Принцип работы термопары для измерения температуры

Какая связь между электричеством и теплом?

Вы заметили, что когда мы говорим об управлении в физике, мы можем иметь в виду две вещи? Иногда мы имеем в виду тепло, а иногда и электричество. Металл, такой как железо или золото, действительно хорошо проводит тепло и электричество; такой материал, как пластик, не работает ни с одним из них.

Существует прямая связь между тем, как металл проводит тепло, и тем, как он проводит электричество.

Электрический ток проходит через металлы в виде крошечных заряженных частиц внутри атомов, называемых электронами. Когда электроны «маршируют» через материал, они забирают электричество, как муравьи, несущие листья. Если электроны могут переносить электрическую энергию через металл, они также могут переносить тепловую энергию — и, таким образом, металлы, которые хорошо проводят электричество, также являются хорошими проводниками тепла. (Однако с неметаллами все не так просто, потому что тепло проходит через них другими, более сложными способами. Но чтобы понять термопары, нам просто нужно рассмотреть металлы.)

Томас Зеебек и термоэлектрический эффект

Предположим, вы воткнете железный пруток в огонь. Вы обнаружите, что вам нужно выпустить его довольно быстро, так как из-за тепла металл поднимется от огня к вашим пальцам. Но знаете ли вы, что электричество также проходит через бар с подогревом? Первым, кто правильно уловил эту идею, был немецкий физик Томас Зеебек (1770–1831), который обнаружил, что если два конца металла будут иметь разные температуры, через них будет протекать электрический ток. Это один из способов обозначить то, что сейчас известно как эффект Зеебека или термоэлектрический эффект. В ходе дальнейшего исследования Зеебек обнаружил, что все еще интереснее. Если он соединит два конца металла вместе, ток не будет течь; аналогично, если бы два конца металла имели одинаковую температуру, ток не протекал бы.

Идея термопары заключается в том, что два разнородных металла (серые кривые) соединены с обоих концов. Если один конец термопары поместить на что-то горячее (горячий спай), а другой конец — на что-то холодное (холодный спай), генерируется напряжение (разность потенциалов). Вы можете измерить это, поместив вольтметр (V) на два соединения.

Зеебек повторил эксперимент с другими металлами, а затем попытался использовать вместе два разных металла. Теперь, если то, как электричество или тепло протекает через металл, зависит от внутренней структуры материала, вы, вероятно, увидите, что два разных металла производят разное количество электричества при нагревании до одной температуры. Итак, если вы возьмете полосу одинаковой длины из двух разных металлов и соедините их с двух концов, чтобы получилась петля. Затем окуните один конец (один из двух стержней) во что-нибудь горячее (например, в стакан с кипящей водой), а другой конец (другой стержень) во что-нибудь холодное. Тогда вы обнаружите, что электрический ток течет по цепи (которая на самом деле представляет собой электрическую цепь), и величина этого тока напрямую связана с разницей температур между двумя соединениями.

Ключевой момент, который следует помнить об эффекте Зеебека, заключается в том, что величина создаваемого напряжения или тока зависит только от типа металла (или металлов), а также от разницы температур. Чтобы создать эффект Зеебека, вам не нужна связь между разными металлами — нужна только разница температур. Однако на практике в термопарах используются металлические переходы.

Почему возникает эффект Зеебека?

Как мы видели, существует тесная взаимосвязь между тем, насколько хорошо электричество течет в материале (электропроводность) и насколько хорошо течет тепло (теплопроводность). Мы можем представить электроны в металле как молекулы в газе, колеблющиеся с кинетической энергией. Чем горячее газ, тем больше кинетической энергии у каждой молекулы и тем быстрее она колеблется. Подобно тому, как молекулы газа движутся быстрее, когда вы их нагреваете, электроны имеют тенденцию «расширяться» больше, когда металл становится горячее. Если вы нагреете один конец металлического стержня, электроны переместятся туда быстрее и создадут чистый поток к более холодному концу. Это делает более теплый конец слегка положительно заряженным, а более холодный — слегка отрицательно заряженным, создавая разницу напряжений — эффект Зеебека.

А как насчет эффекта Зеебека при соединении двух разных металлов? В некоторых материалах электроны движутся более свободно, чем в других. Это основное различие между проводниками и изоляторами, а также между хорошими и плохими проводниками. Если вы соедините два разных металла вместе, свободные электроны будут перемещаться из одного материала в другой посредством какой-то диффузии. Так, например, если вы соедините кусок меди с куском железа, электроны имеют тенденцию переходить от железа к меди, в результате чего медь заряжается более отрицательно, а железо — более положительно. Если железо и медь соединены в кольцо с двумя переходами, один из переходов получит положительное напряжение, а другой — равное и противоположное отрицательное напряжение, без создания напряжения в целом. Но если одно из стыков более горячее, чем другое, электроны будут легче диффундировать между металлами. Это означает, что напряжение на двух переходах будет отличаться на величину, которая зависит от разницы в их температурах. Это эффект Зеебека — и он лежит в основе большинства термопар.

Измерение температуры с помощью термопары

Если вы измеряете несколько известных температур с помощью этого металлического соединительного устройства, вы можете вычислить формулу — математическое соотношение, — которое связывает ток и температуру. Это называется калибровкой — это как разметка шкалы на градуснике. После калибровки у вас есть инструмент, который вы можете использовать для измерения температуры всего, что захотите.

