Устройство и принцип работы термопары: Термопара – устройство и принцип работы простым языком

Термопара – устройство и принцип работы простым языком

Практически каждое отопительное оборудование требует применения дополнительных элементов, предостерегающих систему от перегрева. Одним из таких контролеров считается термопара. Принцип ее работы заключается в регулярном измерении температурного режима для поддержания заданного значения.

Общие характеристики

Согласно Номинальных статических характеристик преобразования ГОСТ Р8.585-2001 термопара – устройство, состоящее из 2-х разнородных контактирующих друг с другом проводников, предназначенное для измерения температуры. При изменении температурного режима на одном участке создается напряжение, вследствие чего происходит конвертация температуры в электроток.

Термопары

Конструкция элемента устроена из двух разнотипных проводников, которые соединяются друг с другом в одном узле. Существует три типа соединений:

• 
  спайка;
• 
  ручная скрутка;
• 
  сварка.

Зачастую в виде проводящих электроэнергию элементов применяется металлический проводник, однако встречаются случаи, когда вместо него используют полупроводниковые устройства. 

Параметры устройства определяет материал, из которого изготовлены проводники. Понятно, что любой металл образует сопротивление, значит будет производить электроток. Но для корректной работы термопары используются определенные сплавы, которые выдают прогнозируемые вводные и точно с минимальной погрешностью определяют зависимость между температурой и сопротивлением. Для определенного диапазона должен использовать определенный материл.

Говоря простым языком, термопара, в зависимости от материалов, из которых состоят проводники, позволяет определять температурный режим в разнообразных диапазонах значений. В целом, термопара определяет температуру ориентировочно от -250°С до +2 000°С.

ВИДЕО: Измерение температуры с помощью термопары

Принцип действия термопары

Вне зависимости от имени производителя, работа всех термопар основывается на термоэлектрической схеме, разработанной в 1821 году известным физиком Т.И. Зеебеком. Принцип действия термопары заключается в поочередном соединении двух разновидных переходника в одно замкнутое кольцо. Первый узел предназначен для нагрева, в результате чего, по кольцу образовывается электрический движущий заряд, который называется – термо-ЭДС. Под влиянием ЭДС-силы, по цепочке протекает электрически ток.

Схематическая работа устройства

Сама область нагрева называется узлом нагревательного предназначения, второй конец обозначается как холодный спай.

Чтобы измерить значение микро или милливольт электрической движущей силы, следует разъединить кольцо и соединить его при помощи микровольтметра. Количество милливольт полностью зависит от интенсивности нагрева соединений и температурного режима холодного узла. Принцип работы простым языком базируется на разности значений температуры двух соединительных спаев, между холодным и горячим обозначением.

Получается, что если область спая двух разных проводов нагреть, то в зоне несоединенных концов образуется разносторонний потенциал, измеряемый специальным инструментом. Преобразователи, разработанные по инновационным технологиям, возникшую разность электрической силы переводят в цифровые символы, обозначающие температурный режим нагрева соединенных узлами частей.

Конструкция устройства

Устройство производится разных форм и размеров. Подразделяется по конструктивному производству на два основных типа:

• 
  термопары, не имеющие корпуса;
• 
  с кожухом, служащим в качестве защиты.

В первом случае устройство в месте соединения не имеет закрытого корпуса, выполняющего защитную функцию от разнообразных воздействий внешней окружающей среды. Данный вид обеспечивает быстрое определение инертности и температурного режима, не затрачивая на процесс много времени.

Термопара для котельного оборудования

Второй тип производится подобно зонду, который выполнен из металлической трубы с хорошей внутренней изоляцией, способной противостоять высоким температурным показателям. Изнутри термопар оснащен термоэлектрической системой. Конструкция с защитным корпусом не поддается воздействиям агрессивной среды.

Разновидности термопары

Принцип работы термопара достаточно прост и понятен, однако, прежде чем создать устройство своими руками, следует знать, чем отличаются такие модификации как ТХА,TKX, ТПП, ТСП, ТПР и ТВР, а также, по каким критериям и группам они распределяются.

• 
  Группа Е – состоит из комбинированного материала — хромель-константан. Соединительный спай обладает повышенной производительностью – более 69 мкВ/^оС, подходящей для криогенного применения. Помимо всего, система не имеет магнитные свойства, а температурный режим варьируется от – 50°С до + 740°С.
• 
  Группа J – термоэлектроны производятся из положительного железа и отрицательного типа константаны. Разбег функционирования данной серии термопара меньше, чем в прошлой группе -40°С — + 750°С, однако показатель чувствительности более высокий – 50 мкВ/°С.
• 
  Группа К – самый распространенный тип устройств, состоящий из комбинации материалов – алюминий и хромель. Производительность системы равняется 40 мкВ/°С, функционирование происходит в пределах температурных показателей от – 200°С до 1 350°С. Следует помнить, что даже при низком уровне окисления в диапазоне температуры 800-1050°С, элемент из хромеля отсоединяется и приобретает намагниченное состояние, что называется «зеленая гниль». Данный фактор отрицательно сказывается на функционировании регулятора.
• 
  Группа М – применяется в комплектациях печей вакуумного вида. Рабочие силы варьируются от -260 до + 1400°С с максимальной погрешностью в 2 градуса.

