Схемы включения и компенсации термопар

Как известно, термопара содержит два спая, поэтому для правильного и точного измерения температуры на одном (первом) из спаев, необходимо поддерживать другой (второй) спай при известной постоянной температуре, чтобы измеренная ЭДС оказывалась явной функцией температуры только первого спая — главного рабочего спая.

Так, с целью поддержания в термоизмерительном контуре условий, при которых паразитное влияние ЭДС второго («холодного спая») было бы исключено, необходимо как-то компенсировать в любой рабочий момент времени напряжение на нем. Как это сделать? Как привести схему к такому состоянию, чтобы измеряемое напряжение термопары менялось бы только в зависимости от изменений температуры первого спая, независимо от текущей температуры второго?

С целью достижения правильных условий, можно прибегнуть к незамысловатой хитрости: поместить второй спай (места присоединения проводов первого спая с измерительным прибором) в емкость с ледяной водой — в заполненную водой ванночку, в которой еще плавает лед. Таким образом получим на втором спае фактически постоянную температуру таяния льда.

После чего останется, отслеживая результирующее напряжение на термопаре, вычислять температуру первого (рабочего) спая, ибо второй спай будет находится в неизменном состоянии, напряжение на нем будет константой. Цель в итоге будет достигнута, влияние «холодного спая» окажется скомпенсировано. Но если так делать, то получится громоздко и не удобно.

Чаще термопары применяются все же в мобильных портативных устройствах, в переносных лабораторных приборах, поэтому нежен другой вариант, ванночка с ледяной водой разумеется нам не подходит.

И такой иной способ есть — метод компенсации напряжения от изменяющейся температуры «холодного спая»: присоединить последовательно к измерительному контуру источник дополнительного напряжения, ЭДС которого будет иметь противоположное направление и по величине будет всегда точно равна ЭДС «холодного спая».

В случае, если ЭДС «холодного спая» непрерывно отслеживается путем измерения его температуры иным способом нежели термопара, — тогда равную компенсирующую ЭДС можно непрерывно тут же прикладывать, сводя суммарное напряжение паразитного участка цепи к нулю.

Но чем же можно непрерывно измерять температуру «холодного спая», чтобы получать непрерывные значения напряжений для автоматической компенсации?

Для этого подойдет термистор или термометр сопротивления, соединенный с типовой электроникой, которая и будет автоматически формировать компенсирующее напряжение необходимой величины. И хотя «холодный спай» не обязательно может быть буквально холодным, его температура, как правило, не такая уж экстремальная, какая может быть у рабочего спая, поэтому обычно подходит даже термистор.

Доступны специальные электронные компенсирующие модули «температуры таяния льда» для термопар, задача которых в том и состоит, чтобы подавать точное противоположное напряжение в измерительную цепь.

Значение компенсирующего напряжения от такого модуля поддерживается на таком значении, чтобы точно компенсировать температуру точек присоединения проводников термопары к модулю.

Температура точек присоединения (на терминале) измеряется термистором или термометром сопротивления, и точно необходимое напряжение автоматически прикладывается последовательно в цепь.

Неискушенному читателю может показаться, что слишком много нагромождений ради просто точного использования термопары. Может быть целесообразнее, да и проще, сразу пользоваться термометром сопротивления или тем же термистором? Нет, не проще и не целесообразнее.

Термисторы и термометры сопротивления не так механически прочны как термопары, да и безопасный рабочий температурный диапазон у них не велик. Дело в том, что термопары обладают рядом преимуществ, два из которых основные: очень широкий температурный диапазон (от −250 °C до +2500 °C) и высокое быстродействие, которое недостижимо на сегодняшний день ни термисторами, ни термометрами сопротивления, ни датчиками иных типов аналогичной ценовой категории.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Термоэлектрические датчики

Термоэлектрический преобразователь (термопара) представляет собой чувствительный элемент, состоящий из двух разных проводников или полупроводников, соединенных электрически, и преобразующий контролируемую температуру в ЭДС. Принцип действия термоэлектрического преобразователя основан на использовании термоэлектродвижущей силы, возникающей в контуре из двух разнородных проводников A и В, места соединения (спаи) которых нагреты до различных температур (рис. 3.11, а). Знак и значение термоЭДС в цепи зависят от типа материалов и разности температур в местах спаев. При небольшом перепаде Δθ температур между спаями термо ЭДС Е_АВ можно считать пропорциональной разности температур Δθ:

где K_sAB — чувствительность термопары.

