Термопара кратко Принципы, разновидности и погрешности измерения

3 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.

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

• 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.

к меню ↑

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.

Компенсация холодного спая

Стандартные справочные таблицы и модели термопар имеют привязку к нулевой температуре спая, в то время как полевые измерения выполняются термопарой, подключённой к разъёму, температура которого отлична от 0°C. Следовательно, фактическое измеренное напряжение должно быть скорректировано таким образом, чтобы оно отображалось относительно 0°C. Современные модули формирования сигнала разрешают эту ситуацию электронным образом и, кроме того, линеаризуют выходное напряжение термопары. Эти кондиционирующие модули обеспечивают конечному пользователю линейный выходной сигнал, масштабируемый до вольт или ампер на °C (°F). Концепция электронной привязки измерений термопары к 0°C показана на рис. 6. Этот метод известен как компенсация холодного спая, или CJC.

Tx – измеряемая температура; Tc – температура на разъёме вольтметра (предполагается одинаковой для обоих проводов); V1 – напряжение термопары Зеебека; V2 – напряжение датчика; G – коэффициент усиления усилителя.

На рис. 6 напряжение V1 представляет собой напряжение термопары Зеебека, генерируемое разностью между неизвестной температурой Tx и температурой разъёма Tc, как показано в формуле (9):

Температура разъёма Tc измеряется датчиком, работающим не на эффекте термопары (диод, RTD-диод и т.п.), и соответствующее напряжение датчика V2 масштабируется электронным способом для представления того же напряжения термопары Зеебека (относительно 0°C), которое термопара считала бы при использовании для измерения Tc, как показано в формуле (10):

Это приведённое V2 соответствует термопаре того же типа, что и для измерения Tx.

Формула (9) может быть математически преобразована для учёта температуры точки плавления льда Tice:

Формула (11) показывает, что напряжение термопары V1 складывается из двух частей, каждая из которых зависит от Tice. Компонент S × (Tx – Tice) является стандартным значением справочной таблицы, необходимым для определения искомой температуры Tx. Компонент S × (Tc – Tice) представляет собой напряжение, полученное, если бы температуру соединителя Tc измеряли с помощью термопары того же типа, что и для измерения Tx. Напомним, что V2 было масштабировано электронным способом, так что V2 равно этому напряжению: V2 = S × (Tc – Tice).

На рис. 6, если коэффициент усиления G = 1, то

Выходное напряжение Vout в формуле (12) может быть введено непосредственно в справочную таблицу термопар соответствующего типа для определения измеренной температуры.

Типы термопар

Как мы увидели, термопары стали стандартом в отрасли как экономически эффективный метод измерения температуры. Со времени их изобретения Томасом Иоганном Зеебеком в 1821 году на предмет использования в термопарах были исследованы термоэлектрические свойства множества различных материалов. Исследователи, применяя достижения современной металлургии, разработали специальные пары материалов, оптимальные для использования в качестве датчиков термопар.

В табл. 1 представлены восемь стандартных термопар, популярных в промышленности, и их типичные характеристики. Буквы в таблице обозначают зависимость температуры от напряжения, а не конкретный химический состав. Производители могут изготовить термопары данного типа с изменениями в составе, однако результирующие зависимости температуры от напряжения должны соответствовать стандартам термоэлектрического напряжения, связанным с конкретным типом термопары.

Параметры термопар типа L и U регламентируются стандартом DIN 43710; однако они не так часто используются в новых установках, как более популярные стандарты термопар типов T и J. Термопара типа U похожа на популярный стандартный тип T, а термопара типа L аналогична популярному стандарту типа J.

Для измерений высоких температур используются три дополнительных типа термопар: C, D и G. Их буквенные обозначения (C, D, G) не признаны стандартами ANSI, тем не менее такие термопары тоже доступны. Применяемые в них композиции материалов следующие:

• тип G: W и W – 26% Re,
• тип C: W – 5% Re и W – 26% Re,
• тип D: W – 5% Re и W – 25% Re,

где W – вольфрам, Re – рений.

Таким образом, с помощью термопар, несмотря на то что их выходное напряжение составляет милливольты, а чувствительность – микровольты на °С, да ещё при нелинейных характеристиках, могут быть довольно точно измерены температуры практически во всех диапазонах. На рис. 4 и 5 представлены типичные характеристики напряжения и температуры для указанных термопар. Эти кривые обеспечивают визуальное представление диапазонов термопар, масштабных коэффициентов, чувствительности и линейности.

Компания Dataforth предлагает модули ввода для термопар, которые взаимодействуют со всеми указанными их типами. Для получения более подробной информации об этих и других современных модулях посетите веб-сайт Dataforth.

Для чего используются термопары?

Термопары широко используются в науке и промышленности, потому что они, как правило, очень точны и могут работать в огромном диапазоне действительно высоких и низких температур. Поскольку они генерируют электрические токи, они также полезны для автоматизированных измерений: гораздо проще получить электронную схему или компьютер для измерения температуры термопары через определенные промежутки времени, чем делать это самостоятельно с помощью термометра. Поскольку в них нет ничего особенного, кроме пары металлических полос, термопары также относительно недороги и (при условии, что используемые металлы имеют достаточно высокую температуру плавления) достаточно долговечны, чтобы работать в довольно суровых условиях.

