+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

Термопара — принцип работы | Сиб Контролс

Принцип работы термопар

Если два провода из разнородных металлов соединены друг с другом на одном конце, на другом конце данной конструкции, за счет контактной разницы потенциалов, появляется напряжение (ЭДС), которое зависит от температуры. Иными словами, соединение двух разных металлов ведет себя как гальванический элемент, чувствительный к изменению температуры. Такой вид температурного сенсора называется термопарой:

 

Данное явление предоставляет нам простой путь для нахождения электрического эквивалента температуры: необходимо просто измерить напряжение и Вы можете определить температуру этого места соединения двух металлов. И это было бы просто, если бы не следующее условие: когда Вы присоедините любой вид измерительного прибора к проводам термопары, то неизбежно сделаете второе место соединения разнородных металлов.

Следующая схема показывает, что железо — медное соединение J1 обязательно дополняется вторым железо — медным соединением J2 противоположной полярности:

Соединение J1 железа и меди (двух разнородных металлов) будет генерировать напряжение, зависящее от измеряемой температуры. Соединение J2, которое фактически необходимо , что мы каким-то образом подключили наши медные входные провода вольтметра к железной проволоке термопары, также соединение разнородных металлов, которое тоже будет генерировать напряжение, зависящее от температуры. Далее необходимо отметить, что полярность соединения J2 противоположна полярности соединения J1 (железный провод положительный; медный — отрицательный). В данное схеме имеется так же третье соединение (J3), но оно не оказавает влияние, потому что это соединение двух идентичных металлов, которое не создает ЭДС. Генерация второго напряжения соединением J2 помогает объяснить, почему вольтметр регистрирует 0 вольт, когда вся система будет при комнатной температуре: любые напряжения созданные точками соединения разнородных металлов будут равны по величине и противоположны по полярности, что и приведет к нулевым показаниям. Только тогда, когда два соединения J1 и J2 находятся при разных температурах, вольтметр зарегистрирует какое-то напряжение.

Мы можем выразить эту связь математически следующим образом:

Vmeter = VJ1 − VJ2

Понятно, что вольтметр «видит» только разницу между этими двумя напряжениями, генерируемыми в точках соединения.

Таким образом, термопары – это исключительно дифференциальные температурные сенсоры. Они формируют электрический сигнал, пропорциональный разнице температур между двумя различными точками. Поэтому, место соединения (спай), которое мы используем,чтобы измерить необходимую температуру, называют «горячим» спаем, в то время как другое место соединения (от которого мы никак не можем избежать) называется «холодным» спаем. Такое название произошло от того, что обычно, измеряемая температура выше температуры, в которой находится измерительный прибор. Большая часть сложностей применения термопар связана с именно напряжением «холодного» спая и необходимости иметь дело с этим (нежелательным) потенциалом. Для большинства применений необходимо измерять температуру в одной определённой точке, а не разницу температур между двумя точками, что делает термопара по определению.

Существует несколько методов, чтобы заставить датчик температуры на базе термопары измерять температуру в нужной точке, и они будут рассмотрены ниже.

Студенты и профессионалы очень часто находят общий принцип влияния «холодного» спая и его эффектов невероятно запутанным. Чтобы разобраться в данном вопросе, необходимо вернуться к простому контуру с железо — медными проводами, показанному ранее как «отправная точка», а затем вывести поведение данного контура, применяя первый закон Кирхгоффа: алгебраическая сумма напряжений в любом контуре должна быть равна нулю. Мы знаем, что соединение разнородных металлов создает напряжение, если его температура выше абсолютного нуля. Мы также знаем, что с тем, чтобы сделать полный контур из железного и медного провода, мы должны сформировать второе соединение железа и меди, полярность напряжения этого второго соединения будет обязательно противоположной полярности первого. Если мы обозначим первое соединение железа и меди как J1, а J2 второе, мы абсолютно уверенны в том, что напряжение, измеренное вольтметром в этой схеме, будет V
J1
− VJ2.

Все контуры термопары – независимо от того, простые они или сложные – демонстрируют эту фундаментальную особенность. Необходимо мысленно представить простой контур из двух разнородных металлических проводов и затем, выполняя «мысленный эксперимент», определить, как этот контур будет вести себя в местах соединения при одинаковой температуре и при различных температурах. Это — лучший способ для любого человека понять, как работают термопары.

Принцип работы термопары. Статья компании Технонагрев

Термопара — это обычный элемент измерения температуры, который очень часто сейчас используется в различном оборудовании. Термопара имеет четкое соответствие сигнала температуры и возникающего электрического потенциала, тем самым делая возможным преобразование электрических параметров в значение температуры.

Принцип работы термопары заключается в том, что когда два разных проводника или полупроводника A и B образуют цепь и два их конца соединены друг с другом, пока температура в двух узлах разная, температура на одном конце равна t ( что называется рабочим концом или горячим концом), а температура на другом конце равна t0 (известном как свободный конец, который также известен как контрольный конец или холодный конец), петля будет генерировать электродвижущую силу, направление и размер которой связаны с материалом проводника и температурой двух контактов.

 

Это явление называется термоэлектрическим эффектом, а схема, состоящая из двух проводников, называется термопарой. Эти два проводника называются термоэлектрическим полюсом, а генерируемая электродвижущая сила называется термоэлектрической электродвижущей силой.


Термоэлектрическая ЭДС состоит из двух частей. Одна — это контактная ЭДС двух проводников, а другая — ЭДС разности температур одного проводника. Величина термоэлектрической ЭДС в контуре термопары напрямую связана с материалом проводника и температурой двух контактов, но не с формой и размером датчика термопары. Когда два электродных материала термопары зафиксированы, термоэлектрическая ЭДС будет иметь температуру двух контактов t и t0.

Это соотношение широко используется при практическом измерении температуры. Поскольку холодный конец t0 постоянен, термоэлектрическая ЭДС, создаваемая датчиком термопары, изменяется только с температурой горячего конца (измерительного конца), то есть определенная термоэлектрическая ЭДС соответствует определенной температуре.

Достичь цели измерения температуры можно только путем измерения термоэлектрической ЭДС.

Основной принцип измерения температуры термопарой заключается в том, что два разных компонента проводников из материала образуют замкнутую цепь.

Когда на обоих концах есть температурный градиент, через цепь будет проходить ток, а затем возникнет электродвижущая сила — термоэлектрическая электродвижущая сила между двумя концами, что является так называемым эффектом Зеебека. Два типа однородных проводников с разными компонентами — это термоэлектрические полюса, один с более высокой температурой — рабочий конец, другой с более низкой температурой — свободный конец, а свободный конец обычно имеет постоянную температуру. В соответствии с функциональным соотношением между термоэлектрической ЭДС и температурой составляется градуированная таблица термопары. Градуировочная таблица получается, когда температура свободного конца составляет 0 ℃, и разные термопары имеют разные градуированные таблицы.


Когда третий металлический материал подключен к цепи термопары, пока температура двух контактов материала одинакова, термоэлектрический потенциал, создаваемый датчиком термопары, останется неизменным, то есть на него не повлияет третий металл в цепи. Следовательно, когда термопара используется для измерения температуры, ее можно подключить к измерительному прибору, и температура измеряемой среды может быть известна после измерения термоэлектрической ЭДС. При измерении температуры термопары необходимо, чтобы температура ее холодного конца (измерительный конец — это горячий конец, а конец, соединенный с измерительной схемой через подводящий провод, называется холодным концом), должна оставаться неизменной, а ее тепловой потенциал пропорционален измеренной температуре. Если температура холодного конца (окружающей среды) изменится во время измерения, это серьезно повлияет на точность измерения. Принятие некоторых мер для компенсации влияния, вызванного изменением температуры холодного конца, называется нормальной компенсацией холодного конца термопары.

Специальный компенсационный провод используется для соединения с измерительным прибором.

В компании ТЕХНОНАГРЕВ вы можете заказать изготовление термопар типов К или J с необходимой вам формой и параметрами. Подробнее о наших термопарах смотрите на странице здесь.



Принцип действия термопар

Термопары самое известное средство измерения для многих сфер деятельности, таких как, промышленность, медицинские лаборатории, жилые дома и научные лаборатории. Применяются они для измерения температуры. Это связано с тем, что термопары имеют высоким диапазон измерения(от -270 до + 2500С), отличную точность, высокую надежность, низкую цену и свободную заменяемость. Для корректного применения нужно понимать ее принцип действия и структуру.