Рисунок 3.11 Схемы включения термопар:

а- контур из двух разнородных проводников; б- термопара с милливольтметром; в- последовательное соединение термопар

Если к термопаре подключить милливольтметр с сопротивлением R_H, то по значению термоЭДС можно определить температуру (рис. 3.11, б). Чтобы получить достоверные результаты, необходимо один спай термопары, называемый рабочим, поместить в среду с температурой θ₁ подлежащей измерению, а температуру θ₀ других — нерабочих (холодных; свободных) спаев поддерживать постоянной. Уравнение преобразования будет иметь вид

где C = f(θ₀) — постоянная величина.

В качестве материалов для термопар используют различные драгоценные металлы (платину, золото, иридий, родий) и их сплавы, а также неблагородные металлы и сплавы (сталь, никель, хром, сплавы нихром, копель, алюмель и др.). Сравнительно редко применяют термопары из полупроводниковых материалов: кремния, селена и др.

Полупроводниковые термопары имеют малую механическую прочность, обладают большим внутренним сопротивлением, хотя и обеспечивают большую термоЭДС по сравнению с металлами.

ТермоЭДС возникает только в спаях разнородных материалов. При сравнении различных материалов в качестве базовой применяют термоЭДС платины, по отношению к которой определяются термоЭДС других материалов.

Хотя зависимость Е = f(θ) при θ₀ = 0 является нелинейной, в первом приближении значение термоЭДС можно определить по выражению:

где е_Σ — суммарная термоЭДС материалов термопары.

Суммарную термоЭДС определяют по данным табл. 3.1:

где е₁ и е₀ — термоЭДС используемых материалов.

Значения термоЭДС некоторых материалов по отношению к платине

Для термопары стремятся использовать материалы, имеющие разный потенциал по отношению к платине.

Так, если использовать хромель, у которого термоЭДС е_х = +31,3 мкВ/°С, и алюмель, у которого е_А = -10,2 мкВ/°С, то термоЭДС хромель-алюмелевой термопары составит E_XA = е_х — е_А = 31,3 + 10,2 = +41,5 мкВ/°С. При выборе материала термопары необходимо учитывать условия эксплуатации (влияние температуры, влажности, загрязненности и других факторов на материал электродов).

Чтобы повысить выходную ЭДС, используют последовательное включение термопар — термобатарею (рис. 3.11, в). В этом случае все свободные спаи должны находиться при постоянной температуре, лучше всего при 0 °С.

Для измерения температур в пределах от -200 до 2500 °С выпускают стандартные термопреобразователи температуры.

В зависимости от назначения термопары делятся на:

— погружаемые, предназначенные для измерения температуры жидких и газообразных сред;

— поверхностные, предназначенные для измерения температуры поверхности твердого тела.

Различают термопары:

— малоинерционные, тепловая постоянная времени которых не превышает 5 с для погружаемых и 10 с для поверхностных;

— средней инерционности — соответственно не более 60 и 120 с;

— большой инерционности — соответственно до 180 и 300 с.

Термопары помещают в защитный чехол из металла или керамики.

Для изоляции используют стекло, асбест, фарфор, шамот. При низких температурах можно использовать шелковую и эмалевую изоляцию.

К достоинствам термопар необходимо отнести возможность измерений в большом диапазоне температур, простоту устройства, надежность в эксплуатации. Благодаря этим достоинствам термопары применяют очень широко.

Недостатки термопар — невысокая чувствительность, большая инерционность, необходимость поддержания постоянной температуры свободных спаев.

