Термопара устройство и принцип работы

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

Термопара устройство и принцип работы

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

Устройство и принцип действия термопары в газовом котле

Поскольку термопара рассчитана на работу в условиях высокой температуры, для её изготовления применяются термостойкие материалы. Если говорить более точно, этот элемент производится с использованием нескольких металлов, что позволяет обеспечить ему необходимые свойства.

Поскольку работа газового котла без применения термопары просто невозможна, то  любая её поломка влечёт за собой  необходимость полной остановки рабочего процесса и наискорейшей замены элемента. Подобная ситуация возникает от того, что при работе термоэлемент сцеплён с электромагнитным отсекающим клапаном.

Дисфункциональность термоэлемента приводит к перекрытию топливного канала и прекращению подачи топлива. В результате происходит затухание горелочного устройства.

Рис.1: Схема термопары в газовом котле

Если говорить простым языком, то принцип работы термопары заключается в следующем: при спаивании между собой двух различных металлов и последующем нагревании точки спая, на противоположных концах получившегося элемента формируется разница потенциалов.

Другими словами, образуется напряжение. Подключённый к этим концам измерительный прибор, позволяет замкнуть цепь и формирует условия для появления электрического тока.

Уровень напряжения при этом довольно незначительный, однако его хватает для открытия электромагнитного клапана, пропускающего топливо к запальнику.

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

В работе термопары реализуется так называемый эффект Зеебека.

С точки зрения учёных данный эффект обуславливается тем, что частицы, транспортирующие заряд в момент нагрева изменяют свой энергетический уровень.

Как результат: поток электронов движется по направлению к холодной части проводника, либо наоборот, формирую электродвижущую силу плюсового или минусового значения. Конкретное направление движения частиц определяется характеристиками проводящих  материалов, из которых «собран» элемент.

Самым важной точкой в конструкции этого элемента является место спайки металлов. Именно качественно выполненное соединение обеспечивает долговечность и бесперебойную работу элемента.

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

Чтобы в необходимый момент подать топливо на запальник, изначально придётся заняться открытием электромагнитного клапана вручную.

Для этого достаточно нажать на шток, тогда газ попадёт на запальник, который его и подожжёт, после чего начинает происходить нагрев термоэлемента.

Спустя полминуты удерживать клапан открытым самостоятельно уже нет необходимости, поскольку выработка напряжения термоэлементом уже началась.

Достоинства:

  • Несложная и недорогая конструкция;
  • Термопара является одновременно и температурным датчиком, датчиком контроля пламени;
  • Продолжительный срок эксплуатации ввиду отсутствия движущихся деталей;
  • Большой спектр фиксируемых температур;
  • Производимые измерения отличаются достаточной точностью;
  • Элемент легко монтируется и переустанавливается.

Недостатки:

  • Зависимость между разницей потенциалов и температурой не является линейной;
  • Существует предельный уровень напряжения в 50 мВ, что создаёт некоторую неточность при выявлении температурных значений;
  • Возможность ремонта элемента практически отсутствует, в большинстве случаев приходится прибегать к полной замене.

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

Контроль горения пламени для газовой плиты

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

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

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

Термопара в газовой плите

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

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

Как только термоэлемент газовой плиты отмечает угасание пламени, производится перекрытие канала подачи газа.

Это очень удобно, однако, необходимо учитывать, что существуют разные конструкции и модели газовых плит, но не каждая из них подразумевает наличие одновременно и электроподжига, и контролирующего элемента (термопары). Поэтому, следует обязательно уточнять данный момент.

Удобнее всего это делать ещё до покупки, обратившись за помощью к консультанту, либо после, самостоятельно изучив инструкцию по применению и всю прилагаемую к прибору документацию.

Как и в случае с газовыми котлами, для газовых плит применяются преимущественно термоэлементы типа хромель-алюминь, который при нагреве в точке спая до 300оС даёт уровень напряжения в 12-13 мВ.

В случаях, когда нет необходимости в абсолютно точном контроле температурного режима возможно использование компаратора (от «compare» – сличать, сравнивать), который будет соотносить заданный уровень напряжения с тем, который выдаёт термоэлемент. Когда будет зафиксировано соответствие – схема сработает.