Для нагревательных систем термопары являются незаменимым инструментом, который позволяет измерять показатели температуры системы, нагревательных элементов, обрабатываемых материалов. К примеру, на экструзионных линиях термопары устанавливаются на каждый кольцевой нагреватель, греющий цилиндр экструдера, в каждую зону нагрева для измерения температуры расплава, в фильеру для определения температуры на выходе.

В компании Элемаг вы можете купить различные типы термопар таких пар металлов, как хромель-алюмель (тип К), железо-константан (тип J) и хромель-копель (тип L).

Термопара типа J

Термопары типа J чаще всего используются в индустрии пластмасс. Это историческое сотрудничество, когда они были разработаны для первых электронных устройств контроля температуры. Со временем контрольное оборудование изменилось, но требования к типу J остались прежними.

Материал

Термопары типа J основаны на чистом железном положительном проводнике и медно-никелевом сплаве, называемом константаном, для отрицательного проводника. Оба проводника обладают механической прочностью и могут выдерживать значительные изгибы и нагрузки, что делает их идеальными для таких применений, как термопластавтоматы.

Диапазон температур

Диапазон температур для типа J более ограничен, чем для типа K: от 0 до 750 ° C непрерывно и от -180 до + 800 ° C в течение коротких периодов. Проводники подходят для сварки и пайки серебром, поэтому очень просто изготавливать термопары с заземленными горячими спаями, чтобы обеспечить максимально быстрое время отклика.

Класс точности 1

Класс точности 1 для типа J составляет ± 1,5 ° C в диапазоне от -40 до + 375 ° C. Кроме того, допуск 0,4% от измеренного значения. Класс 2 – это более широкий допуск, чем этот, и обычно не используется.

Применение в индустрии переработки пластика

Как упоминалось выше, термопары типа J на ​​сегодняшний день являются наиболее распространенным типом, используемым в пластмассовой промышленности, и есть несколько стандартных конструкций, которые подходят для различных процессов. К ним относятся байонетные гибкие термопары для экструзии и литья под давлением; термопары с расплавленным болтом на экструзионных машинах; термопары с болтом, соплом и шайбой для небольших головок и упаковочных машин.

Особая осторожность в обращении

Особая осторожность требуется при использовании типа J, где присутствует вода, поскольку положительный проводник представляет собой чистое железо и, следовательно, чрезвычайно подвержен коррозии. Обычно используемые кабели изготовлены из стекловолокна и поэтому не являются водонепроницаемыми. Коррозия положительного проводника может привести к ошибкам измерения и, в конечном итоге, к выходу из строя термопары.

Сколько стоит термопара?

Итак, сколько стоит термопара? Стоимость термопары может варьироваться в зависимости от типа, конструкции и вида термопары.

Чтобы дать вам представление об изменении стоимости. Простой датчик типа J может стоить 1000 рублей, тогда как термопара типа R будет стоить 20 000 рублей! Почти в двадцать раз больше. Почему это? Что ж, это просто сводится к материалам, термодатчик типа R сделан из платины и платиновых / родиевых проводников. Редкоземельные материалы намного дороже, чем проводники из никеля, хрома и меди.

Если у вас есть чертеж термопары и вы хотите узнать цену

Термопара типа K

Безусловно, наиболее распространенным типом используемых сегодня термопар является тип К. Он обладает действительно хорошим набором функций, которые делают его пригодным для самого широкого диапазона сфер применений.

Материалы

Проводники термопары изготовлены из сплавов на основе никеля (никель-хром и никель-алюминий), что делает проводники любого кабеля чрезвычайно прочными. Никель также способствует широкому диапазону рабочих температур от 0 до 1100 ° C непрерывно и от -180 ° C до + 1300 ° C на короткие периоды. Обратите внимание, что эти диапазоны температур также сильно зависят от конструкции датчика.

Сварка и пайка

Проводники термопары идеально подходят для сварки и пайки серебром. Это позволяет таким производителям, как мы, склеивать спаи термопар с другими компонентами высокотемпературным соединением (а не клеем). Это может быть простая шайба, но также может быть крепление с помощью приварной подушки или болта.

Класс точности 1 для типа K составляет ± 1,5 ° C в диапазоне от -40 до + 375 ° C. Кроме того, допуск 0,4% от измеренного значения. Класс 2 – это более широкий допуск, чем этот, и обычно не используется.

Разнообразие конструкций

Термопары типа K используются практически везде, где измеряемая температура находится в допустимом диапазоне. Компания Термоэлемент производит термопары типа K в различных конструкциях, включая типы шайб для измерения поверхности, портативные конструкции для измерения пищевых продуктов, конструкции с небольшой оболочкой для использования в упаковочных машинах и конструкции с керамической оболочкой для использования в процессах с высокотемпературными печами.

Термопара (ТХА)– устройство по измерению температуры.

Вообще температуру можно измерять двумя способами: контактным и бесконтактным. ТХА относятся к контактным измерительным устройствам. Принципы их работы основаны на эффекте Зеебека. Основными преимуществами считаются высокоточность измерения большого диапазона температур и надежность.

Термопары делятся на разные группы зависимо от своего состава, а также от точности измерительных данных.

