От чего зависит сигнал термопары: устройство и принцип работы простым языком, типы – Термопары: устройство и принцип работы простым языком, типы

Термопара — Википедия

Схема термопары типа К. При температуре спая проволок из хромеля и алюмеля, равной 300 °C, и температуре свободных концов 0 °C развивает термо-ЭДС 12,2 мВ. Фотография термопары

Термопа́ра (термоэлектрический преобразователь) — устройство, применяемое в промышленности, научных исследованиях, медицине, в системах автоматики. Применяется в основном для измерения температуры.

Международный стандарт на термопары МЭК 60584 (п.2.2) даёт следующее определение термопары: Термопара — пара проводников из различных материалов, соединённых на одном конце и формирующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.

Для измерения разности температур зон, ни в одной из которых не находится вторичный преобразователь (измеритель термо-ЭДС), удобно использовать дифференциальную термопару: две одинаковые термопары, соединённые 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

Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Между соединёнными проводниками имеется контактная разность потенциалов; если стыки связанных в кольцо проводников находятся при одинаковой температуре, сумма таких разностей потенциалов равна нулю. Когда же стыки находятся при разных температурах, разность потенциалов между ними зависит от разности температур. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными от нуля коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой Т1, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т

2, которое будет пропорционально разности температур Т1 и Т2.

Способы подключения

Наиболее распространены два способа подключения термопары к измерительным преобразователям: простой и дифференциальный. В первом случае измерительный преобразователь подключается напрямую к двум термоэлектродам. Во втором случае используются два проводника с разными коэффициентами термо-ЭДС, спаянные в двух концах, а измерительный преобразователь включается в разрыв одного из проводников.

Для дистанционного подключения термопар используются удлинительные или компенсационные провода. Удлинительные провода изготавливаются из того же материала, что и термоэлектроды, но могут иметь другой диаметр. Компенсационные провода используются в основном с термопарами из благородных металлов и имеют состав, отличный от состава термоэлектродов. Требования к проводам для подключения термопар установлены в стандарте МЭК 60584-3.

Следующие основные рекомендации позволяют повысить точность измерительной системы, включающей термопарный датчик[1]:

— Миниатюрную термопару из очень тонкой проволоки следует подключать только с использованием удлинительных проводов большего диаметра;
— Не допускать по возможности механических натяжений и вибраций термопарной проволоки;
— При использовании длинных удлинительных проводов, во избежание наводок, следует соединить экран провода с экраном вольтметра и тщательно перекручивать провода;
— По возможности избегать резких температурных градиентов по длине термопары;
— Материал защитного чехла не должен загрязнять электроды термопары во всем рабочем диапазоне температур и должен обеспечить надежную защиту термопарной проволоки при работе во вредных условиях;
— Использовать удлинительные провода в их рабочем диапазоне и при минимальных градиентах температур;

— Для дополнительного контроля и диагностики измерений температуры применяют специальные термопары с четырьмя термоэлектродами, которые позволяют проводить дополнительные измерения сопротивления цепи для контроля целостности и надежности термопар.

Применение термопар

Для измерения температуры различных типов объектов и сред, а также в качестве датчика температуры в автоматизированных системах управления. Термопары из вольфрам-рениевого сплава являются самыми высокотемпературными контактными датчиками температуры[2]. Такие термопары незаменимы в металлургии для контроля температуры расплавленных металлов.

Для контроля пламени и защиты от загазованности в газовых котлах и в других газовых приборах (например, бытовые газовые плиты). Ток термопары, нагреваемой пламенем горелки, удерживает в открытом состоянии газовый клапан. В случае пропадания пламени ток термопары снижается и клапан перекрывает подачу газа.

В 1920—1930-х годах термопары использовались для питания простейших радиоприемников и других слаботочных приборов. Вполне возможно использование термогенераторов для подзарядки АКБ современных слаботочных приборов (телефоны, камеры и т. п.) с использованием открытого огня.

Приёмник излучения

Крупный план термобатареи фотоприёмника. Каждый из проволочных уголков представляет собой термопару.

Исторически термопары представляют один из наиболее ранних термоэлектрических приёмников излучения[3]. Упоминания об этом их применении относятся к началу 1830-х годов[4]. В первых приёмниках использовались одиночные проволочные пары (медь — константан, висмут — сурьма), горячий спай находился в контакте с зачернённой золотой пластинкой. В более поздних конструкциях стали применяться полупроводники.

Термопары могут включаться последовательно, одна за другой, образуя термобатарею (англ.). Горячие спаи при этом располагают либо по периметру приёмной площадки, либо равномерно по её поверхности. В первом случае отдельные термопары лежат в одной плоскости, во втором параллельны друг другу[5].

