Термопара принцип работы

Какой термометр выбрать: с термопарой или с терморезистором

Устройство и принцип действия термопары в термоэлектрическом измерителе и терморезистора в термометре сопротивления:

Нельзя однозначно для всех ситуаций рекомендовать, какие детекторы лучшие: термометр с термопарой или с термистором (ТС, он же термометр сопротивления), так как надо учитывать среду и сопоставлять со свойствами этих типов термодатчиков — каждый имеет свои плюсы и минусы. Подробно мы их рассмотрели.  Теперь опишем пример выбора.

Первым делом сравнивают характеристики, сопоставляют:

• с требуемой точностью. Для не особо требовательных целей отклонение на 1–2 градуса не будет критичным. Но для приборов требовательных к точности данный параметр важен. В большинстве случаев корректнее термисторы, но также данный параметр у разных моделей сенсоров может быть равным, что мы видим в таблице;
• с рабочим температурным диапазоном. Тут ТП, безусловно, лучше, охватывает рамки t° намного шире;
• скорость реакции лучше у термопар, но это общее правило. Данный параметр может также сравниваться (см. табл.);
• термоэлектрический преобразователь лучше выдерживают вибрации, механические нагрузки, агрессивные среды.

Определить лучший вариант прибора надо с учетом всех нюансов и поставленных целей. Опишем это в примере:

обслуживаемая зона — сегмент трубопровода с изменяющимися постоянно условиями, с вибрациями

Температура −200…+300° C;
цель — максимальная точность, и это самое важное условие;
можно подобрать термодатчики обоих типов. На первый взгляд ТП более подходящая, так как устойчивее к нагрузкам, вибрации;
в итоге выбран термисторный прибор, так как цель — точность, а у этого типа сенсоров она выше

Кроме того, применили именно тонкопленочный термистор, этот вариант сенсора более стойкий к вибрациям нагрузкам.

Второй пример:

• среда — реактор, +550…+900° C, уровень вибрации низкий;
• цель — точность ±5° C;
• ТС выдают стабильно точные измерения, особенно при невысоких вибрациях, но не надо забывать о диапазоне t°. Термисторы не стоит применять при выше + 850° C. Поскольку наша среда имеет от +900, выбран термометр с термопарой.

Преимущества и недостатки

Ключевыми преимуществами термопар можно назвать следующие:

• простота конструкции;
• низкая себестоимость изготовления;
• широкий диапазон измеряемых температур (от абсолютного нуля и свыше 2000 градусов по Цельсию);
• надежность (разрешено использовать в условиях агрессивной среды, в химических растворах);
• высокая точность измерения, при правильной градации можно делать замеры с шагом вплоть до 0,01 градуса;
• малый размер капсулы датчика (в цифровой электронике используются модели, размером с микротранзистор).

Из недостатков стоит упомянуть:

• необходимость в определении точного значения коэффициента компенсации (так как замеры производятся не только при нулевой температуре), для каждого отдельного вида термопары это проводится индивидуально;
• наличие диапазона, при котором изменение ЭДС происходит нелинейно (для каждого типа проводника он свой), что не позволяет использовать датчик за его пределами;
• погрешность измеряемых значений термопары ухудшается со временем за счет снижения градуировочных значений (регулярные перепады температур буквально «изнашивают» датчик);
• необходимость использовать только совместимые измерительные приборы (или задействовать компенсационные провода).

Итого, термопара – один из самых простых, точных и дешевых термодатчиков, принцип работы которого заключен в измерении значения электродвижущей силы (указывается в Вольтах, но не следует путать с напряжением).

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

Устройство и принцип работы

Известно, что в замкнутой цепи, которая состоит из двух проводников из разных металлов (напр., хромель и копель), возникает термоэлектродвижущая сила (ЭДС), при условии, что их горячий и холодный спаи имеют различную температуру (эффект Зеебека). Значение ЭДС зависит от материалов проводников, температур их холодного и горячего спаев.

Обычно, напряжение бытовой термопары находится в пределах 20-60 милливольт (мВ), чего достаточно для открытия газового клапана, но, разумеется, недостаточно для работы сложной автоматики и прочих модулей, для которых уже необходимо подключение к электросети.

Так выглядит стандартная термопара на фото.

