Что такое термопара как она работает: Что такое термопара и как она работает?. Статья компании Технонагрев

Содержание

Что такое термопара и как она работает?. Статья компании Технонагрев

Что такое термопара?

Термопара – это термоэлектрический преобразователь, который преобразует тепловую энергию в электрическую. Термопара состоит из соединения проводов, сделанных из разнородных металлов, для образования спая. Напряжение возникает при изменении температуры на стыке.

Концепция термопары основана на эффекте Зеебека, который утверждает, что если разнородные металлы соединяются в одной точке, они будут генерировать небольшое измеряемое напряжение при изменении температуры точки соединения. Величина напряжения зависит от величины изменения температуры и характеристик металлов.

Конструкция термопары состоит из двух изолированных проводов, подключенных к измерительному прибору с коаксиальной оболочкой, разделенной изолированным материалом. Термопары служат в качестве контрольно-измерительного прибора для различных типов оборудования.

Процесс термопары можно увидеть на изображении ниже, где температура повышается на стыке проводов слева, а изменение температуры отображается на датчике справа.

Измерение температуры термопарой

Как работает термопара?

Когда два провода термопары соединяются для образования спая, один из них подключается к корпусу термопары и измеряет температуру. Его называют горячим или измерительным спаем. Второй спай прикреплен к телу известной температуры и является опорным спаем. Термопара измеряет неизвестную температуру и сравнивает ее с известной температурой.

Идея термопары основана на трех принципах действия, открытых Зеебеком, Пельтье и Томсоном.

Эффект Зеебека:

Эффект Зеебека возникает, когда два разных или непохожих металла соединяются вместе на двух стыках, и на двух стыках создается электродвижущая сила (ЭДС), которая различна для разных типов металлов

Эффект Пельтье:

ЭДС создается в цепи, когда два разнородных металла соединяются с образованием двух стыков из-за разной температуры двух стыков цепи

Эффект Томсона:

Эффект Томсона – это когда тепло поглощается по длине стержня, концы которого находятся при разных температурах. Температура тепла связана с протеканием тока до температуры вдоль стержня

Как работает термопара

Схема термопары показана на изображении ниже, где A и B – два разнородных провода, которые соединены, образуя спай. Два перехода имеют разные температуры, чтобы генерировать в цепи ЭДС Пельтье, которая является функцией температур двух переходов.

Термопара

Электроны переносят тепло и электричество. Если кусок медной проволоки нагреть с одного конца, электроны будут двигаться по проволоке к более холодному концу и создавать температурный градиент вдоль проволоки. Тепло превратилось в энергию. Тот же принцип, открытый Вольтом и Зеебеком, применим к термопаре.

Если температура спаев термопары одинакова, на стыках будет генерироваться равная и противоположная ЭДС, и ток будет равен нулю. Если переходы имеют разные температуры, ЭДС не будет равняться нулю, и ток будет течь по цепи так же, как тепло, протекающее по медному проводу. Поток ЭДС через цепь зависит от металлов и температуры двух переходов, которая измеряется измерителем.

ЭДС в цепи термопары очень мала, в милливольтах, и требует высокочувствительного прибора для определения генерируемой ЭДС. Обычно используются гальванометры и потенциометры, уравновешивающие напряжение, причем потенциометр используется наиболее часто.

Потенциометр измеряет разность потенциалов, сравнивая неизвестное напряжение с опорным напряжением. Он может обеспечить высокоточные измерения. Он представляет собой трехконтактный переменный резистор и действует как регулируемый делитель напряжения. Гальванометр измеряет очень малые электрические токи. Они используются для измерения нулевого отклонения или нулевого тока.

Потенциометр и Гальванометр

Чтобы термопара могла произвести абсолютное измерение, она должна быть привязана к известной температуре, такой как замерзание, на другом конце кабеля датчика. Горячий спай является измерительным узлом, а холодный спай, как показано на диаграмме ниже, является точкой отсчета, где располагается микросхема компенсации холодного спая. Температура холодного спая может варьироваться, но является справочной. Холодный спай можно зафиксировать, погрузив его в воду для поддержания постоянной температуры.

Окружающий воздух может влиять на эталонную температуру. Его можно откалибровать и отрегулировать с помощью устройства компенсации холодного спая.

Простое изображение термопары

Использование защитной гильзы

В некоторых случаях применения термопар требуется использование защитной гильзы. Это устройство используется для защиты термопары от технологической среды и состоит из закрытой трубы или твердого стержня, установленного внутри указанной среды. Защитные гильзы чаще всего используются на нефтеперерабатывающих или химических заводах, чтобы продлить срок службы термопар.

В зависимости от области применения могут использоваться различные типы защитных гильз. Некоторые из этих типов включают:

Прямые защитные гильзы
Ступенчатые защитные гильзы
Конические защитные гильзы

Защитные гильзы также классифицируются по способу их подключения к термопаре или термистору. Эти типы подключений могут включать:

Соединения под сварку внахлест
Фланцевые соединения
Резьбовые соединения
Соединения с уплотнительным кольцом
Сварные соединения

Компания Технонагрев производит различные термопары для промышленных систем нагрева.

Ознакомиться с нашим ассортиментом и характеристиками термопар можно на странице товара. Звоните нам для получения дополнительной информации или оставляйте свои вопросы в форме на сайте.

Термопара и принципы ее применения

Термопара (термоэлектрический преобразователь температуры) — термоэлемент, применяемый в измерительных и преобразовательных устройствах, а также в системах автоматизации.

Международный стандарт на термопары МЭК 60584 (п.2.2) дает следующее определение термопары:

Термопара — пара проводников из различных материалов, соединенных на одном конце и формирующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.

Для измерения разности температур зон, ни в одной из которых не находится вторичный преобразователь (измеритель термо-ЭДС), удобно использовать дифференциальную термопару: две одинаковых термопары, соединенных навстречу друг другу (см. рисунок). Каждая из них измеряет перепад температур между своим рабочим спаем и условным спаем, образованным концами термопар, подключёнными к клеммам вторичного преобразователя, но вторичный преобразователь измеряет разность их сигналов, таким образом, две термопары вместе измеряют перепад температур между своими рабочими спаями.

Принцип действия

Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Когда концы проводника находятся при разных температурах, между ними возникает разность потенциалов, пропорциональная разности температур. Коэффициент пропорциональности называют коэффициентом термоэдс. У разных металлов коэффициент термоэдс разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными коэффициентами термоэдс в среду с температурой Т1, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т2, которое будет пропорционально разности температур Т1 и Т2.

Принципиальная схема включения двух термопар

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 термоэдс, 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 избежании 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.

Применение термопар

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

Преимущество термопар

Большой температурный диапазон измерения: от 200 °C до 1800—2500 °C
Простота
Дешевизна
Надежность

Недостатки

Точность более 1 °C труднодостижима, необходимо использовать термометры сопротивления или термисторы.
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 сенсора 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 не линейна. 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.

Типы термопар

Технические требования к термопарам определяются ГОСТ 6616-94.Стандартные таблицы для термоэлектрических термометров (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 (никельхромникель-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. Тип L установлен только в немецком стандарте DIN и стандартные таблицы отличаются от таблиц для термопар ТХК. В настоящее время стандарт МЭК 60584 пересматривается. Планируется введение в стандарт вольфрам-рениевых термопар типа А-1, НСХ для которых будет соответствовать отечественным стандартам, и типа С по стандарту АСТМ – ASTM International – (American Society for Testing and Materials).

Вернуться в раздел «Статьи»

Что такое термопара и как она работает? [Полное руководство]

Введение

Хотите узнать, что такое термопара, как она работает, где используется, а также какие бывают типы? Тогда вы обратились по адресу, мы ответили на все эти и многие другие вопросы для вас.

Приятного чтения!

Что такое термопара?

Термопара – датчик температуры (электрическое устройство), используемый для измерения температуры. Он состоит из двух типов металла, которые соединены вместе на одном конце, образуя соединение. Когда переход охлаждается или нагревается, он создает так называемое «температурно-зависимое напряжение», которое используется для измерения температуры.

Другими словами, термопара — это очень простой, надежный и недорогой датчик для измерения температуры, который используется в различных процессах измерения температуры.

Они также могут быть изготовлены в различных стилях. Например, датчики термопары с разъемами, термопары с неизолированным проводом, датчики термопары и многое другое.

Как работает термопара?

Термопара представляет собой пару разнородных проводников, создающих ЭДС при прохождении через градиент температуры. Поскольку существуют разные металлы, они имеют разную скорость проводимости, создавая небольшую, но полезную меру ЭДС. ЭДС зависит от используемых сплавов и разницы температур.

Для чего используется термопара?

Если вам интересно, для чего используются термопары, то они довольно универсальны и используются в самых разных приложениях для измерения температуры благодаря их экономичности, надежности и возможностям. Они используются в таких приложениях, как бытовая техника, пищевая промышленность, авиационные двигатели, мониторинг печей, автомобильные датчики и многое другое.

Другие причины, по которым термопары так широко используются, заключаются в том, что они имеют небольшой размер, могут измерять высокие температуры, имеют быстрый отклик и способны очень хорошо справляться с высокими вибрациями.

Термопары для низких температур

Если необходимо измерить низкие температуры, можно успешно использовать термопары типов T, N, K и E. Их можно использовать для измерения температуры до -200 °C.

Термопары для расплавленного металла

Измерение температуры расплавленного металла очень затруднено из-за тяжелых условий и очень высокой температуры. Поэтому для этой цели можно использовать только термопары типов N и K из неблагородного металла и термопары типов S, R и B из платины.

Термопары для пищевой промышленности

Специально для пищевой промышленности термопары могут использоваться в большом количестве приложений. Некоторые из наиболее популярных датчиков и приложений включают датчики проникновения, датчики очистки на месте, управление конфорками, мониторинг пищевой цепи и управление духовкой.

Термопары для печей

При выборе термопары для печи необходимо учитывать теплопроводность. Поэтому, когда вы хотите правильно подобрать термопару для своей печи, не забудьте учесть следующие условия:

Температурная устойчивость оболочки или защитного покрытия.
Монтажная конфигурация.
Будет использована атмосфера.
Температурная способность проводов термопары.

Какие существуют типы термопар?

Существует восемь распространенных типов термопар, каждая из которых обладает уникальными свойствами. Это типы B, E, J, N, K, R, T и S.

Термопара типа B

Термопара типа B состоит из сплава платины (30% родия) и платины (6% родия). Он имеет диапазон высоких температур от 1370 до 1700 °C, что делает его пригодным для применений с очень высокими температурами, таких как производство стекла.

Термопара типа E

Термопара типа E изготовлена из сплавов хромеля и константана. Он имеет более низкий диапазон температур, чем тип B (от 0 до 870 °C). Их можно использовать в инертной среде, но они должны быть защищены от сернистой среды. Термопары типа E в основном используются на электростанциях.

Термопара типа J

Термопара типа J состоит из железа и константана. Он имеет низкотемпературный диапазон от 0 до 760 ° C. Этот тип термопар используется в основном в инертных и вакуумных средах. Одним из наиболее распространенных применений является литье под давлением.

Термопара типа K

Термопара типа K изготовлена из хромеля и алюмеля. Он имеет диапазон температур от 95 до 1260 ° C. Он лучше всего подходит для нейтральных или окислительных сред и в основном используется на нефтеперерабатывающих заводах.

Термопара N-типа

Для изготовления термопар типа N используются никросил и нисил. Его температурный диапазон составляет от 650 до 1260 °C. Уникальность термопар этого типа заключается в том, что они обладают высокой устойчивостью к деградации из-за зеленой гнили и гистерезиса. Как правило, термопары типа N используются в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности.

Термопара типа R

Термопара типа R состоит из комбинации платины (13% родия) и платины и имеет диапазон температур от 870 до 1450 °C. Благодаря тому, что они очень стабильны и точны, они используются в установках для извлечения серы.

Термопара типа S

Термопара типа S представляет собой смесь платины (10% родия) и платины. Они имеют более высокий температурный диапазон от 980 до 1450 °C, что делает их идеальными для применений, связанных с высокими температурами.

Термопара типа T

И последнее, но не менее важное: термопара типа T состоит из меди и константана. Диапазон температур составляет от -200 до 370°C. Он подходит для инертных и вакуумных сред, что делает его идеальным для использования в криогенной и пищевой промышленности.

Что произойдет, если термопара выйдет из строя?

Обычно, поскольку термопары являются довольно простыми устройствами, они либо работают, либо не работают. Выход из строя зонда — достаточно неожиданное событие. Приборы обычно указывают на неисправность термопары, если сигнал не обнаружен. Программное обеспечение приборов должно быть запрограммировано таким образом, чтобы безопасно реагировать на отказ термопары путем отключения или включения нагревателей или охладителей в зависимости от ситуации.

Какие проблемы могут возникнуть с термопарами?

Всегда нужно думать о компенсации холодного спая. Это связано с тем, что холодный спай обычно находится внутри прибора, поэтому необходимо сделать поправку, поскольку все справочные таблицы термопар основаны на холодных спаях при температуре 0 градусов по Цельсию, что редко имеет место на практике. Большинство приборов справятся с этим за вас, но вы можете создать ледяную баню для использования в самых сложных калибровках.

Дрейф термопары возникает из-за того, что материалы используются в верхней части своего практического диапазона, что вызывает ухудшение качества материала и влияет на выходной сигнал. Замена термопары является единственным решением этой проблемы.

Для высоких температур используются редкие металлы, которые могут стать очень дорогими.

Каковы преимущества использования термопар?

Термопары представляют собой очень простые прочные датчики температуры, которые просты в изготовлении и обычно недороги. Более того, они применимы в широком диапазоне температур и могут быть вставлены в труднодоступные места, такие как ядерные реакторы, полости тела и многое другое. Кроме того, термопары могут быть изготовлены из тонкой проволоки для измерения температуры очень маленьких объектов, таких как насекомые.

Как настроить термопару?

При первой настройке термопары необходимо убедиться, что тип используемой термопары соответствует типу термопары прибора. Также необходимо использовать компенсационные кабели или удлинительные кабели термопары между точкой подключения датчика и прибором.

Необходимо тщательно продумать положение горячего спая, чтобы избежать излучения энергии от нагревателей. Горячий спай также должен быть достаточно погружен в процесс, чтобы избежать ошибок проводимости вместе с самим датчиком.

Какие материалы используются для термопар?

Наиболее подходящие материалы для термопар, такие как никель и платина, обладают устойчивостью к высоким температурам, однако существуют и другие материалы, такие как медь, иридий, константан, хромель, алюмель, железо и родий, которые обычно используются в различных типах термопар. .

Сколько проводов у термопары?

Термопара всегда состоит из двух проволок (проводников), изготовленных из разнородных металлов. Эти два провода соединяются, образуя разветвление для измерения температуры. Каждая из них изготовлена из определенного металла или металлического сплава.

Например, положительный (+) проводник термопары типа K изготовлен из хромоникелевого сплава, называемого хромелем, а отрицательный (-) проводник изготовлен из алюминиево-никелевого сплава, называемого алюмелем. Провод, который используется для создания соединения термопары, называется проводом термопары.

Заключение

Термопара — это простой и относительно недорогой датчик температуры, используемый для измерения температуры. Благодаря своей универсальности он используется в самых разных областях, от пищевой промышленности до авиационных двигателей.

В основном существует восемь различных типов термопарных датчиков температуры: B, E, J, N, K, R, T и S. Каждый тип имеет свои уникальные свойства и возможности, что делает его подходящим для определенного набора приложений и отраслей.

Посмотреть наши термопары

Термопары из редких металлов

Посмотреть продукты

Если вы хотите заказать термопару или не знаете, что именно вам нужно, свяжитесь с нами, и мы сможем вам помочь.

Свяжитесь с нами

Инфографика – Что такое термопара и как она работает?

Что такое термопара и как она работает?

Что такое термопара?

Термопара — это датчик, используемый для измерения температуры. Термопары состоят из двух проволочных стержней из разных металлов. Ноги проволоки сварены вместе на одном конце, создавая соединение. В этом соединении измеряется температура. Когда соединение испытывает изменение температуры, создается напряжение. Затем напряжение можно интерпретировать путем расчета температуры.

Существуют ли различные типы термопар
Существует много типов термопар, каждая из которых имеет разные характеристики с точки зрения диапазона температур, долговечности, виброустойчивости, химической стойкости и совместимости приложений. Термопары типа J K, T из неблагородного металла, наиболее распространенные типы термопар. Термопары типа R и S представляют собой термопары из «редких металлов», которые используются в высокотемпературных приложениях

Где используются термопары?
Термопары используются во многих промышленных и научных целях. Их можно найти почти на всех промышленных рынках: производство электроэнергии, горнодобывающая промышленность, нефтегазовая промышленность, фармацевтика, биотехнологии, цемент, бумага, стекло и многие другие. Термопары также используются в бытовых приборах, таких как печи, топки, печи для обжига и печи для пиццы.

W зачем использовать термопару?

Термопары обычно выбирают из-за их низкой стоимости, пределов высоких температур, широкого диапазона температур и долговечности.

Итак, когда появилась термопара?

История термопары

Еще в 1821 году немецкий физик Томас Иоганн Зеебек исследовал понятие соединения различных металлов. Он обнаружил, что наблюдаются изменения температуры между суставами и магнитным полем — это известно как эффект Зеебека.

Позже было обнаружено, что магнитное поле является частью термоэлектрического тока. Напряжение, генерируемое двумя типами проводов, используется для измерения температуры от очень высокой до низкой.

Порог измерения температуры зависит от типа используемого материала провода, и, хотя при очень низком токе, от соединения термопары может генерироваться мощность.

Ученые Майкл Фарадей и Георг Ом использовали эффект Зеебэка для проведения экспериментов, чтобы лучше понять воздействие и измерение температуры.

Благодаря этому открытию и дальнейшим исследованиям ученых на протяжении всей истории термопары были изготовлены в начале 19 века.00с. С тех пор технология развивалась и достигла того, чем она является сегодня. В настоящее время они используются во многих различных приборах от приготовления пищи до фармацевтического производства.

Изготовление термопары

С момента открытия измерения температуры производство устройства оставалось простым, но эффективным. Два металлических сплава объединяются, образуя соединение.

Одна часть соединения размещается на источнике, где необходимо измерить температуру. Вторая точка перехода поддерживается на источнике постоянной температуры.

Диапазон температур зависит от типа металла, используемого при изготовлении термопары. Никель и никель имеют диапазон температур от -50 до 1410, а рений и рений измеряются от 0 до 2315 градусов.

Конструкция термопары проста, и производители собирают датчики температуры из пары проводов. Эти провода обычно покрывают защитным слоем из изолированных трубок.

Производители термопар выбирают комбинацию металлов и калибровку, используемую при сборке. Использование термопары зависит от окружающей среды. Различные диаметры и материалы — все это факторы, учитываемые при изготовлении термопары определенного типа.

В других случаях установка термопары в уже существующую систему может изменить то, как изготовитель конструирует устройство.