Преимущества термопар

  • Высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01 °С).
  • Большой температурный диапазон измерения: от −250 °C до +2500 °C.
  • Простота.
  • Дешевизна.
  • Надёжность.

Недостатки

  • Для получения высокой точности измерения температуры (до ±0,01 °С) требуется индивидуальная градуировка термопары.
  • На показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового датчика и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.
  • Эффект Пельтье (в момент снятия показаний необходимо исключить протекание тока через термопару, так как ток, протекающий через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный).
  • Зависимость ТЭДС от температуры существенно нелинейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.
  • Возникновение термоэлектрической неоднородности в результате резких перепадов температур, механических напряжений, коррозии и химических процессов в проводниках приводит к изменению градуировочной характеристики и погрешностям до 5 К.
  • На большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.

Типы термопар

Технические требования к термопарам определяются ГОСТ 6616-94. Стандартные таблицы для термоэлектрических термометров — номинальные статические характеристики преобразования (НСХ), классы допуска и диапазоны измерений приведены в стандарте МЭК 60584-1,2 и в ГОСТ Р 8.585-2001.


Точный состав сплава термоэлектродов для термопар из неблагородных металлов в МЭК 60584-1 не приводится. НСХ для хромель-копелевых термопар ТХК и вольфрам-рениевых термопар определены только в ГОСТ Р 8.585-2001. В стандарте МЭК данные термопары отсутствуют. По этой причине характеристики импортных датчиков из этих металлов могут существенно отличаться от отечественных, например импортный Тип L и отечественный ТХК не взаимозаменяемы. При этом, как правило, импортное оборудование не рассчитано на отечественный стандарт.

В настоящее время стандарт МЭК 60584 пересматривается. Планируется введение в стандарт вольфрам-рениевых термопар типа А-1, НСХ для которых будет соответствовать российскому стандарту, и типа С по стандарту АСТМ

[6].

В 2008 г. МЭК ввел два новых типа термопар: золото-платиновые и платино-палладиевые. Новый стандарт МЭК 62460 устанавливает стандартные таблицы для этих термопар из чистых металлов. Аналогичный Российский стандарт пока отсутствует.

Сравнение термопар

Таблица ниже описывает свойства нескольких различных типов термопар[7]. В пределах колонок точности, T представляет температуру горячего спая, в градусах Цельсия. Например, термопара с точностью ±0,0025×T имела бы точность ±2,5 °C при 1000 °C.

Тип

термопары

IEC (МЭК)

Материал

положительного

электрода

Материал

отрицательного

электрода

Темп.

коэффициент,

μV/°C

Темп.

диапазон, °C

(длительно)

Темп.

диапазон,°C

(кратковременно)

Класс точности 1 (°C) Класс точности 2 (°C) IEC (МЭК)

Цветовая маркировка

K Хромель

Cr—Ni

Алюмель

Ni—Al

40…41 0 до +1100 −180 до +1300 ±1,5 от −40 °C до 375 °C
±0,004×T от 375 °C до 1000 °C
±2,5 от −40 °C до 333 °C
±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C
Зелёный-белый
J Железо

Fe

Константан

Cu—Ni

55.2 0 до +700 −180 до +800 ±1,5 от −40 °C до 375 °C
±0,004×T от 375 °C до 750 °C
±2,5 от −40 °C до 333 °C
±0,T от 333 °C до 750 °C
Чёрный-белый
N Нихросил

Ni—Cr—Si

Нисил

Ni—Si—Mg

0 до +1100 −270 до +1300 ±1,5 от −40 °C до 375 °C
±0,004×T от 375 °C до 1000 °C
±2,5 от −40 °C до 333 °C
±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C
Сиреневый-белый
R Платинородий

Pt—Rh (13 % Rh)

Платина

Pt

0 до +1600 −50 до +1700 ±1,0 от 0 °C до 1100 °C
±[1 + 0,003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °C
±1,5 от 0 °C до 600 °C
±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C
Оранжевый-белый
S Платинородий

Pt—Rh (10 % Rh)

Платина

Pt

0 до 1600 −50 до +1750 ±1,0 от 0 °C до 1100 °C
±[1 + 0,003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °C
±1,5 от 0 °C до 600 °C
±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C
Оранжевый-белый
B Платинородий

Pt—Rh (30 % Rh)

Платинородий

Pt—Rh (6 % Rh)

+200 до +1700 0 до +1820 ±0,0025×T от 600 °C до 1700 °C Отсутствует
T Медь

Cu

Константан

Cu—Ni

−185 до +300 −250 до +400 ±0,5 от −40 °C до 125 °C
±0,004×T от 125 °C до 350 °C
±1,0 от −40 °C до 133 °C
±0,0075×T от 133 °C до 350 °C
Коричневый-белый
E Хромель

Cr—Ni

Константан

Cu—Ni

68 0 до +800 −40 до +900 ±1,5 от −40 °C до 375 °C
±0,004×T от 375 °C до 800 °C
±2,5 от −40 °C до 333 °C
±0,0075×T от 333 °C до 900 °C
Фиолетовый-белый

См. также

Примечания

Литература

  • Грунин В. К. § 2.3.4. Термоэлектрические приёмники излучения // Источники и приёмники излучения: учебное пособие. —
    СПб.
    : Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2015. — 167 с. — ISBN 978-5-7629-1616-5.