В чём это будет выражаться, зависит от того какими именно алгоритмами руководствуется каждое отдельно взятое устройство.

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

Обычно элемент розжига имеет дополнительное оснащение в 4-6 пар контактов, любая из которых может сформировать искру. Это возможно благодаря тому, что соединение у этих контактов не общее, а параллельное. Это помимо прочего даёт возможность для дооборудования духовки.

Например, для некоторых моделей даже предоставляются специальные указания относительно того, как и где понадобится провести проводку, чтобы вмонтировать электроподжиг внутри духовки. Аналогичным образом можно установить и дополнительный термоэлемент.

Особенно этот вариант подходит тем, кто имеет достаточный опыт в работе с электротехникой.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта Электронщик, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Делитесь информацией в соцсетях, ставьте лайки, если вам понравилось – это поможет развитию канала

Термопары: подробно простым языком

Термопара устройство и принцип работы

Термопары — это наиболее распространенное устройство для измерения температуры. Термопары генерируют напряжение при нагревании и возникающий ток позволяет проводить измерения температуры. Отличается своей простотой, невысокой стоимостью, но внушительной долговечностью. Благодаря своим преимуществам, термопара используется повсеместно.

Стандартная термопара Рекомендуем обратить внимание и на другие приборы для измерения температуры.

Принцип работы термопары

Термопара представляет собой два провода, изготовленных из различных металлов. Эти два провода скреплены или сварены вместе и образуют спай. Когда на этот спай оказывают воздействие изменения температуры, то термопара реагирует на них генерируя напряжение, пропорциональное по величине изменениям температуры.

Если термопара подсоединена к электрической цепи, то величина генерируемого напряжения будет отображаться на шкале измерительного прибора. Затем показания прибора могут быть преобразованы в температурные показания с помощью таблицы. На некоторых приборах шкала откалибрована непосредственно в градусах.

Термопара в электрической цепи

Спай термопары

В конструкции большинства термопар предусмотрен только один спай. Однако, когда термопара подсоединяется к электрической цепи, то в точках ее подсоединения может образовываться еще один спай.

Цепь термопары

Цепь, показанная на рисунке, состоит из трех проводов, помеченных как А, В и С. Провода скручены между собой и помечены как D и Е.

Спай представляет собой дополнительный спай, который образуется, когда термопара подсоединяется к цепи. Этот спай называется свободным (холодным) спаем термопары. Спай Е — это рабочий (горячий) спай.

В цепи находится измерительный прибор, который измеряет разницу величин напряжения на двух спаях.

https://www.youtube.com/watch?v=jP0vp1dY374

Два спая соединены таким образом, что их напряжение противодействует друг другу. Таким образом, на обоих спаях генерируется одна и та же величина напряжения и показания прибора будут равны нулю.

Так как существует прямо пропорциональная зависимость между температурой и величиной напряжения, генерируемой спаем термопары, то два спая будут генерировать одни и те же величины напряжения, когда температура на них будет одинаковой.

Воздействие нагрева одного спая термопары

Когда спай термопары нагревается, величина напряжения повышается прямо пропорционально. Поток электронов от нагретого спая протекает через другой спай, через измерительный прибор и возвращается обратно на горячий спай.

Прибор показывает разницу напряжения между двумя спаями. Разность напряжения между двумя спаями.

Разность напряжения, показываемая прибором, преобразуется в температурные показания либо с помощью таблицы, либо прямо отображается на шкале, которая откалибрована в градусах.

Холодный спай термопары

Холодный спай часто представляет собой точку, где свободные концы проводов термопары подсоединяются к измерительному прибору.

В силу того, что измерительный прибор в цепи термопары в действительности измеряет разность напряжения между двумя спаями, то напряжение холодного спая должно поддерживаться на неизменном уровне, насколько это возможно. Поддерживая напряжение на холодном спае на неизменном уровне мы тем самым гарантируем, что отклонение в показаниях измерительного прибора свидетельствует о изменении температуры на рабочем спае.