Принцип работы термопары

• 
  Группа N – устройство выпускается для использования в устройствах обладающих температурными обозначениями – 270 и 1300°С, что является гарантией хорошей работоспособности и устойчивости перед окислительными процессами. Чувствительность не превышает 40 мкВ/°С.
• 
  Группы В, S, R отличаются стабильной работой с более пониженным ЭДС – 10мкВ/°С. Из-за плохой чувствительности, используется исключительно для определения повышенных температур.
• 
  Группы В, С, S – первый символ обозначает модификацию, подходящую для измерения температуры до 1 800^оС, S – 1 600°С, С – до 1 500.
• 
  Рениево-вольфрамовые термопары применяются для измерения высоких температур 25 000°С и менее. Также устройство предназначено для устранения окислительной атмосферы, разрушающей материал.

Термопары хромель-алюмель

Монтаж

Принципиальной разницы между установкой российского или европейского оборудования нет – схема везде одинакова. Мы опишем самый простой способ.

1. 
   Откручиваете гайку внутри резьбового соединения к газопроводу.
2. 
   На самой термопаре откручиваете компенсационный винт.
3. 
   В отверстие монтажного кронштейна вставляете термопару.
4. 
   Протрите место соединения ветошью резьбовое соединение и гайку.
5. 
   Закрутите соединение до упора, но не затягивайте слишком сильно. Если есть необходимость, можно использовать прокладку.

Контролер газовой плиты должен быть соединен максимально плотно, но чтобы его можно было снять по мере надобности.

Термопара для печи

Обратите внимание на то, чтобы обе трубы были направлены строго вниз.

Теперь разбираемся, как работает. Концевой выключатель всегда расположен на несколько сантиметров ниже пленума под автоматом контроля безопасности плиты. Когда пленум нагревается до предела, выключатель дает сигнал на отключение горелки и сразу же срабатывает вентилятор. В этот момент происходит резкое снижение температуры.

На некоторых устройствах вентилятор не останавливается. Причиной этого может быть выключенный контроль вентилятора (посмотрите на рычаг, он должен быть на отметке «вкл») либо выход из строя термостата. Как вариант, может быть установлен ручной режим вместо автоматического.

После установки устройства необходимо проверить правильность работы. И если настройка происходит в лабораторных условиях, то калибровать термопару можно и собственноручно.

Для этого снимаете крышку блока управления и смотрите на циферблат. Со стороны вентилятора есть 2 датчика, которые изначально настроены на 25°F. Вам нужно выставить верхний на 115°F, нижний – не меньше 90°F.

Если во время градуировки или калибровки отчетливо слышен запах газа, необходимо проверить уплотнители или вызвать службы газа на предмет выявления утечки.

Преимущества и недостатки применения измерителя

Температурный датчик, невзирая на простоту в устройстве, обладает как преимуществами, так и недостатками.

Плюсы:

• 
  Широкий диапазон температурных режимов, делающих устройство самым устойчивым контактным датчиком перед высокими показателями.
• 
  В результате нарушения целостности спая можно полностью заменить узел или создать прямой контакт непосредственно через измеряемые системы.
• 
  Простота устройства, прочность и большой эксплуатационный срок.

Термопара «Арбат»

Минусы:

• 
  При установке температурного датчика необходимо регулярно контролировать изменения напряжения холодных спаев. Для облегчения задачи требуется приобрести дополнительный термистор. Также можно заменить устаревший прибор полупроводниковым сенсором, способным автоматически вносить изменения в ТЭДС.
• 
  Подверженность к поражению коррозией, в результате чего происходит термоэлектрическая недостаточность и нарушение градуировочных характеристик.
• 
  Электроды состоят из материалов, которые не считаются химически инертным, поэтому при нарушении герметичности корпуса система становится подверженной агрессивным процессам окружающей среды.
• 
  Длинные термопарные провода образовывают электромагнитное поле.
• 
  Возникают сложности в процессе создания вторичного преобразователя сигналов из-за несущественного взаимодействия ТЭДС и температурных режимов.
• 
  Для стабильной работы с термической инерцией, обязательным условием термопара считается обеспечение качественной электроизоляцией, заземление функционирующих спаев, предостерегающих от возникновения утечки в землю.

ВИДЕО: Сравнение термосопротивления и термопары. Основы измерения температуры от Emerson

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

конструкция и принцип работы датчика, виды устройств для измерения температуры

Термоэлектрический преобразователь, или термопара, представляет собой устройство, используемое в промышленности и медицине при проведении научных экспериментов, а также в системах автоматики. С помощью этого прибора проводятся замеры температуры. Для определения разности температурных показателей зон применяются дифференциальные устройства, которые представляют собой две термопары, соединенные навстречу друг другу.

