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 Т₂, 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 В±0,0025 Г—T имела бы точность В±2,5 В°C в 1000 В°C.

Тип термопары IEC (МЭК)	Материал положительного электрода	Материал отрицательного электрода	Темп. коэффициент, μV/°C	Температурный диапазон °C (длительно)	Температурный 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	Никросил 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

Киес Р. Дж., Крузе П. В., Патли Э. Г., Лонг Д., Цвиккер Г. Р., Милтон А. Ф., Тейч М. К. § 3.2. Термопара // Фотоприёмники видимого и ИК диапазонов = Optical and Infrared Detectors / пер. с англ. под ред. В. И. Стафеева. — М.: Радио и связь, 1985. — 328 с.

H. Melloni. Ueber den Durchgang der Wärmestrahlen durch verschiedene Körper (нем.) // Annalen der Physik und Chemie : журнал. — Leipzig: Verlag von Johann Ambrosius Barth, 1833. — Bd. 28. — S. 371—378.

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

Термопара — Википедия. Что такое Термопара

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 Т₂, 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 В±0,0025 Г—T имела бы точность В±2,5 В°C в 1000 В°C.

Тип термопары IEC (МЭК)	Материал положительного электрода	Материал отрицательного электрода	Темп. коэффициент, μV/°C	Температурный диапазон °C (длительно)	Температурный 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	Никросил 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

Киес Р. Дж., Крузе П. В., Патли Э. Г., Лонг Д., Цвиккер Г. Р., Милтон А. Ф., Тейч М. К. § 3.2. Термопара // Фотоприёмники видимого и ИК диапазонов = Optical and Infrared Detectors / пер. с англ. под ред. В. И. Стафеева. — М.: Радио и связь, 1985. — 328 с.

H. Melloni. Ueber den Durchgang der Wärmestrahlen durch verschiedene Körper (нем.) // Annalen der Physik und Chemie : журнал. — Leipzig: Verlag von Johann Ambrosius Barth, 1833. — Bd. 28. — S. 371—378.

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

Термопара — Википедия. Что такое Термопара

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 Т₂, 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 В±0,0025 Г—T имела бы точность В±2,5 В°C в 1000 В°C.

Тип термопары IEC (МЭК)	Материал положительного электрода	Материал отрицательного электрода	Темп. коэффициент, μV/°C	Температурный диапазон °C (длительно)	Температурный 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	Никросил 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

Киес Р. Дж., Крузе П. В., Патли Э. Г., Лонг Д., Цвиккер Г. Р., Милтон А. Ф., Тейч М. К. § 3.2. Термопара // Фотоприёмники видимого и ИК диапазонов = Optical and Infrared Detectors / пер. с англ. под ред. В. И. Стафеева. — М.: Радио и связь, 1985. — 328 с.

H. Melloni. Ueber den Durchgang der Wärmestrahlen durch verschiedene Körper (нем.) // Annalen der Physik und Chemie : журнал. — Leipzig: Verlag von Johann Ambrosius Barth, 1833. — Bd. 28. — S. 371—378.

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

Термопара — Википедия. Что такое Термопара

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 Т₂, 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 В±0,0025 Г—T имела бы точность В±2,5 В°C в 1000 В°C.

Тип термопары IEC (МЭК)	Материал положительного электрода	Материал отрицательного электрода	Темп. коэффициент, μV/°C	Температурный диапазон °C (длительно)	Температурный 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	Никросил 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

Киес Р. Дж., Крузе П. В., Патли Э. Г., Лонг Д., Цвиккер Г. Р., Милтон А. Ф., Тейч М. К. § 3.2. Термопара // Фотоприёмники видимого и ИК диапазонов = Optical and Infrared Detectors / пер. с англ. под ред. В. И. Стафеева. — М.: Радио и связь, 1985. — 328 с.

H. Melloni. Ueber den Durchgang der Wärmestrahlen durch verschiedene Körper (нем.) // Annalen der Physik und Chemie : журнал. — Leipzig: Verlag von Johann Ambrosius Barth, 1833. — Bd. 28. — S. 371—378.