Просто поместите один из металлических концов в ледяную баню (или что-нибудь еще с известной температурой). Поместите другое металлическое соединение на предмет, температуру которого вы хотите узнать. Теперь измерьте происходящее изменение напряжения и, используя вычисленную выше формулу, вы сможете точно рассчитать температуру вашего объекта. Блестяще! У нас есть пара металлов, соединенных между собой для измерения тепла (по-гречески это называли термосом). Вот почему это называется термопарой.

Что такое термопары на практике?

Для различных применений доступен широкий спектр различных термопар на основе металлов с высокой проводимостью, таких как железо, никель, медь, хром, алюминий, платина, родий и их сплавы. Иногда конкретная термопара выбирается только потому, что она точно работает в определенном температурном диапазоне, но условия, в которых она работает, также могут влиять на выбор (например, материалы в термопаре могут быть немагнитными, некоррозионными или стойкими коррозии, воздействию отдельных химикатов).

Принцип работы термопары

Термопара состоит из двух проводов из разных металлов. Эти две нити связываются или свариваются вместе, образуя шов. Когда на этот спай влияют изменения температуры, термопара реагирует, генерируя напряжение, пропорциональное величине изменения температуры.

Если термопара подключена к электрической цепи, величина генерируемого напряжения будет отображаться на шкале измерителя. Затем показания счетчика можно преобразовать в показания температуры с помощью таблицы. На некоторых приборах шкала калибруется прямо в градусах.

Термопара в электрической цепи

Общие характеристики

Согласно нормативным статическим преобразовательным характеристикам ГОСТ Р8.585-2001 термопара — это устройство, состоящее из двух соприкасающихся друг с другом разнородных проводников, предназначенное для измерения температуры. При изменении температурного режима в одной секции создается напряжение, в результате чего температура преобразуется в электрический ток.

Термопара

Конструкция элемента состоит из двух разных типов проводников, которые соединены между собой в узле. Есть три типа подключений:

• гарпун;
• ручная скрутка;
• сварка.

Часто металлический проводник используется в виде электропроводящих элементов, однако бывают случаи, когда используются полупроводниковые приборы.

Параметры устройства определяют материал, из которого изготовлены жилы. Понятно, что любой металл образует сопротивление, а значит, он будет производить электрический ток. Но для правильного функционирования термопары используются некоторые сплавы, которые обеспечивают предсказуемый ввод и точно определяют соотношение между температурой и сопротивлением с минимальной ошибкой. Для определенного диапазона необходимо использовать определенный материал.

Говоря простым языком, термопара в зависимости от материалов, из которых изготовлены проводники, позволяет определять температурный режим в различных диапазонах значений. В целом термопара определяет температуру примерно от -250 ° до +2000 ° С.

Принцип действия термопары

Независимо от названия производителя, работа всех термопар основана на термоэлектрической схеме, разработанной в 1821 году известным физиком Т.И. Зеебеком. Принцип работы термопары заключается в попеременном подключении двух разных адаптеров в замкнутый контур. Первый блок предназначен для нагрева, в результате чего вдоль кольца образуется движущий электрический заряд, называемый термо-ЭДС. Под действием силы ЭДС по цепи течет электрический ток.

Схема работы устройства

Сама зона нагрева называется нагревательным узлом, второй конец обозначается как холодный спай.

Для измерения микровольт или милливольт электрической движущей силы кольцо необходимо отсоединить и подключить микровольтметр. Количество милливольт полностью зависит от интенсивности нагрева соединений и температурного режима холодного узла. Принцип работы, говоря простым языком, основан на разнице значений температуры двух стыковых соединений, между холодным и горячим обозначением.

Оказывается, если нагреть область стыка двух разных проводов, в области неподключенных концов образуется разносторонний потенциал, который измеряется специальным прибором. Конвертеры, разработанные с использованием инновационных технологий, преобразуют полученную разницу электрических сил в цифровые символы, обозначающие температурный режим нагрева деталей, соединенных узлами.

Конструкция устройства

Устройство выпускается различных форм и размеров. По конструктивному производству он делится на два основных типа:

• термопары без корпуса;
• с крышкой, которая действует как защита.

В первом случае устройство на стыке не имеет закрытого корпуса, выполняющего защитную функцию от различных воздействий внешней среды. Этот тип обеспечивает быстрое определение инерционных и температурных режимов, не затрачивая на это много времени.

Термопара для котельного оборудования

Второй тип представляет собой зонд, который состоит из металлической трубки с хорошей внутренней изоляцией, выдерживающей высокие температуры. Термопара имеет внутри термоэлектрическую систему. Конструкция защитного корпуса не поддается воздействию агрессивных сред.

Разновидности термопары

Принцип работы термопары довольно прост и понятен, однако, прежде чем делать прибор своими руками, следует знать, чем отличаются такие модификации, как TXA, TKX, CCI, TSP, TPR и TBR, а также по каким критериям и группы распределяются.

