Термопары: устройство и принцип работы простым языком, типы

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.

Рис. 3. Измерение напряжения на проводах ТП

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.

2. Компенсация температуры холодного спая (КХС)

Напряжение, измеряемое на холодном спае, зависит от разницы температур горячего и холодного спаев; поэтому, необходимо знать температуру холодного спая, чтобы рассчитать температуру горячего спая. Этот процесс называется «компенсацией холодного спая» (КХС). КХС выполняется управления, устройством аварийных отключений или другим устройством формирования сигнала. В идеале измерение КХС выполняется как можно ближе к точке измерения, потому что длинные провода термопары очень чувствительны к электрическим помехам, и сигнал в них ухудшается.

Рисунок 2a — Компенсация холодного спая

Точное проведение КХС имеет решающее значение для точности измерения температуры. Точность КХС зависит от двух факторов: точности измерения эталонной температуры и близости точки эталонного измерения к холодному спаю. Во многих измерительных преобразователях используется изотермическая клеммная колодка (часто выполненная из меди) со встроенным прецизионным термистором, ТС или транзистором для измерения температуры колодки.

СОВЕТ: Следует использовать полевые измерительные преобразователи, а не преобразователи с подключением проводами напрямую к диспетчерской.

Точность измерения

Точность зависит от вида термопары, диапазона измеряемых температур, чистоты материала, электрических шумов, коррозии, свойств спая и процесса изготовления.

Термопарам присуждается класс допуска (стандартный или специальный), устанавливающий доверительный интервал измерений.

ВАЖНО: Характеристики на момент изготовления меняются в период эксплуатации.

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.

Рис. 5. Типы спаев

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.

Плюсы и минусы устройства

Термопара – старейший и до сих пор наиболее распространенный в промышленности температурный датчик. Действие термопары основано на эффекте, который впервые был открыт и описан Томасом Зеебеком в 1821 г. – возникновении тока в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при наличии градиента температур между спаями.

Поскольку генерирование Термо-ЭДС происходит по длине термоэлектрода, то показания термопары зависят от состояния термоэлектродов в зоне максимального температурного градиента. Поэтому поверку термопар следует проводить при той же глубине погружения в среду, что и на рабочем объекте. Учёт термоэлектрической неоднородности особенно важен для рабочих термопар из неблагородных металлов.

Плюсы и минусы термопарыШирокий диапазон рабочих температур, они являются самыми высокотемпературными из контактных датчиков.Спай термопары может быть непосредственно заземлён или приведён в прямой контакт с измеряемым объектом.Простота изготовления, надёжность и прочность конструкции.Необходимость контроля температуры холодных спаев.На большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.Зависимость Термо-ЭДС от температуры существенно не линейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.

В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового сенсора и автоматическое введение поправки к измеренной Термо-ЭДС. Возникновение термоэлектрической неоднородности в проводниках и, как следствие, изменение градуировочной характеристики из-за изменения состава сплава в результате коррозии и других химических процессов.

Будет интересно➡  Как устроен однополупериодный выпрямитель и где применяется

Материал электродов не является химически инертным и, при недостаточной герметичности корпуса термопары, может подвергаться влиянию агрессивных сред, атмосферы и т.д. Когда жесткие требования выдвигаются ко времени термической инерции термопары и необходимо заземлять рабочий спай, то следует обеспечить электрическую изоляцию преобразователя сигнала для устранения опасности возникновения утечек через землю.

В зависимости от материалов термоэлектродов различают термопары из благородных и неблагородных металлов. К первым относятся термопреобразователи платиновой группы (ТПП, ТПР). К неблагородным – ТВР, ТХА, ТХК, ТМК, ТНН, ТЖК и др. из серийно выпускаемых.