Конструктивные особенности

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

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

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

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

Принцип действия

Работа термопары основана на принципе термоэлектрического эффекта. Это явление было открыто физиком из Германии Т. Зеебеком в начале XIX века. Его суть состоит в следующем:

• Если соединить два термоэлектрода из разных металлов или сплавов в замкнутую электрическую цепь, а их рабочую поверхность подвергнуть воздействию разных температур, то по ней начнет протекать электрический ток.
• Цепь, состоящая только из двух разных электродов, называется термоэлементом.
• Работает термопара за счет электродвижущей силы, которая вызывает ток в цепи и зависит от материала элементов и разности температуры их соединения.
• Элемент, из которого поступает ток от горячего соединения к холодному, считается положительным электродом, а от холодного к горячему — отрицательным.
• Если говорить простым языком, то зная температуру одного соединения, которая поддерживается обычно постоянной, в результате измерения значения тока можно узнать величину нагрева другого соединения.

Термопара ПП расшифровывается как платинородий-платиновый, где первым идет обозначение положительного электрода, а вторым — отрицательного. Величина электродвижущей силы составляет небольшую величину, которая измеряется милливольтами при разнице температуры в 100 К (173,15 °C).

Виды устройств

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

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

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

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

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

Компенсационные провода

В состав термопар входят компенсационные провода, которые выглядят как удлинители для подсоединения устройств к измерительному прибору. Если устроить свободные концы в головке термоэлектрического преобразователя, то практически его подсоединение выполнить нельзя, так как прибор работает при очень высоких температурах.

Кроме того, не всегда прибор, на который поступают данные, можно расположить недалеко от датчиков. Поэтому часто требуется подсоединение измерительного прибора на расстоянии от места, где установлены датчики. Эту задачу с успехом решают компенсационные провода. Обычно их изготавливают из того же материала, что и термоэлектрические датчики.

Удлинительные провода находятся на участках с более низкими температурами, поэтому существует возможность изготавливать их из более дешевого материала. При использовании компенсационных проводов необходимо учитывать возможность появления паразитных электродвижущих сил. Провода должны обеспечить отведение свободных концов от термопары в зону с пониженной и постоянной температурой.

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.

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:

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 работы термопары: описание, устройство, схема

Принцип действия и устройство термопары предельно просты. Это обусловило популярность данного прибора и широкое применение во всех отраслях науки и техники. Термопара предназначается для измерения температур в широком диапазоне – от -270 до 2500 градусов по Цельсию. Устройство вот уже не одно десятилетие является незаменимым помощником инженеров и ученых. Работает надежно и безотказно, а показания температуры всегда правдивые. Более совершенного и точного прибора просто не существует. Все современные устройства функционируют по принципу термопары. Работают в тяжелых условиях.

Назначение термопары

Данное устройство преобразовывает тепловую энергию в электрический ток и позволяет измерять температуру. В отличие от традиционных ртутных градусников, способно работать в условиях как экстремально низких, так и экстремально высоких температур. Данная особенность обусловила широкое применение термопары в самых разнообразных установках: промышленные металлургические печи, газовые котлы, вакуумные камеры для химико-термической обработки, духовой шкаф бытовой газовой плиты. Принцип работы термопары всегда остается неизменным и не зависит от того, в каком устройстве она монтируется.

От надежной и бесперебойной работы термопары зависит работа системы аварийного отключения приборов в случае превышения допустимых лимитов температур. Поэтому данное устройство должно быть надежным и давать точные показания, чтобы не подвергать риску жизнь людей.

Принцип действия термопары

Термопара имеет три основных элемента. Это два проводника электричества из разных материалов, а также защитная трубка. Два конца проводников (их еще называют термоэлектродами) спаяны, а два других подключаются к потенциометру (прибор для измерения температуры).

Если говорить простым языком, принцип работы термопары заключается в том, что спай термоэлектродов помещается в среду, температуру которой необходимо измерить. В соответствии с правилом Зеебека, возникает разность потенциалов на проводниках (иначе – термоэлектричество). Чем больше температура среды – тем более значимой является разница потенциалов. Соответственно, стрелка прибора отклоняется больше.

В современных комплексах измерения на смену механическому устройству пришли цифровые индикаторы температуры. Однако далеко не всегда новый прибор превосходит по своим характеристикам старые аппараты еще советских времен. В технических вузах, да и в научно-исследовательских учреждениях, и по сей день пользуются потенциометрами 20-30-летней давности. И они демонстрируют поразительную точность и стабильность измерений.

Эффект Зеебека

На данном физическом явлении основан принцип работы термопары. Суть заключается в следующем: если соединить между собой два проводника из разных материалов (иногда используются полупроводники), то по такому электрическому контуру будет циркулировать ток.

Таким образом, если нагревать и охлаждать спай проводников, то стрелка потенциометра будет колебаться. Засечь ток также может позволить и гальванометр, подключенный в цепь.

В том случае, если проводники выполнены из одного и того же материала, то электродвижущая сила не будет возникать, соответственно, нельзя будет измерить температуру.

Схема подключения термопары

Наиболее распространенными способами подключения измерительных приборов к термопарам являются так называемый простой способ, а также дифференцированный. Суть первого метода заключается в следующем: прибор (потенциометр или гальванометр) напрямую соединяется с двумя проводниками. При дифференцированном методе спаивается не одни, а оба конца проводников, при этом один из электродов «разрывается» измерительным прибором.