Модуль не ограничивается парой спаев, однако устройство термопары достаточно простое и понятное:

1. Гильза, внутри которой находятся термоэлектроды с «горячим» спаем проводников, именно она крепится на горелочный модуль котла, рядом с пилотной горелкой (запальником).
2. Удлинитель, защищенный медной трубкой от внешнего воздействия электромагнитных полей, служит для соединения рабочей части (горячего спая) с электромагнитным газовым клапаном.
3. Диэлектрическая шайба с «холодным» спаем, именно она вставляется в гнездо газового электромагнитного клапана.

Чаще всего в термопарах бытовых газовых котлов используются спаи из хромеля и алюмеля (ТХА), хромеля и копеля (ТХК), железа и константана (ТЖК). Все используемые сплавы, их маркировка и характеристики указаны в таблице ниже.

Как работает термоэлектрический термометр в составе газового котла

Принцип работы термопары в составе газового котла везде один:

1. Сначала человек механическим путем открывает клапан подачи газа, удерживая кнопку электромагнитного клапана в течение 15-30 секунд.
2. Затем единожды нажимается кнопка пъезорозжига, возникает искра и зажигается запальная горелка.
3. Кнопка магнитного клапана удерживается еще на протяжении 30-60 секунд, пока рабочий спай термопары, находящийся рядом с запальником, не нагреется и не выдаст необходимое напряжение.
4. По прошествии 30-60 секунд кнопка электромагнитного клапана отпускается, но горение не прекращается, поскольку нагретая термопара вырабатывает достаточно напряжения для удержания газового клапана в открытом положении. Котел работает в штатном режиме, без вмешательства человека.
5. Как только горение прекращается, пламя больше не нагревает термопару, вследствие чего напряжения недостаточно для удержания электромагнитного газового клапана открытым, он закрывается, прекращая подачу газа.

Недостатки

К сожалению, у таких простых приборов наряду с очевидными достоинствами присутствуют и некоторые недостатки. Прежде всего, стоит упомянуть погрешность, которая обычно составляет 0,5-2 градусов. Поэтому чтобы добиться более точных показаний (до ±0,01 °С), необходима индивидуальная градуировка термопары.

Простота конструкции и высокая надежность, являясь неоценимым преимуществом, вместе с этим это еще и минус. Как такое может быть? Все очень просто – в случае возникновения неисправности термопары починить ее нет возможности, только заменить.

Благо, такой недостаток термопар для плит не столь существенен, так как стоимость не такая высокая.

Принцип работы

Работа любой термопары основывается на термоэлектрическом эффекте, который был открыт Т.И. Зеебеком в далёком 1821 году. Данный эффект заключается в том, что если последовательно соединить друг с другом два разнородных металлических проводника, образуя таким образом замкнутую электрическую цепь, и в одном месте соединения проводников произвести нагрев, то в цепи возникает электродвижущая сила (ЭДС). Данную электродвижущую силу называют термо-ЭДС. Под действием термо-ЭДС в замкнутой цепи начинает протекать электрический ток.

Как работает термопара.

Место нагрева обычно называют горячим спаем. Место, где нет нагрева – холодный спай. Если в разрыв цепи подключить гальванометр или микровольтметр, то можно измерить величину термо-ЭДС, которая будет составлять несколько мили- или микровольт. Значение термо-ЭДС будет зависеть от величины нагрева в месте соединения проводников и от величины температуры в месте соединения проводников, где нагрев не происходит. Т.е. значение термо-ЭДС зависит от разности температур между холодным и горячим спаем. Также термо-ЭДС зависит и от рода самих проводников.

Будет интересно Чему равна электроемкость конденсатора?

Таким образом, если место соединения разнородных проводников термопары нагреть, то между несоединёнными (свободными) концами проводников возникнет разность потенциалов, которую можно измерить электроизмерительным прибором. Благодаря современным преобразователям возникающую разность потенциалов можно преобразовать в определённое цифровое значение, т.е. вполне реально узнать значение температуры нагрева в месте соединения проводников термопары. Для того чтобы измерения были точными, температура холодного спая должна быть неизменной. Т.к. это не всегда возможно, используются специальные компенсационные схемы для компенсации температуры холодного спая.

Устройство термопары.

Конструкция устройства

Современные термопары изготавливаются различной формы и длины. По конструктивному исполнению их можно разделить на две группы:

• бескорпусные термопары;
• термопары с защитным кожухом.

Первые представляют собой изделие, у которого место соединения двух проводников не закрыто и не защищено от внешних воздействий. Такое исполнение позволяет достичь быстрого времени измерения температуры и низкой инертности. Второй тип термопары выпускается в виде зонда. Зонд представляет собой металлическую трубку с внутренним изолятором, выдерживающим высокую температуру. Внутрь зонда помещается термоэлектрический элемент термопары. Благодаря такой конструкции термоэлемент защищён от влияния агрессивных сред различных технологических процессов.

Термопара типа J.

Холодный спай

Холодный спай часто представляет собой точку, где свободные концы проводов термопары подсоединяются к измерительному прибору. В силу того, что измерительный прибор в цепи термопары в действительности измеряет разность напряжения между двумя спаями, то напряжение холодного спая должно поддерживаться на неизменном уровне, насколько это возможно. Поддерживая напряжение на холодном спае на неизменном уровне мы тем самым гарантируем, что отклонение в показаниях измерительного прибора свидетельствует о изменении температуры на рабочем спае.

Если температура вокруг холодного спая меняется, то величина напряжения на холодном спае также изменится. В результате изменится напряжение на холодном спае. И как следствие разница в напряжении на двух спаях тоже изменится, что в конечном итоге приведет к неточным показаниям температуры. Для того, чтобы сохранить температуру на холодном спае на неизменном уровне во многих термопарах используются компенсирующие резисторы. Резистор находится в том же месте, что и холодный спай, так что температура воздействует на спай и резистор одновременно.

Термопара газовой плиты.

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.

Из чего состоит термопара.

Способы подключения

Наиболее распространены два способа подключения термопары к измерительным преобразователям: простой и дифференциальный. В первом случае измерительный преобразователь подключается напрямую к двум термоэлектродам. Во втором случае 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.

Особенности, нюансы по точности

Напряжение на холодных кончиках пропорционально зависимое от t° в районе горячей спайки. В определенном температурном диапазоне наблюдается линейное термоэлектрическое свойство, показывающее собой зависимость напряжения от уровня разности t° между точками теплым и холодным элементом ТП. Линейность условная — о ней можно говорить, лишь когда t° на последнем постоянная. Данный нюанс надо учитывать, если делается градуировка: при изменении нагрева на холодных окончаниях есть вероятность значительной погрешности

Когда требуется высокая точность замеров, холодные концы помещают в специальные капсулы, где стабильность одного выбранного уровня температуры поддерживается специальными электронными приборами, обрабатывающими показатели термометра сопротивления. При таком подходе добиваются точности до ±0.01. Но это затребовано лишь для немногих технологических процессов. В большинстве случаев, например, при работе термопары в холодильниках, водонагревателях и прочих бытовых приборах требования менее жесткие, допускают отклонения на порядок ниже.

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.

Вам это будет интересно  Киловатт — производная единица измерения мощности

https://youtube.com/watch?v=jP0vp1dY374

Плюсы и минусы устройства

Термопара – старейший и до сих пор наиболее распространенный в промышленности температурный датчик. Действие термопары основано на эффекте, который впервые был открыт и описан Томасом Зеебеком в 1821 г. – возникновении тока в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при наличии градиента температур между спаями.

Поскольку генерирование Термо-ЭДС происходит по длине термоэлектрода, то показания термопары зависят от состояния термоэлектродов в зоне максимального температурного градиента. Поэтому поверку термопар следует проводить при той же глубине погружения в среду, что и на рабочем объекте. Учёт термоэлектрической неоднородности особенно важен для рабочих термопар из неблагородных металлов.

Плюсы и минусы термопары

Широкий диапазон рабочих температур, они являются самыми высокотемпературными из контактных датчиков.

Спай термопары может быть непосредственно заземлён или приведён в прямой контакт с измеряемым объектом.

Простота изготовления, надёжность и прочность конструкции.

Необходимость контроля температуры холодных спаев.

На большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.

Зависимость Термо-ЭДС от температуры существенно не линейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.