Основные виды термопар

Каждый вид термопар имеет свое обозначение и градацию в соответствии с общепринятым стандартом. К примеру:

1. ТСП – термопреобразователь сопротивления, который используется для измерения температуры различных типов рабочих сред (вода, газ, пар, химические соединения, сыпучие материалы);
2. ТСМУ – термопреобразователи сопротивления с выходным унифицированным сигналом;
3. ИТ – цифровые термопреобразователи с интерфейсом, программируемыми параметрами;
4. КТСП – комплект термопреобразователей сопротивления платиновый, предназначенный для измерения температуры и разности температур теплоносителей;
5. КТПТР – комплект термопреобразователя платиновый разностный, предназначенный для измерения температуры и разности температур в составе приборов учета и контроля тепловой энергии.

Точность измерения термопары во многом зависит от класса допуска (АА, А, В, С). В то же время, класс допуска никак не зависит от материала (платина, медь, никель) и чувствительного элемента (проволока или пленка). Термометры сопротивления класса С имеют наименьшую стоимость на отраслевом рынке, поэтому они получили широкое распространение в сферах, где допустима погрешность, превышающая 1°С. Термометры сопротивления класса В используются практически повсеместно за счет оптимального класса допуска и стоимости. Максимальную точность предоставляют термометры класса А, поэтому чаще всего им находят применение в области энергетики для определения температуры теплоносителя. Сверхточные термометры класса АА предназначены исключительно для использования в научных и исследовательских изысканиях.

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.

Таблица 1.

Тип термопары	K	J	N	R	S	B	T	E
Материал положительного электрода	Cr—Ni	Fe	Ni—Cr—Si	Pt—Rh (13 % Rh)	Pt—Rh (10 % Rh)	Pt—Rh (30 % Rh)	Cu	Cr—Ni
Материал отрицательного электрода	Ni—Al	Cu—Ni	Ni—Si—Mg	Pt	Pt	Pt—Rh (6 % Rh	Cu—Ni	Cu—Ni
Температурный коэффициент	40…41	55.2						68
Рабочий температурный диапазон, ºC	0 до +1100	0 до +700	0 до +1100	0 до +1600	0 до 1600	+200 до +1700	−185 до +300	0 до +800
Значения предельных температур, ºС	−180; +1300	−180; +800	−270; +1300	– 50; +1600	−50; +1750	−250; +400	−40; +900
Класс точности 1, в соответствующем  диапазоне температур, (°C)	±1,5 от −40 °C до 375 °C	±1,5 от −40 °C до 375 °C	±1,5 от −40 °C до 375 °C	±1,0 от 0 °C до 1100 °C	±1,0 от 0 °C до 1100 °C		±0,5 от −40 °C до 125 °C	±1,5 от −40 °C до 375 °C
±0,004×T от 375 °C до 1000 °C	±0,004×T от 375 °C до 750 °C	±0,004×T от 375 °C до 1000 °C	±[1 + 0,003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °C	±[1 + 0,003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °		±0,004×T от 125 °C до 350 °C	±0,004×T от 375 °C до 800 °C
Класс точности 2 в соответствующем  диапазоне температур, (°C)	±2,5 от −40 °C до 333 °C	±2,5 от −40 °C до 333 °C	±2,5 от −40 °C до 333 °C	±1,5 от 0 °C до 600 °C	±1,5 от 0 °C до 600 °C	±0,0025×T от 600 °C до 1700 °C	±1,0 от −40 °C до 133 °C	±2,5 от −40 °C до 333 °C
±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C	±0, T от 333 °C до 750 °C	±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C	±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C	±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C		±0,0075×T от 133 °C до 350 °C	±0,0075×T от 333 °C до 900 °C
Цветовая маркировка выводов по МЭК	Зелёный — белый	Чёрный — белый	Сиреневый — белый	Оранжевый — белый	Оранжевый — белый	Отсутствует	Коричневый — белый	Фиолетовый — белый

Изготовление термопары для мультиметра самостоятельно

Термопара, созданная своими руками, это сенсор в своей основе конструктивно аналогичный заводскому: два спаянные разные по составу электроды.

Перечень материалов, инструментов:

• константин. Есть в старых советских низкоомных керамических резисторах ПЭВ-10 или подобных им;
• проволока, медь;
• зажигалки: турбо («печка») и обычная.