Если температура вокруг холодного спая меняется, то величина напряжения на холодном спае также изменится. В результате изменится напряжение на холодном спае. И как следствие разница в напряжении на двух спаях тоже изменится, что в конечном итоге приведет к неточным показаниям температуры.

Для того, чтобы сохранить температуру на холодном спае на неизменном уровне во многих термопарах используются компенсирующие резисторы. Резистор находится в том же месте, что и холодный спай, так что температура воздействует на спай и резистор одновременно.

Цепь термопары с компенсирующим резистором

Рабочий спай термопары (горячий)

Рабочий спай — это спай, который подвержен воздействию технологического процесса, чья температура измеряется. Ввиду того, что напряжение, генерируемое термопарой прямо пропорционально ее температуре, то при нагревании рабочего спая, он генерирует больше напряжения, а при охлаждении — меньше.

Рабочий спай и холодный спай

Типы термопары

Термопары конструируются с учетом диапазона измеряемых температур и могут изготавливаться из комбинаций различных металлов. Комбинация используемых металлов определяет диапазон температур, измеряемых термопарой.

По этой причине была разработана маркировка с помощью букв для обозначения различных типов термопар.

Каждому типу присвоено соответствующее буквенное обозначение, и это буквенное обозначение указывает на комбинацию используемых металлов в данной термопаре.

Типы термопар и диапазон их температур Когда термопара подключается к электрической цепи, то она не будет работать нормально пока не будет соблюдена полярность при подключении. Плюсовые провода должны быть соединены вместе и подсоединены к плюсовому выводу цепи, а минусовые к минусовому.

Если провода перепутать, то рабочий спай и холодный спай не будут в противофазе и показания температуры будут неточными.Одним из способов определения полярности проводов термопары -это определение по цвету изоляции на проводах.

Помните, что минусовой провод во всех термопарах — красный.

Цвет изоляции проводов термопар

Во многих случаях приходится использовать провода для удлинения протяженности цепи термопары. Цвет изоляции соединительных проводов также несет в себе информацию. Цвет внешней изоляции соединительных проводов — разный, в зависимости от производителя, однако цвет первичной изоляции проводов обычно соответствует кодировке, указанной в таблице выше.

Неисправности термопары

Если термопара выдает неточные показания температуры, и было проверено, что нет ослабленных соединений, то причина может крыться либо в регистрирующем приборе, либо в самой термопаре, первым обычно проверяется регистрирующий прибор, так как приборы чаще выходят из строя, чем термопары.

Более того, если прибор показывает хоть какие-нибудь показания, пусть даже неточные, то, скорей всего, дело не в термопаре. Если термопара неисправна, то обычно она не выдает вообще никакого напряжения, и прибор не будет выдавать никаких показаний. Если показаний на приборе нет совсем, то вероятно дело в термопаре.

Если Вы подозреваете, что термопара вышла из строя, то проверьте ее сигнал на выходе с помощью прибора, который называется милливольтный потенциометр, который используется для измерения малых величин напряжения.

Потенциометр

Термопара: конструкция и принцип работы датчика, виды устройств для измерения температуры

Термопара устройство и принцип работы

Термоэлектрический преобразователь, или термопара, представляет собой устройство, используемое в промышленности и медицине при проведении научных экспериментов, а также в системах автоматики.

С помощью этого прибора проводятся замеры температуры.

Для определения разности температурных показателей зон применяются дифференциальные устройства, которые представляют собой две термопары, соединенные навстречу друг другу.

Конструктивные особенности

Если относиться более скрупулезно к процессу замера температуры, то эта процедура осуществляется с помощью термоэлектрического термометра. Основным чувствительным элементом этого прибора считается термопара.

