Устройство термопары

Вопрос №3 Термопара. Принцип работы термопары.

Устройство термопары

Термопара (термоэлектрический преобразователь температуры) — термоэлемент, применяемый в

измерительных и преобразовательных устройствах, а также в системах автоматизации.

Международный стандарт на термопары МЭК 60584 (п.2.2) дает следующее определение термопары:

Термопара — пара проводников из различных материалов, соединенных на одном конце и формирующих

часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.

Для измерения разности температур зон, ни в одной из которых не находится вторичный преобразователь

(измеритель термо-ЭДС), удобно использовать дифференциальную термопару: две одинаковых термопары,

соединенных навстречу друг другу. Каждая из них измеряет перепад температур между своим рабочим

спаем и условным спаем, образованным концами термопар, подключёнными к клеммам вторичного

преобразователя, но вторичный преобразователь измеряет разность. их сигналов, таким образом, две

термопары вместе измеряют перепад температур между своими рабочими спаями.

Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Когда концы проводника находятся при разных температурах, между ними возникает разность потенциалов, пропорциональная разности температур. Коэффициент пропорциональности называют коэффициентом термоэдс. У разных металлов коэффициент термоэдс разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными коэффициентами термоэдс в среду с температурой Т1 . мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т2. которое будет пропорционально разности температур T1 и Т2 .

Вопрос №4 Виды термометров сопротивления.

Термометр сопротивления — датчик для измерения температуры, сопротивление чувствительного элемента которого зависит от температуры. Может быть выполнен из металлического или полупроводникового материала. 6 последнем случае называется термистором.

Представляет собой резистор, выполненный из металлической проволоки или пленки и имеющий известную зависимость электрического сопротивления от температуры Наиболее распространённый тип термометров сопротивления — платиновые термометры Это объясняется тем, что платина имеет высокий температурный коэффициент сопротивления и высокую стойкость к окислению. Эталонные термометры изготавливаются из платины высокой чистоты с температурным коэффициентом не менее 0,003925. В качестве рабочих средств измерений применяются также медные и никелевые термометры. В стандарте приведены диапазоны, классы допуска, таблицы НСХ и стандартные зависимости сопротивление-температура. Стандарт соответствует международному стандарту МЭК 60751 (2008). В стандарте впервые отказались от нормирования конкретных номинальных сопротивлений. Сопротивление изготовленного термометра может быть любым. Промышленные платиновые термометры сопротивления в большинстве случаев используются со стандартной зависимостью сопротивление-температура (НСХ), что обуславливает погрешность не лучше 0,1 °С (класс АА при 0 °С). Термометры сопротивления на основе запыленной на подложку плёнки отличаются повышенной вибропрочностью, но меньшим диапазоном температур. Максимальный диапазон, в котором установлены классы допуска платиновых термометров для проволочных чувствительных элементов составляет 660 °С (класс С), для пленочных 600 °С (класс С).

Преимущества термометров сопротивления

Высокая точность измерений (обычно лучше ±1 °С), может доходить до 0,01 °С.

Возможность исключения влияния изменения сопротивления линий связи на результат измерения при использовании 3-х или 4-х проводной схемы измерений

Практически линейная характеристика

Недостатки термометров сопротивления

Малый диапазон измерений (по сравнению с термопарами)

Не могут измерять высокую температуру

*****

Термопара: принцип действия, устройство

October 26, 2014

Существует множество разнообразных устройств и механизмов, позволяющих измерять температуру. Некоторые из них применяются в повседневной жизни, какие-то - для различных физических исследований, в производственных процессах и других отраслях.

Одним из таких устройств является термопара. Принцип действия и схему данного устройства мы рассмотрим в последующих разделах.

Физическая основа работы термопары

Принцип работы термопары основан на обычных физических процессах. Впервые эффект, на основе которого работает данное устройство, был исследован немецким ученым Томасом Зеебеком.

Устройство термопары

Суть явления, на котором держится принцип действия термопары, в следующем. В замкнутом электрическом контуре, состоящем из двух проводников различного вида, при воздействии определенной температуры окружающей среды возникает электричество.

Получаемый электрический поток и температура окружающей среды, воздействующая на проводники, находятся в линейной зависимости. То есть чем выше температура, тем больший электрический ток вырабатывается термопарой. На этом и основан принцип действия термопары и термометра сопротивления.

При этом один контакт термопары находится в точке, где необходимо измерять температуру, он именуется «горячим». Второй контакт, другими словами - «холодный», - в противоположном направлении. Применение для измерения термопар допускается лишь в том случае, когда температура воздуха в помещении меньше, чем в месте измерения.

Такова краткая схема работы термопары, принцип действия. Виды термопар мы рассмотрим в следующем разделе.

Виды термопар

В каждой отрасли промышленности, где необходимы измерения температуры, в основном применяется термопара. Устройство и принцип работы различных видов данного агрегата приведены ниже.

Хромель-алюминиевые термопары

Данные схемы термопар применяются в большинстве случаев для производства различных датчиков и щупов, позволяющих контролировать температуру в промышленном производстве.

Устройство термопары

Их отличительными особенностями можно назвать довольно низкую цену и огромный диапазон измеряемой температуры. Они позволяют зафиксировать температуру от -200 до +13000 градусов Цельсия.