Приемником данных может быть любой цифровой или аналоговый тестер. С помощью такой ТП для мультиметра можно замерять температуру исследуемых объектов.

Где взять проволоку

Чем меньше сечение проволоки, тем ниже погрешности ТП, поскольку понижается само влияние массива жил на теплообмен.

В нашем примере взяты 2 проводка из таких сплавов:

• константиновый. Берем из старого керамического резистора ПЭВ-10. Сплав также содержит зарубежный аналог 1R00JSMT и подобные типы радиодеталей. Некоторые такие радиодетали с нихромом — он не подойдет;
• медный проводок: из обмотки б/у трансформаторов от бытовых приборов, из кабелей, например, витой пары.

Скрутка, сварка

Делаем скрутку из 2 проводков. Затем свариваем этот конец: так как жилы тонкие, то подойдет зажигалка турбо, в народе «печка». Должна получиться круглая головка-капелька. Оставшиеся витки затем надо раскрутить, чтобы не было замыкания.

Принцип работы мы уже описали: при нагревании в месте горячего спая, то есть головки-капельки возникает разница потенциалов, инициирующая малый ток, который будет течь по проводкам к приемнику (мультиметру). Значения такого электричества будут характеризовать определенную температуру.

Другие способы сварки

Спаять проводки можно и кустарной сваркой, например, применив лабораторные автотрансформаторы, автомобильный аккумулятор. К одному полюсу («+») такого источника подсоединяем оба конца термопары, скрученные или соединенные механически проволокой. К другому подключаем вывод («−»), присоединенный к куску графита. Возникнет электродуга, произойдет сварка.

Напряжение для сварки подбирают экспериментально: начинают с малых значений 3–5 В и постепенно увеличивают до нужного результата. Оптимальное значение зависит от металла проволоки, ее сечения, длины — оно обычно не превышает 40–50 В. Соблюдают безопасность: не касаются к оголенным участкам, не подают слишком большое напряжение. Для удобства опасные сегменты изолируют изолентой, кембриком, керамическими трубками.

Хорошее соединение получают, разогревая проводки дуговым разрядом, зажигая его между ними и крепким (ропа) раствором поваренной соли.

Другие сплавы для электродов

Выше мы показали пример с электродами константин-медь. Термопара для измерения температуры своими руками может быть создана и с проволоки с иных материалов (сплавы см. выше в табл.). Такие материалы продаются на узкоспециализированных торговых площадках, но все-таки достать их сложнее, наиболее доступный из них хромель и алюмель.

Проверка самодельной термопары для мультиметра

Электроды собранного датчика подсоединяем к мультиметру аналогично как щупы. Затем измеряете среду: нагреваете головку зажигалкой, наблюдаете табло тестера. В нашем случае мультиметр показал напряжение 50 мВ и ток в 5 мкА, это максимальное значение для данной самоделки.

Калибровка

Откалибровать самодельную термопару и создать базу данных какое значение какой температуре соответствует, можно, опуская ТП в жидкость с заранее известной температурой (надо будет значительно ее нагреть). Останется сопоставить t° с показаниями мультиметра и записать цифровые соответствия.

Другие самоделки

Нами описан способ создания «голого» датчика, обрабатывающее устройство было уже готово — мультиметр. Своими руками для такой термопары можно создать и иные приемники на микроконтроллерах Arduino, ATmega, а также, и усилители на подобных микросхемах — они потребуются, так как ЭДС очень низкая.

Для самоделок популярный усилитель микроконтроллер для термопары LM358P/LM358D для диапазона 0…+70° C.

В сети есть много чертежей, как сделать термопару для различных задач с микроконтроллерами Arduino, ATmega и с цифровым дисплеем.

Проверка, ремонт и замена термопары

Рассмотрим неисправности на примере термопары датчика газового котла, в таких приборах она также называется сенсором пламени. По ходу раскроем некоторые нюансы по эксплуатации термоэлектрических детекторов, как они устроены, из чего состоит такой прибор.