Сам процесс измерения происходит за счет создания в термопаре электродвижущей силы. Существуют некоторые особенности устройства термопары:

  • Электроды соединяются в термопарах для измерения высоких температур в одной точке с помощью электрической дуговой сварки. При замере небольших показателей такой контакт выполняется с помощью пайки. Особенные соединения в вольфрам-рениевых и вольфрамо-молибденовых устройствах проводятся с помощью плотных скруток без дополнительной обработки.
  • Соединение элементов проводится только в рабочей зоне, а по остальной длине они изолированы друг от друга.
  • Метод изоляции осуществляется в зависимости от верхнего значения температуры. При диапазоне величины от 100 до 120 °C используется любой тип изоляции, в том числе и воздушный. При температуре до 1300 °C применяются трубки или бусы из фарфора. Если величина достигает до 2000 °C, то применяется изоляционный материал из оксида алюминия, магния, бериллия и циркония.
  • В зависимости от среды использования датчика, в которой происходит замер температуры, применяется наружный защитный чехол. Выполняется он в виде трубки из металла или керамики. Такая защита обеспечивает гидроизоляцию и поверхностное предохранение термопары от механических воздействий. Материал наружного чехла должен выдерживать высокую температуру воздействия и обладать отличной теплопроводностью.

Конструкция датчика во многом зависит от условий его применения. При создании термопары во внимание принимается диапазон измеряемых температур, состояние внешней среды, тепловая инерционность и т. д.

Принцип действия

Работа термопары основана на принципе термоэлектрического эффекта. Это явление было открыто физиком из Германии Т. Зеебеком в начале XIX века. Его суть состоит в следующем:

  • Если соединить два термоэлектрода из разных металлов или сплавов в замкнутую электрическую цепь, а их рабочую поверхность подвергнуть воздействию разных температур, то по ней начнет протекать электрический ток.
  • Цепь, состоящая только из двух разных электродов, называется термоэлементом.
  • Работает термопара за счет электродвижущей силы, которая вызывает ток в цепи и зависит от материала элементов и разности температуры их соединения.
  • Элемент, из которого поступает ток от горячего соединения к холодному, считается положительным электродом, а от холодного к горячему — отрицательным.
  • Если говорить простым языком, то зная температуру одного соединения, которая поддерживается обычно постоянной, в результате измерения значения тока можно узнать величину нагрева другого соединения.

Термопара ПП расшифровывается как платинородий-платиновый, где первым идет обозначение положительного электрода, а вторым — отрицательного. Величина электродвижущей силы составляет небольшую величину, которая измеряется милливольтами при разнице температуры в 100 К (173,15 °C).

Виды устройств

Каждый вид термопар имеет свое обозначение, и разделены они согласно общепринятому стандарту. Каждый тип электродов имеет свое сокращение: ТХА, ТХК, ТВР и т. д. Распределяются преобразователи соответственно классификации:

  • Тип E — представляет собой сплав хромеля и константана. Характеристикой этого устройства считается высокая чувствительность и производительность. Особенно это подходит для использования при крайне низких температурах.
  • J — относится к сплаву железа и константана. Отличается высокой чувствительностью, которая может достигать до 50 мкВ/ °C.
  • Вид K — считается самым популярным устройством, состоящим из сплава хромеля и алюминия. Эти термопары могут определить температуру в диапазоне от -200 °C до +1350 °C. Приборы используются в схемах, расположенных в неокисляющих и инертных условиях без признаков старения. При применении устройств в довольно кислой среде хромель быстро разъедается и приходит в негодность для измерения температуры термопарой.
  • Тип M — представляет сплавы никеля с молибденом или кобальтом. Устройства могут выдерживать до 1400 °C и применяются в установках, работающих по принципу вакуумных печей.
  • Вид N — нихросил-нисиловые устройства, отличием которых считается устойчивость к окислению. Используются они для измерения температур в диапазоне от -270 до +1300 °C.

Существуют термопары, выполненные из сплавов родия и платины. Относятся они к типам B, S, R и считаются самыми стабильными устройствами. К минусам этих преобразователей относится высокая цена и низкая чувствительность.

При высоких температурах широко используются устройства из сплавов рения и вольфрама. Кроме того, по назначению и условиям эксплуатации термопары могут бывать погружаемыми и поверхностными.

По конструкции крепления устройства обладают статическим и подвижным штуцером или фланцем. Широкое применение термоэлектрические преобразователи нашли в устройстве компьютеров, которые обычно подсоединяются через COM порт и предназначены для измерения температуры внутри корпуса.