Нецелесообразно применять термопары с подобными сплавами в цехах и на объектах с высоким содержанием серы в воздухе, так как этот химический элемент негативно влияет как на хром, так и на алюминий, вызывая нарушения в функционировании устройства.

Хромель-копелевые термопары

Принцип действия термопары, контактная группа которой состоит из этих сплавов, такой же. Но эти устройства работают в основном в жидкости либо газообразной среде, обладающей нейтральными, неагрессивными свойствами. Верхний температурный показатель не превышает +8000 градусов Цельсия.

Применяется подобная термопара, принцип действия которой позволяет использовать ее для установления степени нагрева каких-либо поверхностей, например, для определения температуры мартеновских печей либо иных подобных конструкций.

Железо-константановые термопары

Данное сочетание контактов в термопаре не настолько распространено, как первая из рассматриваемых разновидностей. Принцип работы термопары такой же, однако подобная комбинация хорошо показала себя в разреженной атмосфере. Максимальный уровень замеряемой температуры не должен превышать +12500 градусов Цельсия.

Устройство термопары

Однако, если температура начинает подниматься выше +7000 градусов, существует опасность нарушения точности измерений в связи с изменением физико-химических свойств железа. Имеют место даже случаи коррозии железного контакта термопары при наличии в окружающем воздухе водных паров.

Платинородий-платиновые термопары

Наиболее дорогая в изготовлении термопара. Принцип действия такой же, однако отличается она от своих собратьев очень стабильными и достоверными показаниями температуры. Имеет пониженную чувствительность.

Основная область применения данных устройств — измерение высоких температур.

Вольфрам-рениевые термопары

Также применяются для измерения сверхвысоких температур. Максимальный предел, который можно зафиксировать с помощью данной схемы, достигает 25 тысяч градусов по шкале Цельсия.

Их применение требует соблюдения некоторых условий. Так, в процессе измерения температуры нужно полностью устранить окружающую атмосферу, которая оказывает негативное воздействие на контакты в результате процесса окисления.

Для этого вольфрам-рениевые термопары обычно помещают в защитные кожухи, заполненные инертным газом, защищающим их элементы.

Выше была рассмотрена каждая существующая термопара, устройство, принцип работы ее в зависимости от применяемых сплавов. Теперь рассмотрим некоторые конструктивные особенности.

Устройство термопары

Конструкции термопар

Существует две основные разновидности конструкций термопар.

С применением изоляционного слоя. Данная конструкция термопары предусматривает изолирование рабочего слоя устройства от электрического тока. Подобная схема позволяет использовать термопару в технологическом процессе без изоляции входа от земли.

Без применения изоляционного слоя. Такие термопары могут подключаться лишь к измерительным схемам, входы которых не имеют контакта с землей. Если данное условие не соблюдается, в устройстве возникнет две независимых замкнутых схемы, в результате чего показания, полученные с помощью термопары, не будут соответствовать действительности.

Устройство термопары

Бегущая термопара и ее применение

Существует отдельная разновидность данного устройства, именуемая «бегущей». Принцип действия бегущей термопары мы сейчас рассмотрим более подробно.

Эта конструкция применяется в основном для определения температуры стальной заготовки при ее обработке на токарных, фрезерных и иных подобных станках.

Устройство термопары

Следует отметить, что в данном случае возможно использование и обычной термопары, однако, если процесс изготовления требует высокой точности температурного режима, бегущую термопару трудно переоценить.

При применении данного метода в заготовку заранее запаивают ее контактные элементы. Затем, в процессе обработки болванки, данные контакты постоянно подвергаются воздействию резца или иного рабочего инструмента станка, в результате чего спай (который является главным элементом при снятии температурных показателей) как бы «бежит» по контактам.

Этот эффект повсеместно применяется в металлообрабатывающей промышленности.

Технологические особенности конструкций термопар

При изготовлении рабочей схемы термопары производится спайка двух металлических контактов, которые, как известно, изготовлены из разных материалов. Место соединения носит название «спай».

Следует отметить, что делать данное соединение с помощью спайки необязательно. Достаточно просто скрутить вместе два контакта. Но такой способ производства не будет обладать достаточным уровнем надежности, а также может давать погрешности при снятии температурных показателей.

Если необходимо измерение высоких температур, спайка металлов заменяется на их сварку. Это связано с тем, что в большинстве случаев припой, применяемый при соединении, имеет низкую температуру плавления и разрушается при превышении ее уровня.

Схемы, при изготовлении которых была применена сварка, выдерживают более широкий диапазон температуры. Но и этот способ соединения имеет свои недостатки. Внутренняя структура металла при воздействии высокой температуры в процессе сваривания может измениться, что повлияет на качество получаемых данных.

Кроме того, следует контролировать состояние контактов термопары в процессе ее эксплуатации. Так, возможно изменение характеристик металлов в схеме вследствие воздействия агрессивной окружающей среды. Может произойти окисление либо взаимная диффузия материалов. В подобной ситуации следует заменить рабочую схему термопары.

Разновидности спаев термопар

Современная индустрия производит несколько конструкций, которые применяются при изготовлении термопар:

с открытым спаем;

с изолированным спаем;

с заземленным спаем.

Особенностью термопар с открытым спаем является плохая сопротивляемость внешнему воздействию.