Дата добавления: 2015-10-26 ; просмотров: 6716 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

О термопарах: что это такое, принцип действия, подключение, применение

В автоматизации технологических процессов очень часто приходится снимать показатели о температурных изменениях, для их загрузки в системы управления, с целью дальнейшей обработки. Для этого требуются высокоточные, малоинерционные датчики, способные выдерживать большие температурные нагрузки в определённом диапазоне измерений. В качестве термоэлектрического преобразователя широко используются термопары – дифференциальные устройства, преобразующие тепловую энергию в электрическую.

Устройства также являются простым и удобным датчиком температуры для термоэлектрического термометра, предназначенного для осуществления точных измерений в пределах довольно широких температурных диапазонов. В частности, управляющая автоматика газовых котлов и других отопительных систем срабатывает от электрического сигнала, поступающего от сенсора на базе термопары. Конструкции датчика обеспечивают необходимую точность измерений в выбранном диапазоне температур.

Устройство и принцип действия

Термопара конструктивно состоит из двух проволок, каждая из которых изготовлена из разных сплавов. Концы этих проводников образуют контакт (горячий спай) выполненный путём скручивания, с помощью узкого сварочного шва либо сваркой встык. Свободные концы термопары замыкаются с помощью компенсационных проводов на контакты измерительного прибора или соединяются с автоматическим устройством управления. В точках соединения образуется другой, так называемый, холодный спай. Схематически устройство изображено на рисунке 1.

Рис. 1. Схема строения термопары

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

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

Рис. 2. Термопара с керамическими бусами

Принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте. При замыкании цепи, например милливольтметром (см. рис. 3) в точках спаек возникает термо-ЭДС. Но если контакты электродов находятся при одинаковой температуре, то эти ЭДС компенсируют друг друга и ток не возникает. Однако, стоит нагреть место горячей спайки горелкой, то согласно эффекту Зеебека возникнет разница потенциалов, поддерживающая существование электрического тока в цепи.

Примечательно, что напряжение на холодных концах электродов пропорционально зависит от температуры в области горячей спайки. Другими словами, в определённом диапазоне температур мы наблюдаем линейную термоэлектрическую характеристику, отображающую зависимость напряжения от величины разности температур между точками горячей и холодной спайки. Строго говоря, о линейности показателей можно говорить лишь в том случае, когда температура в области холодной спайки постоянна. Это следует учитывать при выполнении градуировок термопар. Если на холодных концах электродов температура будет изменяться, то погрешность измерения может оказаться довольно значительной.

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

Рис. 4. Решение вопроса точности показаний термопар

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

Типы термопар и их характеристики

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

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

Технические требования к термопарам задаются параметрами определёнными ГОСТ 6616-94, а их НСХ (номинальные статические характеристики преобразования), оптимальные диапазоны измерений, установленные классы допуска регулируются стандартами МЭК 62460, и определены ГОСТ Р 8.585-2001. Заметим, также, что НСХ в вольфрам-рениевых термопарах отсутствовали в таблицах МЭК до 2008 г. На сегодняшний день указанными стандартами не определены характеристики термопары хромель-копель, но их параметры по прежнему регулируются ГОСТ Р 8.585-2001. Поэтому импортные термопары типа L не являются полным аналогом отечественного изделия ТХК.

Классификацию термодатчиков можно провести и по другим признакам: по типу спаев, количеству чувствительных элементов.

Типы спаев

В зависимости от назначения термодатчика спаи термопар могут иметь различную конфигурацию. Существуют одноэлементные и двухэлементные спаи. Они могут быть как заземлёнными на корпус колбы, так и незаземленными. Понять схемы таких конструкций можно из рисунка 5.

Буквами обозначено:

• И – один спай, изолированный от корпуса;
• Н – один соединённый с корпусом спай;
• ИИ – два изолированных друг от друга и от корпуса спая;
• 2И – сдвоенный спай, изолированный от корпуса;
• ИН – два спая, один из которых заземлён;
• НН – два неизолированных спая, соединённых с корпусом.

Заземление на корпус снижает инерционность термопары, что, в свою очередь, повышает быстродействие датчика и увеличивает точность измерений в режиме реального времени.

С целью уменьшения инерционности в некоторых моделях термоэлектрических преобразователей оставляют горячий спай снаружи защитной колбы.