Нельзя не упомянуть и о так называемом дистанционном способе подключения термопары. Принцип работы остается неизменным. Разница лишь в том, что в цепь добавляются удлинительные провода. Для этих целей не подойдет обычный медный шнур, так как компенсационные провода в обязательном порядке должны выполняться из тех же материалов, что и проводники термопары.

Материалы проводников

Принцип действия термопары основан на возникновении разности потенциалов в проводниках. Поэтому к подбору материалов электродов необходимо подходить очень ответственно. Различие в химических и физических свойствах металлов является основным фактором работы термопары, устройство и принцип действия которой основаны на возникновении ЭДС самоиндукции (разности потенциалов) в цепи.

Технически чистые металлы для применения в качестве термопары не подходят (за исключением АРМКО-железа). Обычно используются различные сплавы цветных и благородных металлов. Такие материалы имеют стабильные физико-химические характеристики, благодаря чему показания температуры всегда будут точными и объективными. Стабильность и точность – ключевые качества при организации эксперимента и производственного процесса.

В настоящее время наиболее распространены термопары следующих видов: E, J, K.

Термопара типа E

В качестве материалов для проводников используются константан и хромель. Изделия данного типа хорошо зарекомендовали себя по части надежности и точности показаний. Свидетельств тому – многочисленные положительные отзывы специалистов. Однако данный состав демонстрирует точность измерений лишь в положительном диапазоне температур до 600 градусов по Цельсию включительно.

Термопара типа J

По принципу работы термопара не отличается от предыдущей. Однако хромель уступил место технически чистому железу, что позволило существенно расширить диапазон рабочей температуры с сохранением стабильности показаний. Он составляет от -100 до 1200 градусов по Цельсию.

Термопара типа K

Это, пожалуй, самый распространенный и применяемый повсюду тип термопары. Пара хромель — алюминий отлично работает при температурах от -200 до 1350 градусов по Цельсию. Данный тип термопары отличается большой чувствительностью и фиксирует даже незначительный скачок температуры. Благодаря такому набору параметров, термопара применяется и на производстве, и для научных исследований. Но есть у нее и существенный недостаток – влияние состава рабочей атмосферы. Так, если данный вид термопары будет работать в среде CO2, то термопара будет давать некорректные показания. Данная особенность ограничивает применение устройств такого типа. Схема и принцип работы термопары остаются неизменными. Разница лишь в химическом составе электродов.

Проверка работы термопары

В случае выхода из строя термопары не подлежит ремонту. Теоретически можно, конечно, ее починить, но вот будет ли прибор после этого показывать точную температуру – это большой вопрос.

Иногда неисправность термопары не является явной и очевидной. В частности, это касается газовых колонок. Принцип работы термопары все тот же. Однако она выполняет несколько иную роль и предназначается не для визуализации температурных показаний, а для работы клапанов. Поэтому, чтобы выявить неисправность такой термопары, необходимо подключить к ней измерительный прибор (тестер, гальванометр или потенциометр) и нагреть спай термопары. Для этого не обязательно держать ее над открытым огнем. Достаточно лишь зажать его в кулак и посмотреть, будет ли отклоняться стрелка прибора.

Причины выхода из строя термопар могут быть разными. Так, если не надеть специальное экранирующее устройство на термопару, помещенную в вакуумную камеру установки ионно-плазменного азотирования, то с течением времени она будет становиться все более хрупкой до тех пор, пока не переломается один из проводников. Кроме того, не исключается и вероятность неправильной работы термопары из-за изменения химического состава электродов. Ведь нарушаются основополагающие принципы работы термопары.

Газовая аппаратура (котлы, колонки) также оснащается термопарами. Основной причиной выхода из строя электродов являются окислительные процессы, которые развиваются при высоких температурах.

В том случае, когда показания прибора являются заведомо ложными, а при внешнем осмотре не были обнаружены слабые зажимы, то причина, скорее всего, кроется в выходе из строя контрольно-измерительного прибора. В этом случае его необходимо отдать в ремонт. Если имеется соответствующая квалификация, то можно попытаться устранить неполадки самостоятельно.

Да и вообще, если стрелка потенциометра или цифровой индикатор показывают хоть какие-то «признаки жизни», то термопара является исправной. В таком случае проблема, совершенно очевидно, кроется в чем-то другом. И соответственно, если прибор никак не реагирует на явные изменения температурного режима, то можно смело менять термопару.

Однако прежде чем демонтировать термопару и ставить новую, нужно полностью убедиться в ее неисправности. Для этого достаточно прозвонить термопару обычным тестером, а еще лучше – померить напряжение на выходе. Только обычный вольтметр здесь вряд ли поможет. Понадобится милливольтметр или тестер с возможностью подбора шкалы измерения. Ведь разность потенциалов является очень маленькой величиной. И стандартный прибор ее даже не почувствует и не зафиксирует.

