТПП10 – платинородий-платиновые (тип S);
  • ТПР – платинородий-платинродиевые (тип B);
  • ТЖК – железо-константановые (тип J);
  • ТМКн – медь-константановые (тип T);
  • ТНН – нихросил-нисиловые (тип N);
  • ТХА – хромель-алюмелевые (тип K);
  • ТХКн – хромель-константановые (тип E);
  • ТХК – хромель-копелевые (тип L);
  • ТМК – медь-копелевые (тип M);
  • ТСС – сильх-силиновые (тип I);
  • ТВР – вольфрамрениевые (типы A-1 – A-3).

Технические требования к термопарам задаются параметрами определёнными ГОСТ 6616-94, а их НСХ (номинальные статические характеристики преобразования), оптимальные диапазоны измерений, установленные классы допуска регулируются стандартами МЭК 62460, и определены ГОСТ Р 8.585-2001. Заметим, также, что НСХ в вольфрам-рениевых термопарах отсутствовали в таблицах МЭК до 2008 г. На сегодняшний день указанными стандартами не определены характеристики термопары хромель-копель, но их параметры по прежнему регулируются ГОСТ Р 8.585-2001. Поэтому импортные термопары типа L не являются полным аналогом отечественного изделия ТХК.

Классификацию термодатчиков можно провести и по другим признакам: по типу спаев, количеству чувствительных элементов.

Термопара хромель-алюмель (ТХА)

Положительный электрод: сплав хромель (90% Ni, 10% Cr).

Отрицательный электрод: сплав алюмель (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).

Изоляционный материал: фарфор, кварц, окиси металлов и т.д.

Диапазон температур от -200°С до 1300°С кратковременного и 1100°С длительного нагрева.

Рабочая среда: инертная, окислительная (O2=2-3% или полностью исключено), сухой водород, кратковременный вакуум. В восстановительной или окислительно-восстановительной атмосфере в присутствии защитного чехла.

Недостатки: легкость в деформировании, обратимая нестабильность термо-ЭДС.

Возможны случаи коррозии и охрупчивания алюмеля в присутствии следов серы в атмосфере и хромеля в слабоокислительной атмосфере («зеленая глинь»).

Термопара хромель-копель (ТХК)

Положительный электрод: сплав хромель (90% Ni, 10% Cr).

Отрицательный электрод: сплав копель (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).

Диапазон температур от -253°С до 800°С длительного и 1100°С кратковременного нагрева.

Рабочая среда: инертная и окислительная, кратковременный вакуум.

Недостатки: деформирование термоэлектрода.

Возможно испарение хрома при длительном вакууме; реагирование с атмосферой, содержащей серу, хром, фтор.

Термопара железо-константан (ТЖК)

Положительный электрод: технически чистое железо (малоуглеродистая сталь).

Отрицательный электрод: сплав константан (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).

Используется для проведения измерений в восстановительных, инертных средах и вакууме. Температура от -203°С до 750°С длительного и 1100°С кратковременного нагрева.

Применение складывается на совместном измерении положительных и отрицательных температур. Невыгодно использовать только для отрицательных температур.

Недостатки: деформирование термоэлектрода, низкая коррозийная стойкость.

Изменение физико-химических свойств железа около 700°С и 900 °С. Взаимодействует с серой и водными парами с образованием коррозии.

Термопара вольфрам-рений (ТВР)

Положительный электрод: сплавы ВР5 (95% W, 5% Rh)/ВАР5 (BP5 с кремнещелочной и алюминиевой присадкой)/ВР10 (90% W, 10% Rh).

Отрицательный электрод: сплавы ВР20 (80% W, 20% Rh).

Изоляция: керамика из химически чистых окислов металлов.

Отмечается механическая прочность, термостойкость, малая чувствительность к загрязнениям, легкость изготовления.

Измерение температур от 1800°С до 3000°С, нижний предел – 1300°С. Измерения проводятся в среде инертного газа, сухого водорода или вакуума. В окислительных средах только для измерения в быстротекущих процессах.

Недостатки: плохая воспроизводимость термо-ЭДС, ее нестабильность при облучении, непостоянная чувствительность в температурном диапазоне.