Признаки поломки:

• затухание фитиля, в момент, когда одновременно отпускают кнопку зажигания;
• огонек остается, но после розжига главной горелки подача топлива снова перекрывается, котел гаснет вообще.

Причины:

• электроды, горячий спай покрылись сажей, прогреваются не достаточно. Поэтому напряжение на цепи падает ниже критического минимума, нужного для сработки прибора;
• прогар защитной капсулы ТП;
• нарушены контакты на точке спаев, обрыв проволоки;
• отошли крепежные гайки;
• перекос рабочего стержня и, как следствие, плохой прогрев запальником;
• сломался датчик тяги или его электроцепь оборвана.

Починка, восстановление

Термопары чувствительные к любым повреждениям и загрязнениям: эти факторы могут уменьшить выдаваемое датчиком напряжение ниже критической границы. Характерная частая причина плохой работы — нагар, сажа на рабочем (нагреваемом) сегменте. Для восстановления достаточно произвести чистку мягкой щеткой, ваткой со спиртом. Важно не допустить царапин, механических повреждений. После очистки надо провести проверку мультиметром.

Часто причиной неисправностей являются окислившиеся контакты, их можно зачистить мелкозернистой (нулевкой) наждачкой, но без чрезмерных усилий

Таким образом, если есть нагар, сажа, окисления, отошедшие или оборванные контакты, крепежи и подобное, то ТП возможно отремонтировать. Но если обнаружены глубокие черные вмятины, прогары (дыры), то такой элемент обычно не восстанавливается. Теоретически можно соорудить новый защитный кожух, попробовать наново спаять концы, если они разошлись, но нет гарантии, что такая починка будет качественная. А от неэффективной работы есть риск значительного ухудшения ресурса обслуживаемого прибора, вероятность аварийных ситуаций увеличивается. Почти всегда сенсоры с такими критическими перечисленными поломками заменяют на новые без раздумий.

Запасные элементы продаются в спецмагазинах, точках сервисного обслуживания. Подобрать не составит труда — достаточно выбрать аналогичный или подходящий по параметрам детектор для конкретной модели оборудования. Замена элементарная — отщелкнуть старую ТП и подключить (воткнуть) в посадочные места новую.

Сложность может быть лишь в том, что прибор придется разбирать, снимать крышки, узлы с горелками и так далее.

6. Удлинительные провода

Удлинительные провода используются либо для связи термопар с системой управления / контроля, либо для соединения их с удаленным измерительным преобразователем. Удлинительные провода термопар, за очень редким исключением, выполняются из того же металла, что и провода термопар. Если металлы не соответствуют друг другу, на каждом конце удлинительного провода создаются дополнительные холодные спаи, которые существенно влияют на измерение температуры. На рисунке 6a видно, что если медные провода используются для подключения термопары, создается «предварительный холодный спай», который может вызывать значительную погрешность, существенно варьирующуюся с изменением температуры окружающей среды вокруг спая 1. Измеряемое напряжение термопары с медными удлинительными проводами не равно измеряемому напряжению термопары с правильными удлинительными проводами. Фактически, если используются медные удлинительные провода, почти невозможно получить какую-либо температуру технологического процесса с приемлемой точностью по измеряемому напряжению.

Рисунок 6a — Несколько спаев, появляющихся при использовании разнородных удлинительных проводов