Принцип действия и структура термопар

Состоит термопара из двух проводников и трубки, которая служит защитой для термоэлектродов. Термоэлектроды состоят из неблагородных и благородных металлов, чаще всего из сплавов, закрепленные друг с другом на одном конце(рабочий конец или горячий спай), таким образом они образуют одну из частей устройства. Другие концы термопары (свободные концы или холодный спай) соединены с прибором измерения напряжения. Посередине двух несоединенными выводами возникает ЭДС, величина зависит от температуры рабочего конца.

Одинаковые термопреобразователи объединенные параллельно замыкают цепь, по правилу Зеебека, мы рассмотрим далее это правило, между ними образуется контактная разность потенциалов или термоэлектрический эффект, при соприкосновении на проводниках появляются электрические заряды, между их свободными концами возникает различие потенциалов, и он зависит от разности температур. Только тогда, когда температура между термоэлектродами одинакова, разница потенциалов приравнивается к нулю.

Например: Помещая спай с различными от нуля коэффициентами, в две кипящие кастрюли с жидкостью, температура первой 50, а второй 45, то разность потенциалов будет равна 5.

Разность потенциалов определяется разностью температур источников. Так же зависит материал из которого сделаны электроды термопары. Пример: У термопары Хромель-Алюмель температурный коэффициент равен 41, а у Хромель-Константан коэффициент равен 68.

Явление Зеебека

Состоит в следующем. Если в замкнутом контуре из двух разнородных проводников, а лучше полупроводников так, как эффект сильнее выражен для полупроводников, поддерживать места соединения этих проводников, обще принято называть, спаи, при разных температурах, то в такой цепи пойдет ток. Направление тока зависит от того какая из температур, какого спая выше. При одной разности в одном направлении, при другой разности в другом.

Это устройство, будучи разрезанным в одном из мест используется в качестве термопары, датчика температуры. В схеме 2, далее, будет показано спай 1, мы будем нагревать или охлаждать, а другой спай внутри гальванометра, который находится при комнатной температуре. В зависимости от того какая будет температура спая Т1 выше комнатной или ниже, стрелка гальванометра, будет отклоняться либо в одну, либо в другую сторону.

Если в цепи термопары обе проволоки из одного материала то ничего происходить не будет. Проверить это очень просто, возьмите две медные проволоки с изоляцией, меры безопасности никто не отменял, подсоедините их одними концами к гальванометру, а другими скрутите вместе (но лучше спаять), и начните нагревать, так же можно опустить в воду с кусочками льда. Если вы взяли одинаковые проволоки, то стрелка прибора останется на нуле. Но если вы возьмете разные проволоки и точно так же подсоедините их к прибору, а другие концы скрутите. И после этого будете нагревать или охлаждать, оголенные концы проводов, то вы сможете наблюдать, как и в какую сторону будет отклоняться стрелка гальванометра.

Методы подключения

Есть несколько методов включения преобразователя, но мы рассмотрим самые распространенные: простой и дифференциальный. Простой — измерительный прибор включается напрямую к двум термопарам. Дифференцированный — применяются проводники с разными соотношениями термо-ЭДС, соединённые в двух концах, а измерительный прибор подключается в разрыв одного из проводников.

Во время дистанционного включения, ставятся удлинительные либо компенсационные провода. Удлинительные провода создаются из тех же металлов, что и термоэлектроды, но с разными размерами. Компенсационные — изготовляются из благородных металлов, но их состав, отличается от состава термоэлектродов.

Принцип действия и принцип работы термопары

В рамках данной статьи мы рассмотрим принцип действия, недостатки, преимущества и особенности термопары – температурного датчика, широко используемого в промышленности.

Принцип действия, преимущества и особенности термопары

В основе принципа работы термопары лежит явление, описанное Томасом Зеебеком в далеком 1822 году: при разности температур на измерительных контактах, расположенных на гомогенном материале, обладающем свободными зарядами, возникает разность потенциалов, или же напряжение.

Иными словами, вышеописанные условия приводят к возникновению термоэлектродвижущей силы (ТЭДС). Стоит отметить, что ТЭДС генерируется по всем длине термоэлектрода, а не в месте спая, что дает возможность понять соответствующие ограничения по точности, установленные самой природой процесса.

Как уже был сказано выше, ТЭДС возникает по всей длине электрода, а потому показания термопары определяются состоянием электродов в зоне с максимальным температурным градиентом. Исходя из этого, проверка термопар проводится при том же состоянии среды, как и на рабочем объекте.

Преимущества термопары

  • Простота изготовления, прочность конструкции и надежность.
  • Возможность использования в широком температурном диапазоне. Термопара является наиболее высокотемпературным из всех существующих контактных датчиков.
  • Возможности приведения спая термопары в прямой контакт с объектом измерения и непосредственного заземления.

Недостатки термопары

  • Термоэлектрическая неоднородность в проводниках, приводящая к изменению градуировочной характеристики. Вследствие термоэлектрической неоднородности возникают различные химические процессы (коррозия и т.д.), изменяющие состав сплава термопары.
  • Контроль температуры холодных спаев. Как правило, все современные измерительные конструкции на основе термопар имеют полупроводниковый сенсор или встроенный тиристор для внесения корректировок в измененную ТЭДС в автоматическом режиме.
  • Подверженность электродов воздействию агрессивных сред, в случае если корпус термопары недостаточно герметичен.
  • Вероятность возникновения эффекта «антенны» при большой длине проводов термопары.
  • Нелинейная зависимость ТЭДС от температуры, что усложняет разработку вторичных преобразователей сигнала.
  • Необходимость обеспечения электрической изоляции преобразователя сигнала при повышенных требованиях к времени термической инерции термопары.

Термопары и их особенности

  • Термопары из неблагородных металлов.
  • Термопары из благородных металлов.

— Хромель-алюмель – тип «К». Является наиболее распространенной среди термопар. Позволяет измерять температуры и диапазоне от -200 °С до +1350°С, может использоваться в атмосфере с избытком кислорода, не может использоваться в атмосфере серы.

— Хромель-копаль – тип L. Температурный диапазон: -200 °С до +800 °С.

— Хромель-константан – тип Е (от -40 °С до +900 °С). Главные преимущества – термоэлектрически однородный материал электродов и высокая чувствительность.

— Медь-константан – тип Т (от -250°С до +300 °С). Влагостойкая термопара, которая может использоваться при недостатке или же избытке кислорода.

— Железо-константан – тип J (от -40 °С до +750 °С). Рекомендуется в разряженной атмосфере.

Платинородий-платинородиевая – тип B (до +1500 °С). Может использоваться в окислительной среде.

Платинородий-платиновая – тип S и тип R (до +1350 °С)

Работа термопары предопределяется ее типом и характеристиками. При выборе термопары обязательно учитывайте свои потребности и возможности конкретной модели.

принцип действия, схемы, таблица типов термопар и т.д.

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.

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

Принцип действия термопар (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.

 

Фотография термопары

 

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.

 

Способ подключения (Схема 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:

 

  • 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.

 

Тип термопары

Темп. коэффициент,

μV/°C

Температурный диапазон °C (длительно) Температурный диапазон °C (кратковременно) Класс точности 1 (°C) Класс точности 2 (°C)
K 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
J 55.2 0 до +700 −180 to +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
±0.0075×T от 333 °C до 750 °C
N   0 до +1100 −270 to +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
R   0 до +1600 −50 to +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
S   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
B   +200 до +1700 0 до +1820   ±0. 0025×T от 600 °C до 1700 °C
T   −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
E 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

 

Источник: wikipedia

 

классификация, как работает, особенности применения

Термопа́ра — устройство основанное на преобразовании электрического сигнала в показатель температуры при изменении физических параметров веществ, из которых состоит прибор. Термопары широко распространены в промышленности, коммунальном хозяйстве, используются в массе бытовых приборов и автомобилях. От самых простых приборов (которые можно встретить в обычных утюгах) до сложных и дорогих (жаростойкие термопластины для измерения температуры на газовых турбинах) их можно встретить везде, где стоит задача измерения температуры.

Как работает термопара?

Термопара состоит из пары проводников из отличающихся материалов, соединенных между собой только с одной стороны.

Регистрирующие приборы (аналоговые, цифровые) измеряют разницу термо-ЭДС возникающих в местах спайки и на концах проводников.

Действие прибора построено на эффекте Зеебека(термоэлектрической эффект). Представьте две проволоки соединенные между собой двумя спайками. Если нагревать/охлаждать одну спайку, то по кольцу потечет ток. Его вызывает термо-ЭДС, которая возникает за счет разности потенциалов между спайками.