Преимущества термопары

Почему за столь долгую историю эксплуатации термопары не были вытеснены более совершенными и современными датчиками измерения температуры? Да по той простой причине, что до сих пор ей не может составить конкуренцию ни один другой прибор.

Во-первых, термопары стоят относительно дешево. Хотя цены могут колебаться в широком диапазоне в результате применения тех или иных защитных элементов и поверхностей, соединителей и разъемов.

Во-вторых, термопары отличаются неприхотливостью и надежностью, что позволяет успешно эксплуатировать их в агрессивных температурных и химических средах. Такие устройства устанавливаются даже в газовые котлы. Принцип работы термопары всегда остается неизменным, вне зависимости от условий эксплуатации. Далеко не каждый датчик другого типа сможет выдержать подобное воздействие.

Технология изготовления и производства термопар является простой и легко реализуется на практике. Грубо говоря – достаточно лишь скрутить или сварить концы проволок из разных металлических материалов.

Еще одна положительная характеристика – точность проводимых измерений и мизерная погрешность (всего 1 градус). Данной точности более чем достаточно для нужд промышленного производства, да и для научных исследований.

Недостатки термопары

Недостатков у термопары не так много, в особенности если сравнивать с ближайшими конкурентами (температурными датчиками других типов), но все же они есть, и было бы несправедливо о них умолчать.

Так, разность потенциала измеряется в милливольтах. Поэтому необходимо применять весьма чувствительные потенциометры. А если учесть, что не всегда приборы учета можно разместить в непосредственной близости от места сбора экспериментальных данных, то приходится применять некие усилители. Это доставляет ряд неудобств и приводит к лишним затратам при организации и подготовке производства.

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.

Источник: wikipedia

принцип работы, как проверить работает ли мультиметром, ремонт своими руками, для чего нужна, замена

Во многих домах центральным элементом системы отопления является газовый котёл. Однако для поддержания исправности прибора необходимо принимать во внимание особенности функционирования оборудования.

Например, в процессе работы котельной установки внутри камеры сгорания температура воздуха повышается, поэтому важно контролировать данный параметр.

Специально для этого используется термопара — термоэлектрический прибор, который является практически единственным устройством для точного измерения повышенных температур. Сегодня применяют оборудование, функционирующее вместе с автоматическими клапанами.

Особенности регулировки температуры в газовых котлах термопарой

Широкое применение оборудования обуславливается тем, что этот прибор считается главным способом измерить температуру воздуха, а также контролировать уровень пламени.

Ведь устройство не подвергается воздействию повышенных температур и функционирует по специальному принципу, позволяющему получать точные показатели и быстро реагировать даже на незначительные изменения.

Для чего нужна

Термопара — прибор, который устанавливается в отопительном оборудовании и предназначен, чтобы преобразовать термическую энергию в электрический ток для электромагнитных катушек и выполняет функцию главной составляющей защиты газо-контроля. Прибор работает в комплексе со специальным отсекающим газовым клапаном, перекрывающим подачу потока топлива.

Принцип работы

Для изготовления прибора используется сплав из металлов. Он выдерживает воздействие высокими температурами. Однако если в оборудовании произойдёт сбой, то работа газового котла будет остановлена.

Фото 1. Термопара для газового котла с автоматикой 345-1000 мм, производитель — «Арбат», Россия.

Ведь этот термоэлемент функционирует в комплексе со специальным электромагнитным отсекающим клапаном, регулирующим поступление газа в топливный тракт, который закрывается сразу же после поломки термопары.

Принцип работы прибора, построен на таком физическом явлении: два металла соединяются и при нагреве в точках крепления (рабочая зона, которая помещается в пламя) на холодных концах появляется напряжение. Это называется эффектом «Зеебека».

Внимание! Многие модели электромагнитных клапанов чувствительны, поэтому остаются открытыми до того момента, как напряжение на входе не снизится до 20 мВ.

Технические характеристики

У термопары следующие технические параметры:

• широкий диапазон температур;

• высокая точность измерения;
• повышенная устойчивость к коррозии;
• электронный механизм управления.

Разновидности

Термопара характеризуется несложным строением. При наличии соответствующих навыков это устройство можно даже сделать собственными руками в домашних условиях. Однако лучше приобрести промышленный прибор, прежде изучив технические характеристики, а также особенности всех типов устройств.

Специализированные компании производят термопару трёх видов:

1. Типа Е — для изготовления используются две пластины: константан и хромель. Этот прибор отличается повышенной производительностью. Кроме того, он контролирует процесс, протекающий в диапазоне температур от —5°С до 74°С.
2. Типа J — в приборе вместо хромеля установлена железная пластинка, которая ничуть не ухудшает технические характеристики устройства. Имеет повышенную чувствительность к изменениям, а температурный диапазон — от —4°С до 74°С.

3. Типа К — такие термопары пользуются наибольшей популярностью. Они оснащены пластинами, сделанными из алюминия и хромеля.

   Рабочий диапазон изменяется в пределах от —20°С до 135°С, а саму чувствительность производителям удалось повысить на несколько позиций.