Ссылки

Обработка сигналов термопар. Часть 1 — Технологии

FUNCTION_BLOCK TC_K_REAL

 

VAR_INPUT

    CI     : BOOL ;

    IN     : REAL ; (* Код АЦП *)

    CJC    : REAL ; (* температура холодного спая в °С *)

END_VAR

 

VAR_OUTPUT

    CO     : BOOL ;

    OUT    : REAL ; (* Температура в °С *)

    FALARM : BOOL ; (* Признак выхода измеренного значения за пределы диапазона *)

    FCJC   : BOOL ; (* Признак выхода температуры «холодного» спая за диапазон компенсации *)

END_VAR

 

VAR

    mV     : REAL ; (* величина термо ЭДС, мВ *)

    COLD   : REAL ;

END_VAR

 

    CO := CI ;

 

(* Определение термо ЭДС «холодного» спая *)

 

    IF CJC < -100.0 THEN (* выход за диапазон *)

        COLD := 0.0 ;

        FCJC := TRUE ;

    ELSIF CJC < 0.0 THEN

        (* -100 to 0 °C, приложение А.1, диапазон 1 для термопары K *)

        COLD := POLY_R11(CJC,

                         0.0,

                         3.9450128025e-2,

                         2.3622373598e-5,

                         -3.2858906784e-7,

                         -4.9904828777e-9,

                         -6.7509059173e-11,

                         -5.7410327428e-13,

                         -3.1088872894e-15,

                         -1.0451609365e-17,

                         -1.9889266878e-20,

                         -1.6322697486e-23

                         ) ;

        FCJC := FALSE ;

    ELSIF CJC <= 100.0 THEN

        (* 0 to 100 °C, приложение А.1, диапазон 2 для термопары K *)

        COLD := POLY_R10(CJC,

                         -1.7600413686e-2,

                         3.8921204975e-2,

                         1.8558770032e-5,

                         -9.9457592874e-8,

                         3.1840945719e-10,

                         -5.6072844889e-13,

                         5.6075059059e-16,

                         -3.2020720003e-19,

                         9.7151147152e-23,

                         -1.2104721275e-26

                         ) + 1.185976e-1 * 2.7182818284 ** (-1.183432e-4 * (CJC — 126.9686) ** 2);

        FCJC := FALSE ;

    ELSE (* выход за диапазон *)

        COLD := 0.0 ;

        FCJC := TRUE ;

END_IF ;

 

(* Расчет измеряемой температуры с учетом поправки на температуру «холодного» спая*)

 

    mV := IN + COLD;

    IF mV < -5.891 THEN (* выход за диапазон *)

        OUT := -200.0 ;

        FALARM := TRUE ;

    ELSIF mV < 0.0 THEN (* -200 to 0 °C, приложение А.2, диапазон 1 для термопары K *)

        OUT := POLY_R9(mV,

                       0.0,

                       2.5173462e+1,

                       -1.1662878,

                       -1.0833638,

                       -8.9773540e-1,

                       -3.7342377e-1,

                       -8.6632643e-2,

                       -1.0450598e-2,

                       -5.1920577e-4

                       );

 

        FALARM := FALSE ;

 

    ELSIF mV < 20.644 THEN (* 0 to 500 C, приложение А.2, диапазон 2 для термопары K *)

        OUT := POLY_R10(mV,

                        0.0,

                        2.508355e+1,

                        7.860106e-2,

                        -2.503131e-1,

                        8.315270e-2,

                        -1.228034e-2,

                        9.804036e-4,

                        -4.413030e-5,

                        1.057734e-6,

                        -1.052755e-8

                        );

        FALARM := FALSE ;

    ELSIF mV <= 54.886 THEN (* 500 to 1372 C, приложение А.2, диапазон 3 для термопары K *)

        OUT := POLY_R7(mV,

                       -1.318058e+2,

                       4.830222e+1,

                       -1.646031,

                       5.464731e-2,

                       -9.650715e-4,

                       8.802193e-6,

                       -3.110810e-8

                       );

        FALARM := FALSE ;

    ELSE (* выход за диапазон *)

        OUT := 1372.0 ;

        FALARM := TRUE ;