Многоточечные термопары

Часто требуется измерение температуры в различных точках одновременно. Многоточечные термопары решают эту проблему: они фиксируют данные о температуре вдоль оси преобразователя. Такая необходимость возникает в химических и нефтехимических отраслях, где требуется получать информацию о распределении температуры в реакторах, колоннах фракционирования и в других ёмкостях, предназначенных для переработки жидкостей химическим способом.

Многоточечные измерительные преобразователи температуры повышают экономичность, не требуют сложного обслуживания. Количество точек сбора данных может достигать до 60. При этом используется только одна колба и одна точка ввода в установку.

Таблица сравнения термопар

Выше мы рассмотрели типы термоэлектрических преобразователей. У читателя, скорее всего, резонно возник вопрос: Почему так много типов термопар существует?

Дело в том, что заявленная производителем точность измерений возможна только в определённом интервале температур. Именно в этом диапазоне производитель гарантирует линейную характеристику своего изделия. В других диапазонах зависимость напряжения от температуры может быть нелинейной, а это обязательно отобразится на точности. Следует учитывать, что материалы обладают разной степенью плавкости, поэтому для них существует предельное значение рабочих температур.

Для сравнения термопар составлены таблицы, в которых отображены основные параметры измерительных преобразователей. В качестве примера приводим один из вариантов таблицы для сравнения распространённых термопар.

Способы подключения

Каждая новая точка соединения проводов из разнородных металлов образует холодный спай, что может повлиять на точность показаний. Поэтому подключения термопары выполняют, по возможности, проводами из того же материала, что и электроды. Обычно производители поставляют изделия с подсоединёнными компенсационными проводами.

Некоторые измерительные приборы содержат схемы корректировки показаний на основе встроенного термистора. К таким приборам просто подключаются провода, соблюдая их полярность (см. рис. 6).

Рис. 6. Компенсационные провода

Часто используют схему подключения «на разрыв». Измерительный прибор, подключают через проводник того же типа что и клеммы (чаще всего медь). Таким образом, в местах соединения отсутствует холодный спай. Он образуется лишь в одном месте: в точке присоединения провода к электроду термопары. На рисунке 7 показана схема такого подключения.

Рис. 7. Схема подключения на разрыв

При подключении термопары следует как можно ближе размещать измерительные системы, чтобы избежать использования слишком длинных проводов. Во всяком проводе возможны помехи, которые усиливаются с увеличением длины проволоки. Если от радиопомех можно избавиться путём экранирования проводки, то бороться с токами наводки гораздо сложнее.

В некоторых схемах используют компенсирующий терморезистор между контактом измерительного прибора и точкой холодного спая. Поскольку внешняя температура одинаково влияет на резистор и на свободный спай, то данный элемент будет корректировать такие воздействия.

И напоследок: подключив термопару к измерительному прибору, необходимо, пользуясь градуировочными таблицами, выполнить процедуру калибровки.

Применение

Термопары используются везде, где требуется измерение температуры в технологической среде. Они применяются в автоматизированных системах управления в качестве датчиков температуры. Термопары типа ТВР, у которых внушительный диаметр термоэлектрода, незаменимы там, где требуется получать данные о слишком высокой температуре, в частности в металлургии.

Газовые котлы, конвекторы, водонагревательные колонки также оборудованы термоэлектрическими преобразователями.

Преимущества

• высокая точность измерений;
• достаточно широкий температурный диапазон;
• высокая надёжность;
• простота в обслуживании;
• дешевизна.

Недостатки

Недостатками изделий являются факторы:

• влияние свободных спаев на показатели приборов;
• ограничение пределов рабочего диапазона нелинейной зависимостью ТЭДС от степени нагревания, порождающей сложности в разработке вторичных преобразователей сигналов;
• при длительной эксплуатации в условиях перепадов температур ухудшаются градуировочные характеристики;
• необходимость в индивидуальной градуировке для получения высокой точности измерений, в пределах погрешности в 0,01 ºC.

Благодаря тому, что проблемы связанные с недостатками решаемы, применение термопар более чем оправдано.

Источник