Компенсационные провода

В состав термопар входят компенсационные провода, которые выглядят как удлинители для подсоединения устройств к измерительному прибору. Если устроить свободные концы в головке термоэлектрического преобразователя, то практически его подсоединение выполнить нельзя, так как прибор работает при очень высоких температурах.

Кроме того, не всегда прибор, на который поступают данные, можно расположить недалеко от датчиков. Поэтому часто требуется подсоединение измерительного прибора на расстоянии от места, где установлены датчики. Эту задачу с успехом решают компенсационные провода. Обычно их изготавливают из того же материала, что и термоэлектрические датчики.

Удлинительные провода находятся на участках с более низкими температурами, поэтому существует возможность изготавливать их из более дешевого материала. При использовании компенсационных проводов необходимо учитывать возможность появления паразитных электродвижущих сил. Провода должны обеспечить отведение свободных концов от термопары в зону с пониженной и постоянной температурой.

Источники погрешностей измерений

На выполнение правильного процесса измерения влияют внешние источники, техническое состояние средств измерения и другие условия. На точность измерения с использованием термоэлектрического преобразователя влияет изменение электродвижущей силы.

Это явление называется термоэлектрической нестабильностью используемых сплавов. В процессе эксплуатации стало известно, что сплавы электродов изменяют свою ЭДС, которая приводит к искажению показаний.

Во время длительной эксплуатации при высоких температурах такие ошибки могут достигать больших величин, что приводит к снижению точности измерений.

Основными причинами нестабильности измерений считаются:

  • взаимодействие термоэлектродов с внешней средой;
  • влияние на датчики изолирующих и защитных устройств;
  • взаимодействие электродов друг с другом;
  • внутренние процессы, которые возникают при изменении температуры;
  • влияние радиации, электромагнитных полей и перепадов давления.

Под воздействием высокой температуры происходит снижение сопротивления изоляции датчиков, которое приводит к искажению измерений.

Часто источником возникновения ошибок при замерах становится неправильный выбор термоэлектрода, так как его сопротивление не совпадает с показаниями электрической цепи.

Изменение электродвижущей силы по длине термоэлектрического преобразователя тоже приводит к возникновению ошибок при получении показателей.

Термопары: устройство и принцип работы простым языком, типы

Термопара устройство и принцип работы

В автоматизации технологических процессов очень часто приходится снимать показатели о температурных изменениях, для их загрузки в системы управления, с целью дальнейшей обработки.

Для этого требуются высокоточные, малоинерционные датчики, способные выдерживать большие температурные нагрузки в определённом диапазоне измерений.

В качестве термоэлектрического преобразователя широко используются термопары – дифференциальные устройства, преобразующие тепловую энергию в электрическую.

Устройства также являются простым и удобным датчиком температуры для термоэлектрического термометра, предназначенного для осуществления точных измерений в пределах довольно широких температурных диапазонов.

В частности, управляющая автоматика газовых котлов и других отопительных систем срабатывает от электрического сигнала, поступающего от сенсора на базе термопары.

Конструкции датчика обеспечивают необходимую точность измерений в выбранном диапазоне температур.

Устройство и принцип действия

Термопара конструктивно состоит из двух проволок, каждая из которых изготовлена из разных сплавов. Концы этих проводников образуют контакт (горячий спай) выполненный путём скручивания, с помощью узкого сварочного шва либо сваркой встык.

Свободные концы термопары замыкаются с помощью компенсационных проводов на контакты измерительного прибора или соединяются с автоматическим устройством управления. В точках соединения образуется другой, так называемый, холодный спай.

Схематически устройство изображено на рисунке 1.

Рис. 1. Схема строения термопары

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

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

Рис. 2. Термопара с керамическими бусами

Принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте. При замыкании цепи, например милливольтметром (см. рис. 3) в точках спаек возникает термо-ЭДС.

Но если контакты электродов находятся при одинаковой температуре, то эти ЭДС компенсируют друг друга и ток не возникает.

Однако, стоит нагреть место горячей спайки горелкой, то согласно эффекту Зеебека возникнет разница потенциалов, поддерживающая существование электрического тока в цепи.