   Продолжительность срока эксплуатации этого прибора определяется средой использования: так, в углекислом газе пластина из хромеля покрывается ржавчиной в виде зелёной гнили, сплав быстро портится и устройство теряет немагнитные свойства.

Существуют и другие типы термопар, однако, они не подходят для применения в газовых котлах по причинам:

• сплавы содержат дорогие металлы, поэтому у них высокая стоимость;
• такие модели ничем не лучше, чем типы К, Е или J.

Вам также будет интересно:

Как проверить, исправно ли работает устройство с помощью мультиметра

Если возникло подозрение на поломку, то выполняют диагностику исправности терморегулятора. Она проводится следующими способами:

1. Один конец прибора соединяется с мультиметром, а противоположный нагревается газовой горелкой либо зажигалкой. Если устройство исправно, то напряжение ниже 50 мВ.
2. Нужно тщательно проверить состояние проводников на наличие загрязнений или окисленных участков. Они также свидетельствуют о поломке.

Как правильно выбрать

​

Чтобы прибор исправно работал и не привёл к сбою всю систему, необходимо внимательно выбирать устройство. Для этого учитываются такие особенности:

1. Технические параметры термопары должны полностью соответствовать характеристикам газового котла.
2. На устройстве не должно быть видимых повреждений (микротрещины, сколы, потёртости).
3. Маркировки должны быть видны.
4. Предпочтение отдают продукции только проверенных компаний, которые несут ответственность за качество изделий.

Замена, если нельзя отремонтировать своими руками

Устройство вызывает сбои по разным причинам. Заменить сломанный прибор на новый можно самостоятельно. Для этого необходимо выполнить поэтапную инструкцию:

1. Сначала ключом откручивается специальная гайка, которой термопара прикреплена к патрубку.
2. Откручивается компенсационный винт, фиксирующий прибор к месту (он находится непосредственно под монтажным кронштейном).

3. Аккуратно снимается старое устройство.

4. В освободившееся отверстие вставляется новый прибор.
5. Все фиксируется компенсационным винтом, а затем гайкой.
6. Выполняется проверка на герметичность. При необходимости используется уплотнитель — полимер либо керамика.

При проведении процедуры следует помнить, что недотянутое, как и перетянутое резьбовое соединение будет опасным для исправности системы.

Полезное видео

Ознакомьтесь с видео, в котором рассказывается, как устроена и работает термопара.

Можно ли гнуть во время ремонта

Термопара — один из элементов отопительной системы, который отличается довольно простой конструкцией. Устройством оснащены все современные модели отопительного оборудования, работающего на газу. Оно является датчиком измерения температуры воздуха внутри камеры сгорания, а также проверки наличия пламени.

Благодаря этому обеспечивается безопасная эксплуатация отопительной системы.

При затухании запальника либо превышении температуры устройство мгновенно реагирует, изменяя напряжение, а также активизирует работу отсекающего клапана.

Однако для бесперебойного функционирования термопары необходимо правильно выполнить установку, строго следуя правилам инструкции. А также нужно регулярно проверять исправность прибора и ни в коем случае не сгибать его, чтобы не нарушить точность работы.

Принцип работы термопары

— Inst Tools

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 термоспая 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 при измерении 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 медные, при подключении к DVM образуется еще два термопреобразователя ! (Металлы термопар обычно не такие, как у проводов цифрового мультиметра.Эти дополнительные термопары также создают напряжение термопары, которое может вызвать ошибку при попытке измерить напряжение с чувствительного спая.

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 при той же температуре , так что их напряжения термоперехода идентичны и компенсируют друг друга.Между тем, новый эталонный спай помещается в место, где эталонная температура T _R известна точно, обычно в ванне с ледяной водой 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 общество приборостроения (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 , термопара типа K имеет цвет желтый и использует хромель — алюмель, , которые являются торговыми наименованиями сплавов проволоки Ni-Cr и Ni-Al.

• A термопара типа J имеет цвет черный и использует железо и константан в качестве составляющих металлов. (Константан — это сплав никеля и меди.)

• A , тип T , термопара имеет цвет синий и использует медь и константан в качестве составляющих металлов.

• A , термопара типа S использует Pt / Rh-Pt

• A , термопара типа E использует Ni / Cr-Con

• 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 погрешности измерения 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 на , но не точно, линейно с температурой. Следовательно, не существует простых уравнений, связывающих напряжение термопары с температурой. Напротив, напряжение представлено в виде таблицы 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; диаметр зонда может определяться имеющимися отверстиями).

Стандартные характеристики

Диаметр: 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 является стандартным. 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.

Незаземленное соединение — В подземном зонде спай термопары отделен 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 соединение, 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 таблице 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 более высокая температура дает 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 значений , когда измеряемая температура на больше чем эталонная температура. Аналогично, напряжение составляет отрицательное значение , когда измеряемая температура на меньше , чем 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 спая 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 может быть вставлен 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 идентичные термопары измеряют разницу температур между T ₁ и T ₂ , а также разницу температур между T ₂ и T ₃ , 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 разницу температур T ₁ — T ₂ , напряжение, измеренное 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:

При увеличении T ₂ выходное напряжение значительно увеличивается. Преимущество термобатареи (по сравнению с одним чувствительным переходом) 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, термобатареи часто используются для управления запорной арматурой в печах .

