Как изменить показания термопары

    Термопара состоит из двух проволок из разного металла. Один спай этих проволок (горячий) подвергается действию температуры печи, другой же спай (холодный) располагают в помещении с комнатной или близкой к ней температурой. При изменении температуры холодного спая необходимо внести соответствующую поправку в показания измерительного прибора, если не предусмотрено автоматическое компенсирующее устройство. [c.182]

    Если температура холодного спая термопары отлична от градуировочной температуры, то в показания прибора необходимо вносить поправки. Введение поправок расчетным путем выполняется по формуле  [c.67]

    Для правильного определения температур весьма важное зпачепие имеет неизменность температур холодного спая, поскольку величина ТЭДС зависит от разности температур горячего и холодного спаев. Отсюда, если температура холодного спая при исследовании будет иной, чем при градуировке, то необходимо вносить соответствующую поправку. Однако, вследствие непрямолинейного возрастания термоэлектродвижущей силы в зависимости от температуры, для большинства термопар было бы неправильным вычитать температурную разность холодных спаев при градуировке и во время исследования из показания термопары. Истипиую температуру определяют по формуле  [c.34]

    Если температура холодного спая термопары отлична от градуировочноЛ температуры, то а показания прибора необходимо вносить поправки. Введение поправо расчетным путем выпол вяется по формуле  [c.67]

    В приборах этого типа все сопротивления, кроме. изготовляются из манганиновой проволоки, не меняющей своего сопротивления при изменении температуры, i [ выполняется из никелевой проволоки, сопротивление которой изменяется с изменением ее температуры. Оно располагается в приборе у места подсоединения компенсационных проводов термопары, благодаря чему и свободные концы термо-пары имеют одинаковую температуру. Сопротивление служит для автоматического введения поправки в показания потенциометра на изменение температуры холодных концов термопары, сопротивление Яо — для подгонки показаний на нижнем пределе измерения, — для верхнего предела измерения, а [c.136]

    Для измерения температуры светящегося пламени можно использовать термопары и оптические пирометры, если в показания этих приборов ввести соответственные поправки. [c.62]

    Как уже отмечалось, первичный преобразователь часто искажает характеристику объекта. Так, при изучении тепловых потоков в малых образцах теплоотвод через термопару искажает изучаемое температурное поле. В случае, если этими искажениями пренебречь нельзя, следует оценивать необходимые поправки к показаниям измерительной аппаратуры или же применять специальные приемы, целью которых является уменьшение или исключение вносимого искажения. В частности, для компенсации теплоотвода термопарой можно предложить два способа. В первом (рис. 16,а) измерения проводятся в газовой среде. Теплообмен среда — термопара здесь затруднен, и теплоотвод через термопару приводит к тому, [c.131]

    Помимо рассмотренных поправок необходимо учитывать еще целый ряд поправок, вызванных отклонением реальной конструкции от идеализированной схемы поправка на показания термопар, измеряющих перепад температуры в слое поправка на переток теплоты от блока к стержню через паразитные тепловые мостики [c.73]

    Температура свободных концов может во время измерения или оставаться постоянной, но отличной от той, при которой производилась градуировка термопары, или произвольно изменяться. В первом случае поправка на температуру о свободных концов известна и может вводиться в показания прибора во втором же случае необходимо принять меры к стабилизации [c.125]

    Используют разницу между известной температурой кристаллизации металла и указанной температурой для внесения поправки для установления температуры испытания. Например, при использовании олова с известной температурой кристаллизации 232°С, если термопара показывает больше, чем 232°С, показания термопары больше на эту разницу. Температуру испьггания уменьшают на такую же величину. [c.595]

    Температуру измеряли оптическим пирометром на поверхности образцов. В показания вносили поправки, определяемые из вспомогательных опытов при измерении температуры платино-платино-родиевой термопарой. [c.70]

    Опыт, как обычно, состоит из начального, главного и конечного периодов. В начале главного периода переключают источник тока с балластного сопротивления на нагреватель калориметра и одновременно открывают клапан 3. Мощность тока определяют при помощи потенциометра. Медный блок 14 поддерживают при постоянной температуре (согласно показаниям термометра сопротивления). Регулируя скорость выхода пара клапаном 3 и пользуясь показаниями термопар, поддерживают температуру верхней части калориметра постоянной и равной температуре кольца 14 (нижняя часть калориметра, где расположен нагреватель, при этом немного перегрета). Для вычисления поправки на теплообмен через интервалы в 1 мин отмечают показания дифференциальных термопар. [c.366]

    НИН температуры с меньшей точностью, чем термометр сопротивления, которым пользовался Россини. На точность показаний термопары оказывает влияние неоднородность константановой проволоки, которая при наличии температурных градиентов сама дает дополнительную электродвижущую силу, искажающую результаты. На эту дополнительную электродвижущую силу нельзя ввести поправку из-за ее непостоянства. Тем не менее при хорошей градуировке и тщательном выборе образца константана можно добиться, чтобы точность показаний составляла в среднем +0,01°. [c.65]

    Проделывалась серия измерений и, если 5 подряд записанных показаний термопары, термометра сопротивления и образцового сопротивления соответственно оставались постоянными, серия считалась законченной. Для каждой точки производились 3—5 серий измерений, после чего можно было приступить к расчету. С помощью Таблиц для приведения показаний платиновых термометров сопротивления к международной шкале температур [84] экспериментально полученные величины электродвижущей силы в микровольтах переводились в градусы Цельсия и затем температура, полученная при помощи термометра сопротивления, сравнивалась с температурой, измеренной термопарой, и вводились, соответствующие поправки. [c.88]

    Правильность показаний термопар проверяется до 350—400° С при помощи проверенных ртутных термометров. Для этого термопару и ртутный термометр помещают в фарфоровую трубку, находящуюся в электропечи. Если показания ртутного термометра и термопары не совпадают, то в показания пирометра нужно ввести соответствующую поправку. Для проверки достаточно [c.254]