Термопара вольфрам-молибден (ВМ)

Положительный электрод: вольфрам (технически чистый).

Отрицательный электрод: молибден (технически чистый).

Изоляция: глиноземистая керамика, защита кварцевыми наконечниками.

Инертная, водородная или вакуумная среда. Возможно проведение кратковременных измерений в окислительных средах в присутствии изоляции. Диапазон измеряемых температур составляет 1400-1800°С, предельная рабочая температура порядка 2400°С.

Недостатки: плохая воспроизводимость и чувствительность термо-ЭДС, инверсия полярности, охрупчивание при высоких температурах.

Термопары платинородий-платина (ТПП)

Положительный электрод: платинородий (Pt c 10% или 13% Rh).

Отрицательный электрод: платина.

Изоляция: кварц, фарфор (обычный и огнеупорный). До 1400°С — керамика с повышенным содержанием Al2O3, свыше 1400°С — керамику из химически чистого Al2O3.

Предельная рабочая температура 1400°С длительно, 1600°С кратковременно. Измерение низких температур обычно не производят.

Рабочая среда: окислительная и инертная, восстановительная в присутствии защиты.

Недостатки: высокая стоимость, нестабильность при облучении, высокая чувствительность к загрязнениям (особенно платиновый электрод), рост зерен металла при высоких температурах.

Термопары платинородий-платинородий (ТПР)

Положительный электрод: сплав Pt c 30% Rh.

Отрицательный электрод: сплав Pt c 6% Rh.

Среда: окислительная, нейтральная и вакуум. Использование в восстановительных и содержащих пары металлов или неметаллов средах в присутствии защиты.

Максимальная рабочая температура 1600°С длительно, 1800°С кратковременно.

Изоляция: керамика из Al2O3 высокой чистоты.

Менее подвержены химическим загрязнениям и росту зерна, чем термопара платинородий-платина.

Сравнение термопар

Выше мы рассмотрели типы термоэлектрических преобразователей. У читателя, скорее всего, резонно возник вопрос: Почему так много типов термопар существует?

Дело в том, что заявленная производителем точность измерений возможна только в определённом интервале температур. Именно в этом диапазоне производитель гарантирует линейную характеристику своего изделия. В других диапазонах зависимость напряжения от температуры может быть нелинейной, а это обязательно отобразится на точности. Следует учитывать, что материалы обладают разной степенью плавкости, поэтому для них существует предельное значение рабочих температур.

Для сравнения термопар составлены таблицы, в которых отображены основные параметры измерительных преобразователей. В качестве примера приводим один из вариантов таблицы для сравнения распространённых термопар.

Тип термопары K J N R S B T E
Материал положительного электрода Cr—Ni Fe Ni—Cr—Si Pt—Rh (13 % Rh) Pt—Rh (10 % Rh) Pt—Rh (30 % Rh) Cu Cr—Ni
Материал отрицательного электрода Ni—Al Cu—Ni Ni—Si—Mg Pt Pt Pt—Rh (6 % Rh Cu—Ni Cu—Ni
Температурный коэффициент 40…41 55.2 68
Рабочий температурный диапазон, ºC 0 до +1100 0 до +700 0 до +1100 0 до +1600 0 до 1600 +200 до +1700 −185 до +300 0 до +800
Значения предельных температур, ºС −180; +1300 −180; +800 −270; +1300 – 50; +1600 −50; +1750 0; +1820 −250; +400 −40; +900
Класс точности 1, в соответствующем  диапазоне температур, (°C) ±1,5 от −40 °C до 375 °C ±1,5 от −40 °C до 375 °C ±1,5 от −40 °C до 375 °C ±1,0 от 0 °C до 1100 °C ±1,0 от 0 °C до 1100 °C ±0,5 от −40 °C до 125 °C ±1,5 от −40 °C до 375 °C
±0,004×T от 375 °C до 1000 °C ±0,004×T от 375 °C до 750 °C ±0,004×T от 375 °C до 1000 °C ±[1 + 0,003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °C ±[1 + 0,003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 ° ±0,004×T от 125 °C до 350 °C ±0,004×T от 375 °C до 800 °C
Класс точности 2 в соответствующем  диапазоне температур, (°C) ±2,5 от −40 °C до 333 °C ±2,5 от −40 °C до 333 °C ±2,5 от −40 °C до 333 °C ±1,5 от 0 °C до 600 °C ±1,5 от 0 °C до 600 °C ±0,0025×T от 600 °C до 1700 °C ±1,0 от −40 °C до 133 °C ±2,5 от −40 °C до 333 °C
±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C ±0, T от 333 °C до 750 °C ±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C ±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C ±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C ±0,0075×T от 133 °C до 350 °C ±0,0075×T от 333 °C до 900 °C
Цветовая маркировка выводов по МЭК Зелёный — белый Чёрный — белый Сиреневый — белый Оранжевый — белый Оранжевый — белый Отсутствует Коричневый — белый Фиолетовый — белый