    END_IF ;

 

END_FUNCTION_BLOCK

5. Термопары | 8. Применение электрических сигналов | Часть1

5. Термопары

Термопары

Одним из наиболее интересных явлений, применяемых в области измерений, является эффект Зеебека. Этот эффект заключается в том, что воздействие разных температур на разные участки провода приводит к возникновению небольшого напряжения между его концами. Лучше всего данный эффект наблюдается на стыке двух разнородных металлических проводников, где каждый из металлов производит различное напряжение Зеебека по всей своей длине, в результате чего между двумя свободными концами проводов возникает некоторое напряжение. Большинство пар любых разнородных металлов будет производить измеримое напряжение при нагревании места их соединения. Некоторые комбинации металлов создают большее напряжение, а некоторые — меньшее.

Эффект Зеебека довольно линеен: напряжение, создаваемое при подогреве места соединения двух проводников, пропорционально температуре. Это означает, что температура в месте соединения проводов может быть определена путем измерения произведенного напряжения. Таким образом, эффект Зеебека предоставляет нам электрический метод измерения температуры.

Созданная для измерения температуры цепь, которая состоит только из двух разнородных металлических проводников, называется термоэлементом или термопарой. Для точного соотношения температуры/напряжения, термопары изготавливаются из высокочистых металлов (они являются линейными и максимально предсказуемыми).

Напряжения Зеебека довольно маленькие, всего несколько десятков милливольт для большинства температурных диапазонов. Это создает определенные трудности при их измерении. Кроме того, любое соединение разнородных металлов произведет температурно-зависимое напряжение, что так же создаст нам проблему при подключении термопары к вольтметру:

Второе соединение железо/медь, сформированное на верхнем проводе при подключении термопары к вольтметру, произведет температурно-зависимое напряжение, полярность которого будет противоположна полярности напряжения на измеряемом соединении. Это означает, что напряжение между медными проводами вольтметра будет функцией разницы температур двух соединений, а не температуры одного, измеряемого соединения. Даже для термопар, в которых медь не является одним из разнородных металлов, комбинация двух металлов, подсоединенных к медным проводам измерительного прибора сформирует соединение, эквивалентное измеряемому:

Соединения разнородных проводов, которые не являются измеряемыми, называются «холодными спаями». При использовании одной термопары, возникновение как минимум одного холодного спая неизбежно. В некоторых случаях возникает необходимость измерения разницы температур между двумя различными точками, и это неотъемлемое свойство термопар может быть использовано для построения простой измерительной системы:

Однако, в большинстве случаев температура измеряется только в одной точке, а следовательно, второе соединение становится обузой.

Компенсация напряжения, генерируемого холодным спаем, выполняется специальной схемой, которая измеряет температуру спая и производит соответствующее компенсирующее напряжение. Вполне резонно, что вы зададитесь вопросом: «Если мы должны прибегнуть еще к какой то форме измерения температуры для преодоления особенностей термопар, то зачем мы вообще используем термопары для измерения температур? Почему-бы не использовать другой способ, который сделает ту-же самую работу?». Ответ на этот вопрос прост: другие способы измерения температуры не такие надежные и универсальные, как термопары, но зато они могут использоваться для измерения температуры холодного спая в щадящих условиях. Например, термопара может быть установлена в дымоход доменной печи сталелитейного завода, температура в котором достигает 1800 градусов по фаренгейту, в то время как спай может располагаться в сотне метров от нее и иметь температуру окружающей среды, которая измеряется устройством, не способным работать в условиях агрессивной атмосферы печи.

Напряжение, произведенное термопарой, напрямую зависит от температуры. Сила тока в цепи термопары прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению (I = U/R). Иными словами, зависимость напряжения Зеебека от температуры фиксирована, в то время, как зависимость силы тока от температуры переменна, и зависит от полного сопротивления цепи. Если сопротивление проводов термопары очень мало, то она способна произвести ток свыше сотни ампер!

Вольтметр, используемый для измерения напряжения, создаваемого термопарой, должен иметь очень высокое внутреннее сопротивление. Это позволит избежать ошибок, вызванных падением напряжения вдоль проводов термопары. Проблема падения напряжения  в данном случае имеет большое значение, так как приходится работать с напряжением всего несколько милливольт. Мы не можем позволить себе потери даже одного милливольта в проводах, чтобы не вызвать серьезных ошибок при измерении температуры.

В идеале, ток забираемый вольтметром у цепи с термопарой должен быть нулевым. На ранних этапах это достигалось применением потенциометрических инструментов. Более современные приборы, для минимизации отбираемого у цепи тока, используют схемы полупроводниковых усилителей.