    Если температура свободных концов отличается от градуировочной и равна fg, то возникает дополнительная погрешность в измерении. Эта погрешность может быть определена, так как изменение температуры свободных концов термопары меняет ее электродвижущую силу на величину, равную термоэлектродвижущей силе, развиваемой той же термопарой при те.мпературе спая, равной температуре свободных концов. Поправка к показаниям прибора определяется по градуировочной кривой термопары (=/(/). Истинная температура будет определяться э. д. с. термопары, численно равной = 6, , 4 Е При соединении термоэлектродов с прибором [c.112]

    Примечания 1) чтобы ускорить охлаждение термостатического блока для следующего опыта, его вынимают из печи и погружают в воду 2) азотистокислый натрий должен быть хорошо измельчен и высушен при 100 — 105° 3)для сильно вспучивающихся углей иногда не получается взрывообразных реакций, и уровень воды в эвдиометре понижается медленно, что не дает возможности непосредственно отметить температуру возгорания. Это затруднение можно преодолеть, если увеличить диаметр пробирки или уменьшить навеску. Иногда достаточно прибавить к навеске немного песка 4) термометры обычно имеют большую тепловую инерцию, чем термопары. Поэтому их показания отстают от показаний термопар и к ним вводятся соответствующие поправки 5) скорость нагревания устанавливают при помощи реостата. постоянство ее контролируют по амперметру. Средняя скорость Рис. 82. Прибор для определения темпе- нагревания от 100° до температуры [c.246]

    При помощи термопар (медь — константан) диаметром 0,1 мм измеряли температуру воздуха в камере, температуру стенок камеры и исследуемого тела. Температуру неподвижного тела определяли по термопаре, горячий спай которой помещали вблизи поверхности. Температуру вращающего тела измеряли специальным спиртовым термометром. Термометр представлял собой тонкий стержень со сферическим концом. На этот конец наплавляли нафталин. Затем его помещали на державку и приводили во вращение. Показания термометра отсчитывали по его шкале также через стробоскоп. Термометр без нафталина предварительно градуировали в условиях вращения, в результате чего устанавливали поправку на влияние центробежной силы. [c.120]

    Печь включается через трансформатор в электросеть, и нагревание регулируется трансформатором. Температура замеряется платина-платинородиевой термопарой, заключенной в фарфоровый че.хол, которая вставляется через верхнее отверстие в жаровую трубу таким образом, чтобы нижний конец ее на.ходился на расстоянии около 10 мм выще установленной в печи пластинки с конусами золы. Термопару присоединяют к гальванометру с градуировкой от 0° до 1600°. Введение к показаниям гальванометра поправки на температуру холодного спая обязательно. После включения в электросеть ведут наблюдение за показанием гальванометра, регулируя нагрев таким образом, чтобы до 900° температура повыщалась на 10—15° в минуту. Как только температура достигнет 400—450° и стенки жаровой трубы накалятся настолько, что возможно будет рассмотреть в визирную трубку положение конусов, проверяют, все ли конусы попадают в поле зрения. В противном случае, осторожным приподниманием щтока и вращением его вправо или влево добиваются такого положения,, когда каждый конус попадает в поле зрения. После этого обмазывают огнеупорной глиной все стыки в месте присоединения площадки стопорного винта с асбестом к жаровой трубе, а также все остальные щели и в течение всего опыта время от времени проверяют, не появились ли трещины, и снова замазывают их. [c.210]

    Если проволока неоднородна по составу, то результирующая э. д. с. зависит от температурного градиента в неоднородной области. В этом случае градуировка не может быть выполнена в точно одинаковых экспериментальных условиях, и скорректировать показания термопары не представляется возможным. Градуировка по фиксированным точкам затвердевания стандартных металлов может дать неправильную поправку, если точно не могут быть воспроизведены температура и градиент состава, что редко оказывается возможным. Поэтому для точных работ недопустимо использование загрязненных термопар. [c.101]

    Несмотря на то что в процессе записи температура измеряется потенциометром с высокой точностью, необходимо периодически проверять воспроизводимость показаний термопары и прибора, которые могут меняться во времени. Для этого градуируют термопару по веществам с точно известными температурами фазовых превращений (реперным веществам). На одном листе последовательно записывают термограммы нескольких реперных веществ. Производя одновременно потенциометрическое измерение. температуры, сопбставляют измеренные температуры фазовых превращений с табличными данными. Если расхождения не превышают 1 —2° С, то в дальнейшем можно пользоваться потенциометрической схемой измерения. В противном случае следует вводить соответствующую поправку. [c.18]

    В главном периоде опыта необходимо через равные промежутки времени контролировать разность температур калориметра и оболочки, стремясь к тому, чтобы она была возможно близкой к нулю. Эти измерения, как будет изложено ниже, необходимы для расчета поправки на неадиабатичность. Таким образом, конструкция калориметра с адиабатической оболочкой должна обеспечить возможность измерения разности температур калориметра и оболочки. Иногда этого достигают, размещая термометры, как обычно, в калориметрическом сосуде и в оболочке и отмечая в течение всего опыта показания обоих термометров. Однако гораздо рациональнее для контроля адиабатичности использовать батарею дифференциальных термопар (гл. 4, 6), поместив одни спаи ее в калориметрической системе, а другие — в оболочке. Использование батареи термопар позволяет непосредственно измерять разность температур калориметра и оболочки. В этом случае бывает достаточно кроме дифференциальной [c.250]

    Термопару для измерения температуры отходящих газов за котлом необходимо устанавливать перед шибером отверстие в кладке, через которое термопару пропускают в дымоход, надо плотно замазать кругом глиной или заделать асбестом. Проследить, чтобы конец термопары находился внутри дымохода в центре потока газов. Поскольку милливольтметр градуируется при 0°С, то, чтобы избежать погрешности в показаниях прибора, вносят поправку на температуру холодных концов термопары. Для этого обычным термометром измеряют температуру в зоне нахождения концов термопары и прибавляют ес к температуре, показываемой милливольтметром. Если, например, температура в зоне концов термопары будет равна 25° С, то к показаниям милливольтметра необходимо прибавить 25. Для более точных измерений величину температуры холодных концов термопары следует умножить сначала на коэффициент термопары. Для копель-хромелевой термопары коэффициент находится в пределах от 1 до 0,78 в зависимости от измеряемой температуры. [c.19]

    Отмечая разницу между следующими один за другим показаниями, наблюдатель может заметить начало остановки, проверить в этой точке нулевую ошибку и чувствительность гал1ьванометра, точную балансировку потенциометра и температуру нормального элемента. Это позволяет внести небольшие поправки кажущейся э. д. с. термопары в точке остановки. [c.152]

    Согласно данным [246], в области температур 800 К выполняется соотношение гет Т. Измеренные двумя термопарами со стеклянным покрытием = 0,6 мм, ( 2= 1,2 мм температуры позволили определить истинную температуру газа и поправку на излучение и гетерогенные процессы. Дополнительное покрытие стекла борной кислотой, вызывающее дальнейшее снижение коэффициента гетерогенной дезактивации, не повлияло на показания термопар. Это свидетельствует об отсутствии влияния гетерогенных процессов. Тогда поправка обусловлена только потерями на излучение. В безразмерном виде поправка приведена на рис. 2.1, где помещены также точки, полученные в неоне ( т = = 0,6 мм), с измерением истинной температуры газа по допле-ровскому контуру спектральных линий [247]. В пределах погрешности эти данные совпадают. [c.47]

    Поправка на теплопроводность. На показания термопар, установленных на поверхности награва, оказывает влияние теплообмен с жидкостью, омывающей электроды термопар. На рис 10-9 указаны размеры ошибок для оголенных термопар, установленных на теплопередающей поверхности противоточного теплообменника, который работает на горячем и холодном воздухе, обладающем температурами соответственно 540 и 38°. На участке длиной 76 мм электроды находились в потоке холодного воздуха. По оси ординат ютложены и —температуры соответственно поверхности, термопары и холодного воздуха. Эти опытные данные, полученные Болтером и Локкартом [2], удовлетворительно согласуются с теоретическими данными, вычисленными Болтером и другими [3]. Эффективный коэффици- [c.359]

    При пользовании термопарой следует производить градуировку ее не менее чем в двух реперных точках с таким расчетом, чтобы рабочий температурный интервал располагался между температурами градуировки. По таблице находятся значения т.бл> соответствующие температурам градуировки термометра. Далее, вычерчивают график поправок, откладывая по оси абсцисс наблюдаемое значение ТЭДС Е, а по оси ординат — разность Е — «табт По этому графику в дальнейшем может быть определена поправка к показанию термопары для любого значения Е отнимая. или складывая эту поправку с наблюдаемой величиной ТЭДС, получаем соответствующее ей значение таб1. по которому И определяем из таблицы температуру. Ошибка при таком определении температуры приведением к таблице — около 2% величины поправки. Вообще же точность измерения температуры медно-константановой термопарой в области низких температур может составить около 0,1 град, (при аккуратных измерениях). [c.272]

Как правильно пользоваться термопарой?

Правильное использование термопары позволит не только получить точные значения температуры для обеспечения качественной продукции, но также поможет уменьшить расход материала термопары для существенной экономии средств. Вот четыре случая, которые являются основными ошибками при применении термопар.

Неправильная установка термопары

• Неверно выбрано место установки термопары.
  Место установки термопары должно быть выбрано очень тщательно, чтобы измерять точную температуру интересующей вас области. Например, если место установки термопары и глубина вставки выбраны не верно, то показания термопары не будут отражать истинную температуру печи. Для измерения температуры в печи термопара не должна быть установлена слишком близко к двери или месту нагрева, глубина вставки должна быть не менее чем в 8-10 раз больше диаметра защитной трубки.

• Плохая изоляция.
  Если защитная гильза термопары и зазоры между стенками не заполняются изоляционным материалом, это может привести к перетоку тепла печи или проникновению холодного воздуха в область произведения замеров. Поэтому пространство между защитной гильзой термопары и отверстием в стене печи должно быть заполнено изоляционным материалом, таким как огнеупорная глина или асбестовый шнур, чтобы избежать конвекции горячего и холодного воздуха для исключения влияния внешних факторов на точность измерения температуры.

• Холодный спай должен быть на достаточном расстоянии.
  Если холодный конец термопары находится слишком близко к месту нагрева, так что температура превышает 100 ℃, это приведет к неверным показаниям датчика;

• Исключите помехи.
  Термопару следует устанавливать вдали от сильного магнитного и электрического поля, поэтому нельзя помещать термопару и силовые кабели вместе, чтобы избежать ошибок, вызванных помехами.

Ошибки изоляции 

Если термопара изолирована, но защитная труба и натяжная пластина имеют слишком много грязи или остатков соли, это приведет к плохой изоляции между электродом термопары и стенкой печи, что более серьезно при высоких температурах. Такая ситуация не только вызовет потерю термоэлектрической мощности, но и повлечет за собой помехи, погрешность которых иногда достигает 100 ℃.

Ошибки тепловой инерции

Из-за тепловой инерции термопары изменение показанного прибором значения отстает от изменения измеренной температуры. При быстром изменении температуры в зоне измерения этот эффект особенно заметен. Для получения верных динамических температурных показаний лучше выбирать более тонкий горячий электрод и защитную трубку термопары меньшего диаметра.

Когда позволяют температурные условия, можно даже снять защитную трубку. Из-за наличия запаздывания амплитуда колебаний измеряемой термопарой температуры меньше амплитуды колебаний температуры печи. Чем больше отставание измерения, чем меньше амплитуда колебаний термопары, тем больше разница между фактической температурой печи и получаемым значениями.

При использовании термопары с большой постоянной времени для измерения или контроля температуры, несмотря на то, что флуктуация температуры, указанная на приборе, невелика, колебания фактической температуры печи могут быть значительными.

Для точного измерения температуры следует выбирать термопару с малой постоянной времени. Постоянная времени обратно пропорциональна коэффициенту теплопередачи, но пропорциональна диаметру горячего конца термопары, плотности материала и удельной теплоемкости.

Если вы хотите уменьшить постоянную времени, помимо увеличения коэффициента теплопередачи, наиболее эффективным способом является уменьшение размера горячего конца. Обычно используются материалы с хорошей теплопроводностью, с тонкими стенками и защитными трубками с малым внутренним диаметром.

При более точном измерении температуры используйте незащищенную термопару с неизолированным проводом, но термопара будет легко повреждена, ее следует своевременно исправлять и заменять.

Ошибка теплового сопротивления

Если защитная трубка термопары имеет налипшую грязь, увеличенное из-за этого тепловое сопротивление будет блокировать теплопроводность и измеренные значения температуры будут ниже, чем реальная. Поэтому защитная трубка термопары должна содержаться в чистоте, чтобы уменьшить количество ошибок.

Термопары от компании ТЕРМОЭЛЕМЕНТ

Компания Термоэлемент занимается производством индивидуальных термопар с нужными заказчикам характеристиками. Кроме того, на складе у нас имеется большой выбор уже готовых термопар, которые вы можете купить без всяких задержек. Если у вас есть вопросы по поводу термопар, просто звоните нам по телефону +7 495 145-24-23
или пишите на почтовый ящик info@telemento.ru.

Термопары — это наиболее распространенное устройство для измерения температуры. Термопары генерируют напряжение при нагревании и возникающий ток позволяет проводить измерения температуры. Отличается своей простотой, невысокой стоимостью, но внушительной долговечностью. Благодаря своим преимуществам, термопара используется повсеместно.

Рекомендуем обратить внимание и на другие приборы для измерения температуры.

Принцип работы термопары

Термопара представляет собой два провода, изготовленных из различных металлов. Эти два провода скреплены или сварены вместе и образуют спай. Когда на этот спай оказывают воздействие изменения температуры, то термопара реагирует на них генерируя напряжение, пропорциональное по величине изменениям температуры.

Если термопара подсоединена к электрической цепи, то величина генерируемого напряжения будет отображаться на шкале измерительного прибора. Затем показания прибора могут быть преобразованы в температурные показания с помощью таблицы. На некоторых приборах шкала откалибрована непосредственно в градусах.

Спай термопары

В конструкции большинства термопар предусмотрен только один спай. Однако, когда термопара подсоединяется к электрической цепи, то в точках ее подсоединения может образовываться еще один спай.

Цепь, показанная на рисунке, состоит из трех проводов, помеченных как А, В и С. Провода скручены между собой и помечены как D и Е. Спай представляет собой дополнительный спай, который образуется, когда термопара подсоединяется к цепи. Этот спай называется свободным (холодным) спаем термопары. Спай Е — это рабочий (горячий) спай. В цепи находится измерительный прибор, который измеряет разницу величин напряжения на двух спаях.

Два спая соединены таким образом, что их напряжение противодействует друг другу. Таким образом, на обоих спаях генерируется одна и та же величина напряжения и показания прибора будут равны нулю. Так как существует прямо пропорциональная зависимость между температурой и величиной напряжения, генерируемой спаем термопары, то два спая будут генерировать одни и те же величины напряжения, когда температура на них будет одинаковой.

Когда спай термопары нагревается, величина напряжения повышается прямо пропорционально. Поток электронов от нагретого спая протекает через другой спай, через измерительный прибор и возвращается обратно на горячий спай. Прибор показывает разницу напряжения между двумя спаями. Разность напряжения между двумя спаями. Разность напряжения, показываемая прибором, преобразуется в температурные показания либо с помощью таблицы, либо прямо отображается на шкале, которая откалибрована в градусах.

Холодный спай термопары

Холодный спай часто представляет собой точку, где свободные концы проводов термопары подсоединяются к измерительному прибору.

В силу того, что измерительный прибор в цепи термопары в действительности измеряет разность напряжения между двумя спаями, то напряжение холодного спая должно поддерживаться на неизменном уровне, насколько это возможно. Поддерживая напряжение на холодном спае на неизменном уровне мы тем самым гарантируем, что отклонение в показаниях измерительного прибора свидетельствует о изменении температуры на рабочем спае.

Если температура вокруг холодного спая меняется, то величина напряжения на холодном спае также изменится. В результате изменится напряжение на холодном спае. И как следствие разница в напряжении на двух спаях тоже изменится, что в конечном итоге приведет к неточным показаниям температуры.

Для того, чтобы сохранить температуру на холодном спае на неизменном уровне во многих термопарах используются компенсирующие резисторы. Резистор находится в том же месте, что и холодный спай, так что температура воздействует на спай и резистор одновременно.

Рабочий спай термопары (горячий)

Рабочий спай — это спай, который подвержен воздействию технологического процесса, чья температура измеряется. Ввиду того, что напряжение, генерируемое термопарой прямо пропорционально ее температуре, то при нагревании рабочего спая, он генерирует больше напряжения, а при охлаждении — меньше.

Типы термопары

Термопары конструируются с учетом диапазона измеряемых температур и могут изготавливаться из комбинаций различных металлов. Комбинация используемых металлов определяет диапазон температур, измеряемых термопарой. По этой причине была разработана маркировка с помощью букв для обозначения различных типов термопар. Каждому типу присвоено соответствующее буквенное обозначение, и это буквенное обозначение указывает на комбинацию используемых металлов в данной термопаре.

Когда термопара подключается к электрической цепи, то она не будет работать нормально пока не будет соблюдена полярность при подключении. Плюсовые провода должны быть соединены вместе и подсоединены к плюсовому выводу цепи, а минусовые к минусовому. Если провода перепутать, то рабочий спай и холодный спай не будут в противофазе и показания температуры будут неточными.
Одним из способов определения полярности проводов термопары -это определение по цвету изоляции на проводах. Помните, что минусовой провод во всех термопарах — красный.

Во многих случаях приходится использовать провода для удлинения протяженности цепи термопары. Цвет изоляции соединительных проводов также несет в себе информацию. Цвет внешней изоляции соединительных проводов — разный, в зависимости от производителя, однако цвет первичной изоляции проводов обычно соответствует кодировке, указанной в таблице выше.

Неисправности термопары

Если термопара выдает неточные показания температуры, и было проверено, что нет ослабленных соединений, то причина может крыться либо в регистрирующем приборе, либо в самой термопаре, первым обычно проверяется регистрирующий прибор, так как приборы чаще выходят из строя, чем термопары.

Более того, если прибор показывает хоть какие-нибудь показания, пусть даже неточные, то, скорей всего, дело не в термопаре. Если термопара неисправна, то обычно она не выдает вообще никакого напряжения, и прибор не будет выдавать никаких показаний. Если показаний на приборе нет совсем, то вероятно дело в термопаре.

Если Вы подозреваете, что термопара вышла из строя, то проверьте ее сигнал на выходе с помощью прибора, который называется милливольтный потенциометр, который используется для измерения малых величин напряжения.

Термопары. Пусконаладочный опыт

При проведении пусконаладочных работ встречаются случаи, когда сложно разобраться в причинах некорректного измерения температуры термопар

В этом случае необходимо выяснить причины недостоверных измерений. В данной статье я хотел бы поделиться способами поиска недостатков, анализа ситуации и разъяснить ряд спорных моментов.
Сначала немного теории.
Термопара состоит из соединения разных сплавов, которые в силу своих физико-химических свойств при соприкосновении начинают являться источником слабого электрического тока (ЭДС). При воздействии температуры на термопару в ней изменяется разность потенциалов, измеряемая несколькими милливольтами. Данная разность потенциалов зависит от типа используемых для изготовления термопары материалов. Термопара по принципу своей работы похожа на электрическую батарейку, где при взаимодействии двух материалов и электролита возникает потенциал (ЭДС).
Принцип работы измерительного канала типа «термопара»

 
Точка соединения металлов в самой термопаре определяется как «горячий спай». «Холодный спай» — это все остальные соединения в данном канале измерения. Чтобы определить температуру зоны, в которой установлена термопара, достаточно измерить количество милливольт на входе в канал измерения.
Соединение между термопарой и измерителем напряжения (например, милливольтметром или модулем ввода-вывода) обычно выполняется при помощи термокомпенсационных кабелей или удлинительных кабелей. В первом случае материалы проводников имеют характеристики, аналогичные характеристикам термопары, во втором — из одинакового материала.
Несмотря на использование термокомпенсационных материалов, всегда будет точка, в которой термопара вступит в контакт с другим материалом, например, медью дорожек электронных цепей. В этом случае будут созданы новые соединения («холодный спай»), которые будут вносить вклад в общую измеряемую ЭДС (искажая показания).
Давайте рассмотрим пример.
Имеется термопара типа «Cromel-Alumel». Когда проводники Cromel и Alumel находятся в контакте с медью, образуются две новые термопары: «Cromel-Copper» (будет вырабатываться ЭДС = V1) и Copper-Alumel (будет вырабатываться ЭДС = V2). Следовательно, будут сгенерированы два дополнительных и противоположных друг другу по полярности ЭДС, которые будут складываться с ЭДС соединения Cromel-Alumel (будет вырабатываться ЭДС = V).
В конечном итоге мы будем иметь в схеме измерения такой ЭДС:
Vобщий = V+(V1-V2),
где V1-V2 обычно является отрицательным значением. Если бы все «холодные спаи» находились бы при 0 °C, то они не оказали бы никакого влияния на общую цепь измерения, так как весь генерируемый ими ЭДС был бы равен нулю. Однако чаще всего приходится нивелировать влияние «холодных спаев» путем добавления дополнительного ЭДС к измерительной цепи по такой формуле:
Vкомпенс = V2-V1
Чтобы убрать ЭДС «холодного спая» (V1-V2), необходимо прибавить рассчитанную часть ЭДС (V2-V1). Таким образом, вычитание близких по величинам чисел позволит повысить качество измерения линии.
Формула, по которой должно вычисляться корректное напряжение термопары, следующая:
Vобщ = V + V1-V2 + V2-V1, где:
V1-V2 – это напряжение холодного спая;
V2-V1 – это коэффициент термокомпенсации.
Термокомпенсация может осуществляться через аппаратные настройки контроллера (Hardware) или через программное обеспечение со специальными программами (Software).
Тем, кто терпеливо дочитал до этого места, еще немного теории, но уже более углубленной.
Например, на объекте завершен монтаж, а показания температур не соответствуют ожидаемым.
Что в первую очередь нужно проверить:
1.    Заземление удлиняющего кабеля. Случайные наводки могут влиять на результат измерения, искажая показания.
2.    Нужно быть уверенным, что в аппаратной конфигурации ПЛК правильно выставлены параметры RTD в Hardware. Фиксированная опорная температура установлена в 0 °C.
3.    Выбор определения термопары лучше всего выставить в ручном режиме, так как это дает большое количество возможных вариантов для настройки.
4.    Проверить, какие выставлены параметры компенсации «холодного спая» в HW (аппаратно) или SW (программно). Они не должны дублироваться. Если нигде ничего не выставлено, то ошибка может достигать величины температуры окружающей среды.
Обычно при проведении заводских испытаний до отправки шкафов на производство каналы измерения тестируют специальными задатчиками напряжения (калибраторами). Так, например, если подать на канал термопары типа «К» 50мВ, то значение температуры должно быть 1233 °C. Необходимо отметить, что соединения термокомпенсационных кабелей до контроллера образуют поле «компенсированного типа» и в линиях могут образовываться «паразитные», «холодные» соединения. Необходимо убедиться, что удлинительные кабели или компенсационные кабели не соединяются через проходной металл (клеммник) другого типа металла, так как всё это увеличивает погрешности «холодного спая».
Желательно обратить внимание на полярность жил проводников в канале измерения. Важно соблюдать цвета проводников в соответствии с полярностью термопары. Если их перепутать, то будет невозможно получить корректные показания температуры. Иногда специалисты оценивают полярность жил термокомпенсационных кабелей по магнитной жиле (жилы в кабеле магнитятся). Для термопары типа «К» магнитящейся жилой обычно является отрицательный провод белого цвета.
Что нужно делать для проверки линии измерения термопары? Разрывать поочередно линию связи от термопары, распределительной коробки, контроллера, осуществляя замеры и ведя учет замеров в таблице. Если разница на различных термопарах относительно постоянна, то потребуется пересмотреть процедуру компенсации «холодного спая» в контроллере. Так, например, если мы по записям в таблице видим, что имеется отклонение во всех точках замеров, то мы можем их суммировать и учесть в виде поправочного коэффициента в программной или аппаратной конфигурации.
В дополнение хотелось бы отметить, что на объектах инженеры пользуются приборами недостаточного класса точности. Для замеров напряжения термопар необходимо замерять с точностью сотых, а лучше тысячных вольта. Если не использовать такие точные приборы, то ошибка в сверке показаний может достигать 30 °C.

На промышленных объектах (печи, колонны и пр.), все термопары подключаются к контроллеру после монтажа через специальные распределительные коробки. Длина термокомпенсационного кабеля обычно составляет около 300 м. Соединение между соединительным разъемом термопары и модулем ввода-вывода контроллера осуществляется через двуполярный термокомпенсационный кабель. Например, бывают кабели для типа «K» по 24 пары в каждом.
Соединение между каждой термопарой и распределительной коробкой осуществляется путем вставки штекеров каждой термопары в соответствующее предварительно смонтированное гнездо. Данные соединения должны строго соответствовать внешним схемам подключения.
Чтобы проверить целостность термопары, необходимо отсоединить штекер, идущий от датчика в распределительную коробку, предварительно сделав замер в милливольтах. Это значение должно приблизительно соответствовать температуре среды, в которой установлен датчик. Если это не так, термопару и ее удлинительный кабель необходимо заменить одним из запасных аналогичного типа.
Внимание: термокомпенсационные кабели имеют полярность и не должны быть перепутаны. Пары проводников окрашены в соответствии с международным стандартом STD, причем один цвет соответствует положительному, а другой — отрицательному. Цвет проводников для всех термокомпенсационных кабелей может варьируется от типа к типу. На следующем рисунке показана окраска и полярность проводников в соответствии с принятым стандартом.

 
Важно, чтобы соединение между термопарой и контроллером осуществлялось с учетом полярности сигнала (мВ). Ниже приводится таблица соответствия/преобразования милливольт к температуре, для термопар типа «K» (NiCr-Ni) в соответствии со стандартом IEC 584-1 (значения, выделенные жирным, – температура, значения в таблице – милливольты).

Статья, где достаточно подробно расписаны особенности использования термосопротивлений

#Термопара, #термопары, #холодныйспай, #горячийспай, #термокомпенсация, #пусконаладочные, #измерительнаялиния, #измерительныйканал, #ЭДС

Термоэлектрический эффект был открыт случайно в 1821 году немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком в процессе эксперимента: небольшой кусок висмута припаивался с обоих концов к медной спирали. Если один его конец нагревался с помощью лампы, а другой оставался холодным, то магнитная стрелка, помещённая внутрь спирали, поворачивалась, указывая на прохождение тока, который в холодном спае шёл в направлении от меди к висмуту. Таким образом Зеебек экспериментально определил, что, когда концы проводника имеют разные температуры, между ними возникает разность потенциалов. Этот эффект назван эффектом Зеебека. Работа ученого показала также, что возникающее напряжение всегда пропорционально разнице температур. Его открытие вскоре легло в основу создания термопары, которая сегодня является одним из самых распространённых и экономичных датчиков температуры.

Итак, Зеебек провёл опыт (рис. 1), в ходе которого выяснил, что разность потенциалов между концами проводника V₁₂ оказывается пропорциональна разности температур спаев (T₁–T₂), как это показано в формуле (1). Коэффициент пропорциональности S_a в этой зависимости – коэффициент

Зеебека, определяемый как термоэлектрическая способность пары. Его также называют коэффициентом термоЭДС.

Аналитическое объяснение эффекту Зеебека дают современные теории поведения электронов в молекулярной структуре материала. Точный математический описательный аппарат очень сложен и обращается к электронной квантовой теории, однако фундаментальная концепция проста. Молекулярные структуры электрических проводников таковы, что электроны в материале слабо связаны с их узлами-решётками (ядрами) и могут перемещаться по всему материалу под влиянием приложенной к проводнику разности потенциалов. Когда один конец проводящего материала нагревают до температуры, большей, чем на противоположном конце, электроны на горячем конце приобретают бо́льшую энергию, чем электроны на холодном конце. Эти более энергичные электроны начинают диффундировать к холодному концу. Процесс накопления заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет поток электронов в обратном направлении, равный первичному, благодаря чему установится равновесие. Следовательно, нагрев одного конца проводника вызывает разность потенциалов из-за перераспределения подогретых электронов в материале. Это и есть эффект Зеебека и основной принцип термопар.

Формула (1) обеспечивает аналитическое выражение для этого явления, а коэффициент S_a в ней скрывает все сложные квантовые электронные поведения в твёрдом теле и полностью зависит от молекулярной структуры материала. Как и следовало ожидать, термоэлектрическая способность (S_a) является нелинейной зависимостью от внутренней молекулярной структуры материала и его температуры.

Экспериментальная работа Зеебека показала, что если проводники цепи вольтметра и тестируемый проводник сделаны из одного материала, то напряжение в этой петле будет равно нулю: S_a×(T₁−T₂)+S_a×(T₂−T₁)=0. Напряжение в контуре появится только тогда, когда измерения будут проводиться на открытых концах двух разнородных проводников, соединённых с другого конца, при наличии разности температур этих соединений. Топология этой ситуации показана на рис. 2, иллюстрирующем типичное подключение термопары для измерения разности температур.

Условные обозначения:

T_x – измеряемая температура; T_c – температура на разъёме вольтметра (предполагается одинаковой для обоих проводов); T_v – внутренняя температура всех элементов цепи вольтметра; S_a – коэффициент Зеебека материала термопары а; S_b – коэффициент Зеебека материала термопары b; S_c – коэффициент Зеебека проводников, используемых в цепи измерения напряжения; V_TC – напряжение разомкнутой цепи термопары. Измерительная цепь измеряет V_TC. Чтобы минимизировать ток контура, цепь имеет высокий импеданс.

Вспомним правило напряжений (второе правило) Кирхгофа, которое гласит, что при отсутствии в замкнутом контуре источника ЭДС алгебраическая сумма напряжений на его резистивных элементах равна нулю. Применение формулы (1) для контура этой цепи даёт:

где T_x – измеряемая температура; T_c – температура на разъёме вольтметра; T_v – внутренняя температура всех элементов цепи вольтметра; S_b – коэффициент Зеебека материала термопары b; S_c – коэффициент Зеебека проводников, используемых в цепи измерения напряжения; V_TC – напряжение разомкнутой цепи термопары.

Или в упрощённом виде:

Значения S_a и S_b определяют полярность V_TC (S_a – S_b) = S_ab и (S_b – S_a) = –S_ab. Эти термины определены отраслевыми стандартами как коэффициент Зеебека S_ab, обозначающий термопару типа ab, изготовленную из материалов a и b.

Из формулы (3) вытекают следующие важные характеристики поведения термопары.

Формула (3) является основным рабочим уравнением для измерения температуры с помощью термопар. Учитывая S_ab и температуру T_c, можно определить неизвестную температуру T_x. Схема подключения термопары, показанная на рис. 3, представляет собой основу для определения стандартных таблиц термопар. В схему добавляется дополнительный спай, удерживаемый в ледяной бане при температуре плавления льда T_ice (0°C/32°F).

Разработчики стандартов и производители термопар используют эту топологию для создания таблиц зависимости напряжения термопары от температуры.

Условные обозначения:

T_x – измеряемая температура; T_c– температура на разъёме вольтметра (предполагается одинаковой для обоих проводов); T_v– внутренняя температура всех элементов цепи вольтметра; S_a – коэффициент Зеебека материала термопары а; S_b – коэффициент Зеебека материала термопары b; S_c– коэффициент Зеебека проводников, используемых в цепи измерения напряжения; V_TC– напряжение разомкнутой цепи термопары; T_ice– температура плавления льда.

Анализ схемы на рис. 3 с помощью формулы (1) и методики, использованной для вывода формул (2) и (3), даёт:

Или в упрощённом виде:

Важное замечание: из формулы (5) исключены как температура разъёма T_c, так и температура цепи измерения напряжения T_v. Температура ледяной бани T_ice фиксирована; следовательно, неизвестная температура T_x всегда может быть определена путём измерения напряжения V_TC по любой соответствующей таблице поиска термопары (на основе эталонной точки плавления льда).

Эта методика измерения температуры при помощи термопары была разработана примерно в 1828 году. С тех пор материалы, таблицы и аналитические модели термопар прошли путь совершенствования длиной более 170 лет и стали очень эффективной системой измерения температуры.

Современные модули формирования сигнала используют полупроводниковую электронику, которая устраняет неуклюжие ледяные ванны, электронно моделируя температуру точки плавления льда эталонного спая. Этот процесс называется компенсацией холодного спая (CJC – Cold Junction Compensation). Кроме того, современные модули формирования сигнала линеаризуют нелинейное поведение коэффициентов Зеебека и обеспечивают линейные масштабированные выходные данные в вольтах или амперах на °С. О методах реализации CJC и линеаризации сигнала термопар будет рассказано далее.

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.

Полные наборы таблиц температуры и напряжения с привязкой к 0°C, включая математические модели для всех популярных промышленных термопар, доступны на сайте NIST (Национального института стандартов и технологий США), откуда их можно бесплатно скачать. В России аналогичные таблицы содержит ГОСТ Р 8.585-2001.

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:

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.

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.

Набор коэффициентов C_i, используемых в формуле (6) для описания модели термопары типа E для трёх значащих цифр, показан в табл. 2.

Но когда известно только измеренное напряжение термопары V_TC, 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 V_TC – напряжение в мВ.

Набор обратных коэффициентов D_i для термопар типа E показан для шести значащих цифр в табл. 3.

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.

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.

Условные обозначения:

T_x – измеряемая температура; T_c – 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 T_x и температурой разъёма T_c, как показано в формуле (9):

Температура разъёма T_c 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 T_c, как показано в формуле (10):

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

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

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

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

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

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.

В качестве примера нелинейности приведём рис. 7. Он иллюстрирует нелинейность термопары, показывая разницу между идеальным линейным откликом и откликом термопары типа J в диапазоне 0…+150°C.

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 × (T_x – T_ice) 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.

Практические соображения

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

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.

Модули SCM5B спроектированы с полностью изолированной схемой на стороне компьютера, которая может быть подключена к ±50 В от общего источника питания, вывод 16. Такая полная изоляция означает, что для правильной работы выхода не требуется никакого соединения между общим входом/выходом и общим питанием. Этот модуль может взаимодействовать с восемью типами промышленных термопар: J, K, T, E, R, S, N и B. Его выходной сигнал линеен в диапазоне 0…+5 В. Модуль имеет компенсацию холодного спая для коррекции паразитных термопар, образованных проводом термопары и винтовыми клеммами на монтажной задней панели. Эффективное обнаружение обрыва термопары обеспечивается внутренним подтягивающим резистором. Индикация обрыва может быть реализована путём установки внешнего резистора между винтовыми клеммами 1 и 3 на задних панелях SCMPB01/02/03/04/05/06/07.

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.

Заключение

Такая, казалось бы, простая и знакомая любому инженеру вещь, как термопара, прошла в своём развитии путь длиной почти в 200 лет. В основе точных измерений температуры сегодня лежат достаточно сложная физическая теория, математический аппарат, а также достижения современной электроники и вычислительной техники. В качестве примера практического воплощения мы привели изделия компании Dataforth, с 1984 года являющейся экспертом в области промышленных средств сбора и передачи данных, а также формирования сигналов. Если ваша система автоматизации потребует подобной функциональности, смело обращайтесь к продуктам Dataforth – эталону надёжности и промышленного качества.

Статья подготовлена на основе материалов компании Dataforth

E-mail: textoed@gmail.com

Термопара – это устройство для измерения температур во всех отраслях науки и техники. Данная статья представляет общий обзор термопар с разбором конструкции и принципом действия устройства. Описаны разновидности термопар с их краткой характеристикой, а также дана оценка термопары как измерительного прибора.

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).

ВАЖНО: Не рекомендуется использовать способ скручивания из-за быстрой потери свойств спая.

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.

Лайфхак! Для правильного определения полярности компенсационных проводов и их подключения к термопаре запомните мнемоническое правило ММ — минус магнитится. То есть берём любой магнит и минус у компенсации будет магнитится, в отличии от плюса.

Типы и виды термопар

Многообразие термопар объясняется различными сочетаниями используемых сплавов металлов. Подбор термопары осуществляется в зависимости от отрасли производства и необходимого температурного диапазона.

Термопара хромель-алюмель (ТХА)

Положительный электрод: сплав хромель (90% Ni, 10% Cr).
Отрицательный электрод: сплав алюмель (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).

Изоляционный материал: фарфор, кварц, окиси металлов и т.д.

Диапазон температур от -200°С до 1300°С кратковременного и 1100°С длительного нагрева.

Рабочая среда: инертная, окислительная (O₂=2-3% или полностью исключено), сухой водород, кратковременный вакуум. В восстановительной или окислительно-восстановительной атмосфере в присутствии защитного чехла.

Недостатки: легкость в деформировании, обратимая нестабильность термо-ЭДС.

Возможны случаи коррозии и охрупчивания алюмеля в присутствии следов серы в атмосфере и хромеля в слабоокислительной атмосфере («зеленая глинь»).

Термопара хромель-копель (ТХК)

Положительный электрод: сплав хромель (90% Ni, 10% Cr).
Отрицательный электрод: сплав копель (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).

Диапазон температур от -253°С до 800°С длительного и 1100°С кратковременного нагрева.

Рабочая среда: инертная и окислительная, кратковременный вакуум.

Недостатки: деформирование термоэлектрода.

Возможно испарение хрома при длительном вакууме; реагирование с атмосферой, содержащей серу, хром, фтор.

Термопара железо-константан (ТЖК)

Положительный электрод: технически чистое железо (малоуглеродистая сталь).
Отрицательный электрод: сплав константан (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).

Используется для проведения измерений в восстановительных, инертных средах и вакууме. Температура от -203°С до 750°С длительного и 1100°С кратковременного нагрева.

Применение складывается на совместном измерении положительных и отрицательных температур. Невыгодно использовать только для отрицательных температур.

Недостатки: деформирование термоэлектрода, низкая коррозийная стойкость.

Изменение физико-химических свойств железа около 700°С и 900 °С. Взаимодействует с серой и водными парами с образованием коррозии.

Термопара вольфрам-рений (ТВР)

Положительный электрод: сплавы ВР5 (95% W, 5% Rh)/ВАР5 (BP5 с кремнещелочной и алюминиевой присадкой)/ВР10 (90% W, 10% Rh).
Отрицательный электрод: сплавы ВР20 (80% W, 20% Rh).

Изоляция: керамика из химически чистых окислов металлов.

Отмечается механическая прочность, термостойкость, малая чувствительность к загрязнениям, легкость изготовления.

Измерение температур от 1800°С до 3000°С, нижний предел – 1300°С. Измерения проводятся в среде инертного газа, сухого водорода или вакуума. В окислительных средах только для измерения в быстротекущих процессах.

Недостатки: плохая воспроизводимость термо-ЭДС, ее нестабильность при облучении, непостоянная чувствительность в температурном диапазоне.

Термопара вольфрам-молибден (ВМ)

Положительный электрод: вольфрам (технически чистый).
Отрицательный электрод: молибден (технически чистый).

Изоляция: глиноземистая керамика, защита кварцевыми наконечниками.

Инертная, водородная или вакуумная среда. Возможно проведение кратковременных измерений в окислительных средах в присутствии изоляции. Диапазон измеряемых температур составляет 1400-1800°С, предельная рабочая температура порядка 2400°С.

Недостатки: плохая воспроизводимость и чувствительность термо-ЭДС, инверсия полярности, охрупчивание при высоких температурах.

Термопары платинородий-платина (ТПП)

Положительный электрод: платинородий (Pt c 10% или 13% Rh).
Отрицательный электрод: платина.

Изоляция: кварц, фарфор (обычный и огнеупорный). До 1400°С — керамика с повышенным содержанием Al₂O₃, свыше 1400°С — керамику из химически чистого Al₂O₃.

Предельная рабочая температура 1400°С длительно, 1600°С кратковременно. Измерение низких температур обычно не производят.

Рабочая среда: окислительная и инертная, восстановительная в присутствии защиты.

Недостатки: высокая стоимость, нестабильность при облучении, высокая чувствительность к загрязнениям (особенно платиновый электрод), рост зерен металла при высоких температурах.

Термопары платинородий-платинородий (ТПР)

Положительный электрод: сплав Pt c 30% Rh.
Отрицательный электрод: сплав Pt c 6% Rh.

Среда: окислительная, нейтральная и вакуум. Использование в восстановительных и содержащих пары металлов или неметаллов средах в присутствии защиты.

Максимальная рабочая температура 1600°С длительно, 1800°С кратковременно.

Изоляция: керамика из Al₂O₃ высокой чистоты.

Менее подвержены химическим загрязнениям и росту зерна, чем термопара платинородий-платина.

Схема подключения термопары

• Подключение потенциометра или гальванометра непосредственно к проводникам.
• Подключение с помощью компенсационных проводов;
• Подключение обычными медными проводами к термопаре, имеющей унифицированный выход.

Стандарты на цвета проводников термопар

Цветная изоляция проводников помогает отличить термоэлектроды друг от друга для правильного подключения к клеммам. Стандарты отличаются по странам, нет конкретных цветовых обозначений для проводников.

ВАЖНО: Необходимо узнать используемый стандарт на предприятии для предотвращения ошибок.

Точность измерения

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

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

ВАЖНО: Характеристики на момент изготовления меняются в период эксплуатации.

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).

Проверка работоспособности термопары

Для проверки работоспособности подключают специальный измерительный прибор (тестер, гальванометр или потенциометр) или измеряют напряжение на выходе милливольтметром. При наличии колебаний стрелки или цифрового индикатора термопара является исправной, в противном случае устройство подлежит замене.

Причины выхода из строя термопары:

1. Неиспользование защитного экранирующего устройства;
2. Изменение химического состава электродов;
3. Окислительные процессы, развивающиеся при высоких температурах;
4. Поломка контрольно-измерительного прибора и т.д.

Преимущества и недостатки использования термопар

Достоинствами использования данного устройства можно назвать:

• Большой температурный диапазон измерений;
• Высокая точность;
• Простота и надежность.

К недостаткам следует отнести:

• Осуществление постоянного контроля холодного спая, поверки и калибровки контрольной аппаратуры;
• Структурные изменения металлов при изготовлении прибора;
• Зависимость от состава атмосферы, затраты на герметизацию;
• Погрешность измерений из-за воздействия электромагнитных волн.