Интересное видео о термопарах от НИЯУ МИФИ смотрите ниже:

При одинаковой температуре спаек сума токов в цепи равна нулю – ток не течет. При отличающихся температурах возникает разность потенциалов между спайками. От интенсивности нагревания/охлаждения зависит и разность потенциалов.

Термо-ЭДС можно измерить. Она пропорциональна изменению разности температур на спайках. Самый простой способ измерения параметров тока в таких условиях – гальванометр (применяется для демонстрации эффекта Зеебека).

В современных сложных термопарах применяются электронные средства преобразования сигнала.

Особенности работы с термопарами для точных и высокоточных измерений

  1. Недостаток большинства термопар – это необходимость градуировки каждого прибора в отдельности.

    Для точных измерений на предприятиях-изготовителях каждая термопара проходит отдельные испытания.

  2. Необходимо вносить поправку на температуру среды измерительных устройств.
  3. Термопара должна находиться в одинаковых условиях по всей длине измерительного участка.
  4. Для определения наиболее точного результата можно использовать рядом с основной термопарой контрольные термопары.
  5. Для точных измерений используют провода с экранами, для уменьшения наводок: токи, вызываемые термо-ЭДС, незначительны по своей величине.

Ещё одно интересное видео о термопарах смотрите ниже:

Классификация термопар, их свойства и сферы применения

В российском ГОСТе применяется трехбуквенное обозначение кириллицей групп термопар, в международной классификации (МЭК) приняты латинские однобуквенные обозначения.

В большинстве случаев группы термопар соответствуют обеим системам классификации.

В таблице даны обозначения по ГОСТу, в скобках приведены аналоги по МЭК:

Тип термопары Материал Свойства
ТХА (К) Вольфрам + родий Для работы в нещелочных средах. Измеряет в пределах −250…+2500°С
ТНН (N) Никросил+ нисил Диапазон температур — 0…1230°С, относится к группе универсальных термопар
ТЖК (J) Железо + константан -200 до +750°С дешевый и надежный вариант для промышленности.
ТМК (Т) Медь + константан -250…+ 400°Снедорогие термопары
ТХК (L) Хромель+ копель наибольшая чувствительностью, но ограничены по диапазону измерений – до 600 °С и очень хрупкие.
ТПП (R, S) Платинородий + платина Для работы в газовых средах, окисленных средах. Недостаток – чувствительны к примесям, нагарам, требуют стерильных условий производства.
ТВР (А-1, А-2, А-3) Вольфрам + рений Диапазон измерений -22О0°С в нормальных средах. Сложны в производстве и эксплуатации.

В таблице приведены наиболее часто встречаемые в сети интернет термопары.

Также существуют другие виды термопар для редких условий работы. Как правило, это штучные приборы, разрабатываемые только под заказ.

Как работают термопары? Краткое руководство

Термопары — это надежные датчики температуры, которые используются во многих промышленных приложениях. Узнайте, что такое термопары, как они работают и почему они так популярны.

Термопары — это электрические устройства, используемые для измерения температуры. Их точность, быстрое время реакции и способность выдерживать сильные вибрации, высокое давление и экстремальные температуры делают их идеальными для широкого спектра применений. Но как работает термопара?

Принцип работы термопары

Принцип работы термопары основан на эффекте Зеебека или термоэлектрическом эффекте, который относится к процессу преобразования тепловой энергии в электрическую. Эффект описывает электрическое напряжение, которое возникает при соединении двух разных проводников, и то, как создаваемое напряжение изменяется в зависимости от температуры.

Базовая конструкция термопары состоит из двух разнородных металлических проводов, каждая из которых имеет разные электрические свойства при разных температурах. Два металла находятся в контакте — касаются друг друга, скручены или сварены — на одном конце; это точка измерения . На другом конце находится точка подключения , названная так потому, что она подключается к считывателю напряжения.Когда температура изменяется в точке измерения, изменяется и электронная плотность каждой металлической проволоки. Эта изменяющаяся электронная плотность составляет напряжение , которое измеряется в точке подключения.

Обратите внимание, что термопары фактически не измеряют абсолютную температуру. Вместо этого они измеряют разность температур между точкой измерения и точкой подключения. Вот почему термопарам также требуется компенсация холодного спая , которая гарантирует, что температура окружающей среды на соединительных выводах холодного спая не влияет на результат измерения, что позволяет получать более точные показания.

Металлические пары в термопарах

Для того, чтобы термопара работала хорошо, два ее провода должны обеспечивать как можно больший контраст в индивидуальных электроотрицательностях. Это сделано для того, чтобы устройство считывания напряжения могло обнаружить наибольшую разницу термоэлектрических напряжений.

Термопары из недрагоценных металлов , известные как типы J, T, K, E и N, производят более высокие термоэлектрические напряжения, чем более дорогие благородные металлы, известные как типы R, S и B. выдерживает температуру до 3092 ° F (1700 ° C) или даже выше.Некоторые из обычных пар металлов — это железо и медь-никель (тип J), медь и медь-никель (тип T), а также никель-хром и никель-алюминий (тип K). Термопары из благородных металлов обычно изготавливаются из платины и родия (типы S, R и B).

WIKA USA производит широкий спектр высококачественных термопар с различными температурными диапазонами, конфигурациями и материалами. Для получения дополнительной информации о том, как работает термопара, посмотрите это короткое видео или свяжитесь с нашими специалистами по измерению температуры.

Конструкция, принцип работы и применение

В 1821 году физик по имени Томас Зеебек обнаружил, что когда два разных металлических провода были соединены на обоих концах одного соединения в цепи при воздействии температуры на соединение, через цепь будет протекать ток, который известен как электромагнитное поле (ЭМП). Энергия, производимая цепью, называется эффектом Зеебека. Используя эффект Томаса Зеебека в качестве ориентира, оба итальянских физика, а именно Леопольдо Нобили и Македонио Меллони, в 1826 году совместно разработали термоэлектрическую батарею, которая называется тепловым умножителем. а также термобатарея для расчета излучения.Некоторые люди идентифицировали Нобили как первооткрывателя термопары.


Что такое термопара?

Термопару можно определить как своего рода датчик температуры, который используется для измерения температуры в одной конкретной точке в виде ЭДС или электрического тока. Этот датчик состоит из двух разнородных металлических проводов, соединенных вместе в одном стыке. На этом переходе можно измерить температуру, и изменение температуры металлической проволоки стимулирует напряжения.

Термопара

Величина ЭДС, генерируемая в устройстве, очень мала (милливольт), поэтому для расчета ЭДС, создаваемой в цепи, необходимо использовать очень чувствительные устройства. Обычными устройствами, используемыми для расчета ЭДС, являются потенциометр уравновешивания напряжения и обычный гальванометр. Из этих двух балансировочный потенциометр используется физически или механически.

Принцип работы термопары

Принцип термопары в основном зависит от трех эффектов, а именно Зеебека, Пельтье и Томпсона.

См. Эффект Beck-Effect

Этот тип эффекта возникает между двумя разнородными металлами. Когда тепло поступает к любому из металлических проводов, поток электронов переходит от горячего металлического провода к холодному. Следовательно, постоянный ток стимулирует цепь.

Эффект Пельтье

Этот эффект Пельтье противоположен эффекту Зеебека. Этот эффект утверждает, что разница температур может быть сформирована между любыми двумя разнородными проводниками путем применения изменения потенциала между ними.

Эффект Томпсона

Этот эффект утверждает, что когда два разных металла соединяются вместе, и если они образуют два соединения, то напряжение вызывает общую длину проводника из-за градиента температуры. Это физическое слово, которое демонстрирует изменение скорости и направления температуры в определенном месте.


Конструкция термопары

Конструкция устройства показана ниже. Он состоит из двух разных металлических проводов, соединенных вместе на конце соединения.Соединение мыслит как измерительный конец. Конец соединения подразделяется на три типа: незаземленный, заземленный и открытый.

Конструкция термопары

Незаземленный переход

В этом типе перехода проводники полностью отделены от защитной крышки. Область применения этого соединения в основном включает работы по установке высокого давления. Основное преимущество использования этой функции — уменьшение эффекта паразитного магнитного поля.

Заземленное соединение

В этом типе соединения металлические провода, а также защитная крышка соединяются вместе.Эта функция используется для измерения температуры в кислой атмосфере и обеспечивает устойчивость к шуму.