Следующие два типа конструкции могут применяться при измерении температур в агрессивных средах, оказывающих разрушительное влияние на контактную пару.

Кроме того, в настоящее время промышленность осваивает схемы производства термопар по полупроводниковым технологиям.

Устройство термопары

Погрешность измерений

Правильность температурных показателей, получаемых с помощью термопары, зависит от материала контактной группы, а также внешних факторов. К последним можно отнести давление, радиационный фон либо иные причины, способные повлиять на физико-химические показатели металлов, из которых изготовлены контакты.

Погрешность измерений состоит из следующих составных частей:

случайная погрешность, вызванная особенностями изготовления термопары;

погрешность, вызванная нарушением температурного режима «холодного» контакта;

погрешность, причиной которой послужили внешние помехи;

погрешность контрольной аппаратуры.

Преимущества использования термопар

К преимуществам использования подобных устройств для контроля температуры, независимо от области применения, можно отнести:

большой промежуток показателей, которые способны быть зафиксированы с помощью термопары;

спайку термопары, которая непосредственно участвует в снятии показаний, можно расположить в непосредственном контакте с точкой измерения;

несложный процесс изготовления термопар, их прочность и долговечность эксплуатации.

Недостатки измерения температуры с помощью термопары

К недостаткам применения термопары следует отнести:

Необходимость в постоянном контроле температуры «холодного» контакта термопары. Это отличительная особенность конструкции измерительных приборов, в основе которых лежит термопара. Принцип действия данной схемы сужает область ее применения. Они могут быть использованы только в том случае, если температура окружающего воздуха ниже температуры в точке измерения.

Нарушение внутренней структуры металлов, применяемых при изготовлении термопары. Дело в том, что в результате воздействия внешней окружающей среды контакты теряют свою однородность, что вызывает погрешности в получаемых температурных показателях.

В процессе измерения контактная группа термопары обычно подвержена негативному влиянию окружающей среды, что вызывает нарушения в процессе работы. Это опять же требует герметизации контактов, что вызывает дополнительные затраты на обслуживание подобных датчиков.

Существует опасность воздействия электромагнитных волн на термопару, конструкция которой предусматривает длинную контактную группу. Это также может сказаться на результатах измерений.

В некоторых случаях встречается нарушение линейной зависимости между электрическим током, возникающим в термопаре, и температурой в месте измерения. Подобная ситуация требует калибровки контрольной аппаратуры.

Заключение

Несмотря на имеющиеся недостатки, метод измерения температуры с помощью термопар, который был впервые изобретен и опробован еще в 19 веке, нашел свое широкое применение во всех отраслях современной промышленности.

Кроме того, существуют такие области применения, где использование термопар является единственным способом получения температурных данных. А ознакомившись с данным материалом, вы достаточно полно разобрались в основных принципах их работы.

Устройство термопары

Никогда не делайте этого в церкви! Если вы не уверены относительно того, правильно ведете себя в церкви или нет, то, вероятно, поступаете все же не так, как положено. Вот список ужасных.

Устройство термопары

Каково быть девственницей в 30 лет? Каково, интересно, женщинам, которые не занимались сексом практически до достижения среднего возраста.

Устройство термопары

13 признаков, что у вас самый лучший муж Мужья – это воистину великие люди. Как жаль, что хорошие супруги не растут на деревьях. Если ваша вторая половинка делает эти 13 вещей, то вы можете с.

Устройство термопары

Эти 10 мелочей мужчина всегда замечает в женщине Думаете, ваш мужчина ничего не смыслит в женской психологии? Это не так. От взгляда любящего вас партнера не укроется ни единая мелочь. И вот 10 вещей.

Устройство термопары

9 знаменитых женщин, которые влюблялись в женщин Проявление интереса не к противоположному полу не является чем-то необычным. Вы вряд ли сможете удивить или потрясти кого-то, если признаетесь в том.

Устройство термопары

15 симптомов рака, которые женщины чаще всего игнорируют Многие признаки рака похожи на симптомы других заболеваний или состояний, поэтому их часто игнорируют. Обращайте внимание на свое тело. Если вы замети.

*****

Термопара. Устройство, принцип работы, измерения термопар.

Термоэлектрические преобразователи. Принцип действия, применяемые материалы.

Тепловым называется преобразователь, принцип действия которого основан на тепловых процессах и естественной входной величиной которого является температура. К таким преобразователям относятся термопары и терморезисторы, металлические и полупроводниковые. Основным уравнением теплового преобразования является уравнение теплового баланса, физический смысл которого заключается в том, что все тепло, поступающее к преобразователю, идет на повышение его теплосодержания QТС и, следовательно, если теплосодержание преобразователя остается неизменным (не меняется температура и агрегатное состояние), то количество поступающего в единицу времени тепла равно количеству отдаваемого тепла. Тепло, поступающее к преобразователю, является суммой количества тепла Qэл, создаваемого в результате выделения в нем электрической мощности, и количества тепла Qто, поступающего в преобразователь или отдаваемого им в результате теплообмена с окружающей средой.