Томас Зеебек и термоэлектрический эффект

Предположим, вы воткнете железный пруток в огонь. Вы поймете, что нужно отпустить его довольно быстро, потому что тепло будет подниматься по металлу от огня к вашим пальцам. Но знаете ли вы, что электричество тоже идет по нагретому прутку? Первым, кто правильно подхватил эту идею, был немецкий физик Томас Зеебек (1770–1831), который обнаружил, что если два конца металла будут иметь разную температуру, через них будет протекать электрический ток. Это один из способов обозначить то, что сейчас известно как эффект Зеебека или термоэлектрический эффект. По мере дальнейшего исследования Зеебек обнаружил, что все еще интереснее. Если он соединял два конца металла вместе, ток не протекал; аналогично, если два конца металла имели одинаковую температуру, ток не протекал.

Основная идея термопары: два разнородных металла (серые кривые) соединены на двух концах. Если один конец термопары поместить на что-то горячее (горячий спай), а другой конец на что-то холодное (холодный спай), возникает напряжение (разность потенциалов). Вы можете измерить его, поместив вольтметр (V) через два соединения.

Зеебек повторил эксперимент с другими металлами, а затем попытался использовать вместе два разных металла. Теперь, если способ протекания электричества или тепла через металл зависит от внутренней структуры материала, вы, вероятно, можете увидеть, что два разных металла будут производить разное количество электричества, когда они нагреваются до одной температуры. Так что, если вы возьмете полосу одинаковой длины из двух разных металлов и соедините их вместе двумя концами, чтобы получилась петля. Затем окуните один конец (одно из двух стыков) во что-нибудь горячее (например, стакан с кипящей водой), а другой конец (другой стык) во что-то холодное. Тогда вы обнаружите, что электрический ток течет через петлю (которая фактически представляет собой электрическую цепь), и величина этого тока напрямую связана с разницей в температуре между двумя переходами.

Ключевой момент, который следует помнить об эффекте Зеебека, заключается в том, что величина создаваемого напряжения или тока зависит только от типа металла (или металлов), а также от разницы температур. Для создания эффекта Зеебека не нужно соединение между разными металлами: только разница температур. Однако на практике в термопарах используются металлические переходы.

Технологические особенностии разновидности термопар

Сварка проводов термопары, изготовленных из разных ме­таллов, выполняется таким образом, чтобы получилось не­большое по размеру соединение – спай. Провода можно просто скрутить, однако такое соединение ненадёжно и имеет большой уровень шумов. Сварку металлов иногда заменяют пайкой, но верхняя граница диапазона измерений такой термопары ограничена температурой плавления припоя. Термо­пары, изготовленные сваркой, выдерживают более высокую температуру, однако химический состав термопары и структура металла в процессе сварки могут нарушаться, что приводит к увеличению разброса градуировочных характеристик.

Под действием высокой температуры в процессе эксплуатации может произойти уход характеристики термопары от номинального вида вследствие окисления и диффузии компонентов окружающей среды в металл, а также изменения структуры материала. В таких случаях термопару следует откалибровать заново или заменить.

При высоких температурах сопротивление материала изоляции термопары уменьшается и токи утечки через изоляцию могут вносить погрешность в результат измерения. Погреш­ность возрастает также при попадании жидкости внутрь термопары, вследствие чего возникает гальванический эффект.

Практические соображения

Далее приведены полезные советы, которые следует учитывать при измерении температуры с помощью термопар.

• Всегда проверяйте спецификации производителей термопар на соответствие стандартам, указанным температурным диапазонам и взаимозаменяемости.
• Следует изучить воспроизводимость и взаимозаменяемость между марками термопар. Нужно избегать ошибок, возникающих из-за замены термопары.
• Чтобы избежать возникновения контуров заземления, используйте изолированные модули формирования сигнала.
• Всегда используйте модули формирования сигнала термопары с соответствующей входной фильтрацией. Это поможет избежать серьёзных шумовых ошибок.
• Все провода термопары, подключённые к сенсорному модулю, должны иметь одинаковую температуру. Разъёмы модуля не должны иметь температурных градиентов между отдельными соединениями.
• Поведение термопары зависит от молекулярной структуры материалов. Условия окружающей среды, такие как механические деформации, химическая коррозия, радиация и т.д., которые влияют на молекулярную структуру в любом месте по длине провода термопары, могут привносить ошибки. Например, термопары с железом в их составе подвержены ржавлению, что может привести к ошибкам.
• Используйте удлинительные провода для витой пары и модули формирования сигнала с соответствующей фильтрацией, чтобы избежать ошибок EMI (Electromagnetic Interference – электромагнитные помехи) и RFI (Radio Frequency Interference – радиочастотные помехи).
• Делайте соединительные провода термопары по возможности короткими.
• Если необходимы длинные провода термопары, используйте удлинители, рекомендованные производителем.
• Всегда соблюдайте полярность цветового кода: некоторые европейские производители, в отличие от североамериканских, используют противоположные цвета для маркировки положительной и отрицательной полярности.
• Избегайте тепловых помех при установке термопар. Любой теплопроводящий материал, например массивные свинцовые провода, может отводить тепло от термопары, создавая ошибку.
• Агрессивные среды в сочетании с влагой и теплом могут вызвать коррозию, которая способна стимулировать гальваническое воздействие и создавать электрохимические ошибки напряжения.
• Напомним, что на время отклика термопары существенно влияет время отклика контура измерения температуры. Например, установленные в термальном колодце термопары имеют медленное время отклика, что может вызвать нежелательное рассогласование в контуре управления.
• Некоторые термопары доступны в конструктивах с соединением с корпусом. Это заземлённые термопары, которые могут вызвать проблемы с контуром заземления. Рассматривайте использование изолированных модулей, чтобы избежать таких проблем.
• Убедитесь, что в модулях формирования сигнала с электронными методами CJC используются чувствительные к температуре устройства, у которых время теплового отклика равно времени измерения используемых термопар.

