Термопары и их применение
Термопары широко применяют для измерения температуры различных объектов, а также в автоматизированных системах управления и контроля. Измерение температур с помощью термопар получило широкое распространение из-за надежной конструкции датчика, возможности работать в широком диапазоне температур и дешевизны. Широкому применению термопары обязаны в первую очередь своей простоте, удобству монтажа, возможности измерения локальной температуры. Они гораздо более линейны, чем многие другие датчики, а их нелинейность на сегодняшний день хорошо изучена и описана в специальной литературе. К числу достоинств термопар относятся также малая инерционность, возможность измерения малых разностей температур. Термопары незаменимы при измерении высоких температур (вплоть до 2200°С) в агрессивных средах. Термопары могут обеспечивать высокую точность измерения температуры на уровне ±0,01°С. Они вырабатывают на выходе термоЭДС в диапазоне от микровольт до милливольт, однако требуют стабильного усиления для последующей обработки.
Таблица 1
Тип термо-
пары Букве-
нное обозна-
чение НСХ* Материал термоэлектродов Коэффициент термоЭДС, мкв/°С (в диапазоне температур, °С) Диапазон рабочих температур, °С Предельная темпе-
ратура при кратко-
временном приме-
нении, °С
положительного отрицательного
ТЖК J Железо (Fe) Сплав константен (45% Сu + 45% Ni, Mn, Fe) 50-64 (0-800) ОТ -200 до +750 900
ТХА К Сплав хромель (90,5% Ni +9,5% Сr) Сплав алюмель (94,5% Ni + 5,5% Al, Si, Mn, Co) 35-42 (0-1300) от -200 до +1200 1300
ТМК Т Медь (Сu) Сплав константан (55% Си + 45% Ni, Mn, Fe) 40-60 (0-400) от -200 до +350 400
ТХКн Е Сплав хромель (90,5% Ni + 9,5% Сr) Сплав константан (55% Сu + 45% Ni, Mn, Fe) 59-81 (0-600) от-200 до+700 900
ТХК L Сплав хромель (90,5% Ni + 9,5% Сr) Сплав копель (56% Си + 44% Ni} 64-88 (0-600) от -200 до +600 800
ТНН N Сплав никросил (83,49% Ni +13,7% Сr + 1,2% Si+ 0,15% Fe + 0,05% С + 0,01% Mg) Сплав нисил (94,98% Ni + 0,02% Сr + 4,2% Si + 0,15% Fe + 0,05% С + 0,05% Mg) 26-36 (0-1300) от -270 до +1300 1300
ТПП13 R Сплав платина-родий (87%Pt + 13%Rh) платина (Pt) 10-14 (600-1600) от 0 до +1300 1600
ТПП10 S Сплав платина-родий (87% Pt — 13% Rh) платина (Pt) 10-14 (600-1600) от 0 до +1300 1600
ТПР В Сплав платина-родий (70% Pt - 30% Rh} Сплав платина-родий (94% Pt-6%Rh) 10-14(1000-1800) от 600 до+1700 1800
ТВР А-1
А-2
А-3 Сплав вольфрам-рений (95% W - 5% Re) Сплав вольфрам-рений (80% W-20% Re) 14-7 (1300-2500) от 0 до +2200
от 0 до +1800
от 0 до +1800 2500
ТСС I Сплав сильд Сплав силин — от 0 до + 800 900
Примечание: НСХ — номинальные статические характеристики преобразования по международной классификации ТСС
Термопары относятся к классу термоэлектрических преобразователей, принцип действия которых основан на явлении Зеебека: если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру (Т не равно Т2), то в цепи протекает электрический ток (рис. 1). Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока.
Рис. 1 Явление Зеебека
Под термоэлектрическим эффектом понимается генерирование термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), возникающей из-за разности температур между двумя соединениями различных металлов и сплавов.
Таким образом, термопара может образовывать устройство (или его часть), использующее термоэлектрический эффект для измерения температуры. В сочетании с электроизмерительным прибором термопара образует термоэлектрический термометр. Измерительный прибор или электронную измерительную систему подключают либо к концам термоэлектродов (рис. 2,а), либо в разрыв одного из них (рис. 2,б).
Рис. 2 (а,б) Подключение термопары к измерительному прибору
В местах подключения проводников термопары к измерительной системе возникают дополнительные термоЭДС. В результате их действия на вход измерительной системы фактически поступает сумма сигналов от рабочей термопары и от «термопар», возникших в местах подключения (рис. 3).
Рис. 3 Принцип работы термопары
Существуют различные способы избежать этого эффекта. Самым очевидным из них является поддержание температуры холодного спая постоянной.
На практике при измерении температур широко используется техника «компенсации холодного спая»: температура холодного спая измеряется другим датчиком температуры, а затем величина термоЭДС холодного спая программно или аппаратно вычитается из сигнала термопары (рис. 4). Места подключения термопары к измерительной системе должны иметь одинаковую температуру, то есть находиться в изотермальной зоне. Кроме того, в схеме с компенсацией холодного спая в этой же зоне должен находиться и датчик температуры холодного спая. Разработчик должен учитывать эти требования при конструировании измерительной системы.
Рис. 4 Техника компенсации холодного спая
Основные характеристики выпускаемых промышленностью термопар приведены в табл. 1 (ГОСТ 6616-94 «Преобразователи термоэлектрические»).