Типы спаев

В зависимости от назначения термодатчика спаи термопар могут иметь различную конфигурацию. Существуют одноэлементные и двухэлементные спаи. Они могут быть как заземлёнными на корпус колбы, так и незаземленными. Понять схемы таких конструкций можно из рисунка.

Термопара

Буквами обозначено:

  • И – один спай, изолированный от корпуса;
  • Н – один соединённый с корпусом спай;
  • ИИ – два изолированных друг от друга и от корпуса спая;
  • 2И – сдвоенный спай, изолированный от корпуса;
  • ИН – два спая, один из которых заземлён;
  • НН – два неизолированных спая, соединённых с корпусом.

Заземление на корпус снижает инерционность термопары, что, в свою очередь, повышает быстродействие датчика и увеличивает точность измерений в режиме реального времени.

С целью уменьшения инерционности в некоторых моделях термоэлектрических преобразователей оставляют горячий спай снаружи защитной колбы.

Стандарты на цвета проводников термопар

Проводники термопар состоят из двух отдельных термоэлектродов (положительного и отрицательного), имеющих цветную изоляцию. Ввиду эффекта Зеебека провода термопар имеют определенную полярность, поэтому положительные и отрицательные провода необходимо подключать к правильным клеммам. Имеются разнообразные стандарты на цвета изоляции проводников для идентификации каждого типа термопар. См. таблицу 5a В разных стандартах используются уникальные цвета проводов, чтобы отличать положительные и отрицательные выводы. В Северной Америке обычно отрицательный вывод имеет красную изоляцию в соответствии со стандартом ASTM E230. Но самым широко используемым в мире стандартом на провода термопар является IEC 60584, согласно которому отрицательный провод обычно белый. Ясно, что стандарты, согласно которым термопара изготовлена, должны быть известны, чтобы правильно подключать провода по их цветам. Существуют другие стандарты, используемые в различных странах, включая BS1843 (Великобритания и Чешская республика), DIN43710 (Германия), JIS-C1610 (Япония) и NFC 42-324 (Франция). См. таблицу 5a.

СОВЕТ: Пользователь должен проверить, какой стандарт используется на его предприятии, и убедиться в том, что цветовая кодировка доведена до сведения персонала, занимающегося установкой, пусконаладкой и техническим обслуживанием.

Способы подключения

Каждая новая точка соединения проводов из разнородных металлов образует холодный спай, что может повлиять на точность показаний. Поэтому подключения термопары выполняют, по возможности, проводами из того же материала, что и электроды. Обычно производители поставляют изделия с подсоединёнными компенсационными проводами.

Некоторые измерительные приборы содержат схемы корректировки показаний на основе встроенного термистора. К таким приборам просто подключаются провода, соблюдая их полярность

Термопара

Часто используют схему подключения «на разрыв». Измерительный прибор, подключают через проводник того же типа что и клеммы (чаще всего медь). Таким образом, в местах соединения отсутствует холодный спай. Он образуется лишь в одном месте: в точке присоединения провода к электроду термопары. На рисунке показана схема такого подключения.