Также читайте: Основы термопар и датчиков RTD

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, которое возникает при соединении двух разных проводников, и то, как создаваемое напряжение изменяется в зависимости от температуры.

Базовая конструкция термопары состоит из двух разнородных металлических проволок, 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 равна напряжению , 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 необходима 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.

Как работают термопары? Принципы работы термопар

Когда два провода, состоящие из разнородных металлов, соединяются на обоих концах и один из концов нагревается, в термоэлектрической цепи протекает постоянный ток.Если эта цепь разорвана в центре, чистое напряжение холостого хода (напряжение Зеебека) является функцией температуры перехода и состава двух металлов. Это означает, что когда соединение двух металлов нагревается или охлаждается, создается напряжение, которое может быть обратно коррелировано с температурой.

Работа со временем отклика

Постоянная времени была определена как время, необходимое датчику для достижения 63,2% ступенчатого изменения температуры при заданном наборе условий.Чтобы датчик приблизился к 100% значения ступенчатого изменения, требуется пять постоянных времени. Термопара с открытым спаем обеспечивает самый быстрый отклик. Кроме того, чем меньше диаметр оболочки зонда, тем быстрее отклик, но максимальная температура может быть ниже. Однако имейте в виду, что иногда оболочка зонда не может выдерживать полный температурный диапазон типа термопары. Узнайте больше о времени отклика термопар.

В чем разница: термопары, RTD, термисторы и инфракрасные устройства?

Чтобы выбирать между датчиками, указанными выше, вы должны учитывать характеристики и стоимость различных датчиков, а также доступное оборудование.Кроме того, термопары, как правило, могут измерять температуру в широком диапазоне температур, недорого и очень надежны, но они не так точны и стабильны, как термометры сопротивления и термисторы. RTD стабильны и имеют довольно широкий диапазон температур, но они не такие надежные и недорогие, как термопары. Поскольку для проведения измерений требуется использование электрического тока, RTD могут иметь неточности из-за самонагрева. Термисторы имеют тенденцию быть более точными, чем RTD или термопары, но они имеют гораздо более ограниченный диапазон температур.Также они подвержены самонагреву. Инфракрасные датчики можно использовать для измерения температуры выше, чем у других устройств, и делать это без прямого контакта с измеряемыми поверхностями. Однако они, как правило, не так точны и чувствительны к эффективности излучения поверхности (или, точнее, коэффициенту излучения поверхности). Используя оптоволоконные кабели, они могут измерять поверхности, находящиеся вне прямой видимости.

Техническое обучение

Техническое обучение

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.

Эталонный 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. Чтобы уменьшить погрешности, большинство термопар теперь оснащены приборами, обеспечивающими автоматическую компенсацию опорного значения.

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 создают 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. генерируемый 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 пренебречь. 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 — Тип термопары

Положительный провод — Cu
Отрицательный провод — Constantan

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

E — Тип термопары

Положительный провод — Chromel
Отрицательный провод — Constantan

Может использоваться при температурах 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 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 погрешности 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 непохожих металла соединяются вместе в двух стыках, на двух стыках создается электродвижущая сила (ЭДС). Величина 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, полученные от цепи термопары, напрямую дает значение неизвестной температуры.

Устройства, используемые для измерения ЭДС

Величина ЭДС, развиваемая 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 рисунке 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.

Ссылка

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

Изображения предоставлены

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 является частью 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

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 нескольких домашних и коммерческих целях. 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 изготавливаются в виде зондов для термопар, термопар с переходным соединением, термопар с разъемами, термопар с неизолированным проводом и т. Д.Хотя термопарные датчики обеспечивают универсальность, функциональность и 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.

Похожие сообщения

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

Введение

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

Теория термопар

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

Рисунок 1. Термопара.

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

Напряжение, создаваемое на эталонном спаях, зависит от температуры как на измерительном, так и в эталонном спайах. Поскольку термопара является дифференциальным устройством, а не устройством для измерения абсолютной температуры, для получения точных абсолютных показаний температуры необходимо знать температуру эталонного спая.Этот процесс известен как компенсация холодного спая (компенсация холодного спая).

Термопары

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

Зачем нужна термопара?

Преимущества

• Температурный диапазон: Большинство практических температурных диапазонов, от криогенных до выхлопных газов реактивных двигателей, можно обслуживать с помощью термопар. В зависимости от используемой металлической проволоки термопара может измерять температуру в диапазоне от –200 ° C до + 2500 ° C.
• Надежность: термопары — это надежные устройства, устойчивые к ударам и вибрации, и пригодные для использования во взрывоопасных средах.
• Быстрый отклик. Поскольку термопары маленькие и обладают низкой теплоемкостью, они быстро реагируют на изменения температуры, особенно если чувствительный спай обнажен.Они могут реагировать на быстро меняющиеся температуры в течение нескольких сотен миллисекунд.
• Без самонагрева: поскольку термопарам не требуется мощность возбуждения, они не склонны к самонагреву и искробезопасны.