Открытое соединение

Открытый переход применяется там, где требуется быстрое реагирование. Этот тип спая используется для измерения температуры газа. Металл, из которого изготовлен датчик температуры, в основном зависит от расчетного диапазона температуры.

Обычно термопара конструируется с двумя разными металлическими проводами, а именно железом и константаном, которые образуют детектирующий элемент, соединяясь в одном спайе, называемом горячим спаем.Он состоит из двух спайов, один спай подключается с помощью вольтметра или передатчика, где холодный спай, а второй спай связан в процессе, который называется горячим спаем.

Как работает термопара?

Схема термопары показана на рисунке ниже. Эта схема может быть построена из двух разных металлов, и они соединяются вместе путем образования двух переходов. Два металла соединены сваркой.

На приведенной выше диаграмме соединения обозначены P & Q, а температуры обозначены T1, & T2.Когда температуры спая отличаются друг от друга, в цепи генерируется электромагнитная сила.

Цепь термопары

Если температура на конце перехода становится эквивалентной, то в цепи возникает эквивалент, а также обратная электромагнитная сила, и ток через нее не протекает. Точно так же температура на конце перехода становится несбалансированной, а затем в этой цепи индуцируется изменение потенциала.

Величина индукции электромагнитной силы в цепи зависит от материалов, используемых для изготовления термопар.Полный ток по цепи рассчитывается измерительными приборами.

Электромагнитная сила, индуцированная в цепи, рассчитывается по следующему уравнению

E = a (∆Ө) + b (∆Ө) 2

Где ∆Ө — разница температур между горячим концом спая термопары, а также эталонным концом спая термопары, a и b — константы

Типы термопар

Прежде чем перейти к обсуждению типов термопар, необходимо учесть, что термопара должна быть защищена защитным кожухом для изоляции от атмосферных температур.Такое покрытие значительно минимизирует коррозионное воздействие на устройство.

Итак, существует множество типов термопар. Давайте рассмотрим их подробнее.

Тип K — также называется термопарой никель-хромового / никель-алюмелевого типа. Это наиболее часто используемый тип. Он отличается повышенной надежностью, точностью и недорого, а также может работать в расширенных диапазонах температур.

Термопара типа K

Диапазон температур:

Проволока для термопар — от -454F до 2300F (-270 0 C до 1260 0 C)

Удлинительный провод (0 0 C до 200 0 C)

Этот тип K имеет уровень точности

.

Стандарт +/- 2.2C или +/- 0,75%, а специальные пределы составляют +/- 1,1C или 0,4%

Тип J — это смесь железа и константана. Это также наиболее часто используемый тип термопар. Он отличается повышенной надежностью, точностью и недорого. Это устройство может работать только в меньших диапазонах температур и имеет короткий срок службы при работе в высоком диапазоне температур.

J Тип

Диапазон температур:

Проволока для термопар — от -346F до 1400F (-210 0 C до 760 0 C)

Удлинительный провод (0 0 C до 200 0 C)

Этот тип J имеет уровень точности

.

Стандарт +/- 2.2C или +/- 0,75%, а специальные пределы составляют +/- 1,1C или 0,4%

Тип T — это смесь меди / константана. Термопара Т-типа обладает повышенной стабильностью и обычно применяется для приложений с более низкими температурами, таких как морозильные камеры со сверхнизкими температурами и криогенная техника.

Термопара типа T

Диапазон температур:

Проволока для термопар — от -454F до 700F (-270 0 C до 370 0 C)

Удлинительный провод (0 0 C до 200 0 C)

Этот тип T имеет уровень точности

.

Стандарт +/- 1.0C или +/- 0,75%, а специальные пределы составляют +/- 0,5C или 0,4%

Тип E — это смесь никель-хрома / константана. Он обладает большей сигнальной способностью и повышенной точностью по сравнению с термопарами типов K и J при работе при ≤ 1000F.

E Тип

Диапазон температур:

Проволока для термопар — от -454F до 1600F (-270 0 C до 870 0 C)

Удлинительный провод (0 0 C до 200 0 C)

Этот тип T имеет уровень точности

.

Стандарт +/- 1.7C или +/- 0,5%, а специальные пределы составляют +/- 1,0C или 0,4%

Тип N — считается термопарой Nicrosil или Nisil. Уровни температуры и точности типа N аналогичны типу K. Но этот тип дороже, чем тип K.

N Тип

Диапазон температур:

Проволока для термопар — от -454F до 2300F (-270 0 C до 392 0 C)

Удлинительный провод (0 0 C до 200 0 C)

Этот тип T имеет уровень точности

.

Стандарт +/- 2.2C или +/- 0,75%, а специальные пределы составляют +/- 1,1C или 0,4%

Тип S — считается термопарой платина / родий или 10% / платина. Термопары типа S используются в высокотемпературных приложениях, например, в биотехнологических и фармацевтических организациях. Он даже используется для приложений с меньшим температурным диапазоном из-за его повышенной точности и стабильности.

S Тип

Диапазон температур:

Проволока для термопар — от -58F до 2700F (-50 0 C до 1480 0 C)

Удлинительный провод (0 0 C до 200 0 C)

Этот тип T имеет уровень точности

.

Стандарт +/- 1.5C или +/- 0,25%, а специальные пределы составляют +/- 0,6C или 0,1%

Тип R — считается термопарой платина / родий или 13% / платина. Термопары типа S используются в высокотемпературных приложениях. Этот тип включает большее количество родия, чем тип S, что делает устройство более дорогим. Характеристики и производительность типов R и S почти одинаковы. Он даже используется для приложений с меньшим температурным диапазоном из-за его повышенной точности и стабильности.

R Тип

Диапазон температур:

Проволока для термопар — от -58F до 2700F (-50 0 C до 1480 0 C)

Удлинительный провод (0 0 C до 200 0 C)

Этот тип T имеет уровень точности

.

Стандартный +/- 1,5 ° C или +/- 0,25% и специальные пределы +/- 0,6 ° C или 0,1%

Тип B — Считается, что термопара состоит из 30% платино-родиевого или 60% платино-родиевого. Это широко используется в приложениях с более высокими температурами. Из всех вышеперечисленных типов тип B имеет самый высокий температурный предел. При повышенных температурах термопара типа B сохранит повышенную стабильность и точность.

Тип B Термопара

Диапазон температур:

Проволока для термопар — от 32F до 3100F (0 0 C до 1700 0 C)

Удлинительный провод (0 0 C на 100 0 C)

Этот тип T имеет уровень точности

.

Стандарт +/- 0,5%

Типы S, R и B считаются термопарами из благородных металлов.Они выбраны потому, что они могут работать даже в высокотемпературных диапазонах, обеспечивая высокую точность и длительный срок службы. Но по сравнению с типами из недрагоценных металлов они более дорогие.

При выборе термопары необходимо учитывать множество факторов, которые подходят для их применения.

  • Проверьте, какие диапазоны низких и высоких температур необходимы для вашего применения?
  • Какой бюджет термопары будет использоваться?
  • Какой процент точности использовать?
  • В каких атмосферных условиях работает термопара, например, в инертных газах или в окислительных условиях?
  • Каков ожидаемый уровень реакции, что означает, насколько быстро устройство должно реагировать на изменения температуры?
  • Какой срок службы требуется?
  • Проверить перед работой, погружено ли устройство в воду и на какую глубину?
  • Будет ли использование термопары прерывистым или непрерывным?
  • Будет ли термопара подвергаться скручиванию или изгибу в течение всего срока службы устройства?

Как узнать, что у вас плохая термопара?

Чтобы узнать, правильно ли работает термопара, необходимо провести тестирование устройства. Прежде чем приступить к замене устройства, необходимо убедиться, что оно действительно работает или нет. Для этого вполне достаточно мультиметра и базовых знаний электроники. В основном существует три подхода к тестированию термопары с помощью мультиметра, которые описаны ниже:

Тест на сопротивление

Для выполнения этого теста устройство должно быть помещено в линию газового прибора, а необходимое оборудование — цифровой мультиметр и зажимы типа «крокодил».

Процедура — Подсоедините зажимы типа «крокодил» к участкам мультиметра.Присоедините зажимы к обоим концам термопары, где один конец будет загнут в газовый клапан. Теперь включите мультиметр и запишите варианты считывания. Если мультиметр показывает малые значения сопротивления, значит, термопара в идеальном рабочем состоянии. Или, если показание составляет 40 Ом или более, значит, оно не в хорошем состоянии.

