Термопара состоит из двух разнородных металлов, соединенных вместе на одном конце, которые создают напряжение (выраженное в милливольтах) при изменении температуры. Место соединения двух металлов, называемое чувствительным соединением, подключается к удлинительным проводам. Для изготовления термопары могут быть использованы любые два разнородных металла.
Принцип работы
- Когда два разнородных металла соединяются вместе, на соединении генерируется небольшое напряжение, называемое напряжением термоконтакта. Это называется эффектом Пельтье.
- Если температура соединения изменяется, это вызывает изменение и напряжения, которое может быть измерено входными цепями электронного контроллера. На выходе получается напряжение, пропорциональное разнице температур между соединением и свободными концами. Это называется эффектом Томпсона.
- Оба этих эффекта могут быть объединены для измерения температуры. Удерживая одно соединение при известной температуре (эталонное соединение) и измеряя напряжение, можно определить температуру на чувствительном соединении. Генерируемое напряжение прямо пропорционально разнице температур. Комбинированный эффект известен как эффект термоперехода или эффект Зеебека.
Напряжение измеряется для определения температуры. На практике провода A и B подключаются к цифровому вольтметру (DVM), цифровому мультиметру (DMM), цифровой системе сбора данных или какому-либо другому устройству для измерения напряжения. Если измерительное устройство имеет очень высокое входное сопротивление, напряжение, создаваемое термопереключателем, может быть точно измерено.
Однако основная проблема при измерении температуры термопарой заключается в том, что провода A и B должны подсоединяться к выводам вольтметра, которые обычно изготавливаются из меди. Если ни провод A, ни провод B сами по себе не являются медными, подключение к DVM создает еще два терморазъема! (Металлы термопар обычно отличаются от металлов выводов DVM). Эти дополнительные термопереключатели также создают напряжение на термопереключателе, что может привести к ошибке при попытке измерить напряжение на чувствительном соединении.
Как можно решить эту проблему?
Одним простым решением является добавление четвертого термо-узел, называемый справкой соединения, вставляя дополнительная длина металлического провода в цепь как показано ниже. Эталонное соединение состоит из металлов A и B, как указано на чертеже.
Эта модифицированная схема анализируется следующим образом:
При таком расположении все еще образуются два дополнительных соединения термопары там, где компенсированная термопара подключена к вольтметру (DVM). Два соединения DVM теперь находятся между металлом A и медью. Эти два соединения расположены близко друг к другу и при одинаковой температуре, так что напряжения на их терморазрывах одинаковы и компенсируют друг друга. Между тем, новый эталонный переход устанавливается в месте, где точно известна эталонная температура TR, обычно в ванне с ледяной водой с фиксированной температурой T R = 0°C. Если измерительный переход также находится при 0 ° C (Ts = 0 oC), напряжение, генерируемое измерительным переходом, будет равным и противоположным напряжению, генерируемому эталонным переходом. Следовательно, Vo = 0 при Ts = 0°C. Однако, если температура измерительного соединения не равна TR, Vo будет отличным от нуля.
Таким образом, Vo - это уникальная функция датчика температуры Ts и двух металлов, используемых для термопары. Таким образом, для известной эталонной температуры и известных материалов проволоки термопары для измерения температуры можно использовать выходное напряжение Vo. Это фундаментальная концепция использования термопары.
Материалы для термопар
Термопары могут быть изготовлены из нескольких различных комбинаций материалов. Характеристики материала термопары обычно определяются использованием этого материала с платиной. Наиболее важным фактором, который следует учитывать при выборе пары материалов, является "термоэлектрическая разница” между двумя материалами. Значительная разница между двумя материалами приведет к улучшению характеристик термопары.
На рисунке ниже показаны характеристики наиболее часто используемых материалов при использовании с платиной. Например: хромель-константан отлично подходит для температур до 2000 ° F; никель / никель-молибден иногда заменяет хромель-алюмель; а вольфрам-рений используется для температур до 5000 ° F. Некоторые комбинации, используемые для специализированных применений, включают хромель-белое золото, молибден-вольфрам, вольфрам-иридий и иридий/иридий-родий.
На рисунке ниже показаны характеристики материала термопары при использовании с платиной.
Характеристики типов термопар
Из бесконечного числа комбинаций термопар Американское приборное общество (ISA) признает 12. Большинство из этих типов термопар известны под однобуквенным обозначением; наиболее распространенными являются J, K, T и E. Состав термопар соответствует международным стандартам, но цветовые коды их проводов отличаются. Например, в США отрицательный вывод всегда красный, в то время как остальной мир использует красный цвет для обозначения положительного вывода. Часто стандартные типы термопар обозначаются по их торговым наименованиям. Например,
- Термопара типа K имеет желтый цвет и использует хромель – алюмель, которые являются торговыми названиями проволочных сплавов Ni-Cr и Ni-Al.
- Термопара типа J имеет черный цвет и использует железо и константан в качестве составляющих металлов. (Constantan - это сплав никеля и меди.)
- Термопара типа T имеет синий цвет и использует медь и константан в качестве составляющих металлов.
