Что такое термопара, принцип действия, основные виды и типы

Описание

Принцип работы ПТ основан на возникновении термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) в электрической цепи, состоящей из двух различных металлических проводников (термоэлектродов), места соединений (спаи) которых находятся при различной температуре. ПТ обеспечивают преобразование измеренной температуры в изменение ТЭДС с известной зависимостью в соответствии с типом номинальной статической характеристики преобразования (НСХ).

ПТ состоят в общем случае из чувствительного элемента (ЧЭ), изготовленного из термопарного кабеля, представляющего собой трубку различных диаметров из нержавеющего, химстойкого или жаропрочного металла, в которую помещены 2 или 4 термоэлектродные жилы, изолированные друг от друга, с одним или двумя рабочими спаями и заглушкой со стороны рабочего спая.

ТП изготавливаются следующих модификаций: 001, 001В, 001К, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109, 110, 112, 204, 205, 206, 207, 231, 2311, 232, 233, 301, 301В, 301Б, 302, 302Б, 304, 305, 306, 307, 308, 3052 отличающихся друг от друга конструкцией защитной арматуры, видами присоединения к объекту измерения (без монтажных элементов, с подвижным или неподвижным штуцером) и наличием или отсутствием клеммной головки. Материал клеммной головки — алюминиевый сплав или фенопласт.

Защитная арматура ПТ выполнена из нержавеющей стали, химстойкой или жаропрочной стали, керамики, графитосодержащих смесей или чугуна.

Устройство и принцип действия

Термопара конструктивно состоит из двух проволок, каждая из которых изготовлена из разных сплавов. Концы этих проводников образуют контакт (горячий спай) выполненный путём скручивания, с помощью узкого сварочного шва либо сваркой встык. Свободные концы термопары замыкаются с помощью компенсационных проводов на контакты измерительного прибора или соединяются с автоматическим устройством управления. В точках соединения образуется другой, так называемый, холодный спай. Схематически устройство изображено на рисунке 1.

Красным цветом выделено зону горячего спая, синим – холодный спай.

Электроды состоят из разных металлов (металл А и металл В), которые на схеме окрашены в разные цвета. С целью защиты термоэлектродов от агрессивной горячей среды их помещают в герметичную капсулу, заполненную инертным газом или жидкостью. Иногда на электроды надевают керамические бусы, как показано на рис. 2).

Принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте. При замыкании цепи, например милливольтметром (см. рис. 3) в точках спаек возникает термо-ЭДС. Но если контакты электродов находятся при одинаковой температуре, то эти ЭДС компенсируют друг друга и ток не возникает. Однако, стоит нагреть место горячей спайки горелкой, то согласно эффекту Зеебека возникнет разница потенциалов, поддерживающая существование электрического тока в цепи.

В тех случаях, когда необходимо добиться высокой точности показателей, холодные спайки измерительных преобразователей помещают даже в специальные камеры, в которых температурная среда поддерживается на одном уровне специальными электронными устройствами, использующими данные термометра сопротивления (схема показана на рис. 4). При таком подходе можно добиться точности измерений с погрешностью до ± 0,01 °С. Правда, такая высокая точность нужна лишь в немногих технологических процессах. В ряде случаев требования не такие жёсткие и погрешность может быть на порядок ниже.

На погрешность влияют не только перепады температуры в среде, окружающей холодную спайку. Точность показаний зависит от типа конструкции, схемы подключения проводников, и некоторых других параметров.

Описание

Измерение температуры с помощью ТП основано на явлении возникновения термоэлектродвижущей силы (далее по тексту — ТЭДС) в электрической цепи, состоящей из двух разнородных металлов или сплавов, при помещении его рабочего и свободных концов в среды с различными температурами. Величина ТЭДС определяется типом материалов термоэлектродов и разностью температур мест соединения (спаев) термоэлектродов.

Термопреобразователи состоят из следующих основных элементов:

—    первичного преобразователя температуры — термопары, предназначенной для преобразования измеряемой температуры в эквивалентное изменение ТЭДС;

—    электрической изоляции;

—    защитной арматуры.

ТП выполнены без крепежного устройства и без головки для подключения соединительных линий.

ТП имеют исполнения, отличающиеся длиной и диаметром монтажной части, наличием дополнительной защитной арматуры и способом заделки горячего спая термопар.

Термопары термопреобразователей изготавливают из термопарного кабеля КТМС(ХК) диаметром 1,5 мм, ТУ 16-505.757-75.

Материал термоэлектродов: хромель (положительного) и копель (отрицательного).