Как работает термопара?

Термопара – это тип датчика, используемый для измерения температуры. Термопары используют эффект Зеебека, открытый Томасом Иоганном Зеебеком в начале 1800-х годов. Он смог доказать, что если два разнородных электрических проводника имеют разность температур между ними, то возникает разница напряжений.

Математическая модель термопары

Для каждого типа термопар были разработаны стандартные математические модели в виде степенны́х рядов. Эти модели используют уникальные наборы коэффициентов, различных для разных температурных сегментов и типов термопар. Если не указано иное, все стандартные модели и таблицы термопар имеют привязку к 0°C. Формула (6) иллюстрирует модель степенно́го ряда, используемую для описания всех термопар, кроме типа K, модель которой иллюстрируется формулой (8).

где T – температура, °C.

Но когда известно только измеренное напряжение термопары VTC, эти уравнения с различными наборами коэффициентов трудно использовать для непосредственного определения фактических температур, поэтому были разработаны обратные модели для определения температуры по измеренным напряжениям термопары. Уравнение (7) представляет обратную модель:

где VTC – напряжение в мВ.

Как было сказано, для термопар типа K требуется другая математическая модель, представленная формулой (8):

Экспоненциальная часть формулы (8) добавлена для описания особых эффектов, возникающих в термопарах типа K, где A0, A1, A2 – справочные полиномиальные коэффициенты.

Принцип измерения температуры термопарой.

Принцип работы на основе термоэлектрического эффекта состоит в следующем:

Если соединить два электрода из разных по роду сплавов так, чтобы образовалась замкнутая цепь и воздействовать на спаи разной температурой, то в самой цепи будет проходить постоянный ток.

Электрод, по которому ток проходит от горячего спая к холодному считается положительным, а от холодного к горячему – отрицательным. В названиях термопар на первом месте обозначается положительный электрод.

Определив температурные значения одного из спаев, и измерив, ток либо напряжение цепи, можно узнать температуру второго спая.

Устройство термопары

2 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.

Конструкции термопар

ТХА имеют следующие конструктивные особенности:

Концы двух электродов соединяют в одной точке. Соединение производят электродуговой сваркой, при этом электроды изначально скручивают между собой. Электроды, состоящие из тугоплавкого металла, зачастую скручивают без сварки. Они должны соединяться лишь в рабочем спае. Вся остальная длинна, должна быть заизолированной.

Метод изолирования термоэлектродов зависит от максимальных значений температурного предела, при котором будет применена термопара. Если эти температуры не превышают 120 градусов, то в качестве изолятора может быть любой подходящий для этого материал. При значениях до 1300 градусов температуры изолятор изготавливают из фарфоровых трубочек или бусинок. При сверхвысоких температурах изолятор применяют из окисей алюминия, магния, бериллия, либо двуокисей тория, циркония.

Зависимо от рабочей среды в конструкцию термопары может входить защитная наружная трубка-чехол с закрытым окончанием. Трубка может состоять из металла, керамики либо металлокерамики. Чехол должен улучшать механические свойства ТХА, снимать механическое напряжение, обеспечивать защиту от попадания влаги, а иногда и герметичность. Материал, из которого выполнена трубка, должен сохранять свои свойства в условиях повышенных температур, а также обладать высокой химической стойкостью. Защитный чехол не должен быть чувствительным к резким температурным перепадам.

Ещё немного о модулях Dataforth SCM5B

Dataforth предлагает полную линейку модулей для всех типов термопар. Эти модули обеспечивают отличную изоляцию, превосходную точность и линейность. На рис. 11 показана функциональная блок-схема модуля изолированной линеаризованной термопары Dataforth SCM5B47. Каждый входной модуль термопары SCM5B47 имеет один канал ввода термопары, который фильтруется, изолируется, усиливается, линеаризуется и преобразуется в аналоговый выход высокого напряжения. Этот выход напряжения управляется логическим переключателем, что позволяет модулям использовать общую аналоговую шину без необходимости применения внешних мультиплексоров.

Условное обозначение: NC – свободный вывод.

Фильтрация сигнала осуществляется с помощью шестиполюсного фильтра, который обеспечивает подавление помех в нормальном режиме на уровне 95 дБ при 60 Гц и на уровне 90 дБ при 50 Гц. Два полюса этого фильтра находятся на полевой стороне изолирующего барьера, а остальные четыре – на стороне компьютера. После начальной фильтрации на полевой стороне входной сигнал развязывается от выхода запатентованной цепью. Изоляция обеспечивается с помощью трансформаторной развязки, с использованием запатентованной технологии подавления передачи синфазных пиков и скачков напряжения. Модуль питается от +5 В постоянного тока ±5%. Специальная входная цепь модулей SCM5B47 обеспечивает защиту от случайного подключения напряжений линии питания до 240 В переменного тока.

Какая связь между электричеством и теплом?

Вы заметили, что, когда мы говорим о проводимости в физике, мы можем иметь в виду две вещи? Иногда мы имеем в виду тепло, а иногда – электричество. Металл, такой как железо или золото, действительно хорошо проводит тепло и электричество; такой материал, как пластик, не очень хорошо проводит ни одно из них.

Между тем, как металл проводит тепло, и тем, как он проводит электричество, существует прямая связь.

Электрический ток проходит через металлы крошечными заряженными частицами внутри атомов, называемыми электронами. Когда электроны «маршируют» через материал, они уносят с собой электричество, как муравьи, несущие листья. Если электроны могут переносить электрическую энергию через металл, они также могут переносить тепловую энергию – и поэтому металлы, которые хорошо проводят электричество, также являются хорошими проводниками тепла. (Однако с неметаллами все не так просто, потому что тепло проходит через них другими, более сложными способами. Но для понимания термопар нам нужно учитывать только металлы.)

Линеаризация

Для точных измерений при помощи термопары необходимы модули формирования сигнала с линейно масштабируемыми выходами. Выходные напряжения модуля, которые имеют линейные масштабные коэффициенты в вольтах или амперах на °C, устраняют необходимость в применении справочных таблиц или в дополнительной обработке. Такие модули преобразования сигналов термопары, включая изоляцию и CJC, доступны в номенклатуре изделий Dataforth.

На рис. 4 и 5 показаны зависимости между напряжением и температурой для наиболее распространённых термопар. Эти кривые представлены здесь для визуальной оценки стандартных рабочих диапазонов термопар, величин выходных напряжений, нелинейности и чувствительности (мВ/°C). Хотя диапазоны рабочих температур, в которых могут использоваться термопары, довольно велики, их чувствительность мала и находится в диапазоне мкВ/°C. Кроме того, из рис. 4 видно, что при отрицательных температурах отклик термопары очень нелинейный, однако эти кривые выглядят почти линейными для определённых диапазонов положительных температур. Тем не менее факт остаётся фактом: термопары являются нелинейными.

Чувствительность термопары типа J составляет примерно 54 мкВ/°C. Из рис. 7 видно, что игнорирование нелинейности в отклике для термопар типа J может привести почти к двум градусам погрешности.

Итак, для обеспечения точных измерений температуры с помощью термопар становится очевидной необходимость линеаризации. Компания Dataforth разработала и запатентовала схемы, которые обеспечивают точную линеаризацию для модулей преобразования сигналов. Хотя современные ПК или другие встраиваемые микропроцессоры могут линеаризовать сигнал термопары с помощью программных методов, аппаратная линеаризация обеспечивает более быстрые результаты и не потребляет ценные компьютерные ресурсы.

Для достижения линейности коэффициент усиления G на рис. 6 и в формуле (12) внутренне запрограммирован для выборочного масштабирования функции напряжения S × (Tx – Tice) таким образом, чтобы она стала линейной.

Многие датчики, используемые в промышленности, демонстрируют отклонение от идеальной (линейной) связи между входом и выходом. Датчики или сигналы, имеющие такое поведение, называются нелинейными. Гипотетическая нелинейная передаточная функция показана на рис. 8. Некоторые из модулей серии SCM5B (рис. 9) имеют возможность формирования нелинейной передаточной функции средствами самого модуля.

Эта функция нелинейного преобразования настраивается на заводе и предназначена для зеркальной компенсации равных и противоположных по значению нелинейностей характеристик датчика. В результате выходной сигнал модуля является линейным по отношению к данному входному значению температуры. Выходной сигнал SCM5B, линеаризованный аппаратными средствами, удобен для клиента, поскольку устраняет необходимость в программной компенсации, создающей линеаризованный сигнал с помощью полиномов высокого порядка или справочных таблиц. Для исправления нелинейности сигнала в модулях SCM5B используется аппаратная техника кусочно-линейной аппроксимации. Разница между нелинейностью датчика и результатом линеаризации, обеспечиваемой модулем SCM5B, называется ошибкой соответствия. Этот параметр является мерой того, насколько хорошо техника линеаризации соответствует нелинейной кривой. Точки перегиба расположены вдоль кривой так, чтобы выровнять ошибки положительного и отрицательного несоответствия. Для исправления нелинейности модули SCM5B используют 9 точек перегиба (кривая разбивается на 10 сегментов), что позволяет добиться типичного соответствия в пределах ±0,015% во всем диапазоне. Нормализованный график нелинейности датчика и аппаратной линеаризации показан на рис. 10.

Линеаризация сигнала гарантируется в пределах заявленного минимума и максимума входного сигнала. Для любого значения в этих пределах выход модуля будет линейным, но если входной сигнал превышает минимальное или максимальное значение, линейность выходного сигнала модуля не гарантируется. Это также показано на рис. 10. По этой причине работа модуля SCM5B за пределами указанного входа не рекомендуется.

Погрешность измерений

Основная проблема построения измерительного канала на базе термопары связана с её малым выходным напряжением (около 50 мкВ на градус), которое гораздо меньше помех, наводимых на элементах измерительной цепи в обычных условиях. Поэтому очень важно правильно выполнить экранирование и заземление проводов, идущих от термопары к модулю ввода. Модуль ввода желательно помещать по возможности ближе к термопаре, чтобы снизить длину проводов, по которым передаётся аналоговый сигнал. Для снижения уровня помех с частотой 50 Гц в модулях ввода используют режекторный фильтр (фильтр, не пропускающий колебания одной частоты – частоты режекции и пропускающий колебания других частот). Например, в модулях NL-8TI подавление помехи нормального вида (источник помехи включён последовательно с источником сигнала) с частотой 50 Гц составляет 120 дБ, помехи общего вида (источник помехи включён между закороченными входами и землей) – 140 дБ.

Важным достоинством термопар является очень низкое внутреннее сопротивление, что делает их практически нечувствительными к ёмкостным наводкам.

Точность термопары зависит от химического состава материала. Внешние факторы, такие как давление, коррозия, радиация, могут изменить кристаллическую структуру или химический состав материала, что приводит к росту погрешности измерений.

Погрешность измерений с помощью термопар складывается из следующих составляющих:

• случайная погрешность, вызванная технологическим разбросом характеристик термопары (зависит от чистоты материалов и точности их процентного содержания в материалах электродов, табл. 1);
• случайная погрешность измерения температуры холодного спая;
• погрешность, вызванная постепенной деградацией характеристик при высокой температуре;
• систематическая погрешность компенсации нелинейности (погрешность линеаризации) характеристики преобразования температуры в напряжение;
• систематическая погрешность термического шунтирования, связанная с теплоёмкостью датчика;
• динамическая погрешность;
• погрешность, вызванная внешними помехами;
• погрешность аналого-цифрового канала.

Погрешность измерения температуры холодного спая, погрешность линеаризации, погрешность аналого-цифрового канала и динамическая погрешность относятся к инструментальным погрешностям и указываются в паспорте на модуль ввода. Другие погрешности необходимо учитывать отдельно, в зависимости от типа использованных термопар, электромагнитной обстановки, характеристик объекта измерения и т.п. ●

Принципы измерения температуры термопарами

Понимание принципа действия термопары крайне важно для её корректного применения. Термопара представляет собой два провода из различных металлов, соединённых на одном конце (рабочий конец, горячий спай). Вторые концы термопары (свободные концы, холодный спай) соединены со средством измерения напряжения с помощью проводов из металла одного типа, например меди.

Между двумя несоединёнными выводами термопары возникает эдс Vx (рис. 1 а), величина которой зависит от температуры горячего спая T:

Vx = E(T), (1)

где E – функция, которая раскрывается в формуле (3).

Для случая, когда температура холодного спая не равна нулю (Tcj ≠ 0), свободные концы являются источником эдс Vcj, величина которой также зависит от температуры: Vcj = E(Tcj). Поэтому напряжение на входе измерителя напряжения термопары будет равно (рис. 1 б)

Vx = E(T) – E(Tcj). (2)

Обратим внимание, что для вычисления значений напряжения как холодного, так и горячего спая используется одна и та же градуировочная таблица (полином). Это становится возможным благодаря правилу промежуточных проводов, согласно которому, если контакт двух металлов реализован через промежуточный металл (например, константан и железо соединены через медь, как на рис. 1), то промежуточный металл не влияет на результирующую эдс, если его концы имеют одинаковую температуру. Таким образом, свободные концы термопары, соединённые с измерителем напряжения медными проводами (рис. 1 а), можно рассматривать как второй контакт между константаном и железом.

Измерение температуры с помощью термопары выполняется косвенным методом: сначала измеряются напряжение Vx между свободными концами термопары и их температура Tcj. Затем путём решения уравнения (2) относительно T находится измеряемая температура. Чтобы исключить необходимость решения нелинейного уравнения (2), обычно используется табулированная функция, обратная V = E(T), то есть T = E–1(V), приведённая в ГОСТ Р 8.585-2001. Описанная процедура называется компенсацией температуры холодного спая.

В модулях ввода сигналов термопар указанные нелинейные зависимости обычно хранятся в ПЗУ микропроцессора, и необходимые вычисления выполняются автоматически. Пользователю нужно только задать тип термопары (в табл. 1 приведены типы термопар, их обозначения, классы допуска и допустимые отклонения от номинальной статической характеристики преобразования) и подключить её к модулю ввода. Температура свободных концов (холодного спая) измеряется встроенным в модуль датчиком температуры (рис. 1 б), в качестве которого чаще всего используется терморезистор.

Очень важно обеспечить хороший тепловой контакт между свободными концами термопары и датчиком их температуры. С этой целью для точных измерений используют медную или алюминиевую пластину, к которой через диэлектрическую прокладку прикрепляются свободные концы термопары и датчик температуры. Конструкция выполняется таким образом, чтобы были обеспечены не только хороший тепловой контакт пластины с датчиком и термопарными проводами, но и изотермичность поверхности.

Для подключения термопары к модулю ввода применяют специальные термопарные провода, выполненные из того же материала, что и сама термопара. В принципе здесь можно использовать и обычные медные провода, однако в этом случае необходим выносной датчик температуры холодного спая, который должен измерять температуру в месте контакта термопары с медными проводами.

Обратная зависимость описывается аналогичным выражением:

Погрешность такой аппроксимации составляет от ±0,02 до ±0,05°С.

Благодаря стандартизации допусков и номинальных характеристик преобразования термопары являются взаимозаменяемыми без дополнительной подстройки.

Измерение температуры с помощью термопары

Если вы измеряете несколько известных температур с помощью этого устройства с металлическим спаем, вы можете выяснить формулу – математическое соотношение, – которое связывает ток и температуру. Это называется калибровкой: это как разметка шкалы на термометре. После калибровки у вас есть инструмент, который можно использовать для измерения температуры всего, что вам нравится.

Просто поместите один из металлических концов в ванну со льдом (или что-нибудь еще с точно известной температурой). Поместите другой металлический стык на предмет, температуру которого вы хотите узнать. Теперь измерьте происходящее изменение напряжения и, используя формулу, которую вы вычислили ранее, вы можете точно рассчитать температуру вашего объекта. Гениально! У нас есть пара металлов, которые соединены для измерения тепла (что по-гречески называлось «термос»). Вот почему это называется термопарой.

Что такое термопары на практике?

Для различных применений доступен широкий спектр различных термопар на основе металлов с высокой проводимостью, таких как железо, никель, медь, хром, алюминий, платина, родий и их сплавы . Иногда конкретная термопара выбирается исключительно потому, что она точно работает в определенном диапазоне температур, но условия, в которых она работает, также могут влиять на выбор (например, материалы в термопаре могут быть немагнитными , некоррозионными или стойкими к атакам. отдельными химическими веществами).

Как работают термопары

Так как же работает термопара? Генерируемые напряжения чрезвычайно малы, обычно всего несколько микровольт на градус разницы температур. Благодаря разработке конкретных комбинаций сплавов и проводов, эти напряжения были настроены в соответствии с потребностями промышленного оборудования, чтобы максимально увеличить изменение напряжения на градус изменения температуры, а также обеспечить максимально возможную линейность.

В промышленном оборудовании зонд или датчик термопары будет иметь спай термопары. Это чувствительная к температуре часть устройства, и ее следует разместить в том месте, где вы хотите измерить температуру. Этот переход может быть встроен в различные конструкции, позволяющие измерять температуру полутвердого вещества, жидкости, газа или поверхности. Зонд термопары обычно имеет кабель, который либо подключен напрямую, либо присоединен разъемом к электронному прибору, который затем преобразует выходное напряжение термопары в значение температуры.

Термопары – это надежные датчики, хорошо известные своей универсальностью и пригодностью для широкого спектра применений. Благодаря простоте конструкции, когда два провода соединяются вместе, термопары подходят для процессов, в которых присутствуют удары и вибрация. Они также способны выдерживать очень широкий диапазон температур. В зависимости от типа и конструкции термопары диапазон может составлять от -200 ° C до более 2000 ° C.

Универсальность термопар еще больше расширяется за счет способности производителей термопар, таких как мы, создавать очень широкий диапазон типов моделей, подходящих практически для любого применения. Они могут быть установлены в очень маленьких корпусах для контроля подшипников и других процессов быстрого реагирования; монтируется в переносные зонды для пищевой промышленности; встроены в корпуса высокого давления для рынка экструзии пластмасс и сделаны из керамических компонентов для термообработки и печной промышленности. Термопары являются наиболее многочисленными из всех датчиков температуры, используемых сегодня, благодаря их гибкости, устойчивости и относительно низкой стоимости.

Как термопара измеряет температуру?

Два разнородных металла соединены на обоих концах в электрическую цепь. Один «переход» – это измерительный переход или «горячий конец». Другой – это холодный спай или «холодный конец». В один из проводов включен чувствительный вольтметр.

В лабораторных условиях эталонный спай должен поддерживаться при известной температуре, обычно 0 ° C, но в обычной промышленной практике спай остается при температуре окружающей среды, и для компенсации этого изменения используется внешний датчик (известный как компенсация холодного спая, обычно бусинка термистора используется для измерения температуры окружающей среды).

Проще говоря, когда температура повышается или понижается на измерительном переходе, в цепи генерируется напряжение, которое напрямую коррелирует с температурой и может быть легко преобразовано с помощью соответствующих таблиц.

Заинтересованы в термопаре для вашего оборудования?

Свяжитесь с нами по телефону +7 495 145-24-23 для дальнейшего обсуждения или в качестве альтернативы нажмите кнопку ниже и заполните нашу контактную форму.

Разделение ТХА по конструктивному исполнению

Зависимо от условий эксплуатации и назначения термопары бывают погружаемыми и поверхностными.

В их конструкцию может входить или не входить защитный чехол. В свою очередь трубка-чехол может быть:

• Стальной и выдерживать температурную нагрузку до 600 0С;
• Состоять из жаростойкого материала и выдерживать до 11000С;
• Фарфоровой – до 13000С;
• Тугоплавкой – до 20000С.

Зависимо от конструкции креплений могут быть с наличием:

• Неподвижного штуцера;
• Подвижного штуцера;
• Подвижного фланца.

Тип защиты выводов от внешней среды:

• Обыкновенная головка;
• Водозащищенная головка;
• Специальная заделка выводных концов (без головки).

ТХА зависимо от сферы применения могут иметь специальную защиту от агрессивного воздействия. Незащищенные устройства обычно используют, когда окружающая среда не наносит никакого вреда электродам.

Герметичное выполнение термопары необходимо при эксплуатации измерителя в условиях перепадов давления и температуры.

По устойчивости к механическим воздействиям:

• Виброустойчивая конструкция;
• Ударопрочная;
• Обычная.

По числу зон контроля температуры:

• Однозонные;
• Многозонные.

По степени тепловой инерции:

• С высокой инерционностью – до 3,5 минут;
• Со средними значениями инерционности – до 60 секунд;
• Малоинерционные – до 40 секунд;
• Ненормированные.

Рабочая часть ТХА может быть произведена в разной длине: начиная от 120 мм. Максимальная длина однозонной термопары составляет 1580 мм, многозонной – 20000 мм.

Как проверить термопару

Термопары – очень простые устройства, но знание того, что они работают правильно, иногда может немного сбивать с толку, особенно если датчик термопары дает неправильные показания. Вот несколько советов, как убедиться, что ваша термопара работает правильно.

Лучшим инструментом для использования является термометр с термопарой, поскольку он даст вам измерение температуры, а не напряжение, которое будет значить гораздо меньше.

Важно, чтобы любые испытания проводились на термопаре, не измеряющей окружающую среду. Если нет разницы температур от одного конца датчика до другого, то сигнал равен нулю, что делает любое тестирование неэффективным. Важно повысить температуру измерительного наконечника.

Если датчик работает правильно, измерение температуры будет точным представлением измеряемого объекта. Вы также должны заметить быструю реакцию датчика на любое изменение температуры.

Есть два основных типа отказа. Первый – размыкание цепи термопары. Другими словами, в одном или обоих проводниках термопары возникает разрыв. Весьма вероятно, что на вашем приборе будет отображаться OL или что-то подобное для обозначения этой разомкнутой цепи.

Второй способ отказа более тонкий и может потребовать тщательного исследования, чтобы найти неисправность. Здесь происходит разрыв изоляции между двумя проводниками, возможно, из-за перегрева или чрезмерного изгиба. Это вызывает короткое замыкание в этой точке. Проблема в том, что термометр термопары будет продолжать показывать измерения, но теперь они не будут точными. Время отклика также может быть очень медленным или вообще отсутствовать. Причина этого в том, что короткое замыкание теперь действует как спай термопары, и температура измеряется в этой точке, а не на наконечнике. Нагрев короткого замыкания, если вы можете его найти, покажет нормальную реакцию.

В обоих вышеуказанных случаях весьма вероятно, что термопары неисправны и нуждаются в замене. Свяжитесь с нами, чтобы получить предложение по замене неисправных датчиков термопар.

6 Подведение итогов

Точность показания температур безусловно выше у терморезисторых датчиков, однако термопары могут похвастаться большим диапазоном измерения. Материал, из которого сделан терморезистор, со временем деградирует, тогда как термопары живут гораздо дольше. Методы определения температур у датчиков отличаются. Для каждого типа нужен свой прибор или контроллер, позволяющий контролировать показания.Главным критерием выбора можно считать диапазон измерения. Если температура превышает порог в 300 градусов, следует применять термопару. В противном случае нет смысла переплачивать, можно обойтись недорогими термосопротивлениями, поскольку термопара стоит на порядок дороже.

• https://ElectroInfo.net/teorija/chto-takoe-termopara-ob-ustrojstve-prostymi-slovami.html
• https://seknsk.ru/montazh-i-provodka/termopara-princip-raboty.html
• https://uron-bot.ru/sistemy-otopleniya/princip-raboty-termopary-2.html
• https://odinelectric.ru/kipia/chto-takoe-termopara
• https://www.asutpp.ru/termopary.html
• https://electro-nagrev.ru/primenenie/promyshlennyy-nagrev/termopary-ustroystvo-i-princip-raboty-prostim-yazikom/
• https://OmShantiDom.ru/sistemy/konstrukciya-termopary.html
• https://principraboty.ru/termopara-princip-raboty/
• https://osensorax.ru/klimat/termopara-eto
• https://StoneTechnology.ru/sistemy/kak-vyglyadit-termopara.html
• https://stroim-dom-2013.ru/termopary-princip-dejstviya-raznovidnosti-i-pomoshh-v-vybore/

4 Рекомендации по эксплуатации

Точность и целостность системы измерений на основе термопарного датчика может быть увеличена, если соблюдать определенные условия. Не допускать вибраций и механических натяжений термопарных проводников. При применении миниатюрной термопары из тонкой проволоки. Необходимо применять ее только в контролируемом месте, а за этим местом следует применять удлинительные проводники. Рекомендуется применять проволоку большого диаметра, не изменяющую температуру измеряемого объекта. Использовать термодатчик только в интервале рабочих температур.

Таблица – Градуировка и проверка термопар.

Избегать резких перепадов температуры по длине термодатчика. При работе с длинными термодатчиками и удлинительными проводниками, необходимо соединить экран вольтметра с экраном провода. Для вспомогательного контроля и температурной диагностики используют специальные температурные датчики с 4-мя термоэлектродами, позволяющими выполнять вспомогательные температурные измерения, сопротивления, напряжения, помех для проверки надежности и целостности термопар.

Проводить электронную запись событий и постоянно контролировать величину сопротивления термоэлектродов. Применять удлиняющие проводники в рабочем интервале и при наименьших перепадах температур. Применять качественный защитный чехол для защиты термопарных проводников от вредных условий.

https://youtube.com/watch?v=Gv1IHc1B8Mc%3Ffeature%3Doembed