Термопара

При подключении термопары следует как можно ближе размещать измерительные системы, чтобы избежать использования слишком длинных проводов. Во всяком проводе возможны помехи, которые усиливаются с увеличением длины проволоки. Если от радиопомех можно избавиться путём экранирования проводки, то бороться с токами наводки гораздо сложнее.

В некоторых схемах используют компенсирующий терморезистор между контактом измерительного прибора и точкой холодного спая. Поскольку внешняя температура одинаково влияет на резистор и на свободный спай, то данный элемент будет корректировать такие воздействия.

И напоследок: подключив термопару к измерительному прибору, необходимо, пользуясь градуировочными таблицами, выполнить процедуру калибровки.

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.

Термопара

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.

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.

Термопара

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.

Термопара

Удлинительные провода

Удлинительные провода используются либо для связи термопар с системой управления / контроля, либо для соединения их с удаленным измерительным преобразователем. Удлинительные провода термопар, за очень редким исключением, выполняются из того же металла, что и провода термопар. Если металлы не соответствуют друг другу, на каждом конце удлинительного провода создаются дополнительные холодные спаи, которые существенно влияют на измерение температуры. На рисунке 6a видно, что если медные провода используются для подключения термопары, создается «предварительный холодный спай», который может вызывать значительную погрешность, существенно варьирующуюся с изменением температуры окружающей среды вокруг спая 1. Измеряемое напряжение термопары с медными удлинительными проводами не равно измеряемому напряжению термопары с правильными удлинительными проводами. Фактически, если используются медные удлинительные провода, почти невозможно получить какую-либо температуру технологического процесса с приемлемой точностью по измеряемому напряжению.

Термопара

Международная кодировка цветов изоляции термопар
Тип термопары Североамериканский стандарт ASTM Е230 Международный стандарт IEC 60584 Стандарт Великобритании BS 1843 Немецкий стандарт DIN 43710 Японский стандарт JIS С1610 Французский стандарт NFC 42-324
Цвет проводов термопары Цвет удлинительных проводов
В не применяется