Таблица 5a — Международная кодировка цветов изоляции термопар

Тип термопары	Североамериканский стандарт ASTM Е230	Международный стандарт IEC 60584	Стандарт Великобритании BS 1843	Немецкий стандарт DIN 43710	Японский стандарт JIS С1610	Французский стандарт NFC 42-324
Цвет проводов термопары	Цвет удлинительных проводов
В	не применяется не применяется не применяется	— Проводник: Красный + Проводник: Серый Оболочка: Серый	— Проводник: Белый + Проводник: Серый Оболочка: Серый	не применяется не применяется не применяется	— Проводник: Серый + Проводник: Красный Оболочка: Серый	— Проводник: Серый + Проводник: Красный Оболочка: Серый	не применяется не применяется не применяется
Е	— Проводник:Красный + Проводник: Пурпурный Оболочка: Коричневый	— Проводник: Красный + Проводник: Пурпурный Оболочка: Пурпурный	— Проводник: Белый + Проводник: Пурпурный Оболочка: Пурпурный	— Проводник: Синий + Проводник: Коричневый Оболочка: Коричневый	— Проводник: Чёрный + Проводник: Красный Оболочка: Чёрный	— Проводник: Белый + Проводник: Красный Оболочка: Пурпурный	— Проводник: Пурпурный + Проводник: Желтый Оболочка: Пурпурный
J	— Проводник:Красный + Проводник: Белый Оболочка: Коричневый	— Проводник: Красный + Проводник: Белый Оболочка: Чёрный	— Проводник: Белый + Проводник: Чёрный Оболочка: Чёрный	— Проводник: Синий + Проводник: Желтый Оболочка: Чёрный	— Проводник: Синий + Проводник: Красный Оболочка: Синий	— Проводник: Белый + Проводник: Красный Оболочка: Желтый	— Проводник: Чёрный + Проводник: Желтый Оболочка: Чёрный
К	— Проводник:Красный + Проводник: Желтый Оболочка: Коричневый	— Проводник: Красный + Проводник: Желтый Оболочка: Желтый	— Проводник: Белый + Проводник: Зеленый Оболочка: Зеленый	— Проводник: Синий + Проводник: Коричневый Оболочка: Красный	— Проводник: Зелёный + Проводник: Красный Оболочка: Зелёный	— Проводник: Белый + Проводник: Красный Оболочка: Синий	— Проводник: Пурпурный + Проводник: Желтый Оболочка: Желтый
N	— Проводник:Красный + Проводник: Оранжевый Оболочка: Коричневый	— Проводник: Красный + Проводник: Оранжевый Оболочка: Оранжевый	— Проводник: Белый + Проводник: Розовый Оболочка: Розовый	— Проводник: Синий + Проводник: Оранжевый Оболочка: Оранжевый	не применяется не применяется не применяется	не применяется не применяется не применяется	не применяется не применяется не применяется
R	не применяется не применяется не применяется	— Проводник: Красный + Проводник: Чёрный Оболочка: Зелёный	— Проводник: Белый + Проводник: Оранжевый Оболочка: Оранжевый	— Проводник: Синий + Проводник: Белый Оболочка: Зелёный	— Проводник: Белый + Проводник: Красный Оболочка: Белый	— Проводник: Белый + Проводник: Красный Оболочка: Чёрный	— Проводник:Зелёный + Проводник: Желтый Оболочка: Зелёный
S	не применяется не применяется не применяется	— Проводник: Красный + Проводник: Чёрный Оболочка: Зелёный	— Проводник: Белый + Проводник: Оранжевый Оболочка: Оранжевый	— Проводник: Синий + Проводник: Белый Оболочка: Зелёный	— Проводник: Белый + Проводник: Красный Оболочка: Белый	— Проводник: Белый + Проводник: Красный Оболочка: Чёрный	— Проводник:Зелёный + Проводник: Желтый Оболочка: Зелёный
Т	— Проводник:Красный + Проводник:Синий Оболочка: Коричневый	— Проводник: Красный + Проводник: Синий Оболочка: Синий	— Проводник: Белый + Проводник: Коричневый Оболочка: Коричневый	— Проводник: Синий + Проводник: Белый Оболочка: Синий	— Проводник: Коричневый + Проводник: Красный Оболочка: Коричневый	— Проводник: Белый + Проводник: Красный Оболочка: Коричневый	— Проводник: Синий + Проводник: Желтый Оболочка: Синий

В некоторых случаях, когда экономические соображения могут не позволять использовать дорогостоящие удлинительные провода из редких металлов, таких как платиновые сплавы, используемые в термопарах типа R, S и B, можно использовать в узком диапазоне менее дорогие медные сплавы, которые имеют э.д.с., похожую на э.д.с. самой термопары. Такие выводы называются «компенсационными проводами» и они несколько снижают вышеуказанную погрешность.