Тест на обрыв цепи

Здесь используются зажимы «крокодилы», зажигалка и цифровой мультиметр. Здесь вместо измерения сопротивления рассчитывается напряжение.Теперь зажигалкой нагрейте один конец термопары. Когда мультиметр показывает напряжение в диапазоне 25-30 мВ, значит, он исправен. Или же, когда напряжение близко к 20мВ, необходимо заменить устройство.

Тест закрытого контура

Здесь используются зажимы типа «крокодил», адаптер термопары и цифровой мультиметр. Здесь адаптер помещается внутрь газового клапана, а затем термопара помещается на один край адаптера. Теперь включите мультиметр.Когда показание находится в диапазоне 12-15 мВ, устройство находится в исправном состоянии. Или же, когда показание напряжения падает ниже 12 мВ, это указывает на неисправное устройство.

Итак, используя описанные выше методы тестирования, можно узнать, исправна ли термопара.

В чем разница между термостатом и термопарой?

Различия между термостатом и термопарой:

Элемент Термопара Термостат
Диапазон температур -454 до 3272 0 F -112 до 302 0 F
Ценовой диапазон Меньше Высокая
Устойчивость Обеспечивает меньшую стабильность Обеспечивает среднюю стабильность
Чувствительность Термопара имеет меньшую чувствительность Термостат обеспечивает лучшую стабильность
Линейность Умеренное Плохо
Стоимость системы Высокая Средний

Преимущества и недостатки

К преимуществам термопар можно отнести следующее.

  • Точность высокая
  • Он прочен и может использоваться в суровых условиях, а также в условиях высокой вибрации.
  • Реакция протекает быстро
  • Рабочий диапазон температуры широкий.
  • Широкий диапазон рабочих температур
  • Стоимость низкая и очень стабильная

К недостаткам термопар можно отнести следующие.

  • Нелинейность
  • Наименьшая стабильность
  • Низкое напряжение
  • Ссылка обязательна
  • наименьшая чувствительность
  • Перекалибровка термопары жесткая

Приложения

Некоторые из применений термопар включают следующее.

  • Они используются в качестве датчиков температуры в термостатах в офисах, домах, офисах и на предприятиях.
  • Они используются в промышленности для контроля температуры металлов в чугуне, алюминии и других металлах.
  • Они используются в пищевой промышленности для криогенных и низкотемпературных применений. Термопары используются в качестве тепловых насосов для термоэлектрического охлаждения.
  • Используются для измерения температуры на химических заводах, нефтяных заводах.
  • Они используются в газовых машинах для обнаружения пилотного пламени.
В чем разница между RTD и термопарой?

Еще одна важная вещь, которую следует учитывать в случае термопары, — это то, чем она отличается от устройства RTD. Итак, таблица объясняет различия между RTD и термопарой.

Термопары
RTD Термопара
RTD широко подходит для измерения меньшего диапазона температур, который находится между (-200 0 C до 500 0 C) Термопара подходит для измерения более высокого диапазона температур от (-180 0 C до 2320 0 C)
При минимальном диапазоне переключений демонстрирует повышенную стабильность У них минимальная стабильность, а также неточные результаты при многократном испытании
Имеет большую точность, чем термопара Термопара имеет меньшую точность
Диапазон чувствительности больше, можно даже рассчитать минимальные изменения температуры Диапазон чувствительности меньше, и они не могут рассчитать минимальные изменения температуры
RTD-устройства имеют хорошее время отклика обеспечивают более быстрый отклик, чем у RTD
Выход линейный по форме Выходной элемент имеет нелинейную форму
Они дороже термопары Они экономичнее РДТ
Какова продолжительность жизни?

Срок службы термопары зависит от области применения, когда она используется. Таким образом, невозможно точно предсказать срок службы термопары. При правильном уходе за устройством он прослужит долго. В то время как при постоянном использовании они могут быть повреждены из-за эффекта старения.

Кроме того, из-за этого будут снижены выходные характеристики и сигналы будут иметь низкую эффективность. Цена термопары тоже не высока. Таким образом, рекомендуется изменять термопару каждые 2-3 года. Это ответ на вопрос . Каков срок службы термопары ?

Итак, это все о термопаре.Наконец, исходя из приведенной выше информации, мы можем сделать вывод, что измерение выхода термопары может быть рассчитано с использованием таких методов, как мультиметр, потенциометр и усилитель с помощью выходных устройств. Основное назначение термопары — обеспечить последовательные и прямые измерения температуры в нескольких различных приложениях.

Принцип работы термопары

— Inst Tools

ТЕРМОПАРЫ

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, соединяется с удлинительными проводами. Любые два разнородных металла могут быть использованы для изготовления термопары.

P Принцип работы

  • Когда два разнородных металла соединяются вместе, на стыке генерируется небольшое напряжение, называемое напряжением термоперехода . Это называется эффектом Пельтье .
  • Если температура соединения изменяется, это вызывает изменение и напряжения, что может быть измерено входными цепями электронного контроллера.Выходное напряжение — это напряжение, пропорциональное разнице температур между спаем и свободными концами. Это называется эффектом Томпсона .
  • Оба этих эффекта можно комбинировать для измерения температуры. Удерживая один спай при известной температуре (эталонный спай) и измеряя напряжение, можно определить температуру чувствительного спая. Генерируемое напряжение прямо пропорционально разнице температур. Комбинированный эффект известен как эффект термопреобразования или эффект Зеебека .

На рисунке справа показана простая схема термопары.

Напряжение измеряется для определения температуры. На практике провода A и B подключаются к цифровому вольтметру (DVM), цифровому мультиметру (DMM), системе сбора цифровых данных или другому устройству измерения напряжения. Если измерительное устройство имеет очень высокий входной импеданс, напряжение, создаваемое термопаром, можно измерить точно.

Однако основная проблема с измерением температуры термопарами заключается в том, что провода A и B должны подключаться к выводам вольтметра, которые обычно сделаны из меди.Если ни провод A, ни провод B сами по себе не медные, подключение к DVM создает еще два термоперехода ! (Металлы термопар обычно не такие, как у проводов DVM.) Эти дополнительные термопары также создают напряжение термопары, которое может создать ошибку при попытке измерить напряжение с чувствительного перехода.

Как решить эту проблему?

Одним из простых решений является добавление четвертого термопреобразователя, называемого эталонным спаем , путем вставки дополнительной длины металлического провода А в схему, как показано ниже.Эталонный спай состоит из металлов A и B, как показано на рисунке.

Эта модифицированная схема анализируется следующим образом:

При таком расположении остаются еще два дополнительных спая термопары, где компенсированная термопара подключается к вольтметру (DVM). Два соединения с DVM теперь находятся между металлом A и медью. Эти два перехода расположены на близко друг к другу, и при температуре , , , так что их напряжения термопреобразования идентичны и компенсируют друг друга.Между тем, новый эталонный спай размещается в месте, где точно известна эталонная температура T R , обычно в водно-ледяной бане с фиксированной температурой T R = 0 ° C. Если чувствительный переход также имеет температуру 0 ° C (T s = 0 o C), напряжение, генерируемое чувствительным переходом, будет равно и противоположно напряжению, генерируемому опорным переходом. Следовательно, V o = 0, когда T s = 0 ° C. Однако, если температура чувствительного перехода не равна T R , V o будет отличным от нуля.

Таким образом, V o является уникальной функцией температуры датчика T s и двух металлов, используемых для термопары . Таким образом, для известной эталонной температуры и известных материалов провода термопары для измерения температуры можно использовать выходное напряжение V o . Это фундаментальная концепция использования термопар.

Материалы термопары

Термопары могут быть изготовлены из нескольких различных комбинаций материалов.Характеристики материала термопары обычно определяются при использовании 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; и вольфрам-рений используется для температур до 5000 ° F.Некоторые комбинации, используемые для специализированных приложений, 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 приборостроительное общество (ISA) признает 12. Большинство этих типов термопар имеют однобуквенные обозначения; наиболее распространены J, K, T и E. Состав термопар соответствует международным стандартам, но цветовая кодировка проводов у них разная. Например, в США отрицательный вывод всегда красный, в то время как остальной мир использует красный цвет для обозначения положительного вывода. Часто стандартные типы термопар упоминаются по их торговым наименованиям. Например,

  • Термопара типа K имеет цвет желтый и использует хромель алюмель, , которые являются торговыми наименованиями сплавов проволоки Ni-Cr и Ni-Al.
  • Термопара типа J имеет цвет черный и использует железо и константан в качестве составляющих металлов. (Константан — это сплав никеля и меди.)
  • Термопара типа T имеет цвет синий и использует медь и константан в качестве металлов.
  • Термопара типа S использует Pt / Rh-Pt
  • Термопара типа E использует Ni / Cr-Con
  • A термопара типа N использует Ni / Cr / Si-Ni / Si

Каждая калибровка имеет свой диапазон температур и среду, хотя максимальная температура зависит от диаметра провода, используемого в термопаре. Различия в составе сплава и состоянии стыка между проволоками являются источниками погрешностей в измерениях 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 приложений общего назначения. Он предлагает широкий диапазон температур, низкую стандартную ошибку и хорошую коррозионную стойкость. Фактически, многие цифровые мультиметры (DMM) могут измерять температуру путем подключения термопары типа K со стандартными соединениями.