- В термопарах типа S используется Pt/Rh-Pt
- В термопарах типа E используется Ni/Cr-Con
- В термопарах типа N используется Ni/Cr/Si-Ni/Si
Для каждой калибровки используется свой температурный диапазон и окружающая среда, хотя максимальная температура зависит от диаметра проволоки, используемой в термопаре. Различия в составе сплава и состоянии соединения проводов являются источниками ошибок при измерении температуры. Стандартная погрешность провода термопары варьируется от ± 0,8 ° C до ± 4,4 ° C, в зависимости от типа используемой термопары. Термопара типа K рекомендуется для большинства применений общего назначения. Он обеспечивает широкий диапазон температур, низкую стандартную погрешность и обладает хорошей коррозионной стойкостью. Фактически, многие цифровые мультиметры (DMMS) могут измерять температуру, подключая термопару типа K к стандартным соединениям.
Напряжение, создаваемое термопарой, меняется почти, но не совсем линейно в зависимости от температуры. Поэтому не существует простых уравнений, связывающих напряжение термопары с температурой. Скорее, напряжение представлено в виде таблицы как функция температуры для различных стандартных термопар. Чтобы преобразовать показания милливольт в соответствующую температуру, вы должны обратиться к таблицам, подобным приведенной ниже. Эти таблицы можно получить у производителя термопары, и в них указаны конкретные значения температуры, соответствующие серии показаний в милливольтах. По соглашению, контрольная температура для таблиц термопар составляет 0ºC.
Выбор типа термопары
Поскольку термопары измеряют в широком диапазоне температур и могут быть относительно прочными, они очень часто используются в промышленности.
При выборе термопары используются следующие критерии:
- Диапазон температур.
- Химическая стойкость термопары или материала оболочки.
- Устойчивость к истиранию и вибрации.
- Требования к установке (возможно, потребуется совместимость с существующим оборудованием; диаметр датчика может определяться имеющимися отверстиями).
Стандартные технические характеристики
Диаметры: Стандартные диаметры: 0.010", 0.020", 0.032", 0.040", 1/16", 1/8", 3/16", и 1/4 " с двумя проводами.
Длина: Стандартные термопары имеют длину погружения 12 дюймов. Другие длины изготавливаются на заказ.
Оболочки: в стандартную комплектацию входят нержавеющая сталь 304 и Инконель.
Изоляция: стандартно используется оксид магния. Минимальное сопротивление изоляции провода к проводу или провода к оболочке составляет 1,5 Мом при 500 вольтах постоянного тока для всех диаметров.
Калибровка: Железо-константан (J), хромель – алюмель (K), медь-константан (T) и хромель-константан (E) являются стандартными калибровками.
Изгиб: Легко сгибается и формируется. Радиус изгиба должен быть не менее чем в два раза больше диаметра оболочки.
Полярность: В производстве термопар стандартной практикой является окрашивание отрицательного провода в красный цвет.
Соединения термопар:
Термопарные щупы в оболочке выпускаются с одним из трех типов соединений: заземленными, незаземленными или открытыми.
Заземленное соединение- В этом типе провода термопары физически прикреплены к внутренней стенке датчика. Это обеспечивает хорошую теплопередачу снаружи, через стенку датчика к соединению термопары. Заземленное соединение рекомендуется для измерения статических или текущих температур агрессивных газов и жидкостей, а также для применений под высоким давлением. Соединение заземленной термопары приварено к защитной оболочке, что обеспечивает более быстрый отклик, чем соединение незаземленного типа.
Незаземленное соединение- В подземном зонде соединение термопары отсоединено от стенки зонда. Время срабатывания замедляется по сравнению с заземленным типом, но незаземленный тип обеспечивает электрическую изоляцию 1,5 М1/ 2 при 500 В постоянного тока для всех диаметров. Незаземленный переход рекомендуется для измерений в агрессивных средах, где желательно иметь термопару, электронно изолированную от оболочки и экранированную ею. Сварная проволочная термопара физически изолирована от оболочки термопары порошком MgO (мягкий).
Открытое соединение- При использовании открытого соединения термопара выступает из кончика оболочки и подвергается воздействию окружающей среды. Этот тип обеспечивает наилучшее время отклика, но ограничен при использовании в условиях, не вызывающих коррозию, и без давления. Соединение выходит за пределы защитной металлической оболочки, обеспечивая точную и быструю реакцию. Изоляция оболочки герметизируется в месте соединения, чтобы предотвратить проникновение влаги или газа, которые могут привести к ошибкам.
Подводя итог, можно сказать, что открытый переход обеспечивает самое быстрое время отклика, за которым следует заземленный переход. Решения по измерению температуры могут повлиять на ожидаемые результаты процесса. Выбор правильного датчика для конкретного применения может оказаться сложной задачей, но обработка измеренного сигнала также очень важна.
Законы работы термопары
Сначала несколько обозначений:
Пусть T1 - температура ванны 1, а T2 - температура ванны 2.
Пусть V1-R определяется как напряжение, создаваемое термопарой при температуре T1, когда используется соответствующий эталонный переход при температуре TR (T R = эталонная температура = 0 oC). V1-R - это напряжение, указанное в таблицах термопар при температуре T1.