не применяется

не применяется

– Проводник: Красный

+ Проводник: Серый

Оболочка: Серый

– Проводник: Белый

+ Проводник: Серый

Оболочка: Серый

не применяется

не применяется

не применяется

– Проводник: Серый

+ Проводник: Красный

Оболочка: Серый

– Проводник: Серый

+ Проводник: Красный

Оболочка: Серый

не применяется

не применяется

не применяется

Е – Проводник:Красный

+ Проводник: Пурпурный

Оболочка: Коричневый

– Проводник: Красный

+ Проводник: Пурпурный

Оболочка: Пурпурный

– Проводник: Белый

+ Проводник: Пурпурный

Оболочка: Пурпурный

– Проводник: Синий

+ Проводник: Коричневый

Оболочка: Коричневый

– Проводник: Чёрный

+ Проводник: Красный

Оболочка: Чёрный

– Проводник: Белый

+ Проводник: Красный

Оболочка: Пурпурный

– Проводник: Пурпурный

+ Проводник: Желтый

Оболочка: Пурпурный

J – Проводник:Красный

+ Проводник: Белый

Оболочка: Коричневый

– Проводник: Красный

+ Проводник: Белый

Оболочка: Чёрный

– Проводник: Белый

+ Проводник: Чёрный

Оболочка: Чёрный

– Проводник: Синий

+ Проводник: Желтый

Оболочка: Чёрный

– Проводник: Синий

+ Проводник: Красный

Оболочка: Синий

– Проводник: Белый

+ Проводник: Красный

Оболочка: Желтый

– Проводник: Чёрный

+ Проводник: Желтый

Оболочка: Чёрный

К – Проводник:Красный

+ Проводник: Желтый

Оболочка: Коричневый

– Проводник: Красный

+ Проводник: Желтый

Оболочка: Желтый

– Проводник: Белый

+ Проводник: Зеленый

Оболочка: Зеленый

– Проводник: Синий

+ Проводник: Коричневый

Оболочка: Красный

– Проводник: Зелёный

+ Проводник: Красный

Оболочка: Зелёный

– Проводник: Белый

+ Проводник: Красный

Оболочка: Синий

– Проводник: Пурпурный

+ Проводник: Желтый

Оболочка: Желтый

N – Проводник:Красный

+ Проводник: Оранжевый

Оболочка: Коричневый

– Проводник: Красный

+ Проводник: Оранжевый

Оболочка: Оранжевый

– Проводник: Белый

+ Проводник: Розовый

Оболочка: Розовый

– Проводник: Синий

+ Проводник: Оранжевый

Оболочка: Оранжевый

не применяется

не применяется

не применяется

не применяется

не применяется

не применяется

не применяется

не применяется

не применяется

R не применяется

не применяется

не применяется

– Проводник: Красный

+ Проводник: Чёрный

Оболочка: Зелёный

– Проводник: Белый

+ Проводник: Оранжевый

Оболочка: Оранжевый

– Проводник: Синий

+ Проводник: Белый

Оболочка: Зелёный

– Проводник: Белый

+ Проводник: Красный

Оболочка: Белый

– Проводник: Белый

+ Проводник: Красный

Оболочка: Чёрный

– Проводник:Зелёный

+ Проводник: Желтый

Оболочка: Зелёный

S не применяется

не применяется

не применяется

– Проводник: Красный

+ Проводник: Чёрный

Оболочка: Зелёный

– Проводник: Белый

+ Проводник: Оранжевый

Оболочка: Оранжевый

– Проводник: Синий

+ Проводник: Белый

Оболочка: Зелёный

– Проводник: Белый

+ Проводник: Красный

Оболочка: Белый

– Проводник: Белый

+ Проводник: Красный

Оболочка: Чёрный

– Проводник:Зелёный

+ Проводник: Желтый

Оболочка: Зелёный

Т – Проводник:Красный

+ Проводник:Синий

Оболочка: Коричневый

– Проводник: Красный

+ Проводник: Синий

Оболочка: Синий

– Проводник: Белый

+ Проводник: Коричневый

Оболочка: Коричневый

– Проводник: Синий

+ Проводник: Белый

Оболочка: Синий

– Проводник: Коричневый

+ Проводник: Красный

Оболочка: Коричневый

– Проводник: Белый

+ Проводник: Красный

Оболочка: Коричневый

– Проводник: Синий

+ Проводник: Желтый

Оболочка: Синий

В некоторых случаях, когда экономические соображения могут не позволять использовать дорогостоящие удлинительные провода из редких металлов, таких как платиновые сплавы, используемые в термопарах типа R, S и B, можно использовать в узком диапазоне менее дорогие медные сплавы, которые имеют э.д.с., похожую на э.д.с. самой термопары. Такие выводы называются «компенсационными проводами» и они несколько снижают вышеуказанную погрешность.

Имеется множество факторов, отрицательно влияющих на измерения с помощью дистанционно смонтированных термопар, включая:

  • возможные погрешности, которые могут вноситься в измерение с помощью термопар из-за ЭМП и РЧП при применении удлинительных проводов или компенсационных проводов,
  • стоимость специальных проводов,
  • стоимость замены удлинительных проводов термопар на регулярной основе
  • возможность ошибок при подключении проводов из-за несоблюдения цветовой кодировки.

Учитывая все это, настоятельно рекомендуется применять измерительные преобразователи, монтируемые непосредственно на первичный преобразователь, везде, где это возможно.

Точность термопар

На точность термопар влияют несколько факторов, включая тип термопары, ее диапазон измеряемых температур, чистоту материала, электрические шумы (ЭМП и РЧП), коррозию, ухудшение свойств спая и процесс изготовления. Термопары выпускаются со стандартным классом допуска или специальным классом допуска, которые называются классом 2 и классом 1, соответственно. Наиболее часто применяемым международным стандартом является IEC-60584-2. В США чаще всего применяется стандарт ASTM E230. Каждый стандарт устанавливает пределы допусков, которым должны соответствовать изделия. См. таблицу 8a и таблицу 8b.