Напряжение, создаваемое термопарой, изменяется почти , но не точно, линейно с температурой. Следовательно, не существует простых уравнений, связывающих напряжение термопары с температурой. Напряжение представлено в таблице как функция температуры для различных стандартных термопар. Чтобы преобразовать показания в милливольтах в соответствующую температуру, вы должны обратиться к таблицам, подобным приведенной ниже. Эти таблицы можно получить у производителя термопар, и в них указана конкретная температура, соответствующая серии показаний в милливольтах. По соглашению, эталонная 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:

  1. Диапазон температур.
  2. Химическая стойкость материала термопары или оболочки.
  3. Устойчивость к истиранию и вибрации.
  4. Требования к установке (может потребоваться совместимость с существующим оборудованием; существующие отверстия могут определять диаметр зонда).

Стандартные характеристики

Диаметр: 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. Другая длина изготавливается на заказ.

Оболочки: Нержавеющая сталь 304 и инконель являются стандартными.

Изоляция: Оксид магния входит в стандартную комплектацию. Минимальное сопротивление изоляции провод к проводу или провод к оболочке составляет 1,5 МОм при 500 В постоянного тока для всех диаметров.

Калибровка: железо-константан (J), хромель алюмель (K), медь-константан (T) и хромель-константан (E) являются стандартными калибровками.

Гибка: Легко изгибается и деформируется. Радиус изгиба должен быть не менее двойного диаметра оболочки.

Полярность: В производстве термопар стандартной практикой является окрашивание отрицательного вывода в красный цвет.

Соединения термопар:

Доступны зонды с термопарами в оболочке с одним из трех типов спая: заземленным, незаземленным или незащищенным.

Заземленное соединение — В этом типе провода термопары физически прикреплены к внутренней стороне стенки зонда. Это приводит к хорошей передаче тепла снаружи через стенку зонда к спайу термопары. Заземленный переход рекомендуется для измерения статических или текущих температур агрессивных газов и жидкостей, а также для приложений с высоким давлением.Спай заземленной термопары приварен к защитной оболочке, обеспечивая более быстрый отклик, чем спай незаземленного типа.

Незаземленный переход — В подземном зонде спай термопары отсоединен от стенки зонда. Время отклика уменьшается по сравнению с заземленным типом, но незаземленный обеспечивает электрическую изоляцию 1,5 M1 / ​​2 при 500 В постоянного тока для всех диаметров. Незаземленный спай рекомендуется для измерений в агрессивных средах, где желательно, чтобы термопара была электрически изолирована от оболочки и экранирована ею.Термопара из сварной проволоки физически изолирована от оболочки термопары порошком MgO (мягкий).

Открытый спай — В стиле открытого спая термопара выступает из конца оболочки и подвергается воздействию окружающей среды. Этот тип обеспечивает лучшее время отклика, но его использование ограничено некоррозийными и не находящимися под давлением приложениями. Разветвление выходит за пределы защитной металлической оболочки, обеспечивая точный и быстрый отклик.Изоляция оболочки герметизирована в местах соединения, чтобы предотвратить проникновение влаги или газа, которое может вызвать ошибки.

Таким образом, открытый переход обеспечивает самое быстрое время отклика, за которым следует заземленный переход. Решения по измерению температуры могут повлиять на ожидаемые результаты процесса или нарушить их. Выбор правильного датчика для приложения может быть сложной задачей, но обработка этого измеренного сигнала также очень важна.

T Законы для гермопар

Первые несколько обозначений :

Пусть T 1 будет температурой ванны 1, а T 2 будет температурой ванны 2.

Пусть V 1-R определяется как напряжение, создаваемое термопарой при температуре T 1 , когда используется надлежащий эталонный спай при температуре T R (T R = эталонная температура = 0 o C ). V 1-R — напряжение, указанное в таблице термопар при температуре T 1 .

Пусть V 1-2 определяется как разница напряжений между V 1-R и V 2-R ,

V1-2 = V1-R — V2-R

Условные обозначения :

Ошибки отрицательного знака могут быть проблематичными при работе с этими уравнениями, если одно из них не согласовано.

По соглашению, таблицы термопар построены так, что на более высокая температура дает на более высокое термопреобразовательное напряжение.

Другими словами, всегда предполагается, что два провода термопары (назовем их провод A и провод B) подключены к вольтметру таким образом, что напряжение составляет положительных , когда измеряемая температура на больше чем эталонная температура. Аналогичным образом, напряжение составляет отрицательных , когда измеряемая температура на меньше , чем эталонная температура.

Поскольку стандартная эталонная температура для таблиц термопар составляет 0ºC, положительные температуры в единицах ºC дают положительные термопереходные напряжения, а отрицательные температуры в единицах o C дают отрицательные термопереходные напряжения.

Обратите внимание, что если провода подключены к вольтметру стороной , противоположной , напряжения, конечно, будут иметь противоположный знак.

К термопарам применяются три закона или правила:

  • Закон промежуточных металлов

«Третий (промежуточный) металлический провод может быть вставлен последовательно с одним из проводов без изменения показания напряжения (при условии, что два новых соединения имеют одинаковую температуру)».

Рассмотрим схему ниже, где прямоугольник вокруг термопары указывает на баню с постоянной температурой (например, кастрюлю с кипящей водой или баню с ледяной водой).

Закон промежуточных металлов гласит, что показание напряжения V 1-2 не изменится, если добавить третий (промежуточный) провод на одной линии с любым из проводов в цепи, как показано ниже:

На приведенной выше диаграмме предполагается, что оба новых перехода (между металлом B и металлом C) имеют одинаковую температуру, т.е.е. температура окружающей среды, T a .

Легко видеть, что здесь должен соблюдаться закон промежуточных металлов, поскольку любое напряжение, генерируемое на одном из новых переходов, в точности компенсируется равным и противоположным напряжением, генерируемым на другом новом переходе.

Точно так же металл C может быть вставлен в любое другое место в цепи без какого-либо влияния на выходное напряжение, при условии, что два новых перехода имеют одинаковую температуру. Например, рассмотрим следующую модифицированную схему:

Опять же, если два новых перехода (на этот раз между металлами A и C) имеют одинаковую температуру, нет никакого общего влияния на выходное напряжение.

  • Закон промежуточных температур

«Если идентичные термопары измеряют разницу температур между T 1 и T 2 , а также разницу температур между T 2 и T 3 , тогда сумма соответствующих напряжений V 1-2 + V 2-3 ​​ должна равняться напряжению V 1-3 , генерируемому идентичной термопарой измерение разницы температур между T 1 и T 3 ”.

Математическая формулировка закона промежуточных температур:

V 1-3 = V 1-2 + V 2-3 ​​ для любых трех температур, T 1 , T 2 и T 3 .

Рассмотрим схему ниже, где показаны шесть термоспаев, по два в каждой ванне с постоянной температурой. Примечание. Во избежание путаницы на схеме медные выводы цифрового вольтметра больше не показаны. Кроме того, для краткости буквы A и B обозначают металл A и металл B, два разных типа проводов для термопар.

Согласно принятой здесь системе обозначений,

V1-3 = V1-R — V3-R,

, которое можно записать как

V1-3 = (V1-R — V2-R) + (V2-R — V3-R)

Но поскольку (тоже по определению)

V1-2 = V1-R — V2-R и

V2-3 = V2-R — V3-R,

непосредственно следует, что

V1-3 = V1-2 + V2-3.

«Для данного набора из 3 проводов термопары, A, B и C, все измеряют одинаковую разность температур T 1 — T 2 , напряжение измеряется проводами A и C должно равняться сумме напряжения, измеренного проводами A и B, и напряжения, измеренного проводами B и C ”.

Рассмотрим установку ниже, где показаны шесть термоспаев, три в ванне с постоянной температурой T 1 и три в ванне с постоянной температурой T 2 . Как указано выше, буквы A, B и C обозначают различные типы проводов для термопар.