На рис. 5 представлены зависимости ЭДС от температуры наиболее распространенных типов термопар, у которых температура холодного спая поддерживается равной 0°С. Из него видно, что термопары типа Е наиболее чувствительны и развивают наибольшее выходное напряжение при одном и том же изменении температуры, чем другие. С другой стороны, термопары типа S являются наименее чувствительными. К сожалению, у большинства термопар эти зависимости в некоторых диапазонах температур носит нелинейный характер.
Рис. 5 Зависимости ЭДС от температуры наиболее распространенных типов термопар
При выборе термопары для производства замеров температуры в некотором диапазоне следует выбирать ту термопару, коэффициент линейности которой изменяется менее других в рамках этого диапазона. Для достижения высокой точности измерений термопарного термометра во всем диапазоне рабочих температур необходима его калибровка. В ГОСТ 50431-92 «Термопары» приведены вид и порядок полинома, а также коэффициенты полиноминальной аппроксимации зависимости выходного напряжения термопар от температуры, которые определяются по градуировоч-ным таблицам для каждого типа термопар.
В табл. 2 приведены особенности и области применения некоторых типов термопар.
Таблица 2
Тип термопары Особенности применения
ТХА Обладают: — наиболее близкой к прямой характеристикой. Предназначены для работы в окислительных и инертных средах
ТХК Обладают: — наибольшей чувствительностью;
— высокой термоэлектрической стабильностью при температурах до 600°С.
Предназначены для работы в окислительных и инертных средах.
Недостаток: высокая чувствительность к деформациям
ТПП Обладают: — хорошей устойчивостью к газовой коррозии, особенно на воздухе при высоких температурах;
— высокой надежностью при работе в вакууме (но менее стабильны в нейтральных средах).
Предназначены для длительной эксплуатации в окислительных средах.
Недостаток: высокая чувствительность термоэлектродов к любым загрязнениям, появившимся при изготовлении, монтаже или эксплуатации термопар
ТВР Обладают: — возможностью длительного применения при температурах до 22О0°С в неокислительных средах;
— устойчивостью в аргоне, гелии, сухом водороде и азоте.
Термопары с термоэлектродами из сплава платины с 10% родия относительно электрода из чистой платины могут использоваться как стандартные для установления номинальных статических характеристик термопар методом сравнения.
Недостаток - плохая воспроизводимость термоЭДС, вынуждающая группировать термоэлектродные пары по группам с номинальными статическими характеристиками А-1, А-2, А-3
ТНН Обладают: — высокой стабильностью термоЭДС (по сравнению с термопарами ТХА, ТПП, ТПР);
— высокой радиационной стойкостью;
— высокой стойкостью к окислению электродов.
Предназначены в качестве универсального средства измерения температур в диапазоне температур 0-1230°С
В зависимости от конструкции и назначения различают термопары погружаемые и поверхностные; с обыкновенной, взрывобезопасной, влагонепроницаемой или иной оболочкой (герметичной или негерметичной), а также без оболочки; обыкновенные, вибротряскоустойчивые и ударопрочные; стационарные и переносные и т.д. Внешний вид некоторых конструкций термопар представлен на рис. 6.
Основное применение термопары — электронные термометры.
Отечественная промышленность выпускает электронные термометры для измерения температуры контактным способом. Так, например, одно из отечественных предприятий наладило производство серии измерителей температуры, каждый из которых состоит из электронного блока и набора сменных датчиков температуры, представляющих собой стандартные хромель-алюмелевые термопары (тип К) в различных конструктивных исполнениях. Серия состоит из трех приборов: ETI-2OO1, ETI-2OO2 и ETI-2OO3 (табл. 3). Прибор ETI-2001 имеет 2 диапазона температур, переключение между которыми выполняется кнопками на лицевой панели. Узкий диапазон температур характеризуется более высоким разрешением и точностью. Приборы ETI-2OO2 и ETI-2OO3 имеют только по одному диапазону. Приборы имеют кнопку HOLD, с помощью которой можно зафиксировать измеренное значение температуры на индикаторе.
Рис. 6 Внешний вид некоторых конструкций термопар
Таблица 3
Тип прибора ETI-2001 ETI-2002 ETI-2003
Число диапазонов 2 1 1
Диапазон измерений,°С -49,9...199,9(1)
-50...1000(2) -49,9...199,9 -50...1000
Разрешение 0,1°C(1) 0,1°С 1°С
Точность ±0,5°С+1%(1)) ±1°С ±0,5%(2) ±0,5°С ±1% ±1°С ±0,5%
Питание батарейка 9 В («Крона»)
Срок работы батареи 150 часов 175 часов 175 часов
Тип сенсора ТХА термопара (К тип)
Тип индикатора ЖК, высота знака 13 мм
Размеры 141x73x35 мм
Вес 220 г 210 г 210 г
На рис. 7 показан внешний вид контактного термометра ЕТ1-2001, в комплект поставки которого входят термопары: поверхностная (для измерения температуры поверхности твердых тел - tmax = 1000°C, погружная (для измерения температуры в объеме сыпучих и жидких веществ — tmax = 25О°С и бескорпусная (для измерения температуры воздуха и других газов — tmax = 250°С.
Рис. 7 Внешний вид контактного термометра ЕТ1-2001
На рис. 8 показан внешний вид миниатюрного термометра (Thermapen™) широкого применения. Высоконадежный и удобный в обращении. Оснащен встроенным складывающимся зондом. Диапазоны измерения температуры: ~49,9...199,9°С. Существуют не только специализированные приборы с термодатчиками для измерения температуры, но и универсальные мультиметры с функцией измерения температуры.
Рис. 8 Внешний вид миниатюрного термометра (Thermapen™)
Дата публикации: 24.03.2004
+7 (495) 785-95-25
sale@lcard.ru
)