Совет: Имеется множество факторов, отрицательно влияющих на измерения с помощью дистанционно смонтированных термопар, включая

— возможные погрешности, которые могут вноситься в измерение с помощью термопар из-за ЭМП и РЧП при применении удлинительных проводов или компенсационных проводов,

— стоимость специальных проводов,

— стоимость замены удлинительных проводов термопар на регулярной основе

— возможность ошибок при подключении проводов из-за несоблюдения цветовой кодировки.

Учитывая все это, настоятельно рекомендуется применять измерительные преобразователи, монтируемые непосредственно на первичный преобразователь, везде, где это возможно.

Особенности применения наиболее распространённых термопар

Технические характеристики зависят напрямую от материалов, из которых они произведены.

Тип J (железо-константановая термопара)

• Не рекомендуется использовать ниже 0°С, т.к. конденсация влаги на железном выводе приводит к образованию ржавчины.
• Наиболее подходящий тип для разряженной атмосферы.
• Максимальная температура применения – 500°С, т.к. выше этой температуры происходит быстрое окисление выводов. Оба вывода быстро разрушаются в атмосфере серы.
• Показания повышаются после термического старения.
• Преимуществом является также невысокая стоимость.

Тип Е (хромель-константановая термопара)

• Преимуществом является высокая чувствительность.
• Термоэлектрическая однородность материалов электродов.
• Подходит для использования при низких температурах.

Тип Т (медь-константановая термопара)

• Может использоваться ниже 0°С.
• Может использоваться в атмосфере с небольшим избытком или недостатком кислорода.
• Не рекомендуется использование при температурах выше 400°С.
• Не чувствительна к повышенной влажности.
• Оба вывода могут быть отожжены для удаления материалов, вызывающих термоэлекрическую неоднородность.

Тип К (хромель-алюмелевая термопара)

• Широко используются в различных областях от -100°С до +1000°С (рекомендуемый предел, зависящий от диаметра термоэлектрода).
• В диапазоне от 200 до 500°С возникает эффект гистерезиса, т.е показания при нагреве и охлаждении могут различаться. Иногда разница достигает 5°С.
• Используется в нейтральной атмосфере или атмосфере с избытком кислорода.
• После термического старения показания снижаются.
• Не рекомендуется использовать в разряженной атмосфере, т.к. хром может выделяться из Ni-Cr вывода (так называемая миграция), термопара при этом изменяет ТЭДС и показывает заниженную температуру.
• Атмосфера серы вредна для термопары, т.к. воздействует на оба электрода.

Термопара типа К.

Тип N (нихросил-нисиловая термопара)

• Это относительно новый тип термопары, разработанный на основе термопары типа К. Термопара типа К может легко загрязняться примесями при высоких температурах. Сплавляя оба электрода с кремнием, можно тем самым загрязнить термопару заранее, и таким образом снизить риск дальнейшего загрязнения во время работы.
• Рекомендуемая рабочая температура до 1200°С (зависит от диаметра проволоки).
• Кратковременная работа возможна при 1250°С.
• Высокая стабильность при температурах от 200 до 500°С (значительно меньший гистерезис, чем для термопары типа К).
• Считается самой точной термопарой из неблагородных металлов.

Общие советы по выбору термопар из неблагородных металлов

• Температура применения ниже нуля – тип Е, Т
• Комнатные температуры применения – тип К, Е, Т
• Температура применения до 300°С – тип К
• Температура применения от 300 до 600°С – тип N
• Температура применения выше 600°С – тип К или N

Термопары из благородных металлов

• Рекомендуемая максимальная рабочая температура 1350°С.
• Кратковременное применение возможно при 1600°С.
• Загрязняется при температурах выше 900°С водородом, углеродом, металлическими примесями из меди и железа. При содержании железа в платиновом электроде на уровне 0,1%, ТЭДС изменяется более, чем на 1 мВ (100°С) при 1200°С и 1,5 мВ (160°С) при 1600°С. Такая же картина наблюдается при загрязнении медью. Таким образом, термопары нельзя армировать стальной трубкой, или следует изолировать электроды от трубки газонепроницаемой керамикой.
• Может применяться в окислительной атмосфере.
• При температуре выше 1000°С термопара может загрязняться кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных керамических материалов. Важно использовать керамические трубки, состоящие из высокочистого оксида алюминия.
• Не рекомендуется применять ниже 400°С, т.к ТЭДС в этой области мала и крайне нелинейна.