Пусть V1-2 определяется как разница в напряжении между V1-R и V2-R,
V1-2 = V1–R - V2-R
Соглашение о подписании:
Ошибки с отрицательным знаком могут быть проблематичными при работе с этими уравнениями, если одно из них не согласуется.
Согласно соглашению, таблицы термопар сконструированы таким образом, что более высокая температура приводит к более высокому напряжению на термопереключателе.
Другими словами, всегда предполагается, что два провода термопары (назовем их проводом A и проводом B) подключены к вольтметру таким образом, что напряжение является положительным, когда измеряемая температура больше контрольной температуры. Аналогично, напряжение является отрицательным, когда измеряемая температура меньше контрольной температуры.
Поскольку стандартная контрольная температура для таблиц термопар равна 0ºC, положительные температуры в единицах ºC дают положительные напряжения терморазрыва, а отрицательные температуры в единицах oC дают отрицательные напряжения терморазрыва.
Обратите внимание, что если провода подсоединены к вольтметру противоположным способом, то напряжения, конечно, будут противоположного знака.
Существует три закона или правила, применимых к термопарам:
- Закон промежуточных металлов
“Третий (промежуточный) металлический провод может быть вставлен последовательно с одним из проводов без изменения показаний напряжения (при условии, что два новых соединения имеют одинаковую температуру)”.
Рассмотрим приведенную ниже настройку, где прямоугольник вокруг термопереключателя указывает на ванну с постоянной температурой (например, кастрюлю с кипящей водой или ванну со льдом).
Закон промежуточных металлов гласит, что показание напряжения, В1-2, не изменяется, если добавить третий (промежуточный) провод в линию с любым из проводов в цепи, как показано ниже:
На приведенной выше схеме предполагается, что оба новых соединения (между металлом B и металлом C) имеют одинаковую температуру, т.е. температуру окружающей среды, Ta.
Легко видеть, что здесь должен соблюдаться закон промежуточных металлов, поскольку любое напряжение, генерируемое на одном из новых соединений, в точности компенсируется равным и противоположным напряжением, генерируемым на другом новом соединении.
Аналогично, металл С может быть вставлен в любое другое место цепи без какого-либо влияния на выходное напряжение, при условии, что два новых соединения имеют одинаковую температуру. Например, рассмотрим следующую модифицированную схему:
Опять же, если два новых соединения (на этот раз между металлами A и C) имеют одинаковую температуру, это никак не влияет на выходное напряжение.
- Закон промежуточных температур
“Если идентичные термопары измеряют разницу температур между T1 и T2 и T2 и T3, то сумма соответствующих напряжений V1-2 + V2-3 должна равняться напряжению V1-3, генерируемому идентичной термопарой, измеряющей разницу температур между T1 и T3”.
Математическое описание закона промежуточных температур:
V1-3 = V1-2 + V2-3 для любых трех температур: T1, T2 и T3.
Рассмотрим приведенную ниже настройку, на которой показаны шесть термопереключателей, по два в каждой ванне с постоянной температурой. Примечание: Во избежание беспорядка на схеме медные выводы DVM больше не показаны. Также, для краткости, буквы A и B обозначают металл A и металл B, два разных типа проводов термопары.
В соответствии с принятыми здесь обозначениями,
V1-3 = V1–R - V3-R,
который можно записать в виде
V1-3 = (V1-R - V2-R) + (V2-R - V3-R)
Но поскольку (также по определению)
V1-2 = V1–R - V2-R, и
V2-3 = V2–R - V3-R,
из этого непосредственно следует, что
V1-3 = V1-2 + V2-3.
- Закон аддитивных напряжений
Напряжение, измеренное проводами A и C, должно равняться сумме напряжения, измеренного проводами A и B, и напряжения, измеренного проводами B и C ”2 – T1“Для данного набора из 3 проводов термопары, A, B и C, все измеряющие одинаковую разницу температур T.
Рассмотрим приведенную ниже настройку, на которой показаны шесть термопереключателей, три в ванне с постоянной температурой T1 и три в ванне с постоянной температурой T2. Как указано выше, буквами A, B и C обозначены различные типы проводов термопары.
Закон аддитивных напряжений можно математически сформулировать следующим образом:
V1-2 (провода A и C) = V1-2 (провода A и B) + V1-2 (провода B и C)
Или с учетом разности напряжений,
V1-2 (провода A и B) = V1-2 (провода A и C) – V1-2 (провода B и C).
Термопара
Термопара определяется как несколько термопар, соединенных последовательно. Например, термопара с тремя чувствительными соединениями показана ниже:
При увеличении T2 выходное напряжение значительно возрастает. Преимуществом термопары (по сравнению с одним чувствительным соединением) является повышенная чувствительность.
Здесь выходное напряжение в три раза превышает то, которое генерируется только одной термопарой при идентичных условиях, как показано ниже:
При достаточном количестве чувствительных контактов термоэлемент действительно может генерировать полезное напряжение. Например, термоэлементы часто используются для управления запорной арматурой в печах.