Недостатки

• Комплексное преобразование сигнала: требуется существенное преобразование сигнала для преобразования напряжения термопары в пригодное для использования значение температуры. Традиционно преобразование сигнала требовало больших затрат времени на разработку, чтобы избежать ошибок, снижающих точность.
• Точность: в дополнение к присущей термопарам неточности из-за их металлургических свойств, измерение термопары является настолько точным, насколько может быть измерена температура эталонного спая, обычно в пределах от 1 ° C до 2 ° C.
• Восприимчивость к коррозии: поскольку термопары состоят из двух разнородных металлов, в некоторых средах коррозия со временем может привести к снижению точности. Следовательно, им может потребоваться защита; и уход и обслуживание имеют важное значение.
• Восприимчивость к шуму: при измерении изменений сигнала микровольтного уровня могут возникнуть проблемы с шумом от паразитных электрических и магнитных полей. Скручивание пары проводов термопары может значительно уменьшить наводку магнитного поля. Использование экранированного кабеля или прокладки проводов в металлическом кабелепроводе и ограждении может уменьшить наводку электрического поля. Измерительный прибор должен обеспечивать фильтрацию сигнала аппаратно или программно с сильным подавлением частоты сети (50 Гц / 60 Гц) и ее гармоник.

Трудности измерения с помощью термопар

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

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

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

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

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

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

Рис. 2. Базовая схема железо-константановой термопары.

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

Для измерения эталонной температуры доступны различные датчики:

1. Термисторы: они имеют быстрый отклик и небольшой корпус; но они требуют линеаризации и имеют ограниченную точность, особенно в широком диапазоне температур.Им также требуется ток для возбуждения, который может вызвать саморазогрев, что приведет к дрейфу. Общая точность системы в сочетании с формированием сигнала может быть низкой.
2. Резистивные датчики температуры (RTD): RTD являются точными, стабильными и достаточно линейными, однако размер корпуса и стоимость ограничивают их использование для приложений управления технологическим процессом.
3. Дистанционные термодиоды: диод используется для измерения температуры рядом с разъемом термопары. Микросхема кондиционирования преобразует напряжение на диоде, пропорциональное температуре, в аналоговый или цифровой выходной сигнал.Его точность ограничена примерно ± 1 ° C.
4. Встроенный датчик температуры: Встроенный датчик температуры, автономная ИС, которая измеряет температуру локально, должна быть осторожно установлена ​​рядом с эталонным спаем и может сочетать компенсацию холодного спая и формирование сигнала. Может быть достигнута точность с точностью до малых долей в 1 ° C.

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

Есть три распространенных способа компенсации нелинейности термопары.

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

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

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

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

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

Рисунок 4. Типы измерительного спая термопары.

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

Рисунок 5. Варианты заземления при использовании наконечников разных типов.

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

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

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

Измерительное решение 1: оптимизировано для простоты

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

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

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

Масштабный коэффициент усиления и выхода: Малый сигнал термопары усиливается коэффициентом усиления AD8495, равным 122, в результате чего чувствительность выходного сигнала составляет 5 мВ / ° C (200 ° C / В).

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

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

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

Работа с изолированными, заземленными и незащищенными термопарами: На рисунке 5 показан резистор 1 МОм, подключенный к земле, что позволяет использовать все типы наконечников термопар.AD8495 был специально разработан, чтобы иметь возможность измерять несколько сотен милливольт под землей при использовании с одним источником питания, как показано на рисунке. Если ожидается больший перепад заземления, AD8495 также может работать с двумя источниками питания.

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

Рисунок 7. Функциональная блок-схема AD8495.

Таблица 2 обобщает производительность интегрированного аппаратного решения с использованием AD8495:

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

Измерительное решение 2: оптимизировано для точности и гибкости

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

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

Как эта конфигурация учитывает упомянутые ранее требования к формированию сигнала?

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

Рисунок 9. Функциональная блок-схема AD7793.

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

Рисунок 10. Функциональная блок-схема ADT7320.

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

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

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

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

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

Заключение

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

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

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

Приложение

Использование уравнения NIST для преобразования температуры ADT7320 в напряжение

Компенсация холодного спая термопары основана на соотношении:

где:

Δ В = выходное напряжение термопары

В при Дж ₁ = напряжение, генерируемое на спайе термопары

В при Дж ₂ = напряжение, генерируемое на опорном спайе

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

После измерения температуры эталонного спая ее необходимо преобразовать в эквивалентное термоэлектрическое напряжение, которое будет генерироваться переходом при измеренной температуре. В одном методе используется многочлен степенного ряда. Рассчитано термоэлектрическое напряжение:

где:

E = термоэлектрическое напряжение (микровольт)

a _n = коэффициенты полинома, зависящие от типа термопары

T = температура (° C)

n = порядок полинома

NIST публикует таблицы полиномиальных коэффициентов для каждого типа термопар.В этих таблицах приведены списки коэффициентов, порядок (количество членов в полиноме), допустимые диапазоны температур для каждого списка коэффициентов и диапазон ошибок.