Термопары, изготовленные из толстых проводов (для обеспечения низкого сопротивления), и соединенные между собой определенным способом, можно использовать не только для измерения температуры. Если несколько термопар соединить последовательно, чередуя горячие и холодные температуры на каждом из соединений, то можно получить термоэлектрическую батарею, которая будет производить значительное количество напряжения и тока:

При одинаковой температуре, напряжения на всех термопарах будут одинаковы, а так как термопары слева имеют полярность, противоположную термопарам справа, то их напряжения взаимокомпенсируются, и выходное напряжение будет равно нулю. Однако, если набор термопар слева нагреть, а набор справа — охладить, то напряжение каждой левой термопары будет больше напряжения каждой правой, в результате чего общее напряжение будет равно сумме всех дифференциалов напряжений. Именно так и работает термоэлектрическая батарея. Интересным является еще одно термоэлектрическое явление, обратное эффекту Зеебека, при котором происходит выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока в месте соединения двух разнородных проводников. Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида контактирующих веществ, направления и силы протекающего электрического тока. Такое термоэлектрическое явление называется эффектом Пельтье.

Еще одним применением термопар является измерение средней температуры между несколькими местами размещения датчиков. Чтобы реализовать это, нужно соединить несколько термопар параллельно дуг другу:

Такой способ подключения термопар применяется для сигнализации перегрева в одной из точек объекта (с большим числом термопар, установленных в разных его местах), а также для нахождения среднего арифметического значения температур в ряде точек. Параллельное соеди­нение может быть использовано для однотипных термопар с близкими термоэлектрическими характеристиками. При равенстве температур на рабочих концах всех термопар выходной сигнал системы будет соответствовать некоторому среднему значению напряжения всех термопар. Если сопротивления всех термопар одинаковы, то при местном перегреве напряжение одной из термопар возрастает на величину ∆U, а выходной сигнал всей системы возрастает на величину ∆U/n вследствие шунтирования данной термопары всеми остальными n термопарами системы.

К сожалению, точность усреднения потенциалов напряжений термопар зависит от длины их проводов. Если термопары расположены в разных местах, то длина их проводов вряд-ли будет одинаковой. Термопары с наибольшей длиной провода от точки измерения до точки параллельного соединения имеют наибольшее сопротивление, а следовательно, оказывают меньшее влияние на среднее напряжение.

Чтобы компенсировать это, и сделать сопротивления проводов более равными,  к каждой из параллельных ветвей цепи добавляются дополнительные резисторы. Допускается устанавливать резисторы с одинаковыми значениями сопротивлений, но эти значения должны быть значительно выше сопротивлений проводов термопар, чтобы влияние последних на общее сопротивление было минимальным:

Поскольку термопары производят очень низкое напряжение, крайне важно, чтобы соединения проводов были чистыми и прочными. Кроме того, холодные спаи должны располагаться вблизи измерительного прибора, чтобы удостовериться, что прибор может точно компенсировать их температуру. Несмотря на эти, казалось бы жесткие требования, термопары остаются одним из самых надежных и популярных методов измерения температуры и в настоящее время.

Применение термопар для измерения температуры

Главная страница > О компании > Книги, патенты, статьи > Применение термопар для измерения температуры

Введение

Действие термопары основано на эффекте термоэлектричества, открытом немецким физиком Т. Зеебеком в 1821 году [Seebeck A. — Cilb. Ann., 1823, 73, 115, 430]. Если соединить два провода из разнородных металлов, то между их концами возникнет электродвижущая сила величиной порядка милливольта, с температурным коэффициентом около 50 мкВ на градус. Такие соединения называются термопарами и используются для измерения температуры в диапазоне от -270 до +2500 градусов Цельсия. Зависимость напряжения от температуры нелинейна, однако в небольшом диапазоне температур термо-э.д.с. пропорциональна разности температур спаев Т1 и Т2:

ЭДС = S(Т2 — Т1), (1)

где S- коэффициент Зеебека.

Принцип действия термопары иллюстрируется следующим рисунком (рис.1). Если температуры спаев различаются, и температура одного из спаев известна (например, измерена с помощью термометра или терморезистора), то температуру второго спая (т.е. измеряемую температуру) можно найти из уравнения (1). Для того, чтобы упростить процесс измерения температуры с помощью термопары, температуру холодного спая можно застабилизировать например, опустив холодный спай в ванночку со льдом. Однако применение компьютера совместно с системой сбора данных делает эту процедуру излишней, поскольку температура холодного спая изменяется в небольших пределах, и поэтому применение даже недорогого терморезисторного датчика позволяет получить хорошие результаты с помощью программной компенсации температуры холодного спая.