Математически закон аддитивных напряжений можно сформулировать как:

V1-2 (провода A и C) = V1-2 (провода A и B) + V1-2 (провода B и C)

Или, переставив по напряжению разности ,

V1-2 (провода A и B) = V1-2 (провода A и C) — V1-2 (провода B и C).

Термобатарея

Термобатарея определяется как несколько последовательно соединенных термопар. Например, термобатарея с тремя чувствительными элементами показана ниже:

По мере увеличения T 2 выходное напряжение значительно увеличивается. Преимущество термобатареи (по сравнению с одним чувствительным переходом) — повышенная чувствительность .

Здесь выходное напряжение в три раза больше, чем вырабатывается только одной термопарой при идентичных условиях, как показано ниже:

При достаточном количестве чувствительных переходов термобатарея действительно может генерировать полезное напряжение. Например, термобатареи часто используются для управления запорной арматурой в печах .

Также читайте: Основы термопар и датчиков RTD

Integrated Publishing — Ваш источник военных спецификаций и образовательных публикаций

Integrated Publishing — Ваш источник военных спецификаций и образовательных публикаций

Администрация — Военнослужащие. Навыки, процедуры, обязанности и т. Д.

Продвижение — Военное продвижение по службе книги и др.

Аэрограф / Метеорология — Метеорология основы, физика атмосферы, атмосферные явления и др.
Руководство по аэрографии и метеорологии ВМФ

Автомобили / Механика — Руководства по техническому обслуживанию автомобилей, механика дизельных и бензиновых двигателей, руководства по автомобильным запчастям, руководства по запчастям дизельных двигателей, руководства по запчастям для бензиновых двигателей и т. Д.
Автомобильные аксессуары | Перевозчик, Персонал | Дизельные генераторы | Механика двигателя | Фильтры | Пожарные машины и оборудование | Топливные насосы и хранилище | Газотурбинные генераторы | Генераторы | Обогреватели | HMMWV (Хаммер / Хаммер) | и т.п…

Авиация — Принципы полета, авиастроение, авиационная техника, авиационные силовые установки, руководства по авиационным деталям, руководства по деталям самолетов и т. д.
Руководства по авиации ВМФ | Авиационные аксессуары | Общее техническое обслуживание авиации | Руководства по эксплуатации вертолетов AH-Apache | Руководства по эксплуатации вертолетов серии CH | Руководства по эксплуатации вертолетов Chinook | и т.д …

Боевой — Служебная винтовка, пистолет меткая стрельба, боевые маневры, органическое вспомогательное оружие и т. д.
Химико-биологические, маски и оборудование | Одежда и индивидуальное снаряжение | Инженерная машина | и т.д …

Строительство — Техническое администрирование, планирование, оценка, календарное планирование, планирование проекта, бетон, кладка, тяжелые строительство и др.
Руководства по строительству военно-морского флота | Агрегат | Асфальт | Битуминозный распределитель кузова | Мосты | Ведро, раскладушка | Бульдозеры | Компрессоры | Обработчик контейнеров | Дробилка | Самосвалы | Земляные двигатели | Экскаваторы | и т.п…

Дайвинг — Руководства по дайвингу и утилизации разного оборудования.

Чертежник — Основы, приемы, составление проекций, эскизов и др.

Электроника — Руководства по обслуживанию электроники для базового ремонта и основ. Руководства по компьютерным компонентам, руководства по электронным компонентам, руководства по электрическим компонентам и т. Д.
Кондиционер | Усилители | Антенны и мачты | Аудио | Аккумуляторы | Компьютерное оборудование | Электротехника (NEETS) (самая популярная) | Техник по электронике | Электрооборудование | Электронное общее испытательное оборудование | Электронные счетчики | и т.п…

Инженерное дело — Основы и приемы черчения, черчение проекций и эскизов, деревянное и легкое каркасное строительство и т. Д.
Военно-морское дело | Программа исследования прибрежных заливных отверстий в армии | так далее…

Еда и кулинария — Руководства по рецептам и оборудованию для приготовления пищи.

Логистика — Логистические данные для миллионов различных деталей.

Математика — Арифметика, элементарная алгебра, предварительное исчисление, введение в вероятность и т. д.

Медицинские книги — Анатомия, физиология, пациент уход, оборудование для оказания первой помощи, аптека, токсикология и др.
Медицинские руководства ВМФ | Агентство регистрации токсичных веществ и заболеваний

MIL-SPEC — Правительственные MIL-Specs и другие сопутствующие материалы

Музыка — мажор и минор масштабные действия, диатонические и недиатонические мелодии, ритм биения, пр.

Ядерные основы — Теории ядерной энергии, химия, физика и др.
Справочники DOE

Фотография и журналистика — Теория света, оптические принципы, светочувствительные материалы, фотографические фильтры, копия редактирование, написание статей и т. д.
Руководства по фотографии и журналистике военно-морского флота | Армейская фотография Полиграфия и пособия по журналистике

Религия — Основные религии мира, функции поддержки поклонения, венчания в часовне и т. д.

Обзор схемы определения температуры

Основы работы с термопарой

База данных по электронике, КИПиА
Датчики и преобразователи Меню поставщиков

Основы работы с термопарой

Термопары вызывают электрический ток течь в присоединенном контуре при изменении температура.Величина вырабатываемого тока равна зависит от разницы температур между измерительный и опорный спай; характеристики два используемых металла; и характеристики прилагаемого схема. На рисунке ниже простая схема термопары.


Простая схема термопары

При нагревании измерительной термопары возникает напряжение, превышающее напряжение на эталонный спай.Разница между двумя напряжениями пропорциональна разнице температур и может быть измерен вольтметром (в милливольтах). Для простота использования оператора, некоторые вольтметры настроены на считывание непосредственно в температуре за счет использования электронной схемы.

Другие приложения обеспечивают только милливольт зачитать. Чтобы преобразовать показания милливольт в их соответствующей температуре, вы должны обращаться к таблицам, таким как один показан ниже.Эти таблицы можно получить из производитель термопары, и они перечисляют конкретные температура, соответствующая серии показаний в милливольтах.

Нажмите на изображение ниже, чтобы увеличить

Таблица типовых значений напряжения и температуры для термопар

Термопара

— обзор | Темы ScienceDirect

1.14.3.1.2 Детекторы термопары и термобатареи

В детекторе термопары разница температур между поглотителем и подложкой определяется с помощью эффекта Зеебека (например, см. Fellgett, 1949). В детекторах на термоэлементах используются несколько последовательно соединенных спаев термопар для увеличения как напряжения сигнала, так и полного сопротивления источника; иногда дополнительные спая подключаются в обратном порядке и остаются темными для температурной компенсации. Чувствительный спай термически связан с поглотителем, а опорный спай привязан к подложке.

Базовый анализ производительности был опубликован Birkholz et al. (1987) для идеализированных детекторов термопар типа Хильгера – Шварца (Strachan, Goodyear, 1973; Strachan, 1973; Schwarz, 1949). Такие детекторы состоят из вертикальных ножек из монокристаллического термоэлектрического материала, приваренных к тонкому фольговому поглотителю, замыкающему чувствительный переход. В идеальном случае теплопроводность подложки определяется проводимостью через ножки термопары.

Следуя Birkholz et al.(1987) мы определяем свойства термоэлектрических материалов следующим образом: Коэффициенты Зеебека для полупроводниковых ветвей p-типа и n-типа равны α p и α n , соответственно. , дающая термоЭДС α te = α p α n ; термическое сопротивление ножек равно R l = l κ — 1 A l — 1 = G — 1 — 1 л и 0.5 A l — длина и площадь поперечного сечения каждой ветви, соответственно, а κ — теплопроводность материала, которая считается одинаковой для p-типа и n-типа; а электрическое сопротивление равно R E = 4 l σ e — 1 A l — 1 , где e — это электрическая проводимость (обратите внимание, что для теплопроводности ветви параллельны, а для электропроводности — последовательно).