Требования к допускам термопар для обеспечения соответствия стандарту IEC 60584-2
Типы Класс точности 1 Класс точности 2 Класс точи ости 3 1)
Тип Т Температурный диапазон -40 °С до +125 °С -40 °С до+133 °С -67 °С до +40 °С
Точность ±0.5° С ±1 °С ±1 °С
Температурный диапазон 125 °С до 350 °С 133 °С до 350 °С -200 °С до -67 °С
Точность ±0.004 • | t | ±0.0075 • | t | ±0.015- | t |
Тип Е Температурный диапазон -40 °С до +375 °С -40 °С до +333 °С -167 °С до +40 °С
Точность ±1.5 °С ±2.5 °С ±2.5 °С
Температурный диапазон 375 °С до 800 °С 333 °С до 900 °С -200 °С до-167 °С
Точность ±0.004 • | t | ±0.0075 • | t | ±0.015- | t |
Тип J Температурный диапазон -40 °С до +375 °С -40 °С до +333 °С
Значение допуска ±1.5 °С ±2.5 °С
Температурный диапазон 375 °С до 750 °С 333 °С до 750 °С
Значение допуска ±0.004 • | t | ±0.0075 • | t |
Тип К,

Тип N

Температурный диапазон 0°С до 1100 °С -40 °С до +333 °С -167 °С до +40 °С
Точность ±1 °С ±2.5 °С ±2.5 °С
Температурный диапазон 1100°С до 1600°С 333 °С до 1200 °С -200 °С до-167 °С
Точность ±[1 +0,003 (t-1100)] °с ±0.0075 • | t | ±0.015- | t |
Тип R,

тип S

Температурный диапазон 0°С ДО 1100 °С 0 °С до +600 °С
Точность ±1 °с ±1.5 °С
Температурный диапазон 1100°С до 1600°С 600 °С до 1600 °С
Точность ±[1 +0,003 (t-1100)] °с ±0.0025 • | t |
Тип В Температурный диапазон 600 °С до 800 °С
Точность +4 °С
Температурный диапазон 600 °С до 1700 °С 800 °С до 1700 °С
Точность ±0.0025 • | t | ±0.005- | t |

Материалы термопар обычно поставляются таким образом, чтобы они отвечали производственным допускам, указанным в таблице для температур выше -40 °C. Однако эти материалы могут не укладываться в производственные допуски при низких температурах, указанных в колонке класса 3 для термопар типа T, E, K и N . Если требуется, чтобы термопары соответствовали предельным значениям класса 3, а также класса 1 или 2, заказчик должен указать это, поскольку в этом случае обычно требуется выбирать материалы.

Источники погрешностей измерений

На выполнение правильного процесса измерения влияют внешние источники, техническое состояние средств измерения и другие условия. На точность измерения с использованием термоэлектрического преобразователя влияет изменение электродвижущей силы.

Это явление называется термоэлектрической нестабильностью используемых сплавов. В процессе эксплуатации стало известно, что сплавы электродов изменяют свою ЭДС, которая приводит к искажению показаний.

Во время длительной эксплуатации при высоких температурах такие ошибки могут достигать больших величин, что приводит к снижению точности измерений.

Основными причинами нестабильности измерений считаются:

  • взаимодействие термоэлектродов с внешней средой;
  • влияние на датчики изолирующих и защитных устройств;
  • взаимодействие электродов друг с другом;
  • внутренние процессы, которые возникают при изменении температуры;
  • влияние радиации, электромагнитных полей и перепадов давления.

Под воздействием высокой температуры происходит снижение сопротивления изоляции датчиков, которое приводит к искажению измерений. Часто источником возникновения ошибок при замерах становится неправильный выбор термоэлектрода, так как его сопротивление не совпадает с показаниями электрической цепи. Изменение электродвижущей силы по длине термоэлектрического преобразователя тоже приводит к возникновению ошибок при получении показателей.

Рекомендации по эксплуатации термопары

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.

Достоинства и недостатки термопар

Преимущества:

  • высокая точность измерений;
  • достаточно широкий температурный диапазон;
  • высокая надёжность;
  • простота в обслуживании;
  • дешевизна.