Явление термоэлектричества было открыто в 1823 г. Зеебеком и заключается в следующем. Если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) А и В, соединив их между собой концами (рис. 1.), причем температуру 1 одного места соединения сделать отличной от температуры о другого, то в цепи появится э.д.с. называемая термоэлектродвижущей силой (термо-э.д.с.) и представляющая собой разность функций температур, мест соединения проводников.

Подобная цепь называется термоэлектрическим преобразователем или иначе термопарой ; проводники, составляющие термопару, - термоэлектродами, а места их соединения - спаями.

Устройство термопары

Рис.1. Конструкция термопары

При небольшом перепаде температур между спаями термо-э.д.с. можно считать пропорциональной разности температур.

Опыт показывает, что у любой пары однородных проводников подчиняющихся закону Ома, величина термо-э.д.с. зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температур между спаями.

Действие термопары основано на эффекте Зеебека. Эффект Зеебека основывается на следующих явлениях. Если вдоль проводника существует градиент температур, электроны на горячем конце добывают высшие энергии и скорости, чем на холодном. В итоге возникает поток электронов от горячего конца к холодному, и на холодном конце накапливается негативный заряд, а на горячем остается некомпенсированный позитивный заряд. Поскольку средняя энергия электронов зависит от природы проводника и по-разному растет с температурой, при той же разнице температур термо-ЭДС на концах разных проводников будут отличаться:

e1 = k1(T1 - T2); e2 = k2(T1 - T2)

где Т1 и Т2 - температуры горячего и холодного концов соответственно; k1 и k2 –коэффициенты, что зависят от физических свойств соответственно 1-го и 2-го проводников. Результирующая разница потенциалов называется объемной термо-ЕРС:

eоб = e1 - e2 = (k1 - k2)(T1 - T2).

В местах спайки разнородных проводников появляется контактная разница потенциалов, которая зависит от площади и материалов прилегающих поверхностей и пропорциональная их температуре:

ek1 = kповT1; ek2 = kповT2

где kпов - коэффициент поверхностей касательных металлов. В итоге появляется вторая составляющая исходного напряжения - контактная термо-ЕРС:

ek = ek1 - ek2 = kпов(T1 - T2)

Напряжение на выходе термопары определяется как сумма объемной и контактной термо-ЭДС:

Uвих = eоб + ek = (k1 - k2 + kпов)(T1 - T2) = к(T1 - T2)

где к - коэффициент передачи.

- малая чувствительность (порядку 0,1 мВ/°К);
- высокое исходное сопротивление;
- необходимость поддержки постоянной температуры одного из концов.

Явление термоэлектричества принадлежит к числу обратимых явлений, обратный эффект был открыт в 1834 г. Жаном Пельтье и назван его именем.
Если через цепь, состоящую из двух различных проводников или полупроводников, пропустить электрический ток, то тепло выделяется в одном спае и поглощается в другом. Теплота Пельтье связана с силой тока линейной зависимостью в отличие от теплоты Джоуля, и в зависимости от направления тока происходит нагревание или охлаждение спая.
Поглощаемая или выделяемая тепловая мощность пропорциональна силе тока, зависит от природы материалов, образующих спай, характеризуется коэффициентом Пельтье.

К.п.д. термоэлектрического генератора зависит от разности температур и свойств материалов и для существующих материалов очень мал (при = 300° не превышает = 13%, а при = 100° значение = 5%), поэтому термоэлектрические генераторы используются как генераторы энергии лишь в специальных условиях. К.п.д. термоэлектрического подогревателя и холодильника также очень малы, и для охлаждения к.п.д. при температурном перепаде 5° составляет 9%, а при перепаде 40° - только 0,6%; однако, несмотря на столь низкие к.п.д. термоэлементы используются в холодильных устройствах. В измерительной технике термопары получили широкое распространение для измерения температур; кроме того, полупроводниковые термоэлементы используются как обратные тепловые преобразователи, преобразующие электрический ток в тепловой поток и температуру.

Термопара с подключенным к ней милливольтметром, применяемая для измерения температуры.
Если один спай термопары, называемый рабочим, поместить в среду с температурой 1, подлежащей измерению, а температуру 2, других, нерабочих, спаев поддерживать постоянной, то f(0) = const и EAB(1) = f(1) – C= f1(1). независимо от того, каким образом произведено соединение термоэлектродов (спайкой, сваркой и т. д.). Таким образом, естественной входной величиной термопары является температура ее рабочего спая, а выходной величиной - термо-э. д. с. которую термопара развивает при строго постоянной температуре 2 нерабочего спая.

Материалы, применяемые для термопар. В табл. 1 приведены термо-э.д.с. которые развиваются различными термоэлектродами в паре с платиной при температуре рабочего спая 1 = 100°С и температуре нерабочих спаев 2 = 0° С. Зависимость термо-э.д.с. от температуры в широком диапазоне температур обычно нелинейна, поэтому данные таблицы нельзя распространить на более высокие температуры.

При пользовании данными таблицы следует иметь в виду, что развиваемые термоэлектродами термо-э.д.с. в значительной степени зависят от малейших примесей, механической обработки (наклеп) и термической обработки (закалка, отжиг).