Можно определить эффективную теплопроводность для радиационного обмена с окружающей средой, сделав упрощающие предположения, что поглотитель совершенно черный и что разница температур между поглотителем и окружающей средой мала. Отмечая, что мощность Q , проводимая между резервуарами при температурах T и T + Δ T , связанных тепловой связью с проводимостью G , определяется соотношением Q = G Δ T и что для радиационного обмена между черными телами при тех же двух температурах передаваемая полезная мощность определяется выражением Q = σ с A [( T + Δ T ) 4 T 4 ] ≈ 4 σ с AT 3 Δ T ; получаем эффективную радиационную теплопроводность G r = 4 σ s AT 3 , где σ s = 5.67051 × 10 — 8 Вт м — 2 K — 4 — постоянная Стефана – Больцмана (Андерсон, 1989), а A — площадь поглотителя. Поскольку излучение и теплопроводность через термопару действуют параллельно, общее тепловое сопротивление R H определяется как

(16) RH = 14σsAT3 + κAll − 1

Выходное напряжение на детекторе определяется выражением V s = α te Δ T T = α te Q a R905 a — поглощенная оптическая мощность (эквивалентная падающей мощности, поскольку для этого анализа мы предположили идеальный поглотитель).Обратите внимание, что детекторы термопар являются устройствами с очень низким импедансом, поэтому усилитель первого каскада должен разрабатываться с осторожностью, чтобы избежать значительного увеличения шума. Чувствительность просто S = V s / Q a = α te R H . NEP для детектора с ограничением шума Джонсона составляет NEP = 4kTReΔf / S = 4kTlΔf0.5σeAl − 0.5αteRH − 1. Одним из стандартных показателей качества детекторов является удельная обнаруживающая способность D * , определяемая как NEP-1AΔf.Подставляя вместо R H , получаем

(17) D ∗ = αteAσeAl / l44σsAT3 + κAl / lkT

Birkholz et al. (1987) отмечают, что D максимизируется, когда тепловые потери из-за теплопроводности и излучения одинаковы или когда 4 σ с AT 3 = κA l / л . Также обратите внимание, что при замене α te = 2 α Ур.(17) эквивалентно выражению в Birkholz et al. (1987). Исключая в числителе и знаменателе A l / l , получаем

(18) Dmox ∗ = M8kσsT5

, где безразмерное число M = (0,5 α te ) 2 σ e — 1 — показатель качества термоэлектрических устройств. Доступны материалы с M ≈ 1 при комнатной температуре (Birkholz et al., 1987), что дает D mox ≈ 1 × 10 10 см Гц 0,5 W — 1 при 300 К. Реальные ограничения препятствуют достижению теоретического максимума удельной обнаруживаемость, но были продемонстрированы значения 3,2 × 10 9 см Гц 0,5 Вт — 1 (Ando, ​​1974).

Постоянная времени определяется как τ th = CG — 1 = CR H , где термическое сопротивление определяется уравнением.(16). В теплоемкости термопарных детекторов Хильгера – Шварца, как правило, преобладает поглотитель. Постоянные времени 10 мс были продемонстрированы только для термопары и 20 мс для всего детектора, включая поглотитель (Birkholz et al., 1987; Ando, ​​1974).

Несмотря на то, что термопарные детекторы Hilger – Schwarz обладают высокими характеристиками для неохлаждаемых детекторов, они хрупки и сложны в производстве. Современные методы обработки полупроводников позволяют изготавливать детекторы на термобатареях с микромашинной обработкой, в которых поглотитель представляет собой отдельно стоящую мембрану, а термобатарея состоит из последовательно соединенных термопар, проходящих по краю мембраны (Foote and Jones, 1998; Foote et al., 2003). Микромашинные детекторы на термобатареях доступны в виде линейных массивов, которые выполняли полеты на Луну и Марс (Foote et al., 2003). Микромеханические устройства не работают так же хорошо, как старые модели по ряду причин, даже при сравнении устройств, изготовленных из тех же термоэлектрических материалов, хотя есть потенциал для дальнейшего улучшения (Foote and Jones, 1998).

Детекторы термобатареи производятся в виде одиночных детекторов, линейных решеток (Kunde et al., 1996; Foote and Jones, 1998; Foote et al., 2003) и небольшие двумерные массивы. Обработка материалов и компоновка остаются сложными для больших двумерных массивов. Были продемонстрированы микромашинные детекторы на термобатареях с постоянными времени порядка 10 мс с удельной детектирующей способностью около 10 9 см Гц 0,5 W — 1 (Foote and Jones, 1998).

Термопары — обзор | Темы ScienceDirect

Термопары

Термопары широко используются в трибологических исследованиях для получения основных данных о температуре и, следовательно, о тепловыделении при трении.Типичные области применения термопар:

для измерения основной температуры смазочного материала или технологической жидкости,

для определения температуры воздуха или атмосферы во время испытаний и

для измерения повышение температуры испытуемых образцов.

Как правило, термопары не подходят для анализа температуры поверхности без специальной модификации. Это означает, что наиболее распространенные термопары не могут обеспечить точные измерения температуры материала вблизи изнашиваемых поверхностей.Одно из основных ограничений термопар связано с конечным размером требуемых биметаллических переходов. Даже когда в термопаре используется тонкая проволока, размеры биметаллического перехода остаются слишком большими для измерения повышения температуры, происходящего между взаимодействующими поверхностями [3]. Размер биметаллического перехода означает, что термопара не может обнаруживать ни чрезвычайно резкие градиенты температуры, возникающие под поверхностями объектов, находящихся в динамическом контакте, ни столь же быстрое изменение температуры во времени, которое имеет место во время износа или фрикционного контакта.Есть два решения этих ограничений:

динамическая термопара, в которой термоэлектрический переход представляет собой сам скользящий контакт,

планарная или пластинчатая термопара, сделанная путем нанесения покрытия на последовательные слои металлов и изоляторы на испытуемый образец.

Любое решение имеет характерные преимущества и ограничения, так что ни одно из них не предлагает исчерпывающий диапазон измерений.

Динамическая термопара сравнительно проста в установке, поскольку термоэлектрический потенциал может быть измерен непосредственно от любого изнашиваемого контакта между разнородными металлами.Это накладывает серьезные ограничения на диапазон материалов, к которым применим этот метод, поскольку многие важные классы материалов, такие как полимеры, не могут быть исследованы с помощью этого метода. Возможно, наиболее ярким примером использования динамических термопар было Боуден и Табор для демонстрации предельной температуры металлического контакта [3]. Металлический штифт с низкой температурой плавления надевался на вращающийся стальной диск, и температура контакта оценивалась по измеренному термоэлектрическому потенциалу. Было обнаружено, что температура контакта никогда не превышала более низкую температуру плавления двух контактирующих металлов.Эксперимент также показал, что, хотя термоэлектрический потенциал и, следовательно, температура контакта быстро колеблются, невозможно определить, соответствует ли измеренное колебание в точности изменениям температуры контакта или на него влияют такие факторы, как трибоэлектрификация [4]. Недавнее исследование ряда чистых металлов при самостоятельном скольжении, как мягких, так и твердых, показало, что трибоэлектрификация важна при сухом скольжении [5,6]. Когда один из скользящих элементов значительно меньше другого, как в тесте «штифт на диске», движение переносимых частиц износа несет в себе большой электрический заряд [5].В водной среде, например с морской водой или разбавленной серной кислотой, электрохимические реакции также могут влиять на трибоэлектрификацию. Исследование Этлеса и его сотрудников [7] подтвердило работу Боудена и Табора, но также показало сложную природу динамической термопары.

Проблема, связанная с размером термопары, может быть решена путем изготовления планарной термопары, которую можно установить на поверхность испытуемого образца. На поверхность можно наносить покрытия из металла и изолятора толщиной до 100 [нм].Для образования биметаллического перехода требуются два слоя металла и два слоя изолятора. Предполагая, что все покрытия имеют толщину 100 [нм], общая толщина составляет 0,4 [ мкм м]. Электрические клеммы могут быть прикреплены к металлическому покрытию за пределами изношенного контакта для завершения термопары. Созданная таким образом термопара очень чувствительна и точна к изменениям температуры поверхности и использовалась в исследованиях эластогидродинамической смазки [8]. Изменения температуры смазочного масла при прохождении масла через контакт EHL были определены с использованием этого типа пластинчатой ​​термопары.Недостатком термопары этого типа является то, что она легко повреждается в результате износа, поэтому ее нельзя использовать во время испытаний на износ. Преимущества и ограничения обычных и специальных термопар показаны на Рисунке 5.1.

Рисунок 5.1. Схематическое изображение применения обычных и специальных термопар в трибологических исследованиях.

При проведении измерений температуры в объеме с помощью обычных термопар следует тщательно выбирать расположение термопары.Очень легко разместить термопару не в том месте, например где смазочный материал застаивается, и, следовательно, невозможно точно определить температуру смазочного материала, которая влияет на износ и трение.

Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *