Термоэлектрический термометр

Термоэлектрический термометр

Термоэлектрические термометры имеют стабильную характеристику: величина тер-мо — ЭДС, развиваемой ими, стандартизована, что делает термоэлектрические термометры взаимозаменяемыми.

Принципиальные схемы потенциометра.

Термоэлектрический термометр Т, термо — ЭДС которого необходимо измерить, через нуль-прибор НП присоединяют к началу сопротивления RP в точке а и к контакту с, который может передвигаться по сопротивлению RP.

Пример монтажа поверхностного термоэлектрического термометра. а — установка термоэлектрического термометра, б — конструкция прижима. / — прижим, 2 — трубопровод ( или металлическая стенка аппарата, 3 — тепловая изоляция, 4 — легко-снимаемый слой тепловой изоляции, 5 — термоэлектрический термометр, 6 — колодка.

Термоэлектрические термометры для контроля температуры поверхности трубопроводов или оборудования устанавливают так, чтобы их рабочие части плотно прилегали к контролируемой поверхности.

Пример монтажа поверхностного термоэлектрического термометра. а — установка термоэлектрического термометра, б — конструкция прижима. / — прижим, 2 — трубопровод ( или металлическая стенка аппарата, 3 — тепловая изоляция, 4 — легко-снимаемый слой тепловой изоляции, 5 — термоэлектрический термометр, 6 — колодка.

Термоэлектрические термометры для контроля температуры внутри трубопроводов или оборудования погружают рабочим концом в эти трубопроводы или оборудование. При наклонной установке на трубопроводе рабочий конец погружаемого термоэлектрического термометра должен быть направлен навстречу потоку и находиться в центре его. На рис. 184 показана установка термоэлектрического термометра в кирпичной кладке и на трубопроводе высокого давления. В последнем случае применяют малоинерционные термоэлектрические термометры, рабочий конец которых внутри приваривают к дну защитного чехла или оголяют.

Термоэлектрические термометры включают термоэлектрический преобразователь ( термопару), действие которого основано на использовании зависимости термоэлектродвижущей силы от температуры.

Термоэлектрический термометр, состоящий из двух спаянных и изолированных по длине термоэлектродов, защитного чехла и головки с зажимами для подключения соединительной линии, является первичным измерительным преобразователем.

Термоэлектрические термометры и вторичные к ним приборы ( милливольтметры и автоматические потенциометры) подвергаются обычно поверке в отдельности.

Термоэлектрические термометры состоят из термоэлектрического преобразователя ( термопары), действие которого основано на использовании зависимости термоэлектродвижущей силы ( ТЭДС) термопары от температуры его рабочего спая, если температура свободного спая постоянна, и вторичного прибора. При увеличении разности температур между рабочим и свободным спаями термопары величина ТЭДС возрастает.

Принцип действия термоэлектрического преобразователя.

Термоэлектрические термометры обладают тепловой инерцией, исчисляемой от долей минуты до нескольких, минут.

Термоэлектрические термометры с термопарами ( рис. 6.1, б) работают на основе использования явления изменения электрического потенциала Ех в спае двух разнородных металлов Т при перемене температур. Указывающим прибором термопар служит пирометрический милливольтметр или автоматический потенциометр. Платинородий-платиновые термопары ТПП градуировки ПП-1 обеспечивают длительные измерения температур до 1300 С и кратковременные до 1600 С, а платинородий-платинородие-вые типа ТПР — соответственно до 1600 и 1800 С. Хромель-алю-мелевые термопары ТХА градуировки ХА служат для измерения длительных температур до 1000 С и кратковременных — до 1300 С.

Схема включения термометра сопротивления.

Правильный выбор — точные результаты

Ключевым моментом для успешного применения датчиков температуры является постановка основополагающих вопросов и подбор датчика, наиболее пригодного для поставленных задач и конкретных технологических процессов с учетом всех имеющихся данных. В качестве примера можно привести принятие решения об использовании датчика температуры на участке трубопровода с постоянно изменяющимися условиями при непрерывной вибрации и изменении температуры в диапазоне –200…+300 °C. Целью такого решения является достижение максимально возможной точности, несмотря на описанные непростые условия. Для указанного диапазона температур пригодны термодатчики обоих типов. Хорошо известно, что ТП обладают высокой стойкостью к вибрации, поэтому на первый взгляд может показаться, что ТП являются хорошим вариантом решения поставленной задачи. Тем не менее в данном конкретном случае требуется выполнение измерений с максимально возможной точностью. Правильным выбором для данной задачи будет использование тонкопленочных ТС. Известно, что тонкопленочные ТС отличаются более высокой стойкостью к вибрации по сравнению с проволочными и обеспечивают более высокую точность измерений по сравнению с термопарами.

Приведем еще один пример: измерение температуры в реакторе в диапазоне +550…+900 °C при низком уровне вибрации. Поставлена цель измерения температуры с точностью ±5 °C. ТС дают стабильно точные показания, особенно в условиях невысокой вибрации. Однако не стоит забывать о диапазоне температур. Как правило, ТС не следует использовать при температурах свыше +850 °C. Поскольку температура данного процесса обработки может подниматься до +900 °C, следует остановить свой выбор на ТП. Вероятность получения неверных показаний датчиков или их отказа повышается при их использовании в неподходящих диапазонах температур.

Принцип действия

Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Между соединёнными проводниками имеется контактная разность потенциалов; если стыки связанных в кольцо проводников находятся при одинаковой температуре, сумма таких разностей потенциалов равна нулю. Когда же стыки разнородных проводников находятся при разных температурах, разность потенциалов между ними зависит от разности температур. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными от нуля коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой T1{\displaystyle T_{1}}, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре T2{\displaystyle T_{2}}, которое будет пропорционально разности температур: T1−T2.{\displaystyle T_{1}-T_{2}.}

Способы подключения

Наиболее распространены два способа подключения термопары к измерительным преобразователям: простой и дифференциальный.
В первом случае измерительный преобразователь подключается напрямую к двум термоэлектродам. Во втором случае используются два проводника с разными коэффициентами термо-ЭДС, спаянные в двух концах, а измерительный преобразователь включается в разрыв одного из проводников.

Для дистанционного подключения термопар используются удлинительные или компенсационные провода. Удлинительные провода изготавливаются из того же материала, что и термоэлектроды, но могут иметь другой диаметр. Компенсационные провода используются в основном с термопарами из благородных металлов и имеют состав, отличный от состава термоэлектродов. Требования к проводам для подключения термопар установлены в стандарте МЭК 60584-3.
Следующие основные рекомендации позволяют повысить точность измерительной системы, включающей термопарный датчик:

— Миниатюрную термопару из очень тонкой проволоки следует подключать только с использованием удлинительных проводов большего диаметра;
— Не допускать по возможности механических натяжений и вибраций термопарной проволоки;
— При использовании длинных удлинительных проводов, во избежание наводок, следует соединить экран провода с экраном вольтметра и тщательно перекручивать провода;
— По возможности избегать резких температурных градиентов по длине термопары;
— Материал защитного чехла не должен загрязнять электроды термопары во всем рабочем диапазоне температур и должен обеспечить надежную защиту термопарной проволоки при работе во вредных условиях;
— Использовать удлинительные провода в их рабочем диапазоне и при минимальных градиентах температур;
— Для дополнительного контроля и диагностики измерений температуры применяют специальные термопары с четырьмя термоэлектродами, которые позволяют проводить дополнительные измерения сопротивления цепи для контроля целостности и надежности термопар.

Сравнение термопар

Таблица ниже описывает свойства нескольких различных типов термопар. В пределах колонок точности, T представляет температуру горячего спая, в градусах Цельсия. Например, термопара с точностью ±0,0025×T имела бы точность ±2,5 °C при 1000 °C.

Тип

термопары

Материал

положительного

электрода

Материал

отрицательного

электрода

Темп.

коэффициент,

μV/°C

Темп.

диапазон, °C

(длительно)

Темп.

диапазон,°C

(кратковременно)

Класс точности 1 (°C) Класс точности 2 (°C) IEC (МЭК)

Цветовая маркировка

K Хромель

Cr—Ni

Алюмель

Ni—Al

40…41 0 до +1100 −180 до +1300 ±1,5 от −40 °C до 375 °C±0,004×T от 375 °C до 1000 °C ±2,5 от −40 °C до 333 °C±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C Зелёный-белый
J Железо

Fe

Константан

Cu—Ni

55.2 0 до +700 −180 до +800 ±1,5 от −40 °C до 375 °C±0,004×T от 375 °C до 750 °C ±2,5 от −40 °C до 333 °C±0,T от 333 °C до 750 °C Чёрный-белый
N Нихросил

Ni—Cr—Si

Нисил

Ni—Si—Mg

0 до +1100 −270 до +1300 ±1,5 от −40 °C до 375 °C±0,004×T от 375 °C до 1000 °C ±2,5 от −40 °C до 333 °C±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C Сиреневый-белый
R Платинородий

Pt—Rh (13 % Rh)

Платина

Pt

0 до +1600 −50 до +1700 ±1,0 от 0 °C до 1100 °C± от 1100 °C до 1600 °C ±1,5 от 0 °C до 600 °C±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C Оранжевый-белый
S Платинородий

Pt—Rh (10 % Rh)

Платина

Pt

0 до 1600 −50 до +1750 ±1,0 от 0 °C до 1100 °C± от 1100 °C до 1600 °C ±1,5 от 0 °C до 600 °C±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C Оранжевый-белый
B Платинородий

Pt—Rh (30 % Rh)

Платинородий

Pt—Rh (6 % Rh)

+200 до +1700 0 до +1820 ±0,0025×T от 600 °C до 1700 °C Отсутствует
T Медь

Cu

Константан

Cu—Ni

−185 до +300 −250 до +400 ±0,5 от −40 °C до 125 °C±0,004×T от 125 °C до 350 °C ±1,0 от −40 °C до 133 °C±0,0075×T от 133 °C до 350 °C Коричневый-белый
E Хромель

Cr—Ni

Константан

Cu—Ni

68 0 до +800 −40 до +900 ±1,5 от −40 °C до 375 °C±0,004×T от 375 °C до 800 °C ±2,5 от −40 °C до 333 °C±0,0075×T от 333 °C до 900 °C Фиолетовый-белый

Типы термопар

Технические требования к термопарам определяются ГОСТ 6616-94. Стандартные таблицы для термоэлектрических термометров — номинальные статические характеристики преобразования (НСХ), классы допуска и диапазоны измерений приведены в стандарте МЭК 60584-1,2 и в ГОСТ Р 8.585-2001.

  • платинородий-платиновые — ТПП13 — Тип R
  • платинородий-платиновые — ТПП10 — Тип S
  • платинородий-платинородиевые — ТПР — Тип B
  • железо-константановые (железо-медьникелевые) ТЖК — Тип J
  • медь-константановые (медь-медьникелевые) ТМКн — Тип Т
  • нихросил-нисиловые (никельхромкремний-никелькремниевые) ТНН — Тип N.
  • хромель-алюмелевые — ТХА — Тип K
  • хромель-константановые ТХКн — Тип E
  • хромель-копелевые — ТХК — Тип L
  • медь-копелевые — ТМК — Тип М
  • сильх-силиновые — ТСС — Тип I
  • вольфрам и рений — вольфрамрениевые — ТВР — Тип А-1, А-2, А-3

Точный состав сплава термоэлектродов для термопар из неблагородных металлов в МЭК 60584-1 не приводится. НСХ для хромель-копелевых термопар ТХК и вольфрам-рениевых термопар определены только в ГОСТ Р 8.585-2001. В стандарте МЭК данные термопары отсутствуют. По этой причине характеристики импортных датчиков из этих металлов могут существенно отличаться от отечественных, например импортный Тип L и отечественный ТХК не взаимозаменяемы. При этом, как правило, импортное оборудование не рассчитано на отечественный стандарт.

В настоящее время стандарт МЭК 60584 пересматривается. Планируется введение в стандарт вольфрам-рениевых термопар типа А-1, НСХ для которых будет соответствовать российскому стандарту, и типа С по стандарту АСТМ.

В 2008 г. МЭК ввел два новых типа термопар: золото-платиновые и платино-палладиевые. Новый стандарт МЭК 62460 устанавливает стандартные таблицы для этих термопар из чистых металлов. Аналогичный Российский стандарт пока отсутствует.

Применение термопар

Для измерения температуры различных типов объектов и сред, а также в качестве датчика температуры в автоматизированных системах управления. Термопары из вольфрам-рениевого сплава являются самыми высокотемпературными контактными датчиками температуры. Такие термопары незаменимы в металлургии для контроля температуры расплавленных металлов.

Для контроля пламени и защиты от загазованности в газовых котлах и в других газовых приборах (например, бытовые газовые плиты). Ток термопары, нагреваемой пламенем горелки, удерживает в открытом состоянии газовый клапан. В случае пропадания пламени ток термопары снижается и клапан перекрывает подачу газа.

В 1920—1930-х годах термопары использовались для питания простейших радиоприемников и других слаботочных приборов. Вполне возможно использование термогенераторов для подзарядки АКБ современных слаботочных приборов (телефоны, камеры и т. п.) с использованием открытого огня.

Приёмник излучения

Крупный план термобатареи фотоприёмника. Каждый из проволочных уголков представляет собой термопару.

Исторически термопары представляют один из наиболее ранних термоэлектрических приёмников излучения. Упоминания об этом их применении относятся к началу 1830-х годов. В первых приёмниках использовались одиночные проволочные пары (медь — константан, висмут — сурьма), горячий спай находился в контакте с зачернённой золотой пластинкой. В более поздних конструкциях стали применяться полупроводники.

Термопары могут включаться последовательно, одна за другой, образуя термобатарею (англ.). Горячие спаи при этом располагают либо по периметру приёмной площадки, либо равномерно по её поверхности. В первом случае отдельные термопары лежат в одной плоскости, во втором параллельны друг другу.

Преимущества термопар

  • Высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01 °С).
  • Большой температурный диапазон измерения: от −250 °C до +2500 °C.
  • Простота.
  • Дешевизна.
  • Надёжность.

Недостатки

  • Для получения высокой точности измерения температуры (до ±0,01 °С) требуется индивидуальная градуировка термопары.
  • На показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового датчика и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.
  • Эффект Пельтье (в момент снятия показаний необходимо исключить протекание тока через термопару, так как ток, протекающий через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный).
  • Зависимость ТЭДС от температуры существенно нелинейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.
  • Возникновение термоэлектрической неоднородности в результате резких перепадов температур, механических напряжений, коррозии и химических процессов в проводниках приводит к изменению градуировочной характеристики и погрешностям до 5 К.
  • На большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.

Быстродействие измерения

Быстродействие обуславливается способностью первичного преобразователя быстро реагировать на скачки температуры и следующим за ними потоком входных сигналов измерительного прибора.

Факторы, увеличивающие быстродействие:

  1. Правильная установка и расчет длины первичного преобразователя;
  2. При использовании преобразователя с защитной гильзой необходимо уменьшить массу узла, подобрав меньший диаметр гильз;
  3. Сведение к минимуму воздушного зазора между первичным преобразователем и защитной гильзой;
  4. Использование подпружиненного первичного преобразователя и заполнения пустот в гильзе теплопроводящим наполнителем;
  5. Быстро движущаяся среда или среда с большей плотностью (жидкость).

Устройство термопары

Принцип работы термопары. Эффект Зеебека

Работа термопары обусловлена возникновением термоэлектрического эффекта, открытым немецким физиком Томасом Зеебеком (Tomas Seebeck) в 1821 г.

Явление основано на возникновении электричества в замкнутом электрическом контуре при воздействии определенной температуры окружающей среды. Электрический ток возникает при наличии разницы температур между двумя проводниками (термоэлектродами) различного состава (разнородных металлов или сплавов) и поддерживается сохранением места их контактов (спаев). Устройство выводит на экран подсоединенного вторичного прибора значение измеряемой температуры.

Выдаваемое напряжение и температура находятся в линейной зависимости. Это означает, что увеличение измеряемой температуры приводит к большему значению милливольт на свободных концах термопары.

Находящийся в точке измерения температуры спай называется «горячим», а место подключения проводов к преобразователю — «холодным».

Компенсация температуры холодного спая (КХС)

Компенсация холодного спая (КХС) – это компенсация, вносимая в виде поправки в итоговые показания при измерении температуры в точке подсоединения свободных концов термопары. Это связано с расхождениями между реальной температурой холодных концов с вычисленными показаниями градуировочной таблицы для температуры холодного спая при 0°С.

КХС является дифференциальным способом, при котором показания абсолютной температуры находятся из известного значения температуры холодного спая (другое название эталонный спай).

Конструкция термопары

При конструировании термопары учитывают влияние таких факторов, как «агрессивность» внешний среды, агрегатное состояние вещества, диапазон измеряемых температур и другие.

Особенности конструкции термопар:

1) Спаи проводников соединяются между собой скруткой или скруткой с дальнейшей электродуговой сваркой (редко пайкой).

2) Термоэлектроды должны быть электрически изолированы по всей длине, кроме точки соприкосновения.

3) Способ изоляции подбирается с учетом верхнего температурного предела.

  • До 100-120°С – любая изоляция;
  • До 1300°С – фарфоровые трубки или бусы;
  • До 1950°С – трубки из Al2O3;
  • Свыше 2000°С – трубки из MgO, BeO, ThO2, ZrO2.

4) Защитный чехол.

Материал должен быть термически и химически стойким, с хорошей теплопроводностью (металл, керамика). Использование чехла предотвращает коррозию в определенных средах.

Удлиняющие (компенсационные) провода

Данный вид проводов необходим для удлинения концов термопары до вторичного прибора или барьера. Провода не используются в случае наличия у термопары встроенного преобразователя с унифицированным выходным сигналом. Наиболее широкое применение получил нормирующий преобразователь, размещенный в стандартной клеммной головке датчика с унифицированным сигналом 4-20мА, так называемая «таблетка».

Материал проводов может совпадать с материалом термоэлектродов, но чаще всего заменяется на более дешевый с учетом условий, предотвращающих образования паразитных (наведенных) термо-ЭДС. Применение удлиняющих проводов также позволяет оптимизировать производство.

Литература

  • Термопара // Телецкое озеро — Трихофития. — М. : Советская энциклопедия, 1946. — ( :  / гл. ред. О. Ю. Шмидт ; 1926—1947, т. 54).
  • Киес Р. Дж., Крузе П. В., Патли Э. Г., Лонг Д., Цвиккер Г. Р., Милтон А. Ф., Тейч М. К. § 3.2. Термопара // Фотоприёмники видимого и ИК диапазонов = Optical and Infrared Detectors / пер. с англ. под ред. В. И. Стафеева. — М.: Радио и связь, 1985. — 328 с.

H. Melloni. Ueber den Durchgang der Wärmestrahlen durch verschiedene Körper (нем.) // Annalen der Physik und Chemie : журнал. — Leipzig: Verlag von Johann Ambrosius Barth, 1833. — Bd. 28. — S. 371—378.

Грунин В. К. § 2.3.4. Термоэлектрические приёмники излучения // Источники и приёмники излучения: учебное пособие. — СПб.: Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2015. — 167 с. — ISBN 978-5-7629-1616-5.

Ссылка на основную публикацию