• Группа Е — состоит из комбинированного материала — кромель-константан. Соединение имеет повышенную производительность — более 69 мкВ / oC, подходит для криогенных применений. Кроме того, система не имеет магнитных свойств, а температурный режим варьируется от -50 ° C до + 740 ° C.
• Группа J — термоэмиссионные электроны состоят из положительного железа и отрицательного константана. Рабочая утечка термопар этой серии ниже, чем в предыдущей группе -40 ° С — + 750 ° С, однако показатель чувствительности выше — 50 мкВ / ° С.
• Группа К — наиболее распространенный тип устройств, состоящий из комбинации материалов — алюминия и хрома. Производительность системы равна 40 мкВ / ° С, работа происходит в диапазоне температур от — 200 ° С до 1350 ° С. Следует помнить, что даже при низком уровне окисления в диапазоне температур 800-1050 ° C хромелевый элемент отделяется и приобретает намагниченное состояние, которое называется «зеленая гниль». Этот фактор негативно сказывается на работе регулятора.
• Группа М — применяется в комплектациях вакуумных печей. Диапазон рабочих усилий от -260 до + 1400 ° C с максимальной погрешностью 2 градуса.

Как работает термопара

• Группа N — прибор предназначен для использования в устройствах с температурным обозначением — 270 и 1300 ° C, что является гарантией хорошей производительности и устойчивости к процессам окисления. Чувствительность не превышает 40 мкВ / ° С.
• Группы B, S, R отличаются стабильной работой при более низкой ЭДС — 10 мкВ / ° С. Из-за низкой чувствительности он используется исключительно для определения высоких температур.
• Группы B, C, S — первый символ обозначает модификацию, пригодную для измерения температуры до 1800 ° C, S — 1600 ° C, C — до 1500.
• Рений-вольфрамовые термопары используются для измерения высоких температур до 25 000 ° C или ниже. Кроме того, устройство предназначено для устранения окислительной атмосферы, разрушающей материал.

Хромель-алюмелевые термопары

Монтаж

Принципиальной разницы между установкой российского или европейского оборудования нет — схема везде одинаковая. Опишем самый простой способ.

1. Откручиваем гайку внутри резьбового соединения с трубопроводом.
2. Откручиваем компенсационный винт на самой термопаре.
3. Вставьте термопару в отверстие монтажного кронштейна.
4. Протрите соединение тряпкой, резьбовое соединение и гайку.
5. Полностью затяните соединение, но не перетягивайте. При необходимости можно использовать распорку.

Контроллер газовой плиты нужно подключать максимально плотно, но так, чтобы его можно было снимать по мере надобности.

Термопара для духовки

Убедитесь, что обе трубки обращены вниз.

Теперь давайте узнаем, как это работает. Концевой выключатель всегда расположен на несколько сантиметров ниже камеры статического давления под предохранительным выключателем пластины. Когда воздухозаборник достигает своего предела, выключатель дает сигнал выключить горелку, и вентилятор немедленно включается. В это время происходит резкое понижение температуры.

На некоторых устройствах вентилятор не останавливается. Причина может быть в том, что выключено управление вентилятором (посмотрите на рычаг, он должен быть на отметке «включено») или термостат вышел из строя. Кроме того, вы можете установить ручной режим вместо автоматического.

После установки устройства необходимо убедиться в его правильной работе. А если регулировка производится в лабораторных условиях, то можно откалибровать термопару своими руками.

Для этого снимите крышку блока управления и посмотрите на циферблат. На боковой стороне вентилятора есть 2 датчика, которые изначально настроены на 25 ° F.Вы должны установить верхний на 115 ° F, а нижний как минимум на 90 ° F.

Если вы отчетливо чувствуете запах газа во время калибровки или калибровки, проверьте прокладки или позвоните в газовую службу на предмет утечки.

Преимущества и недостатки применения измерителя

Датчик температуры, несмотря на простоту устройства, имеет как достоинства, так и недостатки.

Профессионалы:

• Широкий диапазон температурных режимов, которые делают устройство контактным датчиком наиболее стабильным при высокой производительности.
• В результате нарушения целостности стыка возможна полная замена узла или создание прямого контакта напрямую через измеряемые системы.
• Простота устройства, долговечность и долгий срок службы.

Термопара «Арбат»

Недостатки:

• При установке датчика температуры необходимо регулярно контролировать колебания напряжения холодных спаев. Для удобства использования необходимо приобрести дополнительный термистор. Также возможно заменить устаревшее устройство полупроводниковым датчиком, который может автоматически вносить изменения в TEMS.
• Склонность к коррозионным повреждениям, приводящим к термоэлектрическому отказу и нарушению калибровочных характеристик.
• Электроды изготовлены из материалов, которые не считаются химически инертными, поэтому, если корпус герметичен, система становится восприимчивой к агрессивным процессам окружающей среды.
• Длинные провода термопары создают электромагнитное поле.
• Сложности возникают в процессе создания вторичного преобразователя сигналов из-за незначительного взаимодействия ТЭДС и температурного режима.
• Для стабильной работы с тепловой инерцией обязательным условием для термопары является обеспечение качественной электроизоляции, заземление работающих спаев, предупреждение о утечке на землю.

ВИДЕО: Сравнение RTD и термопары. Основы измерения температуры Emerson

Подключение к ПЛК

Холодные концы подключаются (напрямую или через компенсационные провода, которые должны быть из тех же металлов, что и термопара) к клеммам соответствующего аналогового входа (соблюдая полярность!) Промышленного контроллера, который выполняет программную компенсацию холода температура перехода и вычисляет температуру в точках измерения.