Недостатками изделий являются факторы:

  • влияние свободных спаев на показатели приборов;
  • ограничение пределов рабочего диапазона нелинейной зависимостью ТЭДС от степени нагревания, порождающей сложности в разработке вторичных преобразователей сигналов;
  • при длительной эксплуатации в условиях перепадов температур ухудшаются градуировочные характеристики;
  • необходимость в индивидуальной градуировке для получения высокой точности измерений, в пределах погрешности в 0,01 ºC.

Благодаря тому, что проблемы связанные с недостатками решаемы, применение термопар более чем оправдано.

Изготовление термопар

Процесс начинается с выбора высококачественной проволоки из материала, который требуется для термопары изготавливаемого типа. Проволоки соединяются различными способами, включая скручивание, сжатие, пайку, в т.ч. и высокотемпературную, а также различные виды сварки (например, сварка узким швом и сварка встык). Чтобы получить наилучшие рабочие характеристики горячий спай должен быть механически прочным, электрически непрерывным, не загрязнен никакими химическими примесями материалов, использующихся при сварке или пайке. При изготовлении высококачественных термопар большое внимание уделяется выбору марки проволоки и контролю процесса изготовления.

Термопара

Совет: Спай, полученный путем скручивания проволок, очень быстро теряет свои свойства, и использовать такой способ получения спая не рекомендуется.

Спаи термопар изготавливаются в различных конфигурациях, каждая из которых имеет свои преимущества для применения в определенных системах. Спаи могут быть заземленными или незаземленными, а двухэлементные термопары могут быть изолированными или неизолированными. См. рисунок.

Термопара

Заземленные спаи термопар образуются, если спай термопары соединяется с оболочкой первичного преобразователя. Заземленные спаи обладают лучшей теплопроводностью, что, в свою очередь, повышает быстродействие. Однако заземление также делает цепи термопар более подверженными влиянию электрических шумов, которые могут искажать сигнал напряжения термопары, если контрольно-измерительный прибор не обеспечивает развязку. (Все высококачественные измерительные преобразователи и платы ввода/ вывода предусматривают электрическую развязку в стандартной комплектации). Заземленный спай также в большей степени подвержен загрязнению химическими примесями со временем.

Незаземленные спаи получаются тогда, когда элементы термопары не соединяются с оболочкой первичного преобразователя, а окружены изолирующим порошком. Незаземленные спаи имеют несколько меньшее быстродействие, чем заземленные спаи, но менее чувствительны к электрическим шумам.

Термопары с открытым спаем имеют горячий спай, выступающий из загерметизированного конца оболочки, обеспечивая высокое быстродействие. Герметизация препятствует попаданию влаги или других загрязнений внутрь оболочки. Обычно такие термопары применяются только в некоррозионных газах, например, в воздуховодах.

Термопары с двумя чувствительными элементами бывают трех разных видов. См. рисунок выше.

Изолированные конструкции имеют место в тех случаях, когда два независимых спая термопары размещаются в одной оболочке. Изолированные спаи могут давать неодинаковые показания температуры, но могут выявлять дрейф показаний вследствие загрязнения одного из элементов химическими примесями. Если один из спаев выходит из строя, это не обязательно влияет на второй спай.

Неизолированные конструкции имеют место, когда два спая термопары помещаются в одну оболочку и все четыре проволоки термопары физически соединяются. Неизолированные спаи дают одинаковые показания температуры для повышения достоверности измерения в данной точке. Однако если один из спаев выходит из строя, это вероятнее всего означает, оба спая отказали одновременно.

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.

Видео: эффект Зеебека – термопара

Эффект Зеебека (термопара)

Видео: 3 способа, как сделать термопару

3 СПОСОБА КАК СДЕЛАТЬ ТЕРМОПАРУ

Видео: термопара и элемент Пельтье

Термопара и элемент Пельтье

Видео: принцип действия термопары

Видео: термопара – устройство, неисправности, лайфхаки по ремонту

Термопара Устройство Неисправности Лайфхаки по ремонту

Видео: термопара своими руками

Термопара своими руками.Электричество из двух проволок.

Советую прочитать:

Generic selectors
Exact matches only
Search in title
Search in content
Search in posts
Search in pages
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Holodilnik1.ru - Все о холодильниках
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Внутристрочная обратная связь
Посмотреть все комментарии