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

90000 Thermocouples-Thermocouple Types- J, K, E, T, N, B, R, S 90001 90002 90003 Chromel 90004 {90% nickel and 10% chromium} 90003 Alumel 90004 {95% nickel, 2% manganese, 2% aluminium and 1% silicon} 90007 90002 90009 Tweet 90007 90009 90012 90009 90014 Thermocouple Type K 90015 90002 This is the most common thermocouple type that provides the widest operating temperature range. Type K thermocouples generally will work in most applications because they are nickel based and have good corrosion resistance.90007 90002 • 1. Positive leg is 90019 90003 non-magnetic (Yellow) 90004 90022, negative leg is 90019 90003 magnetic (Red). 90004 90022 90007 90002 • 2. Traditional base-metal choice for high temperature work. 90007 90002 • 3. Appropriate for use in oxidizing or inert atmospheres at temperatures up to 1260 ° C (2300 ° F). 90007 90002 • 4. Vulnerable to sulfur attack (refrain from exposing to sulfur-containing atmospheres). 90007 90002 • 5. Perform best in clean oxidizing atmospheres. 90007 90002 • 6.Not recommended for use under partially oxidizing conditions in vacuum, or when subjected to alternating cycles of oxidization and reduction. 90007 90002 Composed of a positive leg, which is approximately 90% nickel, 10% chromium and a negative leg, which is approximately 95% nickel, 2% aluminum, 2% manganese and 1% silicon.Type K Thermocouples are the most common general purpose thermocouple with a sensitivity of approximately 41μV / ° C, chromel positive relative to alumel. It is inexpensive, and a wide variety of probes are available in its -200 ° C to + 1260 ° C / -328 ° F to + 2300 ° F range.Type K was specified at a time when metallurgy was less advanced than it is today, and consequently characteristics vary considerably between samples. One of the constituent metals, nickel, is magnetic; a characteristic of thermocouples made with magnetic material is that they undergo a step change in output when the magnetic material reaches its Cure Point (around 354 ° C for type K thermocouples). 90007 90040 Type K Thermocouple (Chromel / Constantan) 90041 90002 Type K thermocouples usually work in most applications as they are nickel based and exhibit good corrosion resistance.It is the most common sensor calibration type providing the widest operating temperature range. Due to its reliability and accuracy the Type K thermocouple is used extensively at temperatures up to 2300 ° F (1260 ° C). This type of thermocouple should be protected with a suitable metal or ceramic protection tube, especially in reducing atmospheres. In oxidizing atmospheres, such as electric furnaces, tube protection is not always necessary when other conditions are suitable; however, it is recommended for cleanliness and general mechanical protection.Type K will generally outlast Type J because the JP wire rapidly oxidizes, especially at higher temperatures. 90007 90002 90012 90007 90002 90003 Temperature Range: 90004 90009 • Thermocouple grade wire, -454 ° to 2,300 ° F (-270 to 1,260 ° C) 90007 90002 • Extension grade wire, -32 ° to 392 ° F (0 to 200 ° C) 90007 90002 • Melting Point, 2550 ° F (1400 ° C) 90007 90002 90003 Accuracy (whichever is greater): 90004 90009 • Standard: ± 2.2C% or ± .75% 90007 90002 • Special Limits of Error: ± 1.1C or 0.4% 90007 90002 Deviations in the alloys can affect the accuracy of thermocouples. For type K thermocouples the tolerance class one is given as ± 1.5 K between -40 and 375 ° C. However, deviations between thermocouples coming from the same production are very small and a much higher accuracy can be achieved by individual calibration. 90007 90002 Metallurgical changes can cause a calibration drift of 1 to 2 ° C in a few hours, increasing to 5 ° C over time.A special grade of Type K is available that can maintain special limit accuracy up to ten times longer than the regular grade. 90007.90000 Thermocouples 90001 90002 One of the most common industrial thermometer is the thermocouple. It was discovered by Thomas Seebeck’s in 1822. He noted that a voltage difference appeared when the wire was heated at one end. Regardless of temperature, if both ends were at the same temperature there was no voltage difference. If the circuit were made with wire of the same material there was no current flow. 90003 90002 A thermocouple consists of two dissimilar metals, joined together at one end, and produce a small unique voltage at a given temperature.This voltage is measured and interpreted by a thermocouple thermometer. 90003 90002 The thermoelectric voltage resulting from the temperature difference from one end of the wire to the other is actually the sum of all the voltage differences along the wire from end to end. 90003 90002 Thermocouples can be made from a variety of metals and cover a temperature range 90009 200 90010 o 90011 C to 2600 90010 o 90011 C 90014. Comparing thermocouples to other types of sensors should be made in terms of the tolerance given in ASTM E 230.90003 90016 Base metal thermocouples 90017 90002 * Not used below 90009 1250 90010 o 90011 C 90014. 90003 90016 90025 90017 90027 90016 Advantages with thermocouples 90017 90030 90031 Capable of being used to directly measure temperatures up to 90009 2600 90010 o 90011 C 90014. 90036 90031 The thermocouple junction may be grounded and brought into direct contact with the material being measured. 90036 90039 90016 Disadvantages with thermocouples 90017 90030 90031 Temperature measurement with a thermocouple requires two temperatures be measured, the junction at the work end (the hot junction) and the junction where wires meet the instrumentation copper wires (cold junction).To avoid error the cold junction temperature is in general compensated in the electronic instruments by measuring the temperature at the terminal block using with a semiconductor, thermistor, or RTD. 90036 90031 Thermocouples operation are relatively complex with potential sources of error. The materials of which thermocouple wires are made are not inert and the thermoelectric voltage developed along the length of the thermocouple wire may be influenced by corrosion etc. 90036 90031 The relationship between the process temperature and the thermocouple signal (millivolt) is not linear.90036 90031 The calibration of a thermocouple should be carried out by comparing it to a nearby thermocouple. If the thermocouple is removed and placed in a calibration bath the output integrated over the length is not reproduced exactly since the temperature difference from one end of the wire to the other is the sum of all voltage differences along the wire from end to end. 90036 90039 90016 90053 Thermocouple Types 90054 90017 90002 Thermocouples are available in different combinations of metals or calibrations.The four most common calibrations are J, K, T and E. Each calibration has a different temperature range and environment, although the maximum temperature varies with the diameter of the wire used in the thermocouple. 90003 90002 Some of the thermocouple types have standardized with calibration tables, color codes and assigned letter-designations. The ASTM Standard E230 provides all the specifications for most of the common industrial grades, including letter designation, color codes (USA only), suggested use limits and the complete voltage versus temperature tables for cold junctions maintained at 90009 32 90010 o 90011 F and 0 90010 o 90011 C.90014 90003 90002 There are four «classes» of thermocouples: 90003 90030 90031 The home body class (called base metal), 90036 90031 the upper crust class (called rare metal or precious metal), 90036 90031 the rarified class (refractory metals) and , 90036 90031 the exotic class (standards and developmental devices). 90036 90039 90002 The home bodies are the Types E, J, K, N and T. The upper crust are types B, S, and R, platinum all to varying percentages. The exotic class includes several tungsten alloy thermocouples usually designated as Type W (something).90003 90016 Temperature Conversions 90017 90082 90030 90031 90009 90010 o 90011 F = (1.8 x 90010 o 90011 C) + 32 90014 90036 90031 90009 90010 o 90011 C = (90010 o 90011 F — 32) x 0.555 90014 90036 90031 90009 Kelvin = 90010 o 90011 C + 273.2 90014 90036 90031 90009 90010 o 90011 Rankin = 90010 o 90011 F + 459.67 90014 90036 90039 90115 90016 ASTM Standards Related to Thermocouples 90017 90030 90031 E 207-00 … Method of Thermal EMF Test of Single Thermo element Materials by Comparison with a Secondary Standard of Similar EMF-Temperature Properties 90036 90031 E 220-02 Standard Test Method for Calibration of Thermocouples By Comparison Techniques 90036 90031 E 230-98e1..Temperature Electromotive Force (EMF) Tables for Standardized Thermocouples 90036 90031 E 235-88 (1996) e1..Specification for Thermocouples, Sheathed, Type K, for Nuclear or Other High-Reliability Applications 90036 90031 E 452-02..Test Method for Calibration of Refractory Metal Thermocouples Using a Radiation Thermometer 90036 90031 E 574-00..Specification for Duplex, Base-Metal Thermocouple Wire with Glass Fiber or Silica Fiber Insulation 90036 90031 E 585 / E 585M-01a ​​..Standard Specification for Compacted Mineral -Insulated, Metal-Sheathed, Base Metal Thermocouple Cable 90036 90031 E 601-81 (1997)..Test Method for Comparing EMF Stability of Single-Element Base-Metal Thermocouples Materials in Air 90036 90031 E 608 / E 608M-00. Standard Specification for Mineral-Insulated, Metal-Sheathed Base-Metal Thermocouples 90036 90031 E 696-00 Standard Specification for Tungsten-Rhenium Alloy Thermocouple Wire 90036 90031 E 710-86 (1997) Standard Test Method for Comparing EMF Stabilities of Base-Metal Thermo elements in Air Using Dual, Simultaneous, Thermal-EMF Indicators 90036 90031 E 780-92 (1998) Standard Test Method for Measuring the Insulation Resistance of Sheathed Thermocouple Material at Room Temperature 90036 90031 E 839-96 Standard Test Method for Sheathed Thermocouples and Sheathed Thermocouple Material 90036 90031 E 988-96 (2002) Standard Temperature-Electromotive Force (EMF) Tables for Tungsten-Rhenium Thermocouples 90036 90031 E1129 / E1129M-98 Standard Specification for Thermocouple Connectors 90036 90031 E 1159-98 Standard Specification for Thermocouple Materials, Platinum -Rhodium Alloys and Platinum 90036 90031 E 1350-97 (2001) Standard Test Methods for Testing Sheathed Thermocouples Prior to, During and After Installation 90036 90031 E 1652-00 Standard Specification for Magnesium Oxide and Aluminum Oxide Powder and Crushable Insulators Used in the Manufacture of Metal-Sheathed Platinum Resistance Thermometers, Base Metal Thermocouples, and Noble Metal Thermocouples 90036 90031 E 1684-00 Standard Specification for Miniature Thermocouple Connectors 90036 90031 E 1751-00 Standard Guide for Temperature Electromotive Force (emf) Tables for Non-Letter Designated Thermocouple Combinations 90036 90031 E 2181 / E 2181M-01 Standard Specification for Compacted Mineral-Insulated, Metal-Sheathed, Noble Metal Thermocouples and Thermocouple Cable 90036 90039 .90000 thermocouple | Definition & Facts 90001 90002 90003 Thermocouple 90004, also called 90003 thermal junction, 90004 90003 thermoelectric thermometer 90004, or 90003 thermel 90004, a temperature-measuring device consisting of two wires of different metals joined at each end. One junction is placed where the temperature is to be measured, and the other is kept at a constant lower temperature. A measuring instrument is connected in the circuit. The temperature difference causes the development of an electromotive force (known as the Seebeck effect) that is approximately proportional to the difference between the temperatures of the two junctions.Temperature can be read from standard tables, or the measuring instrument can be calibrated to read temperature directly. 90011 90003 Thermocouple 90004 Multimeter with a thermocouple plugged in to read ambient temperature in Celsius. 90014 Sovxx 90015 90002 Any two different metals or metal alloys exhibit the thermoelectric effect, but only a few are used as thermocouples-e.g., Antimony and bismuth, copper and iron, or copper and constantan (a copper-nickel alloy). Usually platinum, either with rhodium or a platinum-rhodium alloy, is used in high-temperature thermocouples.Thermocouple types are named (eg, type E [nickel, chromium, and constantan], J [iron and constantan], N [two nickel-silicon alloys, one of which contains chromium and magnesium], or B [a platinum-rhodium alloy ]) according to the metals used to make the wires. The most common type is K (nickel-aluminum and nickel-chromium wires) because of its wide temperature range (from about -200 to 1,260 ° C [-300 to 2,300 ° F]) and low cost. 90011 90002 A thermopile is a number of thermocouples connected in series.Its results are comparable to the average of several temperature readings. A series circuit also gives greater sensitivity, as well as greater power output, which can be used to operate a device such as a safety valve in a gas stove without the use of external power. 90011.90000 Thermocouple-Working, Types-E, J, K, T, S, R, Grounding, Thermopile, Advantages 90001 90002 90003 90004 90005 Thermocouple 90006 90007 90008 A thermocouple is a 90009 temperature sensor 90010 that has a pair of dissimilar metals joined together at one end and terminated at the other end. The joined end is called the sensing junction or hot junction and the terminated end is called the reference junction or cold junction. The temperature at the reference junction is called reference temperature and is always maintained constant.When the sensing junction and the reference junction are at different temperatures, a potential difference is obtained and this causes a flow of current in the circuit. The thermoelectric voltage produced is due to the different binding energies of the electrons to the metal ions. This voltage depends on the metals themselves, and in addition on the temperature. The thermal voltage is produced only because of the closed circuit between the two metals. This phenomenon is called «Seebeck Effect».90011 90008 The wires must be electrically separated beyond the measuring junction. If the reference junction is kept at a standard temperature, usually 32 ° F, then a given pair of metals will have a unique variation of EMF as the measuring-junction temperature is changed (note that at 32 90013 o 90014 F there is no EMF generated). This variation can also be called thermocouple calibration, and is shown in the figure below for its different types. 90011 90002 90003 90004 90005 Circuit for Temperature Measurement by Thermocouple 90006 90007 90002 90003 90004 90005 Thermocouple Temperature-EMF Graph 90006 90007 90008 90009 Thermocouple Measurement 90010 90011 90008 Thermocouple measurement is explained along with a figure shown below.The figure shows a thermocouple circuit with T2 at 32 ° F (0 ° C). This temperature is maintained with the help of an ice-bath reference junction. The thermocouple circuit ends in the ice-bath, the generated EMF flow through standard copper wire until it reaches its final destination, — a millivolt meter type instrument. The millivolt value sensed by this instrument is then converted into a temperature T1. Tables are available for every commercially used thermocouple material combination and they are based on the reference junction temperature of 0 ° C / 32 ° F.90011 90002 90003 90004 90005 Thermocouple Measurement 90006 90007 90008 90009 Thermocouple Types 90010 90011 90008 There are a lot of thermocouple material types and these combinations are approved and standardized by the American National Standard ISA MC 96.1: «Temperature Measurement Thermocouples» in USA. The standards must be followed for the different device designations as well as its color coding. 90011 90008 According to ISA MC96.1 standards, the thermocouple can be designated with the different combinations of letters like «E», «J», «K», «T», «S», «R». Four of the most popular thermocouple wire combinations are almost always identified by their trade names: 90011 90048 90049 Thermocouple Type E is a combination of Chromel (Nickel-Chromium) and Constantan (Copper-Nickel). 90050 90049 Thermocouple Type J is a combination of Iron and Constantan. 90050 90049 Thermocouple Type K is a combination of Chromel (Nickel-Chromium) and Alumel (Nickel Aluminium).90050 90049 Thermocouple Type T is a combination of Copper and Constantan. 90050 90049 Thermocouple Type S is a combination of Platinum 10% rhodium and Platinum. 90050 90049 Thermocouple Type R is a combination of Platinum 13% rhodium and Platinum. 90050 90061 90008 90009 Extension Wires 90010 90011 90008 Thermocouple wires are expensive because they are fabricated to very stringent quality control requirements. Therefore, it is customary to change to so-called «thermocouple extension» wires at the closest (to the point of measurement or hot junction) convenient connection point.These connection points must be isothermal to each other. These thermocouple extension wires are less expensive because they are fabricated to less stringent quality requirements. 90011 90008 90009 Color Coding 90010 90011 90008 In order to distinguish among different types of thermocouple wires their insulation is color-coded.as per the standards of ISA MC 96.1.The different thermocouple conductor combinations, their operating ranges, and color coding as per the international standards are shown below.90011 90008 90011 90002 90005 Thermocouple Conductor-Combinations, Operating Range, and Colour Coding 90006 90007 90008 90009 Thermocouple Junctions 90010 90011 90008 A thermocouple used for industrial applications has three junctions. They are 90011 90008 90009 1. Exposed Junction 90010 — This junction is directly exposed to the environment. As a result its life is very less. Though it has a very high response time, it is not frequently used. 90011 90008 90009 2. Ungrounded Junction 90010 — This junction has very minimum response time, but is known for its incredible electro-magnetic shielding properties.It is used mostly for the measurements on electrical equipment, but is usually suitable for many process applications as well. 90011 90008 90009 3. Grounded Junction 90010 — The response time of this is more than ungrounded junctions and also provides good shielding properties for most process applications. It is preferred for most of the oil and gas industries and process industries for control applications because of its speed of response. 90011 90008 The figures of grounded junction, ungrounded junction and exposed junction are shown under the heading ‘thermocouple grounding’ 90011 90008 90009 Thermocouple Probes 90010 90011 90008 Sometimes, a thermocouple has to be installed inside a Thermowell for providing protection.This is applicable only in cases where the temperature of a fluid flowing inside a pipe is to be measured. To do so, a probe is to be sheathed and enclosed in a corrosion resistant tube. Typically, the sheath should be a quarter inch in diameter and the probe should be spring-loaded so as to make a strong contact with the bottom of the Thermowell. A screw-cover head is used for electrical connections. In the probe the thermocouple wires are separated from each other and the sheath by means of ceramic insulation material such as Magnesium Oxide (MgO) or Aluminum Oxide (Al2O3).90011 90008 Some variations of thermocouple probe are explained below. 90011 90008 90009 Clamp-on Thermocouples 90010 — As the name suggests they are clamped to a pipe, and thus presses the measuring junction against the pipe. This method is applicable only in places where a temperature measurement is desired for which normal provision was not previously made. This thermocouple may be useful in trouble-shooting a process. The output may not be so accurate unless the point of measurement and the surrounding area are well insulated from the outer environment.Another type of the clamp-on thermocouple is the skin couple that is used mostly to measure furnace tube and reactor surface temperatures. Skin couples can either be tack welded to the surface being measured (furnace tubes) or clamped on (reactor walls). 90011 90008 The figure below shows a washer type thermocouple that is to be installed on the pipeline and temperature transmitter for this application. 90011 90002 90003 90004 90005 Washer Type Thermocouple 90006 90007 90008 Many types of clamp-on and surface thermocouples are present in the market and they are selected according to the requirement.Pad type thermocouples are used for surface temperature measurement. Its application can be seen in temperature measurement of heater tubes. These are installed on pipe lines and heater tubes by means of welding. 90011 90008 90009 Duplex Thermocouples 90010 — Duplex thermocouples are very similar to the conventional thermocouple except that this device has two pairs of thermocouple wires in the measuring junction. There may be two Alumel and two Chromel wires, joined together and the wires are brought out in two separate circuits to provide two individual measurements.The two temperature readings should then be identical, assuming that both circuits are otherwise similar. This may be useful for checking one instrument against the other, especially by using a test voltmeter locally to determine whether a remote reading is inaccurate because of the instrument or because of circuit problems. 90011 90008 As the whole device can be made in one assembly, the cost of production is very less. But, if either one of the two thermocouple circuits fail due to measuring junction problems or short circuit, the whole device will have to be replaced.Thus, it is less reliable than two single thermocouples. Furthermore, if one pair of a duplex thermocouple is used for checking, then there is a risk of shorting or grounding the other pair of wire. 90011 90008 90009 Thermocouple Grounding 90010 90011 90008 Thermocouple circuits can be either grounded or ungrounded (floating or insulated). Generally grounded thermocouple circuits are recommended for personnel safety, to reduce the effects of electrical noise and provide good thermal response characteristics.Ungrounded thermocouples should be considered for applications where equipments are likely to get damaged due to ground faults or lightening strikes particularly in tank farm areas. 90011 90008 Thermocouple grounding should be done to the low- or negative-potential side of the circuit, and should be done at the source rather than at the secondary instrument in order to achieve maximum rejection of common-mode noise. There is a normal practice that any electrical or electronic circuit should be grounded at only one point s as to avoid a ground current in the circuit.With this rule in mind, thermocouple grounding is carried out in one of the following ways — It is always good practice to ground the thermocouple measuring junction or ground the thermocouple elsewhere than at the measuring junction. 90011 90008 Thus, thermocouples can be classified according to the manner in which they are grounded. 90011 90008 Thermocouples may be either: 90011 90048 90049 Intentionally grounded 90050 90049 Intentionally ungrounded 90050 90049 Unintentionally grounded — This is used in places where a bad contact or no contact of the measuring junction with a well occurs or because of formation of a high-resistance chemical film at the measuring junction.90050 90061 90008 The different combinations of thermocouple type, grounded intermittently / unintentionally grounded, or ungrounded; of secondary instrument type, isolated input / output or not; and of output grounding are shown in the figures below. 90011 90002 90003 90004 90005 Grounding of Thermocouple Systems 90006 90007 90008 90009 Points 90010 90011 90048 90049 90009 PT: 1 90010 Interconnection of shield and thermocouple is not applicable if shield is not required.90050 90049 90009 PT: 2 90010 The ground may be located anywhere on the line. 90050 90049 90009 PT: 3 90010 Grounding the thermocouple may be done by connecting to the thermocouple head or junction box screw, assuming that these are grounded. Otherwise, connect the thermocouple to any other point that is grounded. 90050 90049 90009 PT: 4 90010 Ground the thermocouple through a resistor if circuit operation shows a need for improvement in repeatability AND / OR noise rejection. If used, the resistor may be approximately 100,000 ohms, ½ watt, carbon type.90050 90049 90009 PT: 5 90010 If the thermocouple, proper, is grounded, then the remainder of the circuit, from thermocouple to receiver, if any, shall not be grounded. Alternatively, if another ground exists, then the thermocouple, proper shall not be grounded. 90050 90049 90009 PT: 6 90010 If the secondary instrument is not a transmitter, but of a type, such as a recorder, that does not have a measurement output, then the output lines and associated details on the diagram should be ignored.90050 90049 90009 PT: 7 90010 Ground the shield, if any at that point that is closest to the signal ground. 90050 90061 90008 Thermocouple systems used with DCS are shown below. 90011 90002 90003 90004 90005 Grounded Thermocouple and Ungrounded Thermocouple 90006 90007 90008 90009 Shielding 90010 90011 90008 The device could be interfered by external noises from different sources like electrostatic fields, magnetic fields and common mode interference. Electrostatic fields originate from voltage sources that are capacitively coupled to the thermocouple extension wire.Varying electrostatic fields, usually originating from AC conductors, produce a capacitive current flowing through the coupling path to the signal conductors. 90011 90008 The best way to minimize the interference of such electrostatic fields is to cover the thermocouple wires with a grounded metal shield. The capacitive current flow will flow through this shield to the ground. The purpose of the shield is to remain at or near ground potential, and thereby couple no signal to the signal wires contained within the shield, since there is no difference in voltage.Note that a shield that is not grounded provides no protection. 90011 90008 A varying magnetic field (such as the one produced by AC current in a power cable) may cause interference to thermocouple signals by generating small currents in the signal wire by induction. The magnitude of the induced current is a function of the field strength and the dimensions of the conductive loop into which the current is being induced. Twisted conductors are effective at reducing the induced currents by alternating the polarity of the induced current with each half twist to cancel out most of the induction.Note this effect occurs whether the thermocouple wire is shielded or not. 90011 90008 Common mode interference generates noise that is identical in both conductors of a twisted pair with respect to ground. 90011 90008 90009 Thermocouple Head and Connectors 90010 90011 90008 The most frequently used thermocouple assemblies / probes are provided with a thermocouple head that is the screw-cover type; is weather-proof, high-temperature provided with gaskets; has terminal block for single or duplex thermocouple, as appropriate.The cable entry shall be as per specific project requirement. The terminal shall be ceramic based spring loaded type. 90011 90008 90009 Advantage 90010 90011 90048 90049 Fast Response 90050 90049 Suitability for remote measurement 90050 90049 Wide Range 90050 90049 Freedom of effect by wire length and diameter provided that a high-impedance secondary instrument is used. 90050 90061 90008 90009 Disadvantage 90010 90011 90048 90049 Need for cold-junction compensation 90050 90049 Susceptibility to error from extension wire termination temperature gradient 90050 90049 Possible sensitivity to signal noise 90050 90049 Need for secondary instrument 90050 90049 Need for thermocouple transmitter on long runs 90050 90049 Need to avoid intermediate junctions of dissimilar metals 90050 90049 Inability to accurately measure temperature over a narrow span 90050 90061 90008 90009 Thermopile 90010 90011 90008 Like a thermocouple, a thermopile is also a device that is used to measure temperature in terms of electrical energy.The device is actually a combination of a number of thermocouples in series or parallel connection. Series connection is commonly used for most applications. 90011 90008 The device is capable of generating an output voltage, that will be a measure of the temperature difference or temperature gradient. Its response to absolute temperature is minimum. The output is in the range of millivolts. 90011 90008 The device finds its application as a part of temperature sensors, like the infrared thermometer, a device used to calculate body temperature.They are also used as safety controls in heat burners and heat flux sensors. They can also be used to produce electrical energy, that is, by dissipating the heat from electronic devices. It is also used for spatial temperature averaging. 90011 .