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

Устройство термопары

Компенсация температуры холодного спая (КХС)

Компенсация холодного спая (CJC) — это компенсация, выполняемая как коррекция общего показания при измерении температуры в точке соединения свободных концов термопары. Это связано с несоответствием фактической температуры холодного конца расчетным показаниям калибровочной таблицы для температуры холодного спая 0 ° C.

CCS — это дифференциальный метод, при котором показания абсолютной температуры берутся из известной температуры холодного спая (также известного как эталонный спай).

Конструкция термопары

При проектировании термопар учитывается влияние таких факторов, как «агрессивность» внешней среды, агрегатное состояние, диапазон измеряемых температур и другие.

Конструктивные особенности термопары:

• Места стыков жил между собой соединяют скручиванием или скручиванием с дополнительной электродуговой сваркой (редко сваркой).
• Термоэлектроды должны быть электрически изолированы по всей их длине, за исключением точки контакта.
• Метод утепления выбирается с учетом верхнего температурного предела.

1. До 100-120 ° — любой утеплитель;
2. До 1300 ° C — фарфоровые тубы или бусины;
3. До 1950 ° — трубки из Al2O3;
4. Выше 2000 ° С — трубы из MgO, BeO, ThO2, ZrO2.

• Защитный чехол.

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

Особенности конструкции термопары

Особенности устройства термопары:

• Электроды соединены в термопары для измерения высоких температур в одной точке с помощью электродуговой сварки. При измерении малых показателей такой контакт осуществляется сваркой. Специальные компаунды в вольфрам-рениевых и вольфрам-молибденовых приборах выполняются методом крутки без дальнейшей обработки.
• Соединение элементов осуществляется только в рабочей зоне, а на остальной длине они изолированы друг от друга.
• Метод утепления выполняется по более высокому значению температуры. При диапазоне значений от 100 до 120 ° C используется любой тип изоляции, в том числе воздушная. Фарфоровые пробирки или бусины используются при температуре до 1300 ° C.
• Если значение достигает 2000 ° C, используется изоляционный материал из оксида алюминия, магния, бериллия и циркония.
• Внешний защитный кожух используется в зависимости от среды, в которой измеряется температура. Он выполнен в виде металлической или керамической трубки. Эта защита гарантирует герметичность и защиту поверхности термопары от механических нагрузок. Материал внешней обшивки должен выдерживать воздействие высоких температур и иметь отличную теплопроводность.

Конструктивные исполнения термопар

Термопары конструктивно различаются:

• По способу контакта с измеряемой средой: погружной, поверхностный.
• Для условий эксплуатации: стационарный, переносной; разовое, многократное и краткосрочное использование.
• По защите от воздействий окружающей среды: обычные, водонепроницаемые, защищенные от агрессивной среды, взрывозащищенные (в том числе искробезопасные).
• Плотность к измеряемой среде: герметичный, не герметичный.
• По инерции: показатель тепловой инерции не более 10 с; средний — не более 60 с; большие — более 60 с; нестандартная инерция (NI).
• По устойчивости к механическим воздействиям: обыкновенный; виброустойчивый.
• По количеству термопар для измерения температуры в зоне: одиночные; Двойной; тройной.
• По количеству зон: одиночная зона; мультизональный.
• По наличию контакта «горячего» спая с металлической частью защитной арматуры: с неизолированным переходом, с изолированным переходом.

Удлиняющие (компенсационные) провода

Этот тип провода требуется для удлинения концов термопары до вторичного или барьерного устройства. Провода не используются, если термопара имеет встроенный преобразователь с унифицированным выходным сигналом. Наиболее распространенным является нормирующий преобразователь, помещаемый в стандартную клеммную колодку датчика с унифицированным сигналом 4-20 мА, так называемый «планшет».

Материал проводов может совпадать с материалом термоэлектродов, но чаще всего его заменяют на более дешевый с учетом условий, препятствующих образованию паразитных (индуцированных) термо-ЭДС. Использование расширений также позволяет оптимизировать производство.

Уловка жизни! Чтобы правильно определить полярность компенсационных проводов и подключить их к термопаре, запомните мнемоническое правило MM — минус намагничивается. То есть берем любой магнит и минус от компенсации будет намагничен, в отличие от плюса.

Спай термопары

Большинство термопар имеют только один спай. Однако, когда термопара подключается к электрической цепи, в ее точках соединения может образоваться другой спай.

Схема термопары

Схема, показанная на рисунке, состоит из трех проводов, обозначенных A, B и C. Провода скручены вместе и обозначены D и E. Соединение — это дополнительное соединение, которое образуется, когда к цепи подключается термопара. Этот спай называется свободным (холодным) спаем термопары. Переход E — рабочий (горячий) спай. Схема содержит измерительное устройство, которое измеряет разницу значений напряжения на двух переходах.

Два соединения соединены таким образом, что их натяжение противоположно. Затем на обоих переходах генерируется одинаковое значение напряжения, и показания счетчика будут нулевыми. Поскольку существует прямо пропорциональная зависимость между температурой и величиной напряжения, создаваемого спайом термопары, два спая будут генерировать одинаковые значения напряжения, когда температура на них одинакова.

Эффект нагрева спая термопары

По мере нагрева спая термопары напряжение возрастает прямо пропорционально. Поток электронов от нагретого перехода течет через другой переход, через измерительное устройство и обратно в горячий спай. Измеритель показывает разность напряжений между двумя переходами. Разница в напряжении между двумя переходами. Разница напряжений, показываемая устройством, преобразуется в показания температуры с помощью таблицы или отображается непосредственно на шкале, откалиброванной в градусах.

Холодный спай термопары

Холодный спай часто бывает там, где свободные концы проводов термопары подключаются к измерителю.

Поскольку измеритель в цепи термопары фактически измеряет разность напряжений между двумя спаями, напряжение холодного спая должно поддерживаться как можно более постоянным. Поддерживая постоянное напряжение на холодном спайе, мы гарантируем, что отклонение показаний счетчика указывает на изменение температуры на рабочем спайе.

Если температура вокруг холодного спая изменится, напряжение на холодном спайе также изменится. Это изменит напряжение на холодном спайе. В результате изменится и разница напряжений между двумя переходами, что в конечном итоге приведет к неточным показаниям температуры.

Компенсационные резисторы используются во многих термопарах для поддержания постоянной температуры холодного спая. Резистор находится в том же положении, что и холодный спай, поэтому температура влияет на спай и сопротивление одновременно.

Схема термопары с компенсационным сопротивлением

Рабочий спай термопары (горячий)

Рабочий спай — это спай, на который влияет процесс, температура которого измеряется. В связи с тем, что напряжение, создаваемое термопарой, прямо пропорционально ее температуре, поэтому при нагревании рабочего спая он генерирует большее напряжение, а при охлаждении — меньше.

Рабочий спай и холодный спай

Типы термопары

Термопары рассчитаны на диапазон измерения температуры и могут быть изготовлены из комбинации различных металлов. Комбинация используемых металлов определяет диапазон температур, измеряемых термопарой. По этой причине были разработаны документы для идентификации различных типов термопар. Каждому типу присваивается соответствующая буква обозначения, и эта буква обозначения указывает комбинацию металлов, используемых в этой термопаре.

Типы термопар и их температурный диапазон

Когда термопара подключена к электрической цепи, она не будет работать должным образом, если при подключении не будет соблюдаться полярность. Положительные провода должны быть связаны вместе и подключены к положительной клемме цепи, а отрицательные провода — к отрицательной клемме. Если провода перепутаны, рабочий стык и холодный стык не будут находиться в противофазе, и показания температуры будут неточными. Один из способов определить полярность проводов термопары — определить цвет изоляции на проводах. Помните, что отрицательный вывод во всех термопарах красный.

Цвет изоляции провода термопары

Во многих случаях необходимо использовать кабели для увеличения длины цепи термопары. Цвет изоляции соединительных проводов также содержит информацию. Цвет внешней изоляции соединительных проводов варьируется в зависимости от производителя, однако цвет первичной изоляции проводов обычно соответствует кодировке, указанной в таблице выше.

Неисправности термопары

Если термопара дает неточные показания температуры и было подтверждено отсутствие ослабленных соединений, причина может заключаться в регистрирующем устройстве или самой термопаре, регистрирующее устройство обычно проверяется первым, так как устройства чаще выходят из строя, чем нет.

Кроме того, если прибор показывает хоть какие-то, даже неточные показания, то, скорее всего, проблема не в термопаре. Если термопара неисправна, она обычно не дает напряжения, а счетчик не дает никаких показаний. Если на приборе нет показаний, скорее всего, проблема в термопаре.

Если вы подозреваете, что термопара вышла из строя, проверьте ее выход с помощью инструмента, называемого потенциометром милливольт, который используется для измерения малых напряжений.

Физическая база работы термопары

Принцип действия термопары основан на нормальных физических процессах. Впервые эффект, на основе которого работает это устройство, изучил немецкий ученый Томас Зеебек.

Суть явления, на котором основан принцип действия термопары, заключается в следующем. В замкнутой электронной схеме, состоящей из 2-х проводников разного типа, при воздействии определенной температуры окружающей среды появляется электричество.

Результирующий поток электронов и температура среды, действующей на проводники, находятся в линейной зависимости. Другими словами, чем выше температура, тем больше электронный ток, создаваемый термопарой. На этом основан принцип действия термопары и термометра сопротивления.

При этом контакт термопары находится в точке, где необходимо определить температуру, она называется «горячей». 2-й контакт, иначе говоря — «крутой» — в обратную сторону. Использование термопар для измерения допускается только в том случае, когда температура воздуха в помещении ниже, чем в точке измерения.

Такое короткое замыкание термопары, принцип работы. В следующем разделе мы рассмотрим типы термопар.

Таблица сравнения термопар

Выше мы рассмотрели типы термоэлектрических преобразователей. У читателя, скорее всего, возникает резонный вопрос: почему существует столько типов термопар?

Дело в том, что заявленная производителем точность измерения возможна только в определенном температурном диапазоне. Именно в этом диапазоне производитель гарантирует линейные характеристики своего продукта. В других диапазонах зависимость напряжения от температуры может быть нелинейной, что обязательно отразится на точности. При этом следует учитывать, что материалы имеют разную степень плавкости, поэтому для них существует предельное значение рабочих температур.

Для сравнения термопар составлены таблицы, в которых отображаются основные параметры измерительных преобразователей. Например, мы приводим один из вариантов таблицы для сравнения распространенных термопар.

Таблица 1.

<td>0; + 1820-250; + 400-40; +900

Тип термопары	K	J	Нет	Р	С	Б	Т	И
Материал положительного электрода	Cr — Ni	Fe	Ni — Cr — Да	Pt — Rh (13% Rh)	Pt — Rh (10% Rh)	Pt — Rh (30% Rh)	Cu	Cr — Ni
Материал отрицательного электрода	Ni — Al	Cu — Ni	Ni-Si-Mg	Pt	Pt	Pt — Rh (6% Rh	Cu — Ni	Cu — Ni
Температурный коэффициент	40… 41	55,2						68
Диапазон рабочих температур, ºC	от 0 до +1100	от 0 до +700	от 0 до +1100	от 0 до +1600	от 0 до 1600	от +200 до +1700	от −185 до +300	от 0 до +800
Предельные температуры, ºС	−180; +1 300	−180; +800	-270; +1 300	— 50; +1 600	-50; +1 750
Класс точности 1, в соответствующем температурном диапазоне, (° C)	± 1,5 от -40 ° C до 375 ° C	± 1,5 от -40 ° C до 375 ° C	± 1,5 от -40 ° C до 375 ° C	± 1,0 от 0 ° C до 1100 ° C	± 1,0 от 0 ° C до 1100 ° C		± 0,5 от -40 ° C до 125 ° C	± 1,5 от -40 ° C до 375 ° C
± 0,004 × T от 375 ° C до 1000 ° C	± 0,004 × T от 375 ° C до 750 ° C	± 0,004 × T от 375 ° C до 1000 ° C	± 1 + 0,003 × (T — 1100) от 1100 ° C до 1600 ° C	± 1 + 0,003 × (T — 1100) от 1100 ° C до 1600 °		± 0,004 × T от 125 ° C до 350 ° C	± 0,004 × T от 375 ° C до 800 ° C
Класс точности 2 в соответствующем диапазоне температур (° C)	± 2,5 от -40 ° C до 333 ° C	± 2,5 от -40 ° C до 333 ° C	± 2,5 от -40 ° C до 333 ° C	± 1,5 от 0 ° C до 600 ° C	± 1,5 от 0 ° C до 600 ° C	± 0,0025 × T от 600 ° C до 1700 ° C	± 1,0 от -40 ° C до 133 ° C	± 2,5 от -40 ° C до 333 ° C
± 0,0075 × T от 333 ° C до 1200 ° C	± 0, T от 333 ° C до 750 ° C	± 0,0075 × T от 333 ° C до 1200 ° C	± 0,0025 × T от 600 ° C до 1600 ° C	± 0,0025 × T от 600 ° C до 1600 ° C		± 0,0075 × T от 133 ° C до 350 ° C	± 0,0075 × T от 333 ° C до 900 ° C
Цветовая кодировка контактов IEC	Зеленый — белый	Черно-белый	Сиреневый — белый	Оранжевый — белый	Оранжевый — белый	Отсутствует	Коричнево-белый	Пурпурный — белый

Схема подключения термопары

• Подключение потенциометра или гальванометра напрямую к проводникам.
• Подключение через компенсационные кабели;
• Подключение обычными медными проводами к термопаре с унифицированным выводом.

Стандарты на цвета проводников термопар

Цветная изоляция проводов помогает отличить термоэлектроды друг от друга для правильного подключения к клеммам. Стандарты различаются в зависимости от страны, конкретной цветовой кодировки проводов нет.

ВАЖНО: необходимо знать стандарт, используемый в компании, чтобы избежать ошибок.

Точность измерения

Точность зависит от типа термопары, диапазона температур, чистоты материала, электрического шума, коррозии, свойств соединения и производственного процесса.

Термопарам присваивается класс допуска (стандартный или специальный), который устанавливает доверительный интервал для измерений.

ВАЖНО: Характеристики на момент изготовления меняются в процессе эксплуатации.

Как выбрать?

Первое, на что стоит обратить внимание: показания датчика температуры зависят от типа используемого измерительного прибора. Поэтому при покупке термопары будет нелишним поинтересоваться у производителя, с какими приборами она совместима. По этой причине в автомобиле можно устанавливать только одни датчики: блок управления «не умеет» работать с другими (т.е с другими типами используемых проводов).

Главный критерий — это диапазон измеряемых температур. От этого значения зависит выбор сплава проводников и их конфигурации. Помимо этого, продавец должен проверить наличие сертификата датчика и паспорта (при изготовлении их необходимо проверять на соответствие характеристикам, информация о проверке и дата ее выполнения указываются в паспорте).

Изготовление термопары для мультиметра самостоятельно

Самодельная термопара — это датчик, по своей сути конструктивно подобный заводскому: два сваренных электрода разного состава.

Список материалов, инструментов:

• константин. Выпускаются старые советские керамические резисторы низкого сопротивления ПЭВ-10 или аналогичные;
• проволока медная;
• зажигалки: турбо («печка») и штатные.

Приемником данных может быть любой цифровой или аналоговый измеритель. С помощью такого ТП для мультиметра можно измерять температуру предметов в студии.

Где взять проволоку

Чем меньше поперечное сечение провода, тем меньше погрешность TP, так как само влияние массива жил на теплопередачу уменьшается.

В нашем примере из таких сплавов взяты 2 проволоки:

• константин. Берем от старого керамический резистор ПЭВ-10. Также сплав содержит зарубежный аналог 1R00JSMT и аналогичные типы радиодеталей. Некоторые из этих радиодеталей с нихромом — работать не будут;
• медная проводка — от обмоток трансформаторов, используемых бытовой техникой, от кабелей, например, витой пары.

Скрутка, сварка

Скручиваем 2 нити. Затем привариваем этот конец: поскольку жилы тонкие, подойдет более легкий турбо, обычно «печка». У вас должна получиться круглая голова-слезинка. Остальные витки необходимо размотать, чтобы не было короткого замыкания.

Мы уже описали принцип работы: при нагревании в месте горячего спая, то есть головки капли, возникает разность потенциалов, запускающая небольшой ток, который по проводам потечет к приемнику (мультиметру). Значения этого электричества будут характеризовать определенную температуру.

Другие способы сварки

Также можно припаять проводку ремесленной пайкой, например, с помощью лабораторных автотрансформаторов, автомобильного аккумулятора. Мы подключаем оба конца термопары, скрученные или механически соединенные проволокой, к одному полюсу («+») этого источника. К другому подключаем вывод («-»), прикрепленный к куску графита. Возникнет электрическая дуга, произойдет сварка.

Напряжение для сварки подбирается экспериментально — начинают с небольших значений 3-5 В и постепенно повышают до желаемого результата. Оптимальное значение зависит от металла провода, его сечения, длины — обычно не превышает 40-50 В. Соблюдается техника безопасности: не касайтесь оголенных участков, не прикладывайте слишком большое натяжение. Для удобства опасные участки изолируют изолентой, батистом, керамическими трубами.

Хорошее соединение достигается за счет нагрева проводов дуговым разрядом, зажигания их между собой и крепким раствором (ропа) хлорида натрия.

Другие сплавы для электродов

Выше мы показали пример с медно-константиновыми электродами. Также возможно изготовление термопары для измерения температуры своими руками из проволоки из других материалов (см. Сплавы в таблице выше). Такие материалы продаются на узкоспециализированных торговых площадках, но получить их еще сложнее, самые доступные — хромель и алюмель.

Проверка самодельной термопары для мультиметра

Электроды собранного датчика подключаем к мультиметру так же, как и щупы. Затем замеряется окружающая среда: голова греется зажигалкой, наблюдается показания тестера. В нашем случае мультиметр показал напряжение 50 мВ и ток 5 мкА, это максимальное значение для данной самоделки.

Калибровка

Калибровать самодельную термопару и создать базу данных, значение которой какой температуре соответствует, можно, опустив ТП в жидкость с заданной температурой (ее нужно будет сильно нагреть). Осталось сравнить t ° с показаниями мультиметра и отметить цифровое соответствие.

Преимущества и недостатки

К основным преимуществам термопар можно отнести:

• простота конструкции;
• невысокая стоимость изготовления;
• широкий диапазон измеряемых температур (от абсолютного нуля до более 2000 градусов Цельсия);
• надежность (допускается использование в агрессивной среде, в химических растворах);
• высокая точность измерения, с правильной градацией, измерения можно производить с шагом до 0,01 градуса;
• малые размеры капсулы датчика (в цифровой электронике используются модели размером с микротранзистор).

Заметные недостатки:

• необходимость определения точного значения коэффициента компенсации (поскольку измерения производятся не только при нулевой температуре), это делается индивидуально для каждого отдельного типа термопары;
• наличие интервала, в котором изменение ЭДС происходит нелинейным образом (для каждого типа проводника он свой), что не позволяет использовать датчик вне его;
• погрешность измеренных значений термопары со временем ухудшается из-за уменьшения калибровочных значений (штатная температура буквально снижается за счет «износа» датчика);
• необходимость использования только совместимых измерительных приборов (или использования компенсационных проводов).

В целом термопара — один из самых простых, точных и дешевых датчиков температуры, принцип действия которого заключается в измерении значения электродвижущей силы (указывается в вольтах, но не следует путать с напряжением).

Контроль горения пламени для газовой плиты

Современные газовые плиты отличаются довольно сложной конструкцией, однако именно эта внутренняя сложность обеспечивает комфортное использование функций плиты. Многие модели оснащены электрическим зажиганием, поэтому, как и другие бытовые устройства, полноценно функционировать могут только при подключении к источнику питания.

Электрозажигание работает следующим образом: в специальном конденсаторе накапливается заряд, который при достижении необходимого значения высвобождает с помощью ключевого элемента. Импульс высокого напряжения разрушает искровой промежуток, расположенный рядом с горелкой, и образует электрическую дугу, которая, в свою очередь, воспламеняет газ.

Использование электрического розжига актуально только для конфорок. Подобные конструкции печей требуют дополнительной разводки и общей модификации системы. Но помимо этого, как для конфорок, так и для духовок с электроподжигом требуется термоэлемент, следящий за наличием / отсутствием пламени.

Термопара в газовой плите

Используя термопару, встроенную в газовую плиту, вы можете избежать неприятностей, связанных с внезапным отключением газа. При снятии отражателя и перегородки с горелки следует выяснить:

• Свеча, похожая на машину (нужна, чтобы зажечь пламя);
• Термопара (отвечает за управление процессом горения).

Как только термоэлемент газовой плиты фиксирует угасание пламени, канал подачи газа закрывается. Это очень удобно, однако следует учитывать, что бывают разные конструкции и модели газовых плит, но не все они предполагают наличие как электророзжига, так и управляющего элемента (термопары). Поэтому обязательно уточнить этот момент. Удобнее сделать это еще до покупки, обратившись за помощью к консультанту, либо после, самостоятельно изучив инструкцию по эксплуатации и всю прилагаемую к устройству документацию.

Как и в случае с газовыми котлами, термоэлементы хром-алюминиевого типа в основном используются для газовых плит, которые при нагреве в месте соединения до 300 ° C обеспечивают уровень напряжения 12-13 мВ. В тех случаях, когда абсолютно точный контроль температурного режима не требуется, можно использовать компаратор (от «сравнить» — сравнивать, сравнивать), который коррелирует заданный уровень напряжения с тем, что вырабатывается термоэлементом. Когда игра будет решена, схема заработает. Как это будет выражаться, зависит от типа алгоритмов, которыми управляет каждое отдельное устройство.

В стандартном исполнении контакты термоэлемента защищены специальным экраном, что позволяет избежать помех и сбоев (неправильные измерения или несвоевременные маневры). Также возможно использование версии с «витой» резьбой.

Обычно элемент розжига имеет дооборудование из 4-6 пар контактов, каждый из которых может образовывать искру. Это возможно благодаря тому, что соединение этих контактов не обычное, а параллельное. Это, помимо прочего, дает возможность дооснащать духовку. Например, некоторые модели также содержат специальные инструкции о том, как и где вам нужно будет подключить провод для установки электрического розжига внутри духовки. Таким же образом можно установить дополнительную термопару. Этот вариант особенно подходит тем, кто имеет достаточный опыт работы с электротехникой.

Использование защитной гильзы

Для некоторых применений термопар требуется защитная гильза. Это устройство используется для защиты термопары от технологической жидкости и состоит из закрытой трубки или твердого стержня, установленного в указанной среде. Колодцы чаще всего используются на нефтеперерабатывающих или химических заводах для продления срока службы термопар. В зависимости от области применения могут использоваться разные типы колодцев. Некоторые из этих типов включают:

Прямые колодцы

Ступенчатые колодцы

Конические колодцы

Колодцы также классифицируются в зависимости от того, как они подключены к термопаре или термистору. Эти типы подключений могут включать:

Сварочные швы внахлест

Фланцевые соединения

Резьбовые соединения

Соединения с уплотнительным кольцом

Сварные соединения

Чувствительность термопар. Нормирующие усилители

Термопары доступны из различных материалов. В принципе, термопара также может быть изготовлена ​​из того же материала, но с другой обработкой. Например, термопара будет соединением между проволокой после волочения и проволокой после волочения и отжига.

Конечно, величина термо-ЭДС будет зависеть от материалов, из которых она сделана. Хотя вы можете сами изготовить термопары из любого материала, на рынке доступно несколько стандартных термопар.

Несомненно, самой известной является термопара типа К (хромель-алюмель), которая входит во многие мультиметры. Его чувствительность составляет около 40 мкВ / С. Да, верно, 40 микровольт на градус Цельсия. Почему примерно? Потому что чувствительность тоже зависит от температуры.

Чуть более чувствительной является термопара типа T (медь-константан), 45 мкВ / C.Другие термопары, которые можно встретить в любительской практике, — это тип E (кромель-константан), 75 мкВ / C, и тип J (железо-костантан), 55 мкВ / Кл. Вольфрамовые или платиновые термопары вряд ли встретятся.

То есть термопары имеют очень низкую чувствительность, а значит, им нужны усилители. Кроме того, это усилители постоянного напряжения, которые должны не только обеспечивать необходимое усиление, но также иметь низкий дрейф и низкое напряжение смещения. Но высокой производительности от них не требуется.

Для достижения высокой точности необходимо использовать прецизионные усилители. Оптимальным вариантом будет использование специализированных микросхем. О некоторых из них мы поговорим чуть позже. Но усилитель также можно собрать с прецизионным операционным усилителем или инструментальным усилителем. Но все компоненты, используемые в усилителе, должны быть прецизионными, а не только операционный усилитель. Это стабильно.

Кроме того, поскольку выходной сигнал термопары очень мал, порядка 8 мВ при 200 градусах Цельсия для термопары K-типа, вам не следует использовать усилители с униполярным источником питания (включая Rail-to-Rail), поскольку они все еще имеют нет явной линейности при работе с сигналами, сопоставимыми с уровнем земли.

лучше всего использовать биполярное питание. В крайних случаях можно подключить отрицательный вывод термопары к стабильному потенциалу над уровнем земли, чтобы направить усилитель на линейный участок передаточной характеристики.

В любительских конструкциях усилитель также использует LM358 и с однополярным источником питания и без компенсации холодного спая (подробнее об этом позже), например «Подключаем термопару к микроконтроллеру» (эта статья не моя!). Это может быть приемлемо для простого знакомства с термопарами. Но для реального использования нет!

Остается сказать, почему усилитель называется нормировочным. Он просто «нормализует» сигнал термопары для дальнейшего использования. Например, АЦП может потребоваться отрегулировать сигнал от термопары до диапазона 0–2 В.