Рис.1. Принцип действия термопары Рис.2. Подключение вольтметра с помощью третьего металла

 

При подключении к термопаре внешней электрической цепи появляются новые контакты разнородных металлов, которые вводят в измерительную цепь дополнительные ЭДС. Однако можно видеть (рис.2), что, например термоЭДС двух контактов медь-константан включены встречно и поэтому компенсируют друг-друга. Это позволяет использовать термопару на большом удалении от измерителя напряжения, соединив их обычными медными проводами.

Алгоритм измерения температуры

Если по теореме об эквивалентном генераторе электрической цепи левый (по схеме) спай заменить источником напряжения, а затем перенести этот источник к вольтметру, то получим окончательно измерительную цепь, которая используется в большинстве приборов для измерения температуры на основе термопар (рис.4). Величина ЭДС источника Екомп является функцией температуры холодного спая T1. «Холодным спаем» в этом случае являются контакты между медью и железом и медью и константаном. Эти контакты должны иметь одинаковую температуру. Источник Екомп в системе RealLab! реализуется программно, а температура, на основании которой вычисляется величина компенсирующей ЭДС, измеряется каким-либо термодатчиком, например, терморезистором, полупроводниковым датчиком или RTD.

Таким образом, алгоритм измерения температуры должен состоять из следующих шагов:

  • измерение температуры холодного спая;
  • преобразование этой температуры в эквивалентное напряжение на выводах холодного спая термопары, используя градуировочную таблицу термопары или линеаризующее уравнение;
  • добавление этого напряжения к измеренному напряжению на выводах термопары;
  • преобразование полученного напряжения в температуру используя градуировочную таблицу термопары или линеаризующее уравнение.

 


Рис.3. Замена левого спая эквивалентным генератором

Линеаризация температурной зависимости

Температурная зависимость напряжения на выходе термопары является сильно нелинейной. Поэтому для нахождения температуры по измеренному значению напряжения необходимо использовать таблицу или нелинейную функцию, аппроксимирующую табличные данные. Для аналитической апроксимации табличных значений обычно используют полином вида

,       (1)

где V — измеренное напряжение в микровольтах; Т — температура, oС; ao,… an, — коэффициенты полинома, которые индивидуальны для каждого типа термопары. Для ряда стандартных термопар эти коэффициенты установлены стандартом NIST (National Institute of Standards and Technology), опубликованы в монографии [Temperature-Electromotive Force Reference Functions and Tables for the Letter-Designated Thermocouple Types Based on the ITS-90. Natl. Inst. Stand. Technol. Monograph 175; 1993. 630 p.] и приведены в табл.1. Эта таблица получена при условии, что холодный спай термопары находится при температуре 0oС.

Таблица 1

Для обратного перехода, от температуры к напряжению, используют аналогичную полиномиальную аппроксимацию

коэффициенты которой приведены в таблице 2. Этой таблицей пользуются для точной компенсации температуры холодного спая.

Таблица 2

 

Тип термопары

E

J

K

R

S

T

Коэффициент

0° … 1,000°C

-210° … 760 °C

0° … 1372°C

-50° … 1,064 °C

-50° … 1,064 °C

0° … 400 °C

c0

0.0

0.0

-17.600413686

0.0

0.0

0.0

c1

58.665508710

50.38118782

38.921204975

5.28961729765

5.40313308631

38.748106364

c2

4.503227558E-2

3.047583693E-2

1.85587700E-2

1.3916658978E-2

1.2593428974E-2

3.32922279E-2

c3

2.890840721E-5

-8.56810657E-5

-9.9457593E-5

-2.388556930E-5

-2.324779687E-5

2.06182434E-4

c4

-3.30568967E-7

1.322819530E-7

3.18409457E-7

3.5691600106E-8

3.2202882304E-8

-2.18822568E-6

c5

6.50244033E-10

-1.7052958E-10

-5.607284E-10

-4.62347666E-11

-3.314651964E-11

1.09968809E-8

c6

-1.9197496E-13

2.09480907E-13

5.6075059E-13

5.007774410E-14

2.557442518E-14

-3.0815759E-11

c7

-1.2536600E-15

-1.2538395E-16

-3.202072E-16

-3.73105886E-17

-1.25068871E-17

4.54791353E-14

c8

2.14892176E-18

1.56317257E-20

9.7151147E-20

1.577164824E-20

2.714431761E-21

-2.7512902E-17

c9

-1.4388042E-21

-1.210472E-23

-2.81038625E-24

c10

3.59608995E-25

См. примечание

 

Примечание: Уравнение для термопары типа К имеет вид

Конструкции термопар

Сварка проводов, изготовленных из разных металлов, выполняется таким образом, чтобы получилось небольшое по размеру соединение — спай. Провода можно просто скрутить, однако такое соединение ненадежно и имеет большой уровень шумов. Сварку металлов иногда заменяют пайкой, однако верхний температурный диапазон такой термопары ограничен температуров плавления припоя. При температурах, близких к температуре плавления припоя, контакт разнородных металлов в термопаре может нарушаться. Термопары, изготвленные сваркой, выдерживают более высокие температуры, однако химический состав термопары и структура металла в месте сварки могут нарушаться, что приводит к разбросу температурных коэффициентов термопар. Под действием высоких температур может произойти раскалибровка термопары вследствие изменения диффуции компонентов металла в месте сварки. В таких случаях термопару следует откалибровать заново или заменить.

Промышленностью выпускаются термопары трех различных конструкций: с открытым спаем, с изолированным незаземленным спаем и с заземленным спаем. Термопары с открытым контактом имеют малую постоянную времени, но плохую коррозионную стойкость. Термопары двух других типов применимы для измерения температуры в агрессивных средах. В таблице 3 приведены типы термопар и их маркировка в соответствии со стандартом ANSI.

Таблица 3

Обозначение,
ANSI

Тип по
ГОСТ Р 8.585-2001

Материал
положительного
электрода

Материал
отрицательного
электрода

Максимальная погрешность

Максимальная
температура

Температурный
коэффициент
при 20 град
Цельсия

Выходное
напряжение
при 100 град.
Цельсия

J

ТЖК

Железо, Fe

Константан, Cu-Ni

2,2 oС или 0,75%

760

51,45

5,268

K

TXA

Хромель, Cr-Ni

Алюмель, Ni-Al

2,2 oС или 0,75% выше 0 oС, 2,2 oС или 2% ниже

1370

40,28

4,095

T

ТМК

Медь, Cu

Константан, Cu-Ni

oС или 0,75% выше 0 oС, 1 oС или 1,5% ниже

400

40,28

4,277

E

ТХКн

Хромель, Cr-Ni

Константан, Cu-Ni

1,7 oС или 0,5% выше 0 oС, 1,7 oС или 1% ниже

1000

60,48

6,317

N

ТНН

Никросил, Ni-Cr-Si

Нисил, Ni-Si-Mg

2,2 oС или 0,75% выше 0 oС, 2,2 oС или 2% ниже

R

ТПП

Платина-Родий
(13% Rh)

Платина Pt

1,5 oС или 0,25%

1750

5,8

0,647

S

ТПП

Платина-Родий
(10% Rh)

Платина Pt

1,5 oС или 0,25%

1750

5,88

0,645

B

ТПР

Платина-Родий
(30% Rh)

Платина-Родий
(6% Rh)

0,5% выше +800 oС

1800

0,033

L

TXK

Хромель-Копель

 

 

900

 

 

C

ТВР,A
(A-1, A-2, A-3)

Вольфрам-Рений,
W-Re (5% Re)

Вольфрам-Рений,
W-Re (26% Re)

4,5 oС до _425 oС, 1% до 2320 oС

 

Особенностью термопар по сравнению с другими типами термодатчиков является то, что температурный коэффициент зависит только от материала, из которого изготовлена термопара и не зависит от ее конструкции (термопары выполняются в форме щупа, проклодки, бронированного зонда, и т.п.). Это делает термопары взаимозаменяемыми без дополнительной подстройки.

При высоких температурах сопротивление материала изоляции термопары уменьшается и токи утечки через изоляцию могут вносить погрешность в результат измерения. Погрешность термопары возрастает также при попадании жидкости внутрь термопары, вследствие чего возникает гальванический эффект.

Измерительная цепь

Основная проблема построения измерительной схемы на базе термопары связана с ее низким выходным напряжением (около 50 мкВ на градус), поскольку синфазные помехи промышленной частоты 50 Гц и радиопомехи, наведенные на элементах измерительной цепи, намного превышают это значение. Поэтому очень важно хорошо экранировать провода, идущие от термопары к системе сбора данных. Термопара должна быть подключена витой парой проводов, помещенных в общий экран. Если провод, идущий к термопаре, достаточно длинный (несколько сотен метров), то наилучшие результаты получаются, если предварительно усилить сигнал термопары усилителем RL-4DA200 из серии RealLab! и уже усиленный сигнал передавать на большое расстояние. При этом электромагнитные наводки становятся малы по сравнению с усиленным сигналом от термопары, что увеличивает достоверность получаемых результатов. Поэтому усиление должно быть выбрано таким, чтобы верхний предел измерения температуры был равен верхнему пределу выходного напряжения усилителя, то есть 10 В.