Термопары из благородных металлов

Тип R (платнородий-платиновая)

Свойства те же, что и у термопар типа S.

Будет интересно➡  Что такое электрическое поле: объяснение простыми словам

Тип В (платнородий-платинородиевая)

• Рекомендуемая максимальная температура рабочего диапазона 1500°С (зависит от диаметра проволоки).
• Кратковременное применение возможно до 1750°С.
• Может загрязняться при температурах выше 900°С водородом, кремнием, парами меди и железа, но эффект меньше, чем для термопар типа S и R.
• При температуре выше 1000°С термопара может загрязняться кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных керамических материалов. Важно использовать керамические трубки, состоящие из высокочистого оксида алюминия.
• Может использоваться в окислительной среде.
• Не рекомендуется применение при температуре ниже 600°С, где ТЭДС очень мала и нелинейна.

Сводная таблица типов 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.

Стандарты на цвета проводников термопар

Проводники термопар состоят из двух отдельных термоэлектродов (положительного и отрицательного), имеющих цветную изоляцию. Ввиду эффекта Зеебека провода термопар имеют определенную полярность, поэтому положительные и отрицательные провода необходимо подключать к правильным клеммам. Имеются разнообразные стандарты на цвета изоляции проводников для идентификации каждого типа термопар. См. таблицу 5a В разных стандартах используются уникальные цвета проводов, чтобы отличать положительные и отрицательные выводы. В Северной Америке обычно отрицательный вывод имеет красную изоляцию в соответствии со стандартом ASTM E230. Но самым широко используемым в мире стандартом на провода термопар является IEC 60584, согласно которому отрицательный провод обычно белый. Ясно, что стандарты, согласно которым термопара изготовлена, должны быть известны, чтобы правильно подключать провода по их цветам. Существуют другие стандарты, используемые в различных странах, включая BS1843 (Великобритания и Чешская республика), DIN43710 (Германия), JIS-C1610 (Япония) и NFC 42-324 (Франция). См. таблицу 5a.

СОВЕТ: Пользователь должен проверить, какой стандарт используется на его предприятии, и убедиться в том, что цветовая кодировка доведена до сведения персонала, занимающегося установкой, пусконаладкой и техническим обслуживанием.

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.

Трудности измерении температур термопарой

Малый сигнал на выходе

Напряжение крайне мало, и поэтому требуется дополнительное усиление сигнала. Измерительные схемы для термопары очень сложны, потому как требуется сверх точное усиление сигнала. Для таких целей изготовляются специальные микросхемы, с помощью которых можно соорудить достаточно компактный измеритель температуры.

Компенсация эталонного спая

Первые, в своем роде, термопары погружали эталонным спаем в ванну со льдом, что бы температура была постоянной. Но сейчас это не подходит современным системам измерения, хотя поддержание температуры спая все равно необходимо. В данный момент используют технологию компенсации эталонного спая. Для этих целей применяется другой термочувствительный элемент. Например — термисторы, резистивные датчики или удаленные термодиоды.

Нелинейность характеристики

Характеристика напряжения термопары не линейна, и изменяет наклон в зависимости от величины сигнала. Есть такие способы решения проблемы:

• Аппроксимировать наклон как линейный (особенно хорошо работает для термопар К- и -J типа);
• Соотнести набор напряжений термопары с ее относительной температурой, путем сохранения характеристики в памяти просмотровой таблицы;
• Моделировать поведение термопары уравнениями высокого порядка.

В зависимости от используемой пары материалов термопары делят на:

• Чистый метал;
• Сплав.