При конструировании термопар, естественно, стремятся сочетать термо-электроды, один из которых развивает с платиной положительную, а другой — отрицательную термо-э.д.с. При этом необходимо учитывать также пригодность того или иного термоэлектрода для применения в заданных условиях измерения (влияние на термоэлектрод среды, температуры и т. д.).
Для повышения выходной э.д.с. используется несколько термопар, образующих термобатарею. Рабочие спаи термопар расположены на черненом лепестке, поглощающем излучение, холодные концы — на массивном медном кольце, служащем теплоотводом и прикрытым экраном. Благодаря массивности и хорошей теплоотдаче кольца температуру свободных концов можно считать постоянной и равной комнатной.

Погрешности и поправки измерений термопарой.

Измерительный прибор или электронную измерительную систему подключают либо к концам термоэлектродов (рис. 2,а), либо в разрыв одного из них (рис. 2,б).

Устройство термопары

Рис.2 Подключение измерительного прибора к термопаре

Погрешность, обусловленная изменением температуры нерабочих спаев термопары. Градуировка термопар осуществляется при температуре нерабочих спаев, равной нулю. Если при практическом использовании термоэлектрического пирометра температура нерабочих спаев будет отличаться от 0° С на величину 0, то необходимо ввести соответствующую поправку в показания термометра.

Однако следует иметь в виду, что из-за нелинейной зависимости между э.д.с. термопары и температурой рабочего спая величина поправки к показаниям указателя, градуированного непосредственно в градусах, не будет равна разности температур 0 свободных концов.
Величина поправки связана с разностью температур свободных концов через коэффициент k называемый поправочным коэффициентом на температуру нерабочих концов. Величина k различна для каждого участка кривой, поэтому градировочную кривую разделяют на участки по 100° С и для каждого участка определяют значение k.

Недостатком подобных устройств является необходимость в источнике тока для питания моста и появление дополнительной погрешности, обусловленной изменением напряжения этого источника.

Погрешность, обусловленная изменением температуры линии, термопары и указателя. В термоэлектрических термометрах для измерения термо-э.д.с. применяют как обычные милливольтметры, так и низкоомные компенсаторы с ручным или автоматическим уравновешиванием на предел измерения до 100 мВ.

В тех случаях, когда термо-э.д.с. измеряется компенсатором, сопротивление цепи термо-э.д.с. как известно, роли не играет. В тех же случаях, когда термо-э.д.с. измеряется милливольтметром, может возникнуть погрешность, обусловленная изменением сопротивлений всех элементов, составляющих цепь термо-э.д.с.; поэтому необходимо стремиться к постоянному значению сопротивления проводов и самой термопары

Основные параметры термопар промышленного типа:

Для измерения температур ниже — 50° С могут найти применение специальные термопары, например медь — константан (до

- 270° С), медь — копель (до — 200° С) и т. д. Для измерения температур выше 1300—1800° С изготавливаются термопары на основе тугоплавких металлов: иридий—ренийиридий (до 2100° С), вольфрам—рений (до 2500° С), на основе карбидов переходных металлов — титана, циркония, ниобия, талия, гафния
(теоретически до 3000—3500° С), на основе углеродистых и графитовых волокон.
Градуировочные характеристики термопар основных типов приведены в табл. 3. В этой таблице указана температура рабочего спая в градусах
Цельсия и приведены величины термо-э.д.с. соответствующих термопар в милливольтах при температуре свободных концов 0° С.

Температура рабочего спая

12.2, 16.40, 20.65, 24.91, 33.32, 41.26, 48.87

2.31, 3.249, 4.128, 5.220, 7.325, 9.564, 11.92, 14.33, 16.71

4.913, 6.902, 9.109, 11.47, 13.92

Допускаются отклонения реальных термо-э.д.с. от значений, приведенных в табл. 3, на величины, указанные в табл. 4.

Наибольшее отклонение температур

Конструкция термопары промышленного типа. Это термопара с термоэлектродами из неблагородных металлов, расположенными в составной защитной трубе с подвижным фланцем для ее крепления. Рабочий спай термопары изолирован наконечником. Термоэлектроды изолированы брусами. Защитная труба состоит из рабочего и нерабочего участков. Передвижной фланец крепится к трубе винтом. Головка термопары имеет литой корпус с крышкой, закрепленной винтами; В головке укреплены фарфоровые колодки (винтами) плавающими (незакрепленными) зажимами, которые позволяют термоэлектродам удлиняться под воздействием температуры без возникновения механических напряжений, ведущих к быстрому разрушению термоэлектродов. Термоэлектроды крепятся к этим зажимам винтами, а соединительные провода — винтами. Эти провода проходят через штуцер с асбестовым уплотнением.

Для термопар из благородных металлов часто применяют неметаллические трубы (кварцевые, фарфоровые и т. д.), однако такие трубы механически непрочны и дороги. Фарфоровые трубы надлежащего состава можно использовать при температурах до 1300— 1400°С.
В качестве изоляции термоэлектродов друг от друга применяют асбест до 300° С, кварцевые трубки или бусы до 1000° С, фарфоровые трубы 1300 С. Для лабораторных термопар, используемых при измерении низких температур, применяют также теплостойкую резину до 150° С, шелк до 100—120°С, эмаль до 150—200 °С.

Методы контактных электроизмерений средних и высоких температур с помощью термопар

Средними в термометрии считаются температуры от 500 (начало свечения) до 1600 °С (белое каление), а высокими— от 1600 до 2500°С, до которых удается распространить термоэлектрический метод с использованием высокотемпературных, жаростойких материалов.
Принцип термоэлектрического метода и основные свойства термоэлектродов были рассмотрены выше в п. 1. Основным вопросом при использовании этого метода для измерения средних и высоких температур является защита термоэлектродов от разрушающего химического и термического воздействия среды. Для этого термопары снабжаются защитной арматурой в виде чехлов, трубок или колпачков из огнеупорных материалов. Главное требование к защитной оболочке — высокая плотность строения и температурная стойкость.

При измерении температур ниже 1300 °С используются фарфоровые чехлы, при более высоких температурах — колпачки из тугоплавких материалов (такие, как корунд, окиси алюминия, бериллия или тория), заполненные инертным газом.

Зависимость срока службы термопар от пористости защитной оболочки.

При измерении температуры поверхности тел особенную трудность составляет контакт рабочего спая термопары с поверхностью нагретого тела.
Для улучшения контакта используются термопары, рабочий спай которых выполнен в виде ленты или пластины. Такая конфигурация рабочего спая при деформации позволяет воспроизводить поверхность объекта измерения.

Для измерения температур до 2000—2500 °С используются вольфрамовые или иридиевые термопары. Особенностью их применения является измерение в вакууме, в инертной или восстановительной средах, так как на воздухе они окисляются. Чувствительность вольфрамомолибденовой термопары составляет 7 мкВ/К, а вольфрамо-рениевой 13 мкВ/К.
В условиях высоких температур применяются термопары из огнеупорных материалов (пары карбид титана — графит, карбид циркония — борид циркония и дисилицид молибдена — дисилицид вольфрама). В таких термопарах внутри цилиндрического электрода (диаметр около 15 мм) имеется второй электрод—стержень, соединенный с первым электродом на одном конце трубки.

Чувствительность термопар из огнеупорных материалов достигает 70 мкВ/К, однако их применение ограничено инертными и восстановительными средами.
Для измерения температуры расплавленного металла термопарами из благородных металлов используется метод, заключающийся в погружении термопары в металл на время, безопасное для ее работоспособности. При этом термопара на короткое время (0,4—0,6 с) погружается в контролируемую среду, и измеряется скорость нарастания температуры рабочего спая. Зная зависимость между скоростью нагрева термопары (ее тепловую инерционность) и температурной среды, можно рассчитать значение измеряемой температуры. Этот метод применяется для измерения расплавленного металла (2000-2500 С) и газового потока (1800 С).

*****

Термопара: принцип работы и схемы подключения

Здравствуйте, друзья! В этой статье узнаем, что такое термопара.

Термопара. Принцип работы

Несмотря на то, что термопары используются уже много десятков лет, они по-прежнему являются самыми распространенными и востребованными температурными датчиками. В состав устройства входит два разнородных проводника, находящихся в контакте друг с другом по одной или нескольким точкам. Изменение температуры на участке приводит к появлению некоторого напряжения, из чего и делается вывод о текущей температуре измеряемой среды.

Проблема современного использования термопар заключается в их недостаточно высокой точности – в простых моделях погрешности могут достигать одного градуса. В системах, где требуется чрезвычайно высокая точность температурных измерений, термопары используются редко. Есть у таких приборов и серьезные преимущества – проведение измерений в широком диапазоне (в том числе при очень высоких температурах), возможность заземления или прямого контакта с объектом измерения, а также надежность, прочность и доступная стоимость (во многом за счет простой технологии производства).

Устройство термопары

Параметры термопар определяются материалом, из которого они изготовлены. Сочетания различных металлов дают различные электрические потенциалы, соответствующие определенным температурам. Устройство подбирается с учетом того, в каком температурном диапазоне ему предстоит работать. Соответственно, будут отличаться и используемые в конструкции сплавы.Устройство термопары

Термопары в настоящее время нашли широкое применение в промышленности и в бытовой сфере. Например, они являются основными температурными датчиками в газовых колонках, турбинах, автомобильных двигателях, автономных системах отопления.

В основе работы термопар – правило Зеебека, также известное как термоэлектрический эффект. Под воздействием температуры показатели напряжения и сопротивления проводника изменяются, при измерении подключается второй проводник – в нем тоже возникает напряжение, но противостоящее уже существующему. Формируется новая цепь, в которой на каждом из концов свое напряжение. Разница между этими напряжениями измеряется, и по ней делается вывод о текущей температуре. В зависимости от измеряемого температурного диапазона, выбираются термопары с различными парами металлов. Существует 7 основных типов термопар по используемым сочетаниям компонентов:

  1. Хромель-константан. Немагнитные, могут использоваться в широком температурном диапазоне (-50 ° С — +740 ° С).
  2. Железо-константан. Немного лучше по чувствительности, но и измеряемые температуры чуть выше (-40 ° C — +750 ° C).
  3. Хромель-алюмель. Наиболее популярные за счет огромного диапазона измерений (-200 ° С — +1350 ° C), чувствительность средняя. Предназначены для использования в неокисляющей среде (под действием окислителей эксплуатационные свойства быстро снижаются).
  4. Никель-молибден. Самый распространенный вариант температурных датчиков для вакуумных печей. Предел измерения — +1400 ° С.
  5. Никросил-нисил. Могут использоваться в окисляющих средах, стабильные измерения в температурном диапазоне -270 ° C — +1300 ° C.
  6. Родий-платина. Отличаются высокой стабильностью и низкой чувствительностью. Используются при измерении высоких температур (до 1800 ° C), стоят очень дорого.
  7. Рений-вольфрам. Такими термопарами измеряются чрезвычайно высокие температуры (до 2500 ° C), за счет высокой температуры плавления компонентов. Не подходят для окисляющих сред.

Подключение термопары

Термопара обычно подключается к измерительному преобразователю, методы подключения – простой и дифференциальный. Под простым методом понимается, что подключение происходит к паре термоэлектродов. Дифференциальный метод – это использование пары проводников, у которых различные показатели термоЭДС.

style="display:block"
data-ad-client="ca-pub-6518923226753697"
data-ad-slot="2598038964"
data-ad-format="auto">

Существует возможность подключить термопары дистанционно. В этом случае используется комплект удлинительных проводов, их материал должен быть аналогичен материалу электродов. Альтернативный вариант – компенсационные провода, в которых материал не совпадает с материалом термоэлектродов. В виду высокой стоимости компенсационный провод используют при работе с дорогостоящими термопарами.Устройство термопары

Существует ряд рекомендаций по подключению, с помощью которых можно повысить точность измерения на термопаре:

  • Если термопара меленькая и тонкая, ее подключают удлинительным проводом с большим диаметром. Проволока не должна быть подвержена натяжению или вибрации.
  • Недопустимы резкие градиенты температуры по длине датчика.
  • Максимально надежный защитный чехол. Требования к нему тем выше, чем сложнее эксплуатационные условия.
  • Использование дополнительных термопар на 4 электрода для диагностики обычных датчиков.

Схема подключения термопары

Для получения значения температуры при использовании термопары необходимо воспользоваться аналоговой схемой в виде прецизионного операционного усилителя и схемы компенсации холодного спая. Кроме того, могут использоваться специальные микросхемы, в которые уже интегрированы обозначенные выше аналоговые решения. Такой вариант подключения позволяет реализовать систему, в которой будет присутствовать и основная аналоговая схема, и аналого-цифровой преобразователь. Как результат – на выход такой схемы будет подаваться результирующий цифровой сигнал. Именно такая схема подключения используется чаще всего.Устройство термопары

Для компенсации холодного спая в микросхему интегрируют температурный датчик, она должна располагаться рядом с коннкетором подключения. Узел должен быть изолирован от внешних воздействий, в особенности от чрезмерного нагрева. Непосредственно для подключения датчика используются компенсационные провода, с соблюдением полярности. Термоэлектродные провода – оптимальное решение при подключении, если температура находится в диапазоне от 0 до 100 °С. Часто выполняется дополнительное экранирование линии передачи данных, чтобы избежать влияния помех.

Термопара. Принцип работы и подключение. Видео

style="display:block"
data-ad-client="ca-pub-6518923226753697"
data-ad-slot="2598038964"
data-ad-format="auto">

*****

Устройство и принцип работы термопары в в газовой плите и газовом котле

Устройство термопары 26 ноября 2016 Устройство термопары admin

Устройство термопары

Особенности осуществления термоконтроля в газовом котле

Практически единственным устройством, подходящим для измерения температур с крайне большим значением является термопара. Она может использоваться для множества разнообразных устройств, в том числе и для газовых котлов.

Устройство и принцип действия термопары в газовом котле

Поскольку термопара рассчитана на работу в условиях высокой температуры, для её изготовления применяются термостойкие материалы. Если говорить более точно, этот элемент производится с использованием нескольких металлов, что позволяет обеспечить ему необходимые свойства. Поскольку работа газового котла без применения термопары просто невозможна, то любая её поломка влечёт за собой необходимость полной остановки рабочего процесса и наискорейшей замены элемента. Подобная ситуация возникает от того, что при работе термоэлемент сцеплён с электромагнитным отсекающим клапаном. Дисфункциональность термоэлемента приводит к перекрытию топливного канала и прекращению подачи топлива. В результате происходит затухание горелочного устройства.

Устройство термопары

Рис.1: Схема термопары в газовом котле

Если говорить простым языком, то принцип работы термопары заключается в следующем: при спаивании между собой двух различных металлов и последующем нагревании точки спая, на противоположных концах получившегося элемента формируется разница потенциалов. Другими словами, образуется напряжение. Подключённый к этим концам измерительный прибор, позволяет замкнуть цепь и формирует условия для появления электрического тока. Уровень напряжения при этом довольно незначительный, однако его хватает для открытия электромагнитного клапана, пропускающего топливо к запальнику.

Обратите внимание: часть современных электромагнитных клапанов отличается высокой чувствительностью и для их открытия необходимо напряжение не менее 20 мВ. Впрочем, при нормальной работе термопары уровень напряжения достигает около 40-50 мВ.

В работе термопары реализуется так называемый эффект Зеебека . С точки зрения учёных данный эффект обуславливается тем, что частицы, транспортирующие заряд в момент нагрева изменяют свой энергетический уровень. Как результат: поток электронов движется по направлению к холодной части проводника, либо наоборот, формирую электродвижущую силу плюсового или минусового значения. Конкретное направление движения частиц определяется характеристиками проводящих материалов, из которых «собран» элемент. Самым важной точкой в конструкции этого элемента является место спайки металлов. Именно качественно выполненное соединение обеспечивает долговечность и бесперебойную работу элемента.

Существует несколько возможных сочетаний металлов для создания термопары. В газовых котлах применяют элементы состава хромель-алюминий. Каждый из холодных концов при этом с помощь проводника покрытого защитной оболочкой соединяется с соответствующим гнездом автоматики, где и крепится зажимной гайкой.

Чтобы в необходимый момент подать топливо на запальник, изначально придётся заняться открытием электромагнитного клапана вручную. Для этого достаточно нажать на шток, тогда газ попадёт на запальник, который его и подожжёт, после чего начинает происходить нагрев термоэлемента. Спустя полминуты удерживать клапан открытым самостоятельно уже нет необходимости, поскольку выработка напряжения термоэлементом уже началась.

Достоинства и недостатки применения термопары

  • Несложная и недорогая конструкция;
  • Термопара является одновременно и температурным датчиком, датчиком контроля пламени;
  • Продолжительный срок эксплуатации ввиду отсутствия движущихся деталей;
  • Большой спектр фиксируемых температур;
  • Производимые измерения отличаются достаточной точностью;
  • Элемент легко монтируется и переустанавливается.
  • Зависимость между разницей потенциалов и температурой не является линейной;
  • Существует предельный уровень напряжения в 50 мВ, что создаёт некоторую неточность при выявлении температурных значений;
  • Возможность ремонта элемента практически отсутствует, в большинстве случаев приходится прибегать к полной замене.

Обратите внимание: вполне возможно, что термопара не функционирует должным образом по той причине, что в точке подключения возникли проблемы с контактом. В такой ситуации будет разумно снять удерживающие контакты гайки, а потом извлечь элемент и привести контакты в порядок. Далее термопару нужно будет просто вмонтировать на прежнее место.

Контроль горения пламени для газовой плиты

Для современных газовых плит характерна достаточно сложная конструкция, однако, именно эта внутренняя сложность обеспечивает комфортное пользование функциями плиты. Многие из моделей оснащены электроподжигом, поэтому, как и другие бытовые устройства, они могут полноценно функционировать только при наличии подключения к источнику питания.

Работает электроподжиг следующим образом: специальный конденсатор накапливает заряд, а как только достигается необходимое значение, высвобождает его с помощью ключевого элемента. Высоковольтный импульс осуществляет пробой разрядника, локализованного около конфорки, и формирует электродугу, которая в свою очередь и зажигает газ.

Применение электроподжига актуально только для конфорок. Аналогичные конструкции в духовках требуют использования дополнительной проводки и общего видоизменения системы. Но кроме этого и для конфорок, и для духовок с электроподжигом в обязательном порядке необходим термоэлемент, отслеживающий наличие/отсутствие пламени.

Термопара в газовой плите

С помощью термопары, встроенной в газовую плиту, можно избежать неприятностей, связанных с внезапным отключением газа. При снятии с конфорки отражателя и рассекателя, должны обнаружиться:

  • Свеча, вроде автомобильной (требуется для розжига пламени);
  • Термопара (отвечает за контроль процесса горения).

Как только термоэлемент газовой плиты отмечает угасание пламени, производится перекрытие канала подачи газа. Это очень удобно, однако, необходимо учитывать, что существуют разные конструкции и модели газовых плит, но не каждая из них подразумевает наличие одновременно и электроподжига, и контролирующего элемента (термопары). Поэтому, следует обязательно уточнять данный момент. Удобнее всего это делать ещё до покупки, обратившись за помощью к консультанту, либо после, самостоятельно изучив инструкцию по применению и всю прилагаемую к прибору документацию.

Устройство термопары

Как и в случае с газовыми котлами, для газовых плит применяются преимущественно термоэлементы типа хромель-алюминь, который при нагреве в точке спая до 300оС даёт уровень напряжения в 12-13 мВ. В случаях, когда нет необходимости в абсолютно точном контроле температурного режима возможно использование компаратора (от «compare» — сличать, сравнивать), который будет соотносить заданный уровень напряжения с тем, который выдаёт термоэлемент. Когда будет зафиксировано соответствие – схема сработает. В чём это будет выражаться, зависит от того какими именно алгоритмами руководствуется каждое отдельно взятое устройство.

В стандартном варианте контакты термоэлемента защищаются специальным экраном, это позволяет избежать помех и неполадок в работе (неправильных замеров или несвоевременных срабатываний). Также возможно использование варианта с «витыми» проводками.

Обычно элемент розжига имеет дополнительное оснащение в 4-6 пар контактов, любая из которых может сформировать искру. Это возможно благодаря тому, что соединение у этих контактов не общее, а параллельное. Это помимо прочего даёт возможность для дооборудования духовки. Например, для некоторых моделей даже предоставляются специальные указания относительно того, как и где понадобится провести проводку, чтобы вмонтировать электроподжиг внутри духовки. Аналогичным образом можно установить и дополнительный термоэлемент. Особенно этот вариант подходит тем, кто имеет достаточный опыт в работе с электротехникой.

Устройство термопары Опубликовано в рубрике Автоматика

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *