На чем основан принцип действия термоэлектрического датчика

Термопара и принципы ее применения

Термопара (термоэлектрический преобразователь температуры) — термоэлемент, применяемый в измерительных и преобразовательных устройствах, а также в системах автоматизации.

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

Термопара — пара проводников из различных материалов, соединенных на одном конце и формирующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.

Для измерения разности температур зон, ни в одной из которых не находится вторичный преобразователь (измеритель термо-ЭДС), удобно использовать дифференциальную термопару: две одинаковых термопары, соединенных навстречу друг другу (см. рисунок). 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. Когда концы проводника находятся при разных температурах, между ними возникает разность потенциалов, пропорциональная разности температур. Коэффициент пропорциональности называют коэффициентом термоэдс. У разных металлов коэффициент термоэдс разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными коэффициентами термоэдс в среду с температурой Т1, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т2, которое будет пропорционально разности температур Т1 и Т2.

Принципиальная схема включения двух термопар

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 термоэдс, 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 :

• 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 избежании 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 так же в автоматизированных системах управления и контроля. Термопары из вольфрам-рениевого сплава являются самыми высокотемпературными контактными датчиками температуры. Такие термопары незаменимы в металлургии для контроля температуры расплавленных металлов.

Преимущество термопар

• Большой температурный диапазон измерения: от 200 °C до 1800—2500 °C
• Простота
• Дешевизна
• Надежность

Недостатки

• Точность более 1 °C труднодостижима, необходимо использовать термометры сопротивления или термисторы.
• 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 сенсора 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 не линейна. 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 (НСХ), классы допуска и диапазоны измерений приведены в стандарте МЭК 60584-1,2 и в ГОСТ Р 8.585-2001.

1. платинородий-платиновые — ТПП13 — Тип R
2. платинородий-платиновые — ТПП10 — Тип S
3. платинородий-платинородиевые — ТПР — Тип B
4. железо-константановые (железо-медьникелевые) ТЖК — Тип J
5. медь-константановые (медь-медьникелевые) ТМКн — Тип Т нихросил-нисиловые (никельхромникель-никелькремниевые) ТНН — Тип N.
6. хромель-алюмелевые — ТХА — Тип K
7. хромель-константановые ТХКн — Тип E
8. хромель-копелевые — ТХК — Тип L
9. медь-копелевые — ТМК — Тип М
10. сильх-силиновые — ТСС — Тип I
11. вольфрам и рений — вольфрамрениевые — ТВР — Тип А-1, А-2, А-3

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. Тип L установлен только в немецком стандарте DIN и стандартные таблицы отличаются от таблиц для термопар ТХК. В настоящее время стандарт МЭК 60584 пересматривается. Планируется введение в стандарт вольфрам-рениевых термопар типа А-1, НСХ для которых будет соответствовать отечественным стандартам, и типа С по стандарту АСТМ — ASTM International — (American Society for Testing and Materials).

Термоэлектрические датчики. Принцип работы и конструктивные особенности

Термопары относятся к классу термоэлектрических преобразователей, принцип действия которых основан на явлении Зеебека: если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру (Т не равно Т2), то в цепи протекает электрический ток. Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока.

Явление Зеебека

Под термоэлектрическим эффектом понимается генерирование термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), возникающей из-за разности температур между двумя соединениями различных металлов и сплавов.

Таким образом, термопара может образовывать устройство (или его часть), использующее термоэлектрический эффект для измерения температуры. В сочетании с электроизмерительным прибором термопара образует термоэлектрический термометр.

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

Подключение термопары к измерительному прибору

В местах подключения проводников термопары к измерительной системе возникают дополнительные термоЭДС. В результате их действия на вход измерительной системы фактически поступает сумма сигналов от рабочей термопары и от «термопар», возникших в местах подключения.

Принцип работы термопары

Термоэлектрические преобразователи (термопары)

Термоэлектрические преобразователи (термопары, термопреобразователь) предназначены для контроля и измерения температуры жидких, твердых, газообразных и сыпучих сред, неагрессивных к материалу корпуса преобразователя.

Термопара — термоэлемент, применяемый в измерительных и преобразовательных устройствах. Принцип действия термопреобразователя основан на том, что нагревание или охлаждение контактов между проводниками, отличающимися химическими или физическими свойствами, сопровождается возникновением термоэлектродвижущей силы (термоэдс). Термопара состоит из двух металлов, сваренных на одном конце. Эта часть ее помещается в месте замера температуры. Два свободных конца подключаются к измерительной схеме (милливольтметру).

Наиболее распространены термопары

хромель-алюмель (ХА или K), хромель-копель (ХК или L), железо-константан (ЖК или J).

ТХА — преобразователь термоэлектрический, термопара ХА — хромель-алюмель (K), диапазон измерения температуры: — 40°С.. +1100°С (макс. +1200°С)).
ТХК — преобразователь термоэлектрический, термопара ХК — хромель-копель (L), диапазон измерения температуры: -40°С.. +600°С (макс. +800°С)).
ТЖК — преобразователь термоэлектрический, термопара ЖК — железо-константан (J), диапазон измерения температуры: -40°С.. +600°С (макс. +750°С)).

Конструкция термоэлектрических преобразователей определяется техническими требованиями, предъявляемыми к процессу измерения температуры.

Возможно изготовление кабельных термопар малого сечения (КТМС) диаметром от 0,5 мм.

Компания Форком так же осуществляет изготовление и поставку термопреобразователей для стран СНГ. По всем вопросам связанным с оформлением заказа на изготовление термопреобразователя обращайтесь по телефонам или электронной почте.

Термопара (термоэлектрический преобразователь)

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

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

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

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.

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.

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:

• 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 автоматизированных системах управления и контроля. Термопары из вольфрам-рениевого сплава являются самыми высокотемпературными контактными датчиками температуры. Такие термопары незаменимы в металлургии для контроля температуры расплавленных металлов.

В 1920-х — 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.

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 (НСХ), классы допуска и диапазоны измерений приведены в стандарте МЭК 60584-1,2 и в ГОСТ Р 8.585-2001.

• платинородий-платиновые
• платинородий-платиновые
• платинородий-платинородиевые
• железо-константановые (железо-медьникелевые)
• медь-константановые (медь-медьникелевые)
• нихросил-нисиловые (никельхромникель-никелькремниевые)
• хромель-алюмелевые
• хромель-константановые
• хромель-копелевые
• медь-копелевые
• сильх-силиновые
• вольфрам и рений — вольфрамрениевые

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.

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 термопары. В пределах колонок точности, T представляет температуру горячего спая, в градусах Цельсия. Например, термопара с точностью В±0.0025Г—T имела бы точность В±2.5 В°C в 1000 В°C.