Материал защитной арматуры ТП — сталь 08Х18Н10Т или 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72.

Типы термопар и их характеристики

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

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

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

Типы спаев

В зависимости от назначения термодатчика спаи термопар могут иметь различную конфигурацию. Существуют одноэлементные и двухэлементные спаи. Они могут быть как заземлёнными на корпус колбы, так и незаземленными. Понять схемы таких конструкций можно из рисунка 5.

Буквами обозначено:

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

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

Многоточечные термопары

Часто требуется измерение температуры в различных точках одновременно. Многоточечные термопары решают эту проблему: они фиксируют данные о температуре вдоль оси преобразователя. Такая необходимость возникает в химических и нефтехимических отраслях, где требуется получать информацию о распределении температуры в реакторах, колоннах фракционирования и в других ёмкостях, предназначенных для переработки жидкостей химическим способом.

Многоточечные измерительные преобразователи температуры повышают экономичность, не требуют сложного обслуживания. Количество точек сбора данных может достигать до 60. При этом используется только одна колба и одна точка ввода в установку.

Технические характеристики

Диапазон измеряемых температур:

—    от минус 40 до плюс 400 °С — для ТП, предназначенных для использования в атомной энергетике;

—    от минус 40 до плюс 600 °С — для ТП общепромышленного применения.

Тип ТП — ТХК (хромель-копелевые), буквенное обозначение номинальной статической характеристики (далее — НСХ) преобразования ТП по ГОСТ 6616-94 — L.

НСХ ТП соответствует ГОСТ Р 8.585-2001.

Пределы допускаемых отклонений (At, °С) ТЭДС ТП от НСХ в температурном эквиваленте при выпуске из производства соответствуют классу 2 по ГОСТ Р 8.585-2001:

At = ± 2,5 °С при температуре от минус 40 до плюс 360 °С,

At = ± (0,7 + 0,007 • t) при температуре свыше плюс 360 °С до плюс 600 °С, где t — значение измеряемой температуры, °С.

Пределы допускаемых отклонений ТЭДС ТП от индивидуальной статической характеристики преобразования (ИСХ) в температурном эквиваленте при выпуске из производства в диапазоне температур от плюс 50 до плюс 400 оС: ± 0,5 оС.

По количеству термопар в одной зоне ТП выполняются одинарными.

По наличию контакта термопары с металлической частью защитной арматуры ТП выполняются с изолированной (И), так и с неизолированной (НИ) термопарой.

Показатель тепловой инерции при коэффициенте теплоотдачи практически равном бесконечности в зависимости от исполнения ТП, с, не более: 0,5 или 1,0.

Электрическое сопротивление изоляции, МОм, не менее: 100 (при температуре (25 ± 10) °С и относительной влажности от 30 до 80 %).

Диаметр монтажной части ТП в зависимости от исполнения, мм: 1,5 или 4,0.

Длина монтажной части ТП в зависимости от исполнения, мм: от 370 до 11200.

Масса (в зависимости от исполнения), кг — от 0,015 до 0,687.

Климатическое исполнение ТП — УХЛ4 по ГОСТ 15150-69, группа исполнения Д2 по ГОСТ Р 52931-2008.

Нормальный режим эксплуатации ТП определяется следующими воздействующими факторами:

—    температура окружающего воздуха, оС — от плюс 15 до плюс 60;

—    относительная влажность, % — не более 90;

—    давление (абсолютное), МПа — от 0,085 до 0,1032;

—    объемная активность, Бк/л — не более 7,4104;

—    мощность поглощенной дозы, Гр/с — не более 28,010-5.

По устойчивости к помехам ТП относятся к группе исполнения IV по ГОСТ Р 50746-2000.

ТП относятся к категории I сейсмостойкости по НП-031-01.

В зависимости от исполнения ТП устойчивы и прочны к воздействию синусоидальных вибраций, допустимых для групп исполнений V4 или F3 по ГОСТ Р 52931-2008.

ТП являются невосстанавливаемыми, неремонтируемыми, однофункциональными изделиями.

Средний срок службы ТП — 10 лет.

Назначенный срок службы ТП — 5 лет.

Средняя наработка до отказа ТП — не менее 250000 ч.

Преобразователь термоэлектрический ТХК (термопара)

(Измерительный шток храмель-капель)

Способы подключения

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

Некоторые измерительные приборы содержат схемы корректировки показаний на основе встроенного термистора. К таким приборам просто подключаются провода, соблюдая их полярность (см. рис. 6).

Часто используют схему подключения «на разрыв». Измерительный прибор, подключают через проводник того же типа что и клеммы (чаще всего медь). Таким образом, в местах соединения отсутствует холодный спай. Он образуется лишь в одном месте: в точке присоединения провода к электроду термопары. На рисунке 7 показана схема такого подключения.

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

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

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

Знак утверждения типа

наносится на титульные листы эксплуатационной документации типографским способом. Комплектность средства измерений

Таблица 3 — Комплектность средств измерений

Принцип действия

Если кратко, то ТП состоит из проводков из 2 разных сплавов со своими электрохарактеристиками при термических влияниях: создается определенная разность потенциалов и слабый ток, что фиксирует приемник таких показаний.

Но если углубиться в изучение термопары, то надо сказать о значительных особых нюансах как она работает.

Принцип работы термопары использует термоэлектрическое реагирование, впервые описанной ученым Т. Зеебеком. Соединенные проводники имеют контактную разность потенциалов. Конструктивно сенсор состоит из 2 жил из разных сплавов.

Концы образуют головку — контакт, так называемый горячий спай (красный на схеме ниже), созданный скручиванием, а чаще сваркой (швом, встык). Свободные окончания идут на обрабатывающие данные, управляющие узлы обслуживаемого оснащения, они замкнутые компенсационными проводками на контакты таких приборов, а в точках соединения с ТП находится холодный спай (синий на рис. ниже).

Электроды из разных металлов, условно А и B, на чертеже выше тоже изображены разными оттенками. Они защищены герметичной капсулой (может быть с инертным газом, жидкостью), керамическими цилиндриками (на изобр. ниже).

Объяснение из Википедии:

Действие основывается на эффекте с термоэлектрическими свойствами (назван на честь ученого Т. Зеебека). Если цепь замыкается, например, милливольтметром, на точках спаек появляется термо-ЭДС (электродвижущая сила). Если применить электроды с одних и тех же сплавов, то они бы  нагревались одинаково (равнозначно), ЭДС взаимно бы компенсировалась, ток бы не возник.

Термопара, как она работает, что это такое простым языком: разные же проводники нагреваются по-разному, их спаи обладают неидентичными температурами, поэтому между ними возникает разность потенциалов, инициирующая термо ЭДС, которая и поддерживает слабый ток на такой цепи. Величина пропорциональная разности t° спаев

Надо акцентировать, что принимать во внимание надо именно ее, а не другие показатели

Еще одно простое объяснение, как работает термопара: если соединить 2 разных металлических проводника, создав замкнутую электроцепь, и нагреть точку данного соединения, то появится электродвижущая сила (термоЭДС) и малый электроток. ТП передает эти данные на микросхему обслуживаемого или измерительного прибора, который и обрабатывает их, вычисляя t°.

Информация по Госреестру

Устройство термопары

Принцип работы термопары. Эффект Зеебека

Работа термопары обусловлена возникновением термоэлектрического эффекта, открытым немецким физиком Томасом Зеебеком (Tomas Seebeck) в 1821 г.

Явление основано на возникновении электричества в замкнутом электрическом контуре при воздействии определенной температуры окружающей среды. Электрический ток возникает при наличии разницы температур между двумя проводниками (термоэлектродами) различного состава (разнородных металлов или сплавов) и поддерживается сохранением места их контактов (спаев). Устройство выводит на экран подсоединенного вторичного прибора значение измеряемой температуры.

Выдаваемое напряжение и температура находятся в линейной зависимости. Это означает, что увеличение измеряемой температуры приводит к большему значению милливольт на свободных концах термопары.

Находящийся в точке измерения температуры спай называется «горячим», а место подключения проводов к преобразователю — «холодным».

Компенсация температуры холодного спая (КХС)

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

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

Конструкция термопары

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

Особенности конструкции термопар:

1) Спаи проводников соединяются между собой скруткой или скруткой с дальнейшей электродуговой сваркой (редко пайкой).

2) Термоэлектроды должны быть электрически изолированы по всей длине, кроме точки соприкосновения.

3) Способ изоляции подбирается с учетом верхнего температурного предела.

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

Удлиняющие (компенсационные) провода

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

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

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.

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).

Технические характеристики

Таблица 1 — Метрологические характеристики

Таблица 2 — Основные технические характеристики

Похожие записи:

Как выставить зажигание с помощью стробоскопа? Сигнализация действия защиты и автоматики Подключение потолочного светильника со светодиодами Маркировка smd компонентов: кодовые обозначения Как сделать веб-приложение для вашего собственного bluetooth low energy девайса? Как подключить усилитель в машине