В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового сенсора и автоматическое введение поправки к измеренной Термо-ЭДС. Возникновение термоэлектрической неоднородности в проводниках и, как следствие, изменение градуировочной характеристики из-за изменения состава сплава в результате коррозии и других химических процессов.

Будет интересно Законы Кирхгофа простыми словами: определение для электрической цепи

Материал электродов не является химически инертным и, при недостаточной герметичности корпуса термопары, может подвергаться влиянию агрессивных сред, атмосферы и т.д. Когда жесткие требования выдвигаются ко времени термической инерции термопары и необходимо заземлять рабочий спай, то следует обеспечить электрическую изоляцию преобразователя сигнала для устранения опасности возникновения утечек через землю.

В зависимости от материалов термоэлектродов различают термопары из благородных и неблагородных металлов. К первым относятся термопреобразователи платиновой группы (ТПП, ТПР). К неблагородным – ТВР, ТХА, ТХК, ТМК, ТНН, ТЖК и др. из серийно выпускаемых.

Возможные неисправности и методы их устранения

Если при нажатии кнопки подачи газа горелка включается и тут же гаснет, это говорит о неисправности термопары. Также это может быть результатом плохого контакта преобразователя с электромагнитным клапаном.

Ремонт неисправности термопары газового котла заключается в следующем:

• извлекают конец термопары, открутив гаечным ключом прижимную гайку, при помощи которой преобразователь прикрепляется к клапану;
• если при осмотре обнаруживается наличие загрязнений или окислов, зачищают место контакта мелкой шкуркой;
• далее при помощи мультиметра проверяют работоспособность устройства.

Если при проверке датчик показывает напряжение 50 мВ, можно попробовать запустить котел. Если проблема осталась, и горелка гаснет, это может свидетельствовать о неисправности электромагнитного клапана.

В случае если клапан в рабочем состоянии, следует обеспечить корректное соединение преобразователя с клапаном: найти соответствующее положение прижимной гайки для оптимального контакта.

Следует знать, что если преобразователь газового котла вышел из строя, прибор не подлежит восстановлению. Здесь необходимо выполнить замену термопары, установив вместо нее новый образец. Продукция этой категории предлагается множеством отечественных и зарубежных производителей, среди которых «Арбат», Жуковский завод АОГВ, концерн Honeywellи другие промышленные компании. Ценовой диапазон на это устройство варьируется в пределах 600-2000 р.

Основные сферы применения термопар – автоматика газового оборудования, установки литейной промышленности и множество других направлений производства. На базе этого прибора разработан целый ряд терморегуляторов и термометров бытового и промышленного назначения. В руках народных умельцев термоэлектрический преобразователь может стать основой для мини электростанции, его используют для создания зарядных устройств, при помощи которых можно заряжать маломощные устройства от открытого огня, в том числе, и от костра.

Где используются?

Сейчас они являются самым распространенным вариантом температурных датчиков. Используются как в бытовых приборах, так и в промышленности (в том числе в металлургии, где измеряются температуры жидких металлов). Можно упомянуть следующие варианты применения термопар:

1. В холодильниках. Термодатчик включает реле при повышении температуры внутри холодильной камеры, отключает – при её снижении до требуемого уровня.
2. В газовых котлах. Термодатчик отключает подачу газа, если внутри камеры сгорания температура падает ниже заданного значения. Таким образом работает аварийная система отключения котла при затухании горелки (форсунки).
3. В автомобилях. Датчик устанавливается в системе охлаждения (в некоторых марках авто и в воздуховоде, в топливном насосе) для контроля температурного режима, автоматического включения и отключения вентилятора.
4. В компьютерной технике (ноутбуки, смартфоны). Датчик замеряет температуру процессора, микроконтроллеров, GPU-адаптера и при превышении заданного значения – снижает подаваемое напряжение (это называется «троттлинг», то есть принудительное снижение производительности).
5. В цифровых градусниках и термометрах, метеостанциях.
6. В бытовых мультиметрах.

Похожие записи:

Активное, емкостное и индуктивное сопротивление. закон ома для цепей переменного тока Ретро проводка в современном доме Где используется фидерный кабель Маркировка smd компонентов: кодовые обозначения Как сделать веб-приложение для вашего собственного bluetooth low energy девайса? Как подключить усилитель в машине