Рис. 3. Измерение напряжения на проводах ТП

Примечательно, что напряжение на холодных концах электродов пропорционально зависит от температуры в области горячей спайки.

Другими словами, в определённом диапазоне температур мы наблюдаем линейную термоэлектрическую характеристику, отображающую зависимость напряжения от величины разности температур между точками горячей и холодной спайки. Строго говоря, о линейности показателей можно говорить лишь в том случае, когда температура в области холодной спайки постоянна.

Это следует учитывать при выполнении градуировок термопар. Если на холодных концах электродов температура будет изменяться, то погрешность измерения может оказаться довольно значительной.

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

Рис. 4. Решение вопроса точности показаний термопар

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

Типы термопар и их характеристики

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

  • ТПП13 – платинородий-платиновые (тип R);
  • ТПП10 – платинородий-платиновые (тип S);
  • ТПР – платинородий-платинродиевые (тип B);
  • ТЖК – железо-константановые (тип J);
  • ТМКн – медь-константановые (тип T);
  • ТНН – нихросил-нисиловые (тип N);
  • ТХА – хромель-алюмелевые (тип K);
  • ТХКн – хромель-константановые (тип E);
  • ТХК – хромель-копелевые (тип L);
  • ТМК – медь-копелевые (тип M);
  • ТСС – сильх-силиновые (тип I);
  • ТВР – вольфрамрениевые (типы A-1 – A-3).

Термопары. Виды и состав. Устройство и принцип действия

Термопара устройство и принцип работы

Преобразователь температуры в электрический ток называется термопарой. Такой термоэлемент используется в преобразовательных и измерительных устройствах, а также во многих системах автоматики. Если рассматривать термопары по международным стандартам, то это два проводника из разных материалов.

Устройство

На одном конце эти проводники соединены между собой для создания термоэлектрического эффекта, позволяющего измерять температуру.

Внешне такое устройство выглядит в виде двух тонких проволочек сваренных на одном конце между собой, образуя маленький шарик.

Многие китайские мультиметры имеют в комплекте такие термопреобразователи, что дает возможность измерять температуру разных нагретых элементов устройств. Эти два проводника обычно помещены в стекловолоконную прозрачную трубку.

С одной стороны находится аккуратный сварной шарик, а с другой специальные разъемы для подключения к измерительному прибору.

Промышленное оборудование имеет более сложную конструкцию, по сравнению с китайскими термопарами. Рабочий элемент термодатчика заключают в металлический корпус в виде зонда, внутри которого он изолирован керамическими изоляторами, способными выдержать высокую температуру и воздействие агрессивной среды. На производстве таким термодатчиком измеряют температуру в технологических процессах.

Термопары являются наиболее популярным старым термоэлементом, который применяется в различных приборах для измерения температуры. Он обладает высокой надежностью, низкой инертностью, универсален и имеет низкую стоимость.

Диапазон измерения различными видами термопар очень широк, и находится в пределах -250 +2500°С.

Конструктивные особенности термодатчика не позволяют обеспечить высокую точность измерений, и погрешность может составлять до 2 градусов.

В бытовых условиях термопары используются в паяльниках, газовых духовках и других бытовых устройствах.

Принцип действия

Работа рассматриваемого термодатчика заключается в использовании эффекта ученого физика Зеебека, который обнаружил, что при спайке двух разнородных проводов в них образуется термо ЭДС, величина которого возрастает с увеличением нагрева места спайки. Позже это явление назвали термоэлектрическим эффектом Зеебека.

Напряжение, вырабатываемое термопарой, зависит от степени нагревания и вида применяемых металлов. Величина напряжения небольшая, и находится в интервале 1-70 микровольт на один градус.

При подключении такого температурного датчика к измерительному устройству, возникает дополнительный термоэлектрический переход. Поэтому образуется два перехода в разных режимах температуры. Входящий электрический сигнал на измерительном приборе будет зависеть от разности температур двух переходов.

Для измерения абсолютной температуры используют способ, называемый компенсацией холодного спая. Суть этого способа заключается в помещении второго перехода, не находящегося в зоне измерения, в среду образцовой температуры. Раньше для этого применяли обычный способ – размещали второй переход в тающий лед.

Сегодня для этого используют вспомогательный температурный датчик, находящийся рядом со вторым переходом. По данным дополнительного термодатчика измерительное устройство корректирует итоги измерения.

Это упрощает схему измерения, так как измерительный элемент и термопару совместно с дополнительным компенсатором можно соединить в одно устройство.

Разновидности

Температурные датчики на основе термопары разделяются по типу применяемых металлов.

Железо-константановые

  • Достоинством стала низкая стоимость.
  • Нельзя применять при температуре менее ноля градусов, так как на металлическом выводе влага создает коррозию.
  • После термического старения показатели измерений возрастают.
  • Наибольшая допустимая температура использования +500°С, при более высокой температуре выводы очень быстро окисляются и разрушаются.
  • Железо-константановый вид является наиболее подходящим для вакуумной среды.

Хромель-константановые

  • Способны работать при пониженных температурах.
  • Материалы электродов обладают термоэлектрической однородностью.
  • Их достоинство – повышенная чувствительность.

Медно-константановые термопары

  • Оба электрода отожжены для создания термоэлектрической однородности.
  • Не восприимчивы к высокой влажности.
  • Нецелесообразно применять при температурах, превышающих 400°С.
  • Допускается применение в среде с недостатком или избытком кислорода.
  • Допускается применение при температуре ниже 0°С.

Хромель-алюмелевые термопары

  • Серная среда вредно влияет на оба электрода термодатчика.
  • Нецелесообразно применять в среде вакуума, так как из электрода Ni-Cr может выделяться хром. Это явление называют миграцией. При этом термодатчик изменяет ЭДС и выдает температуру ниже истинной.
  • Снижение показаний после термического старения.
  • Применяется в насыщенной кислородом атмосфере или в нейтральной среде.
  • В интервале 200-500°С появляется эффект гистерезиса. Это означает, что при охлаждении и нагревании показания отличаются. Разница может достигать 5°С.
  • Широко применяются в разных сферах в интервале от -100 до +1000 градусов. Этот диапазон зависит от диаметра электродов.

Нихросил-нисиловые

  • Наиболее высокая точность работы из всех термопар, изготовленных из неблагородных металлов.
  • Повышенная стабильность функционирования при температурах 200-500°С. Гистерезис у таких термодатчиков значительно меньше, чем у хромель-алюмелевых датчиков.
  • Допускается работа в течение короткого времени при температуре 1250°С.
  • Рекомендуемая температура эксплуатации не превышает 1200°С, и зависит от диаметра электродов.
  • Этот тип термопары разработан недавно, на основе хромель-алюмелевых термодатчиков, которые могут быстро загрязняться различными примесями при повышенных температурах. Если спаять два электрода с кремнием, то можно заранее искусственно загрязнить датчик. Это позволит уменьшить риск будущего загрязнения при работе.

Платинородий-платиновые

  • Наибольшая рекомендуемая температура эксплуатации 1350°С.
  • Допускается кратковременное использование при 1600°С.
  • Нецелесообразно использовать при температуре менее 400°С, так как ЭДС будет нелинейной и незначительной.
  • При температуре более 1000°С термопара склонна к загрязнению кремнием, содержащимся в керамических изоляторах. Поэтому рекомендуется применять керамические трубки из чистого оксида алюминия.
  • Способны работать в окислительной внешней среде.
  • Если температура работы более 900°С, то такие термодатчики загрязняются железом, медью, углеродом и водородом, поэтому их запрещается армировать стальными трубками, либо необходимо изолировать электроды керамикой с газонепроницаемыми свойствами.

Платинородий-платинородиевые

  • Оптимальная наибольшая рабочая температура 1500°С.
  • Нецелесообразно использование при температуре менее 600°С, где ЭДС нелинейная и незначительная.
  • Допускается кратковременное использование при 1750°С.
  • Может применяться в окислительной внешней среде.
  • При температуре 1000 и более градусов термопара загрязняется кремнием, поэтому рекомендуется применять керамические трубки из чистого оксида алюминия.
  • Загрязнение железом, медью и кремнием ниже, по сравнению с предыдущими видами.

Преимущества

  1. Прочность и надежность конструкции.
  2. Простой процесс изготовления.
  3. Спай датчика можно заземлять или соединять с объектом измерения.
  4. Широкий интервал эксплуатационных температур, что позволяет считать термоэлектрические датчики наиболее высокотемпературными из контактных видов.

Недостатки

  • Материал электродов реагирует на химические вещества, и при плохой герметичности корпуса датчика, его работа зависит от атмосферы и агрессивных сред.
  • Градуировочная характеристика изменяется из-за коррозии и появления термоэлектрической неоднородности.
  • Требуется проверять температуру холодных спаев. В новых устройствах измерительных приборов на базе термодатчиков применяется измерение холодных спаев полупроводниковым сенсором или термистором.
  • На большой длине удлинительных и термопарных проводников может появляться эффект «антенны» для имеющихся электромагнитных полей.
  • ЭДС зависит от температуры по нелинейному графику, что затрудняет проектирование вторичных преобразователей сигнала.
  • Если серьезные требования предъявляются к времени термической инерции термодатчика, и требуется заземлять спай, то необходимо изолировать преобразователь сигнала, чтобы не было утечки тока в землю.

Точность и целостность системы измерений на основе термопарного датчика может быть увеличена, если соблюдать определенные условия:

  • Не допускать вибраций и механических натяжений термопарных проводников.
  • При применении миниатюрной термопары из тонкой проволоки. Необходимо применять ее только в контролируемом месте, а за этим местом следует применять удлинительные проводники.
  • Рекомендуется применять проволоку большого диаметра, не изменяющую температуру измеряемого объекта.
  • Использовать термодатчик только в интервале рабочих температур.
  • Избегать резких перепадов температуры по длине термодатчика.
  • При работе с длинными термодатчиками и удлинительными проводниками, необходимо соединить экран вольтметра с экраном провода.
  • Для вспомогательного контроля и температурной диагностики используют специальные температурные датчики с 4-мя термоэлектродами, позволяющими выполнять вспомогательные температурные измерения, сопротивления, напряжения, помех для проверки надежности и целостности термопар.
  • Проводить электронную запись событий и постоянно контролировать величину сопротивления термоэлектродов.
  • Применять удлиняющие проводники в рабочем интервале и при наименьших перепадах температур.
  • Применять качественный защитный чехол для защиты термопарных проводников от вредных условий.

Термопара: принцип действия, устройство

Термопара устройство и принцип работы

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

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

Физическая основа работы термопары

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

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

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

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

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

Виды термопар

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

Хромель-алюминиевые термопары

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

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

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

Хромель-копелевые термопары

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

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

Железо-константановые термопары

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

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

Платинородий-платиновые термопары

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

Основная область применения данных устройств — измерение высоких температур.

Вольфрам-рениевые термопары

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

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

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

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

Конструкции термопар

Существует две основные разновидности конструкций термопар.

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

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

Бегущая термопара и ее применение

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

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

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

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

Этот эффект повсеместно применяется в металлообрабатывающей промышленности.

Технологические особенности конструкций термопар

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

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

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

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

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

Разновидности спаев термопар

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

  • с открытым спаем;

  • с изолированным спаем;

  • с заземленным спаем.

Особенностью термопар с открытым спаем является плохая сопротивляемость внешнему воздействию.

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

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

Погрешность измерений

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

Погрешность измерений состоит из следующих составных частей:

  • случайная погрешность, вызванная особенностями изготовления термопары;

  • погрешность, вызванная нарушением температурного режима «холодного» контакта;

  • погрешность, причиной которой послужили внешние помехи;

  • погрешность контрольной аппаратуры.

Преимущества использования термопар

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

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

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

  • несложный процесс изготовления термопар, их прочность и долговечность эксплуатации.

Недостатки измерения температуры с помощью термопары

К недостаткам применения термопары следует отнести:

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

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

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

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

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

Заключение

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

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

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.