Для улучшения отношения сигнал/помеха при значительном удалении термодатчика от системы сбора данных можно использовать также фильтр нижних частот третьего порядка с полосой 5 Гц, типа RL-8F3 из серии RealLab!, который позволяет существенно ослабить помеху частотой 50 Гц. На частоте 50 Гц уровень помехи ослабляется на 60 дБ. Фильтр RL-4F3 устанавливается перед системой ввода данных, т.е. перед мультиплексором. Поэтому инерционность фильтра не требует уменьшения скорости опроса датчиков. При использовании модулей серии NL фильтр использовать не нужно, т.к. он имеется во входных цепях модуля NL-8TI.

Обычно используют два способа компенсации температуры холодного спая. Первый способ состоит в том, что провода, идущие от термопары к системе сбора данных, выполняют термопарным проводом, т.е. проводом, изготовленным из того же материала, что и электроды термпары. При этом «холодные спаи» всех термопар (если их несколько) оказываются расположенными в одном месте и температуры всех «холодных спаев» одинаковы. В этом случае можно использовать один общий термодатчик, измеряющий термпературу холодных спаев. Этот способ удобен, когда все термопары расположены недалеко друг от друга и от системы сбора данных.

Второй способ состоит в том, что для каждой термопары используют свой измеритель температуры холодного спая. Это позволяет использовать обычные провода для подсоединения термпары к системе сбора данных, однако одновременно с ними необходимо подвести и сигнал от термопреобразователя, который регистрирует температуру холодного спая. Такой способ удобен, когда термопары пространственно разнесены одна от другой на большое расстояние.

Если термопара в рабочем режиме находится под высоким напряжением или может случайно оказаться под напряженим, необходимо использовать изолирующий усилитель RL-1IDA200.

Точность термопары зависит от химического состава ее материала. Внешние факторы, такие как давление, коррозия, радиация могут изменить кристаллическую структуру или химический состав материала и вносят погрешность в результат измерения.

Термопара — Вики

Схема термопары типа К. При температуре спая проволок из хромеля и алюмеля, равной 300 °C, и температуре свободных концов 0 °C развивает термо-ЭДС 12,2 мВ. Фотография термопары

Термопа́ра (термоэлектрический преобразователь) — устройство, применяемое в промышленности, научных исследованиях, медицине, в системах автоматики. Применяется в основном для измерения температуры.

Международный стандарт на термопары МЭК 60584 (п.2.2) даёт следующее определение термопары: Термопара — пара проводников из различных материалов, соединённых на одном конце и формирующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.

Для измерения разности температур зон, ни в одной из которых не находится вторичный преобразователь (измеритель термо-ЭДС), удобно использовать дифференциальную термопару: две одинаковые термопары, соединённые электрически навстречу друг другу. Каждая из них измеряет перепад температур между своим рабочим спаем и условным спаем, образованным концами термопар, подключёнными к клеммам вторичного преобразователя. Обычно вторичный преобразователь измеряет разность их ЭДС, таким образом, с помощью двух термопар можно измерить разность температур между их рабочими спаями по результатам измерения напряжения. Метод не является точным, если во вторичном преобразователе не предусмотрена линеаризация статической характеристики термопар, так как все термопары в той или иной степени имеют нелинейную статическую характеристику преобразования[1].

Принцип действия

Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Между соединёнными проводниками имеется контактная разность потенциалов; если стыки связанных в кольцо проводников находятся при одинаковой температуре, сумма таких разностей потенциалов равна нулю. Когда же стыки разнородных проводников находятся при разных температурах, разность потенциалов между ними зависит от разности температур. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными от нуля коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой T1{\displaystyle T_{1}}, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре T2{\displaystyle T_{2}}, которое будет пропорционально разности температур: T1−T2.{\displaystyle T_{1}-T_{2}.}

Способы подключения

Наиболее распространены два способа подключения термопары к измерительным преобразователям: простой и дифференциальный. В первом случае измерительный преобразователь подключается напрямую к двум термоэлектродам. Во втором случае используются два проводника с разными коэффициентами термо-ЭДС, спаянные в двух концах, а измерительный преобразователь включается в разрыв одного из проводников.

Для дистанционного подключения термопар используются удлинительные или компенсационные провода. Удлинительные провода изготавливаются из того же материала, что и термоэлектроды, но могут иметь другой диаметр. Компенсационные провода используются в основном с термопарами из благородных металлов и имеют состав, отличный от состава термоэлектродов. Требования к проводам для подключения термопар установлены в стандарте МЭК 60584-3.
Следующие основные рекомендации позволяют повысить точность измерительной системы, включающей термопарный датчик[2]:

— Миниатюрную термопару из очень тонкой проволоки следует подключать только с использованием удлинительных проводов большего диаметра;
— Не допускать по возможности механических натяжений и вибраций термопарной проволоки;
— При использовании длинных удлинительных проводов, во избежание наводок, следует соединить экран провода с экраном вольтметра и тщательно перекручивать провода;
— По возможности избегать резких температурных градиентов по длине тер

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *