Ошибка холодного спая что это

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.

Термоэлектрический эффект
Принципы Термоэлектрический эффект Эффект Зеебека Эффект Пельтье Эффект Томсона Коэффициент Зеебека Эффект Эттингсгаузена Эффект Нернста
Приложения Термоэлектрические материалы Термопара Термобатарея Термоэлектрическое охлаждение Термоэлектрический генератор Радиоизотопный термоэлектрический генератор Автомобильный термоэлектрический генератор

А термопара представляет собой электрическое устройство, состоящее из двух разнородных электрические проводники формирование электрическое соединение. Термопара производит зависящий от температуры Напряжение в результате термоэлектрический эффект, и это напряжение можно интерпретировать как измерение температура. Термопары — широко используемый тип Датчик температуры.^[1]

Коммерческие термопары недороги,^[2] сменные, поставляются со стандартными разъемы, и может измерять широкий диапазон температур. В отличие от большинства других методов измерения температуры, термопары имеют автономное питание и не требуют внешнего возбуждения. Основное ограничение термопар — точность; системные ошибки менее одной степени Цельсия (° C) может быть трудно достичь.^[3]

Термопары широко используются в науке и промышленности. Приложения включают измерение температуры для печи, газовая турбина выхлоп дизельные двигатели, и другие производственные процессы. Термопары также используются в домах, офисах и на предприятиях в качестве датчиков температуры в термостаты, а также как датчики пламени в устройства для обеспечения безопасности для газовых приборов.

Принцип действия

В 1821 г. Немецкий физик Томас Иоганн Зеебек обнаружил, что когда разные металлы соединяются на концах и между соединениями существует разница температур, наблюдается магнитное поле. В то время Зеебек называл это следствие термомагнетизмом. Позже было показано, что наблюдаемое им магнитное поле возникает из-за термоэлектрического тока. На практике представляет интерес напряжение, генерируемое на единственном стыке двух разных типов проводов, поскольку его можно использовать для измерения температуры при очень высоких и низких температурах. Величина напряжения зависит от типа используемого провода. Как правило, напряжение находится в диапазоне микровольт, и необходимо соблюдать осторожность, чтобы получить пригодное для использования измерение. Несмотря на то, что ток протекает очень мало, мощность может генерироваться одним спайом термопары. Производство электроэнергии с использованием нескольких термопар, как в термобатарея, обычное дело.

Стандартная конфигурация для использования термопары показана на рисунке. Вкратце, желаемая температура Т_смысл получается с использованием трех входов — характеристической функции E(Т) термопары измеренное напряжение V, а температура эталонных спаев Т_ссылка.Решение уравнения E(Т_смысл) = V + E(Т_ссылка) дает Т_смыслЭти детали часто скрыты от пользователя, так как блок эталонного соединения (с Т_ссылка термометр), вольтметр и программа для решения уравнений объединены в один продукт.

Физический принцип: эффект Зеебека

Эффект Зеебека относится к электродвижущая сила при наличии температурного градиента в проводящем материале. В условиях разомкнутой цепи, когда нет внутреннего протекания тока, градиент напряжения () прямо пропорционален градиенту температуры ():

куда зависит от температуры материальная собственность известный как Коэффициент Зеебека.

Стандартная конфигурация измерения, показанная на рисунке, показывает четыре температурных диапазона и, следовательно, четыре составляющих напряжения:

1. Меняться от к , в нижнем медном проводе.
2. Меняться от к , в алюмелевой проволоке.
3. Меняться от к , в хромелевой проволоке.
4. Меняться от к , в верхнем медном проводе.

Первый и четвертый вклады полностью компенсируются, потому что эти области связаны с одинаковым изменением температуры и одинаковым материалом. не влияет на измеряемое напряжение. Второй и третий вклады не отменяются, так как они связаны с разными материалами.

Измеренное напряжение оказывается равным

куда и являются Коэффициенты Зеебека проводов, подключенных к положительной и отрицательной клеммам вольтметра соответственно (хромель и алюмель на рисунке).

Характеристическая функция

Нет необходимости выполнять интеграл для каждого измерения температуры. Скорее, поведение термопары фиксируется характеристическая функция , с которым нужно только проконсультироваться по двум аргументам:

В терминах коэффициентов Зеебека характеристическая функция определяется как

В постоянная интеграции в этом неопределенный интеграл не имеет значения, но условно выбирается так, чтобы .

Производители термопар и организации по метрологическим стандартам, такие как NIST предоставить таблицы функции которые были измерены и интерполированы в диапазоне температур, для определенных типов термопар (см. внешняя ссылка раздел для доступа к этим таблицам).

Требование к эталонному спайу

Чтобы получить желаемое измерение , недостаточно просто измерить .Температура эталонных спаев. должны быть уже известны. Здесь часто используются две стратегии:

• Метод «ледяной бани»: блок эталонного спая погружают в полузамороженную ванну с дистиллированной водой при атмосферном давлении. Точная температура точки плавления фаза перехода действует как естественный термостат, фиксация до 0 ° C.
• Датчик холодного спая (известный как «компенсация холодного спая«): Блок эталонного спая может изменяться по температуре, но температура измеряется в этом блоке с помощью отдельного датчика температуры. Это вторичное измерение используется для компенсации изменения температуры в соединительном блоке. Спай термопары часто подвергается воздействию в экстремальных условиях окружающей среды, в то время как эталонный спай часто устанавливается рядом с прибором. Полупроводниковый термометр устройства часто используются в современных термопарах.

В обоих случаях значение вычисляется, то функция является искал для подходящего значения. Аргумент, в котором происходит это совпадение, — это значение .

Практические проблемы

В идеале термопары должны быть очень простыми измерительными приборами, каждый тип которых должен характеризоваться точным В действительности на термопары влияют такие факторы, как неопределенность в производстве сплава, эффекты старения и ошибки / недоразумения при проектировании схем.

Конструкция схемы

Распространенная ошибка в конструкции термопар связана с компенсацией холодного спая. Если допущена ошибка при оценке , при измерении температуры появится ошибка. Для простейших измерений провода термопары подключаются к меди вдали от горячей или холодной точки, температура которой измеряется; предполагается, что этот эталонный спай имеет комнатную температуру, но эта температура может изменяться.^[4] Из-за нелинейности кривой напряжения термопары погрешности и как правило, неравные ценности. Некоторые термопары, такие как тип B, имеют относительно плоскую кривую напряжения около комнатной температуры, что означает большую погрешность при комнатной температуре. означает лишь небольшую ошибку в .

Соединения должны быть выполнены надежным способом, но для этого существует множество возможных подходов. Для низких температур соединения могут быть спаяны или припаяны; однако найти подходящий поток и это может не подходить для чувствительного перехода из-за низкой температуры плавления припоя. поэтому контрольные и удлинительные соединения обычно выполняются с помощью винтовых соединений. клеммные колодки.Для высоких температур наиболее распространенным подходом является точечная сварка или же обжимать с использованием прочного материала.^[5]

Один из распространенных мифов относительно термопар заключается в том, что соединения должны быть сделаны чисто, без участия третьего металла, чтобы избежать нежелательных дополнительных ЭДС.^[6]Это может быть следствием еще одного распространенного заблуждения о том, что напряжение генерируется на стыке.^[7] Фактически, стыки в принципе должны иметь одинаковую внутреннюю температуру; следовательно, на переходе не возникает напряжения. Напряжение создается в результате теплового градиента вдоль провода.

Термопара выдает слабые сигналы, часто по величине микровольт. Для точных измерений этого сигнала требуется усилитель с низким входное напряжение смещения и с осторожностью, чтобы избежать термо-ЭДС от самонагрева внутри самого вольтметра. Если провод термопары по какой-либо причине имеет высокое сопротивление (плохой контакт в местах соединения или очень тонкие провода, используемые для быстрого теплового отклика), измерительный прибор должен иметь высокое сопротивление. входное сопротивление для предотвращения смещения измеряемого напряжения. Полезная функция в контрольно-измерительных приборах термопар позволяет одновременно измерять сопротивление и обнаруживать неисправные соединения в проводке или в местах соединения термопар.

Металлургические марки

Хотя тип провода термопары часто описывается его химическим составом, фактическая цель состоит в том, чтобы произвести пару проводов, соответствующих стандартизованным изгиб.

Примеси влияют на каждую партию металла по-разному, производя переменные коэффициенты Зеебека. Чтобы соответствовать стандартному поведению, производители проводов для термопар намеренно добавляют дополнительные примеси, чтобы «легировать» сплав, компенсируя неконтролируемые изменения исходного материала.^[5]В результате существуют стандартные и специализированные сорта проводов для термопар, в зависимости от уровня точности, требуемого для поведения термопары. Классы точности могут быть доступны только в согласованных парах, когда один провод модифицируется для компенсации недостатков другого провода.

Особый случай проводов термопар известен как «удлинительный класс», он предназначен для переноса термоэлектрической цепи на большее расстояние. Удлинительные провода соответствуют заявленным кривой, но по разным причинам они не предназначены для использования в экстремальных условиях и поэтому не могут использоваться на чувствительном соединении в некоторых приложениях. Например, удлинительный провод может иметь другую форму, например, очень гибкий, многожильный и пластиковой изоляцией или быть частью многожильного кабеля для переноса многих цепей термопар. с дорогими термопарами из благородных металлов удлинительные провода могут даже быть сделаны из совершенно другого, более дешевого материала, который имитирует стандартный тип в ограниченном диапазоне температур.^[5]

Старение термопар

Термопары часто используются при высоких температурах и в реактивной атмосфере печи. В этом случае практический срок службы ограничен старением термопары. Термоэлектрические коэффициенты проводов в термопаре, которая используется для измерения очень высоких температур, могут изменяться со временем, и соответственно падает измерительное напряжение. Простое соотношение между разностью температур спаев и измеряемым напряжением является правильным только в том случае, если каждый провод однороден (однороден по составу). По мере старения термопар в процессе их проводники могут терять однородность из-за химических и металлургических изменений, вызванных экстремальным или длительным воздействием высоких температур. Если старый участок цепи термопары подвергается воздействию температурного градиента, измеренное напряжение будет отличаться, что приведет к ошибке.

Старые термопары модифицируются только частично; например, не затронуты детали вне печи. По этой причине устаревшие термопары нельзя вынуть из места их установки и повторно откалибровать в ванне или испытательной печи для определения ошибки. Это также объясняет, почему иногда может наблюдаться ошибка, когда состаренная термопара частично вытаскивается из печи — когда датчик отводится назад, старые секции могут подвергаться воздействию повышенных температурных градиентов от горячего к холодному, поскольку состаренная часть теперь проходит через охладитель. огнеупорная область, вносящая значительную ошибку в измерения. Аналогичным образом, устаревшая термопара, которую вставляют глубже в печь, может иногда обеспечивать более точные показания, если ее толкать дальше в печь, градиент температуры возникает только в свежем участке.^[8]

Типы

Определенные комбинации сплавов стали популярными в качестве промышленных стандартов. Выбор комбинации определяется стоимостью, доступностью, удобством, температурой плавления, химическими свойствами, стабильностью и производительностью. Разные типы лучше всего подходят для разных приложений. Обычно их выбирают на основе необходимого температурного диапазона и чувствительности. Термопары с низкой чувствительностью (типы B, R и S) имеют соответственно более низкое разрешение. Другие критерии выбора включают химическое инертность материала термопары и магнитный или нет. Стандартные типы термопар перечислены ниже с положительным электрод (при условии ), а затем отрицательный электрод.

Термопары из никелевого сплава

Тип E

Тип E (хромель –константан ) имеет высокий выход (68 мкВ / ° C), что делает его подходящим для криогенный использовать. Кроме того, он немагнитный. Широкий диапазон составляет от −50 ° C до +740 ° C, а узкий диапазон — от −110 ° C до +140 ° C.

Тип J

Тип J (утюг –константан ) имеет более ограниченный диапазон (от -40 ° C до +750 ° C), чем тип K, но более высокую чувствительность, около 50 мкВ / ° C.^[2] В Точка Кюри утюга (770 ° C)^[9] вызывает плавное изменение характеристики, определяющей верхнюю границу температуры. Обратите внимание: европейский / немецкий тип L является вариантом типа J с другой спецификацией для выхода ЭДС (ссылка DIN 43712: 1985-01^[10]).

Тип K

Тип К (хромель –Алюмель ) является наиболее распространенной термопарой общего назначения с чувствительностью примерно 41 мкВ / ° C.^[11] Он недорогой, и доступно большое количество датчиков в диапазоне от –200 ° C до +1350 ° C (от –330 ° F до +2460 ° F). Тип K был указан в то время, когда металлургия был менее продвинутым, чем сегодня, и, следовательно, характеристики могут значительно различаться между образцами. Один из составляющих металлов, никель, является магнитным; Характерной чертой термопар, изготовленных из магнитного материала, является то, что они претерпевают отклонения на выходе, когда материал достигает своей Точка Кюри, что происходит для термопар типа K при температуре около 185 ° C.

Они очень хорошо работают в окислительной атмосфере. Однако, если в основном восстановительная атмосфера (например, водород с небольшим количеством кислорода) вступает в контакт с проволокой, хром в хромелевом сплаве окисляется. Это снижает выходную ЭДС, и показания термопары низкие. Это явление известно как зеленая гниль, из-за цвета поврежденного сплава. Хромелевый провод не всегда имеет ярко-зеленый цвет, но на нем образуется пятнистая серебристая корка и он становится магнитным. Простой способ проверить наличие этой проблемы — проверить, являются ли два провода магнитными (обычно хромель немагнитен).

Водород в атмосфере — обычная причина зеленой гнили. При высоких температурах он может диффундировать через твердые металлы или неповрежденную металлическую защитную гильзу. Даже оболочка из оксида магния, изолирующая термопару, не удерживает водород.^[12]

Зеленая гниль не возникает в атмосфере, достаточно богатой кислородом или бескислородной. Герметичная защитная гильза может быть заполнена инертным газом или может быть добавлен поглотитель кислорода (например, расходуемая титановая проволока). В качестве альтернативы в защитную гильзу можно ввести дополнительный кислород. Другой вариант — использовать термопару другого типа для атмосфер с низким содержанием кислорода, где может возникнуть зеленая гниль; Подходящей альтернативой является термопара типа N.^[13]

Тип M

Тип M (82% Ni / 18%Пн –99,2% Ni / 0,8%Co по весу) используются в вакуумных печах по тем же причинам, что и для типа C (описанного ниже). Верхняя температура ограничена 1400 ° C. Он используется реже, чем другие типы.

Тип N

Тип N (Никросил –Нисил ) термопары подходят для использования при температуре от −270 ° C до +1300 ° C, благодаря своей стабильности и стойкости к окислению. Чувствительность составляет около 39 мкВ / ° C при 900 ° C, что немного ниже по сравнению с типом K.

Разработано в Организация оборонной науки и технологий (DSTO) Австралии, автор Ноэль А. Берли, термопары типа N преодолевают три основных характерных типа и причины термоэлектрической нестабильности в стандартных материалах термоэлементов из недрагоценных металлов:^[14]

1. Постепенный и обычно кумулятивный дрейф термо-ЭДС при длительном воздействии повышенных температур. Это наблюдается во всех материалах термоэлементов из недрагоценных металлов и в основном связано с изменениями состава, вызванными окисление, науглероживание, или же нейтронное облучение что может произвести трансмутация в ядерный реактор среды. В случае термопар типа K атомы марганца и алюминия из провода KN (отрицательный) мигрируют в провод KP (положительный), что приводит к дрейфу вниз из-за химического загрязнения. Этот эффект носит кумулятивный и необратимый характер.
2. Кратковременное циклическое изменение термо-ЭДС при нагревании в диапазоне температур около 250–650 ° C, которое имеет место в термопарах типов K, J, T и E. Такая нестабильность ЭДС связана со структурными изменениями, такими как магнитные ближний порядок в металлургическом составе.
3. Не зависящее от времени возмущение термо-ЭДС в определенных диапазонах температур. Это происходит из-за зависящих от состава магнитных превращений, которые возмущают термо-ЭДС в термопарах типа K в диапазоне примерно 25–225 ° C, а в типе J — выше 730 ° C.

Сплавы термопар Nicrosil и Nisil демонстрируют значительно улучшенную термоэлектрическую стабильность по сравнению с другими стандартными сплавами термопар из недрагоценных металлов, поскольку их состав существенно снижает термоэлектрическую нестабильность, описанную выше. Это достигается в первую очередь за счет увеличения концентраций растворенных веществ (хрома и кремния) в основе никеля по сравнению с теми, которые требуются для перехода от внутреннего режима окисления к внешнему, а также путем выбора растворенных веществ (кремний и магний), которые предпочтительно окисляются с образованием диффузии. -барьерные и, следовательно, ингибирующие окисление пленки.^[15]

Термопары типа N являются подходящей альтернативой типу K для условий с низким содержанием кислорода, когда тип K склонен к зеленой гнили. Они подходят для использования в вакууме, инертной атмосфере, окислительной атмосфере или сухой восстановительной атмосфере. Они плохо переносят присутствие серы.^[16]

Тип Т

Тип Т (медь –константан ) термопары подходят для измерений в диапазоне от –200 до 350 ° C. Часто используется в качестве дифференциального измерения, так как только медный провод касается датчиков. Поскольку оба проводника немагнитны, нет Точка Кюри а значит нет резкого изменения характеристик. Термопары типа T имеют чувствительность около 43 мкВ / ° C. Обратите внимание, что медь имеет гораздо более высокую теплопроводность чем сплавы, обычно используемые в конструкциях термопар, поэтому необходимо проявлять особую осторожность при термическом закреплении термопар типа T. Подобный состав встречается в устаревшем типе U в немецкой спецификации DIN 43712: 1985-01. ^[17]

Термопары из сплава платина / родий

Термопары типов B, R и S используют платина или платина /родий сплав для каждого проводника. Это одни из самых стабильных термопар, но они имеют меньшую чувствительность, чем другие типы, примерно 10 мкВ / ° C. Термопары типов B, R и S обычно используются только для высокотемпературных измерений из-за их высокой стоимости и низкой чувствительности.

Тип B

Термопары типа B (70% Pt / 30% Rh – 94% Pt / 6% Rh по массе) подходят для использования при температуре до 1800 ° C. Термопары типа B производят такой же выходной сигнал при 0 ° C и 42 ° C, ограничивая их использование ниже примерно 50 ° C. Функция ЭДС имеет минимум около 21 ° C, что означает, что компенсация холодного спая выполняется легко, поскольку напряжение компенсации по существу является постоянным для эталонного значения при типичных комнатных температурах.^[18]

Тип R

Термопары типа R (87% Pt / 13% Rh – Pt по массе) используются от 0 до 1600 ° C.

Тип S

Термопары типа S (90% Pt / 10% Rh – Pt по массе), аналогичные типу R, используются при температурах до 1600 ° C. Перед введением Международная температурная шкала 1990 г. (ITS-90), прецизионные термопары типа S использовались в качестве практических стандартных термометров для диапазона от 630 ° C до 1064 ° C, на основе интерполяции между точками замерзания сурьма, серебро, и золото. Начиная с ИТС-90, платиновые термометры сопротивления приняли этот диапазон как стандартные термометры.^[19]

Термопары из вольфрама и сплава рения

Эти термопары хорошо подходят для измерения чрезвычайно высоких температур. Типичное применение — водород и инертная атмосфера, а также вакуумные печи. Они не используются в окислительных средах при высоких температурах из-за охрупчивание.^[20] Типичный диапазон составляет от 0 до 2315 ° C, который может быть расширен до 2760 ° C в инертной атмосфере и до 3000 ° C для кратких измерений.^[21]

Чистый вольфрам при высоких температурах подвергается рекристаллизации и становится хрупким. Поэтому в некоторых приложениях типы C и D предпочтительнее, чем тип G.

В присутствии водяного пара при высокой температуре вольфрам реагирует на оксид вольфрама, который улетучивается, и водород. Затем водород вступает в реакцию с оксидом вольфрама, снова образуется вода. Такой «круговорот воды» может привести к эрозии термопары и возможному выходу из строя. Поэтому в условиях высокотемпературного вакуума желательно избегать присутствия следов воды.^[22]

Альтернативой вольфраму / рению является вольфрам / молибден, но зависимость напряжение-температура слабее и имеет минимум около 1000 К.

Температура термопары ограничена также другими используемыми материалами. Например оксид бериллия, популярный материал для высокотемпературных применений, имеет тенденцию увеличивать проводимость с температурой; В конкретной конфигурации датчика сопротивление изоляции падает с мегаом при 1000 К до 200 Ом при 2200 К. При высоких температурах материалы подвергаются химической реакции. При 2700 К оксид бериллия слабо реагирует с вольфрамом, сплавом вольфрам-рений и танталом; при 2600 К молибден реагирует с ВеО, вольфрам не реагирует. BeO начинает плавиться примерно при 2820 К, оксид магния около 3020 К.^[23]

Тип C

(95% мас. / 5% Re – 74% мас. / 26% Re, по массе)^[20] Максимальная температура, измеряемая термопарой типа c, составляет 2329 ℃.

Тип D

(97% мас. / 3% Re – 75% мас. / 25% Re по массе)^[20]

Тип G

(W – 74% W / 26% Re, по весу)^[20]

Другие

Термопары хромель-золото / железный сплав

В этих термопарах (хромель –золото /утюг сплав), отрицательный провод выполнен из золота с небольшой долей (0,03–0,15 ат.%) железа. Нечистая золотая проволока придает термопаре высокую чувствительность при низких температурах (по сравнению с другими термопарами при этой температуре), тогда как хромелевая проволока сохраняет чувствительность, близкую к комнатной. Его можно использовать для криогенный приложения (1,2–300 К и даже до 600 К). И чувствительность, и диапазон температур зависят от концентрации железа. Чувствительность обычно составляет около 15 мкВ / К при низких температурах, а самая низкая допустимая температура варьируется от 1,2 до 4,2 К.

Тип П (сплав благородных металлов) или «Платинел II»

Тип P (55%Pd / 31% Pt / 14% Au – 65% Au / 35% Pd, по массе) термопары дают термоэлектрическое напряжение, имитирующее тип K в диапазоне от 500 ° C до 1400 ° C, однако они изготовлены исключительно из благородных металлов и так показывает повышенную коррозионную стойкость. Эта комбинация также известна как Platinel II.^[24]

Термопары из сплава платина / молибден

Термопары из сплава платины и молибдена (95% Pt / 5% Mo – 99,9% Pt / 0,1% Mo по весу) иногда используются в ядерных реакторах, поскольку они показывают низкий дрейф от ядерная трансмутация индуцируется нейтронным облучением, по сравнению с сплавами платина / родий.^[25]

Термопары из сплава иридий / родий

Использование двух проводов иридий /родий из сплавов можно получить термопару, которая может использоваться при температуре до 2000 ° C в инертной атмосфере.^[25]

Термопары из чистых благородных металлов Au – Pt, Pt – Pd

Термопары, изготовленные из двух различных благородных металлов высокой чистоты, могут показывать высокую точность даже без калибровки, а также низкий уровень дрейфа. Используются две комбинации: золото-платина и платина-палладий.^[26] Их основные ограничения — низкие температуры плавления металлов (1064 ° C для золота и 1555 ° C для палладия). Эти термопары имеют тенденцию быть более точными, чем тип S, и из-за их экономичности и простоты даже рассматриваются как конкурентные альтернативы термопарам. платиновые термометры сопротивления которые обычно используются как стандартные термометры.^[27]

Термопары HTIR-TC (стойкие к высокотемпературному облучению)

HTIR-TC предлагает прорыв в измерении высокотемпературных процессов. Его характеристики: прочный и надежный при высоких температурах, до 1700 ° C; устойчивы к облучению; умеренная цена; доступны в различных конфигурациях — адаптируются к каждому применению; легко устанавливается. Первоначально разработанный для использования в ядерных испытательных реакторах, HTIR-TC может повысить безопасность эксплуатации будущих реакторов. Эта термопара была разработана исследователями из Национальной лаборатории Айдахо (INL). ^[28][29]

Сравнение типов

В таблице ниже описаны свойства нескольких различных типов термопар. В столбцах допуска Т представляет собой температуру горячего спая в градусах Цельсия. Например, термопара с допуском ± 0,0025 ×Т будет иметь допуск ± 2,5 ° C при 1000 ° C.

Изоляция термопары

Провода, из которых состоит термопара, должны быть изолированный друг от друга повсюду, кроме чувствительного стыка. Любой дополнительный электрический контакт между проводами или контакт провода с другими проводящими объектами может изменить напряжение и дать ложные показания температуры.

Пластмассы являются подходящими изоляторами для низкотемпературных частей термопары, тогда как керамическая изоляция может использоваться при температуре примерно до 1000 ° C. Другие проблемы (истирание и химическая стойкость) также влияют на пригодность материалов.

Когда изоляция провода разрушается, это может привести к непреднамеренному электрическому контакту в месте, отличном от желаемой точки измерения. Если такая поврежденная термопара используется в замкнутом контуре управления термостат или другой регулятор температуры, это может привести к неконтролируемому перегреву и, возможно, серьезному повреждению, так как ложное показание температуры обычно ниже, чем температура чувствительного перехода. Неудачная изоляция также обычно выхлопные газы, что может привести к загрязнению технологического процесса. Для частей термопар, используемых при очень высоких температурах или в приложениях, чувствительных к загрязнению, единственной подходящей изоляцией может быть вакуум или же инертный газ; механическая жесткость проводов термопар используется для их разделения.

Таблица изоляционных материалов

Температурные характеристики изоляции могут варьироваться в зависимости от того, из чего состоит весь конструкционный кабель термопары.

Примечание: T300 — это новый высокотемпературный материал, который недавно был одобрен UL для рабочих температур 300 ° C.

Приложения

Термопары подходят для измерения в широком диапазоне температур от -270 до 3000 ° C (кратковременно в инертной атмосфере).^[21] Приложения включают измерение температуры для печи, газовая турбина выхлоп дизель двигатели, другие производственные процессы и туманные машины. Они менее подходят для приложений, где требуется измерять меньшую разницу температур с высокой точностью, например диапазон 0–100 ° C с точностью до 0,1 ° C. Для таких приложений термисторы, кремниевые зонные датчики температуры и термометры сопротивления подходят больше.

Стальная промышленность

Термопары типов B, S, R и K широко используются в стали и утюг промышленности для мониторинга температуры и химического состава на протяжении всего процесса производства стали. Одноразовые погружные термопары типа S регулярно используются в электродуговая печь процесс для точного измерения температуры стали перед выпуском резьбы. Кривую охлаждения небольшого стального образца можно проанализировать и использовать для оценки содержания углерода в жидкой стали.

Безопасность газового прибора

Много газ -питание отопительных приборов, таких как духовки и водные нагреватели использовать пилотное пламя для розжига основной газовой горелки при необходимости. Если пилотное пламя погаснет, может выделиться несгоревший газ, что представляет опасность взрыва и здоровья. Чтобы предотвратить это, некоторые приборы используют термопару в безотказный цепь, чтобы определить, когда горит контрольная лампа. Наконечник термопары помещается в пилотное пламя, создавая напряжение, которое приводит в действие клапан подачи, который подает газ в пилотное пламя. Пока пилотное пламя горит, термопара остается горячей, а пилотный газовый клапан остается открытым. Если контрольная лампочка гаснет, температура термопары падает, что вызывает падение напряжения на термопаре и закрытие клапана.

Если зонд можно легко разместить над пламенем, выпрямительный датчик может часто использоваться вместо этого. Имея частично керамическую конструкцию, они также могут быть известны как стержни пламени, датчики пламени или электроды обнаружения пламени.

Некоторые комбинированные клапаны основной горелки и запального газа (в основном Honeywell ) уменьшите потребляемую мощность до диапазона, соответствующего одной универсальной термопаре, нагреваемой пилотом (разомкнутая цепь 25 мВ падает наполовину с катушкой, подключенной к источнику 10–12 мВ, 0,2–0,25 А, как правило) путем подбора размеров катушки до иметь возможность удерживать клапан в открытом состоянии против легкой пружины, но только после того, как начальное усилие включения будет обеспечено пользователем, нажав и удерживая ручку для сжатия пружины во время зажигания пилота. Эти системы можно идентифицировать по «нажатию и удерживанию в течение x минут» в инструкциях по пилотному освещению. (Требуемый ток удержания для такого клапана намного меньше, чем требуется для более крупного соленоида, предназначенного для втягивания клапана из закрытого положения.) Для подтверждения срабатывания клапана и удерживающих токов изготавливаются специальные испытательные наборы, поскольку обычный миллиамперметр нельзя использовать, так как он создает большее сопротивление, чем катушка газового клапана. Помимо проверки напряжения холостого хода термопары и непрерывности постоянного тока, близкого к короткому замыканию, через катушку газового клапана термопары, самым простым неспециализированным тестом является замена заведомо исправного газового клапана.

Некоторые системы, известные как системы управления милливольтом, расширяют концепцию термопары для открытия и закрытия главного газового клапана. Напряжение, создаваемое пилотной термопарой, не только активирует пилотный газовый клапан, оно также проходит через термостат для питания главного газового клапана. Здесь требуется большее напряжение, чем в описанной выше системе безопасности пилотного пламени, и термобатарея используется, а не одна термопара. Такая система не требует для своей работы внешнего источника электричества и, таким образом, может работать во время сбоя питания, при условии, что все другие связанные компоненты системы позволяют это. Это исключает общие печи с принудительной подачей воздуха поскольку для работы двигателя нагнетателя требуется внешнее электрическое питание, но эта функция особенно полезна для обесточенных конвекционные обогреватели. Подобный предохранительный механизм отключения газа с использованием термопары иногда используется для обеспечения зажигания основной горелки в течение определенного периода времени, перекрывая клапан подачи газа основной горелки, если этого не произойдет.

Из-за беспокойства по поводу потери энергии из-за постоянного запального пламени разработчики многих новых устройств перешли на беспилотное зажигание с электронным управлением, также называемое прерывистым зажиганием. При отсутствии постоянного запального пламени отсутствует риск скопления газа, если пламя погаснет, поэтому этим приборам не нужны пилотные предохранительные выключатели на основе термопар. Поскольку эти конструкции теряют преимущество работы без постоянного источника электроэнергии, в некоторых устройствах все еще используются стоячие пилоты. Исключение составляет более поздняя модель мгновенного действия (также известная как «без танка»). водные нагреватели которые используют поток воды для выработки тока, необходимого для зажигания газовой горелки; В этих конструкциях также используется термопара в качестве предохранительного устройства отключения в случае, если газ не загорится или если пламя погаснет.

Датчики излучения на термобатареях

Термобатареи используются для измерения интенсивности падающего излучения, обычно видимого или инфракрасного света, которое нагревает горячие спаи, в то время как холодные спаи находятся на радиаторе. Возможно измерение радиационного интенсивности всего несколько мкВт / см² с имеющимися в продаже датчиками на термобатареях. Например, некоторые лазер мощность счетчики основаны на таких датчиках; они особенно известны как термобатарейный лазерный датчик.

Принцип действия датчика термобатареи отличается от принципа действия датчика болометр, так как последний зависит от изменения сопротивления.

Производство

Термопары, как правило, могут использоваться при испытании прототипов электрических и механических устройств. Например, распределительное устройство при испытании на допустимую нагрузку по току могут быть установлены термопары, которые контролируются во время испытания на нагрев, чтобы подтвердить, что повышение температуры при номинальном токе не превышает проектных пределов.

Производство энергии

Термопара может вырабатывать ток для непосредственного управления некоторыми процессами без необходимости в дополнительных схемах и источниках питания. Например, мощность от термопары может активировать клапан при возникновении разницы температур. В электроэнергия генерируемый термопарой, преобразуется из высокая температура который необходимо подводить к горячей стороне для поддержания электрического потенциала. Необходим непрерывный перенос тепла, поскольку ток, протекающий через термопару, имеет тенденцию вызывать охлаждение горячей стороны и нагревание холодной стороны ( Эффект Пельтье ).

Термопары можно подключать последовательно, чтобы сформировать термобатарея, где все горячие спаи подвергаются более высокой температуре, а все холодные спаи — более низкой температуре. Выход представляет собой сумму напряжений на отдельных переходах, что дает большее напряжение и выходную мощность. В радиоизотопный термоэлектрический генератор, то радиоактивный распад из трансурановые элементы в качестве источника тепла использовался для питания космических кораблей в миссиях слишком далеко от Солнца, чтобы использовать солнечную энергию.

Термобатареи с подогревом керосиновые лампы использовались для запуска безбатарейное радио приемники в изолированных местах.^[32] Существуют коммерчески производимые фонари, которые используют тепло от свечи для работы нескольких светодиодов, а также вентиляторы с термоэлектрическим приводом для улучшения циркуляции воздуха и распределения тепла в помещении. дровяные печи.

Технологические установки

Химическое производство и нефтеперерабатывающие заводы обычно используют компьютеры для регистрации и предельного тестирования множества температур, связанных с процессом, обычно исчисляемых сотнями. В таких случаях несколько выводов термопары будут подведены к общему эталонному блоку (большому медному блоку), содержащему вторую термопару каждой цепи. Температура блока, в свою очередь, измеряется термистор. Для определения температуры в каждом месте измерения используются простые вычисления.

Термопара как вакуумметр

Термопару можно использовать как вакуумметр в диапазоне примерно от 0,001 до 1 торр абсолютное давление. В этом диапазоне давления длина свободного пробега газа сопоставима с размерами вакуумная камера, и режим потока не является ни чисто вязкий ни чисто молекулярный.^[33] В этой конфигурации спай термопары прикреплен к центру короткого нагревательного провода, который обычно запитывается постоянным током около 5 мА, и тепло отводится со скоростью, зависящей от теплопроводности газа.

Измеряемая температура на спайе термопары зависит от теплопроводность окружающего газа, который зависит от давление газа. Разность потенциалов, измеряемая термопарой, пропорциональна квадрат давления на от низкого до среднего вакуума классифицировать. При более высоких (вязкий поток) и более низких (молекулярный поток) давлениях теплопроводность воздуха или любого другого газа практически не зависит от давления. Термопара была впервые использована в качестве вакуумметра Фоге в 1906 году.^[34] Математическая модель термопары как вакуумметра довольно сложна, как подробно объяснил Ван Атта:^[35] но можно упростить до:

куда п давление газа, B постоянная, зависящая от температуры термопары, состава газа и геометрии вакуумной камеры, V₀ — напряжение термопары при нулевом давлении (абсолютное), а V — напряжение, показываемое термопарой.

Альтернатива — это Датчик Пирани, который работает аналогичным образом, примерно в том же диапазоне давления, но представляет собой только двухконтактное устройство, измеряющее изменение сопротивления тонкого электрически нагреваемого провода в зависимости от температуры, а не с помощью термопары.

Смотрите также

• Датчик теплового потока
• Болометр
• Джузеппе Доменико Ботто
• Термистор
• Термоэлектрическая мощность
• Список датчиков
• Международная температурная шкала 1990 г.
• Биметалл (механический)

Рекомендации

внешняя ссылка

• Принцип работы термопары — Кембриджский университет
• Термопара
• Дрейф термопары — Кембриджский университет
• Два способа измерения температуры с помощью термопар
• Руководство по проектированию термопар
• Ноу-хау в области термопар с минеральной изоляцией
• Насадка для термопары — грунтовка

Таблицы данных термопар:

• Текстовые таблицы: База данных термопар NIST ITS-90 (B, E, J, K, N, R, S, T)
• Таблицы PDF: J K Т E N р S B
• Python упаковка thermocouples_reference содержащие характеристические кривые многих типов термопар.
• р упаковка [1] Измерение температуры с помощью термопар, датчиков RTD и IC.
• Таблица данных: Размеры проводов термопар

Побочные эффекты компенсации «холодного» спая

Наличие компенсации «холодного» спая в каждом приборе измерения температуры с помощью термопары приводит к интересному явлению. Если Вы замкнете накоротко входные клеммы такого прибора, он всегда будет регистрировать температуру окружающей среды, независимо от термопары. Это поведение можно проиллюстрировать на следующих примерах. На первой схеме показана нормальная эксплуатация системы измерения температуры, а на второй эта же система с закороченным входом. Здесь мы видим индикатор температуры, который получает текущий сигнал 4-20 мА от трансмиттера температуры, который, в свою очередь, получает милливольтовый сигнал от термопары типа «К», измеряющей температуру процесса в 780 градусов Фаренгейта: 

Внутренняя компенсация «холодного» спая передатчика дает компенсацию для температуры окружающей среды 68 градусов Фаренгейта. Если окружающая температура повышается или падает, компенсация автоматически приспосабливается к этим изменениям и индикатор по-прежнему показывает температуру процесса в 780 градусов Фаренгейта.

Теперь, мы отсоединяем термопару от температурного трансмиттера и накоротко замыкаем вход тансмиттера:

С замкнутым входом трансмиттер «не видит» от термопары никакого напряжения вообще. Нет никакого ни «горячего» спая, ни «холодного» спая, только кусок обычного электрического провода, соединяющий входные клеммы. Это означает, что компенсация «холодного» спая в трансмиттере больше не выполняет полезную функцию. Однако, трансмиттер «не знает», что он больше не связан с термопарой, и механизм компенсации продолжает работать. Вспомните уравнение напряжения, связывающее напряжения «горячего» и «холодного» спаев и напряжения компенсации:

Отключение проволоки термопары и подключение перемычки к клеммам устраняет VJ1 и VJ2, оставляя только напряжение компенсации:

В результате индикатор показывает температуру только окружающей среды. Это явление используется для оперативного тестирования цепей от термопары до индикатора. Можно считать этот побочный эффект полезным при обслуживании. Но есть и другие эффекты, которые скорее мешают при обслуживании, чем помогают. Присутствие компенсации «холодного» спая становится довольно хлопотным, к примеру, если специалист пытается имитировать термопару с использованием милливольтового источника. Простая подача с источника напряжения соответствующего нужной температуре (по таблице) значения, не даст желаемого результата для любой температуры за исключением точки замерзания воды!

Предположим, например, что техник хочет имитировать термопару типа K при 300 градусов Фаренгейта, установив на милливольтовом источнике 6.094 милливольт (напряжение, соответствующее 300 градусов для термопар типа K согласно стандарту ITS-90). Подключение источника напряжения к прибору не приведет к реагированию прибора как на 300 градусов F:

Вместо этого, прибор регистрирует 339 градусов, потому что внутренняя компенсация спая по-прежнему активна, компенсируя «холодный» спай, которого уже нет. Выход милливольтового источника 6.094 mV получает добавку компенсирующего напряжения (внутри передатчика) 0.865 mV. В результате большее суммарное напряжение (6.959 mV) интерпретируется трансмиттером как температура 339 градусов. Единственным способом правильно использовать милливольтовый источник для имитации желаемой температуры является для техника учесть функцию компенсации трансмиттера, подав сигнал с учетом действия компенсации. Другими словами, вместо того, чтобы установить значение напряжения источника 6.094 mV, технику следует установить значение только 5.229 mV, передатчиком будут добавлены 0.865 mV и, в результате, получим суммарное напряжение 6.094 mV. И прибор покажет 300 градусов по Фаренгейту:

Конечно, современные калибраторы термопар предоставляют возможность прямого ввода температуры с автоматическим учетом компенсирующего напряжения трансмиттера, так что любую требуемую температуры можно легко имитировать (в любой температурной шкале – Цельсия, Кельвина, Фаренгейта):

Принцип работы термопары и компенсация напряжения на холодном спае

    Термопары — маленькие,
прочные и сравнительно недорогие
устройства. Вдобавок из всех температурных
датчиков они работают в самом широком
диапазоне температур. Термопары
незаменимы при измерении высоких
температур (вплоть до 2300 °С) в агрессивных
средах. Они вырабатывают на выходе
термоЭДС в диапазоне от микровольт до
милливольт, однако требуют стабильного
усиления для последующей обработки. К
тому же необходимо применять компенсацию
напряжения на холодном спае, которая
вкратце будет обсуждена ниже. Они гораздо
более линейны, чем многие другие датчики,
а их нелинейность на сегодняшний день
хорошо изучена и описана в специальной
литературе.

    В табл. 2 приведены наиболее
распространенные термопары. При их
изготовлении обычно применяют такие
металлы, как железо, платина, родий,
рений, вольфрам, медь, алюмель (сплав
никеля с алюминием), хромель (сплав
никеля с хромом) и константан (сплав
меди и никеля).

Таблица 2

    На рис. 1 представлены
зависимости ЭДС от температуры трех
наиболее распространенных типов
термопар, у которых температура опорного
спая поддерживается равной 0 °С. Термопары
типа J наиболее чувствительны и развивают
наибольшее выходное напряжение при
одном и том же изменении температуры.
С другой стороны, термопары типа S
являются наименее чувствительными. Как
видно из приведенных характеристик,
сигналы, развиваемые термопарами, очень
малы и требуют малошумящих усилителей
с большим коэффициентом усиления и
малым дрейфом. Это необходимо учитывать
при проектировании схем обработки
сигналов с термопарных датчиков.

Рис.
1

    Чтобы понять поведение
термопар, рассмотрим, как изменяется
их выходной сигнал при изменении
температуры чувствительной части
термопары (горячего спая). Рисунок 1
показывает связь между температурой
горячего спая и выходным сигналом,
развиваемым разными типами термопар
(во всех случаях температура холодного
спая поддерживается равной 0 °С). Очевидно,
что отдача термопар нелинейна, но природа
этой нелинейности до сих пор не вполне
ясна.

    Рисунок 2 показывает, как
зависит от температуры горячего спая
коэффициент линейности (Seebeck coefficient), то
есть прирост выходного напряжения,
соответствующий росту температуры
горячего спая на 1 °С, иными словами,
первая производная зависимости выходного
сигнала от температуры. Отметим, что мы
по-прежнему рассматриваем тот случай,
когда температура холодного спая
поддерживается равной 0 °С.

Рис.
2

    При выборе термопары для
производства замеров температур в
достаточно широком диапазоне следует
выбирать ту термопару, коэффициент
линейности которой изменяется менее
других в рамках этого диапазона.

    Например, для термопары
типа J в диапазоне от 200 до 500 °С коэффициент
линейности изменяется менее чем на 1
мкВ/°С, что делает ее идеальной для
использования в этом диапазоне.

    Приведенные на рис. 1 и 2
данные полезны вдвойне: во-первых, рис.
1 показывает диапазон и чувствительность
трех типов термопар, так что разработчик
может с одного взгляда определить, что
термопара типа S имеет самый широкий
диапазон измерений, но типа J — более
чувствительная; во-вторых, знание
коэффициента Сибека (рис. 2) позволяет
быстро определить, какова линейность
выбранной термопары. Используя рис. 2,
разработчик для работы в диапазоне
400…800 °С выберет термопару типа К,
коэффициент линейности которой в этой
области минимальный, а для диапазона
900…1700 °С — типа S. Поведение коэффициента
линейности термопары оказывается
определяющим в тех случаях, когда
некоторое отклонение от заданной
температуры критичнее, чем само значение
заданной температуры. Эти данные также
показывают, какими характеристиками
должны обладать устройства, работающие
в схеме управления совместно с той или
иной термопарой.

    Чтобы успешно использовать
термопары, необходимо понимать основные
принципы их работы. Рассмотрим схемы,
изображенные на рис. 3.

Рис.
3

    Если мы соединим два
разнородных металла при какой-либо
температуре, превышающей абсолютный
нуль (-273,16 °С), то между ними будет разность
потенциалов (так называемая, термоЭДС
— Thermoelectric EMF, или «контактная разность
потенциалов»), которая является функцией
температуры соединения (рис. 3, а). Если
мы соединим два провода в двух местах,
сформируются два спая (рис. 3, б) Если эти
спаи имеют разную температуру, то в цепи
образуется термоЭДС, по проводникам
потечет ток, величина которого определяется
значением термоЭДС и сопротивлением
проводников.

    Разорвав один из проводников,
мы увидим, что напряжение в точках
разрыва будет равным термоЭДС, и если
замерить это напряжение, то полученное
значение можно использовать, чтобы
определить разность температур между
двумя спаями (рис. 3, в).

    Необходимо помнить, что
термопара изменяет разницу температур
между двумя спаями, а не абсолютную
температуру в одном из них. Определить
температуру в измеряемом спае мы можем
лишь в том случае, если знаем температуру
второго спая (часто называемого «опорным»
или «холодным»).

    Но не так легко измерить
напряжение, образуемое термопарой.
Предположим, что мы подключили вольтметр
в контур схемы (рис. 3, г). Провода,
подключенные к вольтметру, также образуют
термопары в месте их присоединения.
Если обе эти дополнительные термопары
находятся под одинаковой температурой
(не имеет значения, какой), то они не
окажут воздействия на общую термоЭДС
системы. Если же их температуры
различаются, то могут возникнуть ошибки.
Поскольку каждая пара находящихся в
контакте разнородных металлов вырабатывает
термоЭДС (включая медь/припой, ковар/медь
(ковар — сплав, используемый для
формирования подложки микросхемы),
алюминий/ковар [в соединении внутри
микросхемы)), очевидно, что в реальных
рабочих контурах возникают гораздо
более серьезные проблемы, чем описано
выше. Поэтому необходимо постараться
обеспечить, чтобы все контакты разнородных
металлов в контуре вокруг термопары
(естественно, помимо спаев самой
термопары) находились при одинаковой
температуре.

    Термопары создают напряжение,
хотя и очень маленькое, но не требующее
токового возбуждения. Показанная на
рис. 3, г термопара имеет два спая (T1 —
температура измерительного спая, Т2 —
опорного). Если Т2 = Т1, тогда V2 = V1 и выходное
напряжение V = 0. Выходное напряжение
термопары обычно определено как значение,
полученное при поддержании температуры
холодного спая, равной 0 °С. Отсюда и
происхождение термина «холодный спай»
или «спай при температуре тающего льда».
Таким образом, если измерительный спай
будет помещен в среду с нулевой
температурой, на выходе термопары будет
нулевое напряжение.

    Чтобы проводить высокоточные
измерения, необходимо тщательно
поддерживать температуру холодного
спая, которая должна быть строго
определена (хотя не обязательно равна
0°С). Простая реализация этого требования
представлена на рис. 4. Ванна с тающим
льдом может быть легко реализована в
любых условиях, хотя на практике это не
всегда удобно.

Рис.
4

    Сегодня «спай при температуре
тающего льда» с требуемой для его
реализации ванной со льдом и водой
успешно вытесняется электроникой.
Температурный датчик другого типа (чаще
полупроводниковый, а иногда и термистор)
измеряет температуру холодного спая,
а полученный результат используется
для формирования дополнительного
напряжения в цепи термопары, компенсирующего
разницу между фактической температурой
холодного соединения и его идеальным
значением (обычно 0 °С), как показано на
рис. 5. В идеале напряжение компенсации
должно подбираться строго в зависимости
от разности напряжений. Корректирующее
напряжение является функцией от
температуры опорного спая Т2, причем
более сложной, нежели простая линейная
зависимость, описываемая произведением
КхТ2, где К — простая константа. На
практике, поскольку холодные спаи обычно
находятся при температуре лишь на
несколько десятков градусов выше 0 °С
и ее значение колеблется в пределах ±10
°С, линейная аппроксимация компенсирующего
напряжения оказывается допустимой.
Другими словами, хотя реальное значение
корректирующего напряжения и определяется
многочленом в соответствии с формулой
V=K₁хT+K₂хT²+K₃хT³+…,
но значения коэффициентов К₂, К₃
и т. д. очень малы для всех известных
типов термопар. Значения этих коэффициентов
для всех термопар можно найти в справочной
литературе.

Рис.
5

    Когда используется
электронная компенсация напряжения на
холодном спае, на практике соединение
проводов с концами термопары заключают
в изотермический блок, как показано на
рис. 6. Когда соединения металл А — медь
и металл В — медь находятся при одной
температуре, это эквивалентно спаю
металл А — металл В, как показано на
рис. 5.

Рис.
6

    Схема, приведенная на рис.
7, обеспечивает измерение температуры
от 0 °С до 250 °С при помощи термопары типа
К с компенсацией напряжения холодного
спая. Питание схемы осуществляется
однополярным напряжением от 3,3 до 12 В.
Причем схема была спроектирована таким
образом, чтобы коэффициент преобразования
составлял 10 мВ/°С.

Рис.
7

    Коэффициент передачи
термопары типа К приблизительно равен
41 мкВ/°С. Следовательно, примененный
для компенсации датчик напряжения с
температурным коэффициентом 10 мВ/°С
ТМР35 используется с делителем на R1 и
R2, обеспечивающим требуемое значение
41 мкВ/°С. Ликвидация неизотермичности
между дорожками печатной платы и
проводами термопары предотвращает
появление ошибок в процессе измерения
при изменении температур. Такая
компенсация подходит для схем, работающих
при температуре окружающей среды от 20
до 50 °С.

    Если температура рабочего
спая термопары достигла 250 °С, ее выходное
напряжение будет составлять 10,151 мВ.
Поскольку при этом выходной сигнал
схемы должен быть равен 2,5 В, то усилитель
должен иметь коэффициент усиления,
равный 246,3. Выбор R4, равного 4,99 кОм,
предопределяет для R5 значение 1,22 МОм.
Наиболее близкое однопроцентное значение
для R5 составляет 1,21 МОм, в связи с чем
для точной настройки размаха выходного
сигнала совместно с R5 используется
потенциометр сопротивлением 50 кОм.

    Хотя ОР193 допускает питание
от одного источника, его выходные каскады
не предназначены для работы в режиме
rail-to-rail и минимальное значение сигнала
на его выходе не должно быть ниже +0,1 В.
С этой целью резистор R3 добавляет ко
входу ОУ небольшое напряжение,
увеличивающее выходной сигнал на 0,1 В
для питающего напряжения 5 В. Это смещение
(соответствующее 10 °С) должно быть
вычтено после обработки или считывания
сигнала с выхода ОР193. R3 также обеспечивает
определение обрыва термопары: если
термопара отсутствует, выходной сигнал
становится больше чем 3 В. Резистор R7
балансирует входное сопротивление
ОР193 по постоянному току, а пленочный
конденсатор емкостью 0,1 мкФ снижает
помехи от термопары на его неинвертирующем
входе.

    AD594/AD595 — инструментальный
усилитель и компенсатор напряжения
холодного спая, выполненный в одном
чипе (рис. 9). Эта микросхема осуществляет
привязку к «точке таяния льда» и содержит
предварительно откалиброванный
усилитель, который обеспечивает получение
выходного напряжения высокого уровня
(10 мВ/°С) непосредственно с выхода
термопары. AD594/AD595 может быть использована
как линейный усилитель-компенсатор
либо в качестве переключаемого
контроллера, используемого для постоянного
или мобильного управления и регулирования.
Схема может быть также использована
для прямого усиления компенсируемого
напряжения, выполняя при этом функции
преобразователя температуры в напряжение
с коэффициентом преобразования 10 мВ/°С.
В ряде случаев очень важно, чтобы чип
находился при той же температуре, что
и холодный спай термопары. Обычно это
достигается путем размещения обоих в
непосредственной близости друг от друга
и изоляции их от источников тепла.

    AD594/AD595 включает датчик
повреждения термопары, который показывает,
что либо один, либо оба конца термопары
отсоединены от микросхемы. Аварийный
выход достаточно гибкий и в состоянии
формировать ТТL-сигнал. Прибор запитывается
от одного положительного источника
(напряжение на нем может быть всего 5
В), но подача отрицательного напряжения
позволяет измерить температуру ниже 0
°С. Для уменьшения самонагрева собственное
потребление AD594/AD595 (без нагрузки) снижено
до 160 мкА, при этом микросхемы в состоянии
отдать в нагрузку ток до ±5мА.

Рис.
8

    Благодаря лазерной подгонке
сопротивлений внутри AD594 схема настроена
на работу с термопарами типа J
(железо/константан), а AD595 — с термопарами
типа К (хромель/алюмель). Напряжения
смещения и коэффициенты усиления
микросхем могут изменяться при помощи
внешних элементов, так что каждая из
них может быть перекалибрована под
термопару любого другого типа. Допустимо
также с помощью внешних элементов
осуществить более точную калибровку
термопары для специальных применений.

    AD594/AD595 выпускаются в двух
модификациях: «С» и «А», — калибрующихся
с точностью ±1 °С и ±3 °С соответственно.
Оба исполнения допускают поддержание
температуры холодного спая в пределах
от 0°С до 50 °С. Схема, представленная на
рис.9, непосредственно работает с
термопарой типа J (AD594) или типа K AD595) и
позволяет измерять температуру от 0 °С
до 300 °С.

Рис.
9

    AD596/AD597 — монолитные
контроллеры, оптимизированные для
использования в условиях любых температур
в различных случаях. В них осуществляется
компенсация напряжения холодного спая
и усиление сигналов с J- или K-термопары
таким образом, чтобы получить сигнал,
пропорциональный температуре. Схемы
могут быть подстроены так, чтобы
обеспечить выходное напряжение 10 мВ/°С
непосредственно от термопар типа J или
K. Каждый из чипов размещен в металлическом
корпусе с десятью выводами и настроен
на работу при температуре окружающей
среды от 25 °С до 100 °С.

    AD596 усиливает сигналы
термопары, работающей в температурном
диапазоне от -200 °С до +760 °С, рекомендованном
для термопар типа J, в то время как AD597
работает в диапазоне от -200 °С до +1250 °С
(диапазон термопар типа K). Усилители
откалиброваны с точностью ±4 °С при
температуре окружающей среды 60 °С и
характеризуются температурной
стабильностью 0,05°С/°С при изменении
температуры окружающей среды в пределах
от 25 °С до 100 °С.

    Все вышеописанные усилители
не в состоянии компенсировать нелинейность
термопары: они способны лишь корректировать
и усиливать сигнал с термопарного
выхода. АЦП с высокой разрешающей
способностью, входящие в семейство
AD77хx, могут использоваться для прямой
оцифровки сигнала с выхода термопары,
без предварительного усиления.
Преобразование и линеаризацию осуществляет
микроконтроллер, сопряженный с таким
АЦП, как показано на рис.10. Два
мультиплексируемых входа АЦП используются
для прямой оцифровки сигнала с термопары
и с теплового датчика, находящегося в
контакте с ее холодным спаем. Вход PGA
(программируемого усилителя) программируется
на усиление от 1 до 128, и разрешающая
способность АЦП лежит в пределах от 16
до 22 бит в зависимости от того, какая из
микросхем выбрана пользователем.
Микроконтроллер осуществляет как
компенсацию напряжения холодного спая,
так и линеаризацию характеристики

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Термопара, подключенная к мультиметру, отображающему комнатную температуру в °C

A термопаре, представляет собой электрическое устройство, состоящее из двух разнородных электрического проводника, образующих электрический переход. Термопара создает зависящее от температуры напряжение в результате термоэлектрического эффекта , и это напряжение можно интерпретировать как измерение температуры. Термопары используйте собой широко используемый тип датчика температуры .

. Коммерческие термопары недороги, взаимозаменяемы, поставляются со стандартными разъемами и могут измерять диапазон диапазона температур. Термопары имеют автономное питание и не требуют внешнего возбуждения. Основное ограничение термопар — точность; Системные ошибки менее одного градуса Цельсия (° C) могут оказаться трудными для достижения.

Термопары широко используются в науке и промышленности. Применения измерения температуры для печей, выхлопных газов, газовых турбин, дизельных двигателей и других промышленных процессов. Термопары также используются в домах, офисах и на предприятиях в качестве датчиков температуры в термостатах, а также в датчиках пламени в предохранительных устройств для газовых приборов.

Содержание

• 1 Принцип действия
  • 1.1 Физический принцип: эффект Зеебека
  • 1.2 Характеристическая функция
  • 1.3 Требование для холодного спая
• 2 Практические вопросы
  • 2.1 Конструкция схемы
  • 2.2 Металлургические марки
  • 2.3 Старение термопар
• 3 типа
  • 3.1 Термопары из никелевого сплава
    • 3.1.1 Тип E
    • 3.1.2 Тип J
    • 3.1.3 Тип K
    • 3.1.4 Тип M
    • 3.1.5 Тип N
    • 3.1.6 Тип T
  • 3.2 Термопары из сплава платины и родия
    • 3.2.1 Тип B
    • 3.2.2 Тип R
    • 3.2.3 Тип S
  • 3.3 Термопары вольфрам / рениевый сплав
    • 3.3.1 Тип C
    • 3.3.2 Тип D
    • 3.3.3 Тип G
  • 3.4 Прочие
    • 3.4.1 Термопары из сплава хромель -золото / железо
    • 3.4.2 Тип P (сплав благородного металла) или «Platinel II»
    • 3.4.3 Термопары из сплава платины / молибдена
    • 3.4.4 Термопары из сплава иридия / родия
    • 3.4.5 Термопары из чистого благородного металла Au — Pt, Pt — Pd
    • 3.4.6 Термопары HTIR-TC (стойкие к высокотемпературному облучению)
  • 3. 5 Сравнение типов
• 4 Thermoco наивысшая изоляция
  • 4.1 Таблица изоляционных материалов
• 5 Области применения
  • 5.1 Сталелитейная промышленность
  • 5.2 Безопасность газовых приборов
  • 5.3 Датчики излучения на термобатареях
  • 5.4 Производство
  • 5.5 Производство электроэнергии
  • 5.6 Технологические установки
  • 5.7 Термопара как вакуумметр
• 6 См. Также
• 7 Ссылки
• 8 Внешние ссылки

Принцип работы

В 1821 году немецкий физик Томас Иоганн Зеебек обнаружил, что когда разные металлы соединяются на концах и между соединениями существует разница температур, наблюдается магнитное поле. В то время Зеебек называл это следствие термомагнетизмом. Позже было показано, что наблюдаемое им магнитное поле возникает из-за термоэлектрического тока. На практике представляет интерес напряжение, генерируемое на единственном стыке двух разных типов проводов, поскольку его можно использовать для измерения температуры при очень высоких низких и температурах. Величина напряжения зависит от типа используемого провода. Как правило, напряжение находится в диапазоне микровольт, и необходимо соблюдать осторожность, чтобы получить пригодное для использования измерение. Несмотря на то, что ток протекает очень мало, мощность может генерироваться одним спайом термопары. Производство электроэнергии с использованием нескольких термопар, как в термобатареи, является обычным явлением.

Термопара типа К (хромель — алюмель ) в стандартной конфигурации измерения термопары. Измеренное напряжение

V { displaystyle scriptstyle V}

можно использовать для вычисления температуры

T sense { displaystyle scriptstyle T _ { mathrm {sense}}}

, если известна температура

T ref { displaystyle scriptstyle T _ { mathrm {ref}}}

.

Стандартная конфигурация для использования термопары на рисунке. Вкратце, желаемая температура T sense получается с использованием трех входов — характеристики функции E (T) термопары, измеренного напряжения V и температуры T ref опорных спаев. Решение уравнения E (T смысл) = V + E (T ref) дает T смысл. Эти детали часто скрыты от пользователя, поскольку блок эталонного спая (с термометром T ref), вольтметр и решатель уравнений объединены в один продукт.

Физический принцип: эффект Зеебека

Эффект Зеебека относится к электродвижущей силе всякий раз, когда есть температурный градиент в проводящем материале. В условиях разобщённой цепи тока, градиент напряжения (∇ V { displaystyle scriptstyle { boldsymbol { nabla}} V}) прямо пропорционально пропорционален градиенту температура (∇ T { displaystyle scriptstyle { boldsymbol { nabla}} T}):

∇ V = — S (T) ∇ T, { displaystyle { boldsymbol { nabla}} V = -S (T) { boldsymbol { nabla}} T,}

где S (T) { displaystyle S (T)}— это зависящее от температуры свойство материала, известное как коэффициент Зеебека.

. Стандартная конфигурация измерения напряжения, показанная на рисунке, показывает четыре диапазона температур и, следовательно, четыре составляющих:

1. Измените с T meter { displaystyle scriptstyle T _ { mathrm {meter}}}на T ref { displaystyle scriptstyle T _ { mathrm {ref}}}, в нижнем медном проводе.
2. Изменение с T ref { displaystyle scriptstyle T _ { mathrm {ref}}}на T sense { d isplaystyle scriptstyle T _ { mathrm {sense}}}, в проводе alumel.
3. Изменение с T sense { displaystyle scriptstyle T _ { mathrm {sense}}}на T ref { displaystyle scriptstyle T _ { mathrm {ref}}}в хромелевом проводе.
4. Изменить с T ref { displaystyle scriptstyle T _ { mathrm {ref}}}на T meter { displaystyle scriptstyle T _ { mathrm {meter}}}, в верхний медный провод.

Первый и четвертый вклады полностью компенсируются, потому что эти области имеют одинаковое изменение температуры и идентичный материал. В результате Т м е т е р { displaystyle scriptstyle T _ { mathrm {meter}}}не влияет на измеренное напряжение. Второй и третий вклады не отменяются, так как в них задействованы разные материалы.

Измеренное напряжение оказывается

V = ∫ T ref T sense (S + (T) — S — (T)) d T, { displaystyle V = int _ {T_ { mathrm {ref }}} ^ {T _ { mathrm {sense}}} left (S _ {+} (T) -S _ {-} (T) right) , dT,}

где S + { displaystyle scriptstyle S _ {+}}и S — { displaystyle scriptstyle S _ {-}}— коэффициенты Зеебека проводов отрицательных подключенных к положительной и отрицательной клеммам вольтметра соответственно (хромель и алюмель на рисунке).

Характеристическая функция

Нет необходимости выполнять интеграл для каждого измерения температуры. Скорее, поведение термопары фиксируется характерной функцией E (T) { displaystyle scriptstyle E (T)}, с которой нужно обращаться только к двум аргументам. :

V = E (значение T) — E (значение T). { displaystyle V = E (T _ { mathrm {sense}}) — E (T _ { mathrm {ref}}).}

В терминах коэффициентов Зеебека значение функции определяется как

E (T) знак равно ∫ TS + (T ′) — S — (T ′) d T ′ + const { displaystyle E (T) = int ^ {T} S _ {+} (T ‘) — S _ {-} (T ‘) dT’ + mathrm {const}}

Константа интегрирования в этом неопределенном интеграле не имеет значения, но обычно выбирается так, чтобы E (0 ∘ C) = 0 { displaystyle scriptstyle E (0 , {} ^ { circ} { rm {C}}) = 0}.

Производители термопар и организации по метрологическим стандартам, такие как NIST предоставляет функции функции E (T) { displaystyle scriptstyle E (T)}, которые были измерены и интерполированы в диапазоне температур для определенных типов термопар (см. Внешние раздел ссылок для доступа) к этим таблицам).

Требования к эталонному спайу

Блок эталонного спая внутри измерителя температуры Fluke CNX t3000. Два белых провода подключаются к термистору (встроенный в белый термопаста) для измерения температуры эталонных спаев.

Для получения желаемого измерения T sense { displaystyle scriptstyle T _ { mathrm {sense}}}, недостаточно просто измерить V { displaystyle scriptstyle V}. Температура в эталонных соединенийх Т е е { displaystyle scriptstyle T _ { mathrm {ref}}}должна быть уже известна. Здесь часто используются две стратегии:

• Метод «ледяной бани»: блок эталонного спая погружают в полузамороженную ванну с дистиллированной водой при атмосферном давлении. Точная температура точки плавления фазового перехода действует как естественный термостат, фиксируя T ref { displaystyle scriptstyle T _ { mathrm {ref}}}От до 0 ° C.
• Датчик эталонного спая (известный как «компенсация холодного спая»): блок эталонного спая может изменяться по температуре, но температура в этом блоке измеряется с использованием отдельного датчика температуры. Это вторичное измерение используется для компенсации колебаний температуры в соединительном блоке. Спай термопары часто подвергается воздействию экстремальных условий, в то время как эталонный спай часто устанавливается рядом с прибором. Полупроводниковые термометры часто используются в современных приборах с термопарами.

В обоих случаях значение V + E (T ref) { displaystyle scriptstyle V + E (T _ { mathrm {ref)}})}вычисляется, затем функция E (T) { displaystyle scriptstyle E (T)}ищется для соответствия значению. Аргументом, при котором происходит это совпадение, является значение T sense { displaystyle scriptstyle T _ { mathrm {sense}}}.

.

Практические соображения

Термопары в идеале должны быть очень простыми измерительными приборами с каждым типом точной кривой E (T) { displaystyle scriptstyle E (T)}, не зависящей от каких-либо других деталей. На самом деле термопары подвержены таким проблемам, как неопределенность при производстве сплавов, эффекты старения и ошибки / недопонимания при проектировании схем.

Конструкция схемы

Распространенная ошибка в конструкции термопары с компенсацией холодного спая. Если при оценке T r e f { displaystyle T _ { mathrm {ref}}}будет сделана ошибка, при измерении появится ошибка температуры. Для простейших измерений провода термопары подключаются к меди вдали от горячей или холодной точки, температура которой измеряется; соответствует, что этот эталонный спай имеет комнатную температуру, но эта температура может изменяться. Из-за нелинейности напряжения кривой термопары ошибки в T ref { displaystyle T _ { mathrm {ref}}}и T sense { displaystyle T _ { mathrm {смысл} }}, как правило, неравные значения. Некоторые термопары, такие как тип B, имеют плоскую кривую напряжения около комнатной температуры, что означает большую погрешность при комнатной температуре T ref { displaystyle T _ { mathrm {ref}}}преобразуется только в небольшой ошибке в T sense { displaystyle T _ { mathrm {sense}}}.

Соединения должны быть надежным образом, но есть много подходов для этого. Для низких температур соединения могут быть спаяны или спаяны; однако может быть трудно найти подходящий флюс , и он может не подходить для чувствительного перехода из-за низкой температуры плавления припоя. Поэтому опорные и удлинительные соединения обычно выполняются с помощью винтовых клеммных колодок . Для высокого температурного наиболее распространенного подхода является точечная сварка или обжим с использованием прочного материала.

Один из распространенных мифов о термопарах состоит в том, что соединения должны быть выполнены чисто без использования третьего языка, чтобы избежать нежелательных электромагнитных полей. Это может быть следствием еще одного распространенного заблуждения о том, что напряжение генерируется на стыке. Фактически, стыки в принципе должны иметь одинаковую внутреннюю температуру; Следовательно, напряжение на переходе не возникает. Напряжение создается в результате теплового градиента вдоль провода.

Термопара выдает слабые сигналы, часто с амплитудой микровольт. Для точных измерений этого сигнала требуется усилитель с входным напряжением с ущерба и осторожностью, чтобы избежать саморазогрева термо-ЭДС внутри самого вольтметра. Измерение высокого входного сопротивления , чтобы предотвратить смещение измеряемого напряжения, провод термопары должен иметь высокое сопротивление (плохое сопротивление в местах соединения или очень тонкие провода, используемое для теплового отклика).. Полезная функция в контрольно-измерительных приборах термопар позволяет одновременно измерять сопротивление и обнаруживать неисправные соединения в проводке или в местах соединения термопар.

Металлургические сорта

Хотя том тип провода термопары часто описывается его химическим составом, фактическая цель состоит в том, чтобы произвести пару проводов, соответствующих стандартизированному E (T) { displaystyle scriptstyle E (T)}кривая.

Примеси влияет на каждую партию металла по-разному, создавая переменные коэффициенты Зеебека. Чтобы соответствовать стандартному поведению, производители проводов для термопар намеренно добавляют дополнительные примеси, чтобы «легировать» сплав, компенсируя неконтролируемые изменения исходного материала. В результате существуют стандартные и специальные сорта проводов для термопар, в зависимости от уровня точности, необходимого для поведения термопары. Классы точности могут быть доступны только в согласованных парах, когда один провод модифицируется, чтобы компенсировать недостатки других проводов.

Особый случай проводов термопар, известный как степень удлинения, предназначенный для переноса термоэлектрической цепи на большие расстояния. Удлинительные провода следуют заявленной кривой E (T) { displaystyle scriptstyle E (T)}, но по разным причинам они не предназначены для использования в экстремальных условиях. некоторые приложениях. Например, удлинительный провод может иметь другую форму, например, очень гибкий с многопроволочной конструкцией и пластиковой изоляцией, или часть многожильного кабеля для переноса многих цепей термопар. В случае дорогих термопар из благородных металлов удлинительные провода могут быть даже изготовлены из совершенно другого, более дешевого материала, который имитирует стандартный тип в ограниченном диапазоне температур.

Старение термопар

Часто используются термопары. при высоких температурах и в реактивной атмосфере печи. В этом случае практический срок службы ограничен старением термопары. Термоэлектрические коэффициенты проводов в термопаре, которые используются для измерения очень высоких температур, изменяются со временем, и соответственно происходит измерение напряжения. Простое соотношение между разностью температурой и измеряемым напряжением является правильным только в том случае, если каждый провод однороден (однороден по составу). По мере старения термопар в процессе их проводники могут терять однородность из-за химических и металлургических изменений, вызванных экстремальным или длительным воздействием высоких температур. Если участок цепи термопары подвергнется воздействию температурного градиента, измеренное напряжение будет отличаться, что приведет к ошибке.

Старые термопары модифицируются только частично; например, не затрагуты детали вне печи. Для этой устаревшей термопары нельзя вывести из строя их установки повторно откалибровать в ванне или испытательной установке для определения ошибки. Это также объясняет, почему иногда может наблюдаться ошибка, когда состаренная термопара частично вытаскивается из печи — когда отводится назад, состаренные секции могут подвергаться воздействию повышенных температурных градиентов от горячего к холодному, поскольку состаренная секция теперь проходит через охладитель. огнеупорная область, вносящая значительную ошибку в измерение. Аналогичным образом, устаревшая термопара, которая вставляет более точные показания в печь, вызывает температурный градиент только в свежей секции.

Типы

Определенные комбинации классов стали популярными в качестве промышленных стандартов. Выбор комбинации определяется стоимостью, доступностью, удобством, температурой плавления, химическими свойствами, стабильностью и производительностью. Разные типы лучше всего подходят для разных приложений. Обычно их выбирают на основе необходимого температурного диапазона и чувствительности. Термопары с низкой чувствительностью (типы B, R и S) имеют соответственно более низкое разрешение. Другие варианты выбора включают химическую инертность материалов термопары и то, является ли он магнитным или нет. Ниже представлены стандартные типы термопара с положительным электродом (при условии T sense>T ref { displaystyle T _ { text {sense}}>T _ { text {ref}}}), а затем отрицательный электрод.

Термопары из никелевого сплава

Характеристики функций для термопара, которые достигают промежуточных температур, в соответствии с термопарами из никелевого сплава типов E, J, K, M, N, T. Также показаны сплав благородных металлов типа P и чистые комбинации благородных металлов золото-платина и платина-палладий.

Тип E

Тип E (хромель — константан ) имеет высокую выходную мощность (68 мкВ / ° C), что делает его хорошо подходящим для криогенного использования. Кроме того, он немагнитен. Широкий диапазон — 50 ° C до +740 ° C и узкий диапазон от -110 ° C до +140 ° C.

Тип J

Тип J (железо — константа an ) имеет более ограниченный диапазон (от -40 ° C до +750 ° C), чем тип K, но более высокую чувствительность, около 50 мкВ / ° C. Точка Кюри утюга (770 ° C) вызывает плавное изменение характеристики, которая определяет верхний предел температуры. Обратите внимание, что европейский / немецкий тип L является вариантом типа J с другой спецификацией для выхода ЭДС (ссылка DIN 43712: 1985-01).

Тип K

Тип K (хромель — алюмель ) — наиболее распространенная термопара общего назначения с чувствительностью приблизительно 41 мкВ / ° С. Он недорогой, и доступно большое количество датчиков в диапазоне от –200 ° C до +1350 ° C (от –330 ° F до +2460 ° F). Тип K был определен в то время, когда металлургия была менее развита, чем сегодня, и, следовательно, характеристики могут значительно различаться между образцами. Один из составляющих металлов, никель, является магнитным; Характерной чертой термопар, изготовленных из магнитного материала, является то, что они претерпевают отклонение на выходе, когда материал достигает своей точки Кюри, что происходит для термопар типа K при температуре около 185 ° C.

Они очень хорошо работают в окислительной атмосфере. Однако, если в основном восстановительная атмосфера (например, водород с небольшим количеством кислорода) вступает в контакт с проволокой, хром в хромелевом сплаве окисляется. Это снижает выходную ЭДС, и показания термопары низкие. Это явление известно как зеленая гниль из-за цвета пораженного сплава. Хромелевый провод не всегда имеет ярко-зеленый цвет, но на нем образуется пятнистая серебристая корка и он становится магнитным. Простой способ проверить наличие этой проблемы — проверить, являются ли два провода магнитными (обычно хромель немагнитен).

Водород в атмосфере — обычная причина зеленой гнили. При высоких температурах он может диффундировать через твердые металлы или неповрежденную металлическую защитную гильзу. Даже оболочка из оксида магния, изолирующая термопару, не будет удерживать водород.

Зеленая гниль не возникает в атмосфере, достаточно богатой кислородом или бескислородной. Герметичная защитная гильза может быть заполнена инертным газом или может быть добавлен поглотитель кислорода (например, расходуемая титановая проволока). В качестве альтернативы в защитную гильзу можно ввести дополнительный кислород. Другой вариант — использовать термопару другого типа для атмосфер с низким содержанием кислорода, где может возникнуть зеленая гниль; Подходящей альтернативой является термопара типа N.

Тип M

Тип M (82% Ni / 18% Mo –99,2% Ni / 0,8% Co по весу) используются в вакуумных печах по тем же причинам, что и для типа C (описанного ниже). Верхняя температура ограничена 1400 ° C. Он используется реже, чем другие типы.

Тип N

Термопары типа N (Nicrosil — Nisil ) подходят для использования при температуре от −270 ° C до +1300 ° C, благодаря его стабильности и стойкости к окислению. Чувствительность составляет около 39 мкВ / ° C при 900 ° C, что немного ниже по сравнению с типом K.

Разработано Ноэлем А. в Оборонной научно-технической организации (DSTO) Австралии. Термопары Берли типа N преодолевают три основных характерных типа и причины термоэлектрической нестабильности в стандартных материалах термоэлементов из недрагоценных металлов:

1. Постепенный и, как правило, кумулятивный дрейф термоЭДС при длительном воздействии при повышенных температурах. Это наблюдается во всех материалах термоэлементов из неблагородных металлов и в основном обусловлено изменениями состава, вызванными окислением, науглероживанием или нейтронным облучением, которое может привести к трансмутация в среду ядерного реактора. В случае термопар типа K атомы марганца и алюминия из провода KN (отрицательный) мигрируют в провод KP (положительный), что приводит к дрейфу вниз из-за химического загрязнения. Этот эффект является кумулятивным и необратимым.
2. Кратковременное циклическое изменение термо-ЭДС при нагревании в диапазоне температур примерно 250–650 ° C, которое происходит в термопарах типов K, J, T и E. Этот вид нестабильности ЭДС связан со структурными изменениями, такими как магнитный ближний порядок в металлургическом составе.
3. Не зависящее от времени возмущение термоЭДС в определенных диапазонах температур. Это происходит из-за зависящих от состава магнитных превращений, которые возмущают термо-ЭДС в термопарах типа K в диапазоне примерно 25–225 ° C, а в типе J выше 730 ° C.

Сплавы термопар Nicrosil и Nisil значительно улучшены. термоэлектрическая стабильность по сравнению с другими стандартными сплавами термопар из недрагоценных металлов, поскольку их состав существенно снижает термоэлектрическую нестабильность, описанную выше. Это достигается в первую очередь за счет увеличения концентраций растворенных веществ (хрома и кремния) в основе никеля по сравнению с теми, которые требуются для перехода от внутреннего режима окисления к внешнему, а также путем выбора растворенных веществ (кремний и магний), которые предпочтительно окисляются с образованием диффузии.

Термопары типа N являются подходящей альтернативой типу K для условий с низким содержанием кислорода, когда тип K склонен к зеленой гнили. Они подходят для использования в вакууме, инертной атмосфере, окислительной атмосфере или сухой восстановительной атмосфере. Они не переносят присутствие серы.

Тип T

Тип T (медь — константан ) термопары подходят для измерений в диапазоне −200 до 350 ° C. Часто используется в качестве дифференциального измерения, так как только медный провод касается датчиков. Поскольку оба проводника немагнитны, отсутствует точка Кюри и, следовательно, нет резкого изменения характеристик. Термопары типа T имеют чувствительность около 43 мкВ / ° C. Обратите внимание, что медь имеет гораздо более высокую теплопроводность , чем сплавы, обычно используемые в конструкциях термопар, и поэтому необходимо проявлять особую осторожность при термическом закреплении термопар типа T. Аналогичный состав содержится в устаревшем типе U в немецкой спецификации DIN 43712: 1985-01

Термопары из сплава платины и родия

Характеристические функции для типов высокотемпературных термопар, показывающие Pt / Rh, W Термопары из сплавов / Re, Pt / Mo и Ir / Rh. Также показана термопара из чистого металла Pt – Pd.

В термопарах типов B, R и S для каждого проводника используется сплав платина или сплав платина / родий. Это одни из самых стабильных термопар, но они имеют меньшую чувствительность, чем другие типы, примерно 10 мкВ / ° C. Термопары типов B, R и S обычно используются только для высокотемпературных измерений из-за их высокой стоимости и низкой чувствительности.

Тип B

Термопары типа B (70% Pt / 30% Rh – 94% Pt / 6% Rh по весу) подходят для использования при температуре до 1800 ° C. Термопары типа B дают такой же выходной сигнал при 0 ° C и 42 ° C, ограничивая их использование ниже примерно 50 ° C. Функция ЭДС имеет минимум около 21 ° C, что означает, что компенсация холодного спая легко выполняется, поскольку напряжение компенсации по существу является постоянным для эталонного значения при типичных комнатных температурах.

Тип R

Термопары типа R (87% Pt / 13% Rh – Pt по весу) используются от 0 до 1600 ° C.

Тип S

Термопары типа S (90% Pt / 10% Rh – Pt по массе), аналогичные типу R, используются при температурах до 1600 ° C. До введения Международной температурной шкалы 1990 (ITS-90) прецизионные термопары типа S использовались в качестве практических стандартных термометров для диапазона от 630 ° C до 1064 ° C на основе интерполяции между температурами замерзания сурьмы, серебра и золота. Начиная с ITS-90, платиновые термометры сопротивления заняли этот диапазон в качестве стандартных термометров.

Термопары из вольфрама / рениевого сплава

Эти термопары хорошо подходят для измерений в экстремальных условиях. высокие температуры. Типичное применение — водород и инертная атмосфера, а также вакуумные печи. Они не используются в окислительных средах при высоких температурах из-за охрупчивания. Типичный диапазон составляет от 0 до 2315 ° C, который может быть расширен до 2760 ° C в инертной атмосфере и до 3000 ° C для кратких измерений.

Чистый вольфрам при высоких температурах подвергается рекристаллизации и становится хрупким. Поэтому в некоторых приложениях типы C и D предпочтительнее, чем тип G.

В присутствии водяного пара при высокой температуре вольфрам реагирует с оксидом вольфрама, который улетучивается, и водородом. Затем водород вступает в реакцию с оксидом вольфрама, снова образуется вода. Такой «круговорот воды» может привести к эрозии термопары и возможному выходу из строя. Поэтому в условиях высокотемпературного вакуума желательно избегать присутствия следов воды.

Альтернативой вольфраму / рению является вольфрам / молибден, но зависимость напряжение-температура слабее и имеет минимум около 1000 К.

Температура термопары ограничена также другими используемыми материалами. Например, оксид бериллия, популярный материал для высокотемпературных применений, имеет тенденцию увеличивать проводимость с температурой; В конкретной конфигурации датчика сопротивление изоляции падает с мегаом при 1000 К до 200 Ом при 2200 К. При высоких температурах материалы подвергаются химической реакции. При 2700 К оксид бериллия слабо реагирует с вольфрамом, сплавом вольфрам-рений и танталом; при 2600 К молибден реагирует с ВеО, вольфрам не реагирует. BeO начинает плавиться примерно при 2820 K, оксид магния примерно при 3020 K.

Тип C

(95% по массе / 5% Re – 74% по массе / 26% Re, по весу) максимальная температура, измеренная термопарой типа c, составляет 2329 ℃.

Тип D

(97% по массе / 3% Re – 75% по массе / 25% по массе)

Тип G

(Вт –74% W / 26% Re, по массе)

Прочие

Термопары из сплава хрома и золота / железа

Характеристики термопар при низких температурах. Термопары на основе AuFe демонстрируют стабильную чувствительность при низких температурах, тогда как обычные типы быстро выравниваются и теряют чувствительность при низких температурах.

В этих термопарах (хромель — золото / сплав железа ), отрицательный провод выполнен из золота с небольшой долей (0,03–0,15 атомных процента) железа. Нечистая золотая проволока придает термопаре высокую чувствительность при низких температурах (по сравнению с другими термопарами при этой температуре), тогда как хромелевый провод сохраняет чувствительность, близкую к комнатной. Его можно использовать для криогенных приложений (1,2–300 К и даже до 600 К). И чувствительность, и диапазон температур зависят от концентрации железа. Чувствительность обычно составляет около 15 мкВ / К при низких температурах, а самая низкая используемая температура колеблется от 1,2 до 4,2 К.

Тип P (сплав благородных металлов) или «Platinel II»

Термопары типа P (55% Pd / 31% Pt / 14% Au – 65% Au / 35% Pd, по массе) создают термоэлектрическое напряжение, имитирующее тип K в диапазоне от 500 ° C до 1400 ° C, однако они изготовлены исключительно из благородных металлов и поэтому обладают повышенной коррозионной стойкостью. Эта комбинация также известна как Platinel II.

Термопары из сплава платины / молибдена

Термопары из сплава платины / молибдена (95% Pt / 5% Mo – 99,9% Pt / 0,1% Mo, по весу) иногда используются в ядерных реакторах, поскольку они показывают низкий дрейф от ядерной трансмутации, вызванной нейтронным облучением, по сравнению с типами из сплава платина / родий.

Иридий / родий. термопары из сплава

Использование двух проволок из сплавов иридий / родий может обеспечить термопару, которая может использоваться при температуре до 2000 ° C в инертной атмосфере.

Термопары из чистого благородного металла Au – Pt, Pt – Pd

Термопары, изготовленные из двух различных благородных металлов высокой чистоты, могут показать высокую точность даже без калибровки, а также низкий уровень дрейфа. Используются две комбинации: золото-платина и платина-палладий. Их основные ограничения — низкие температуры плавления металлов (1064 ° C для золота и 1555 ° C для палладия). Эти термопары имеют тенденцию быть более точными, чем тип S, и из-за их экономичности и простоты даже рассматриваются как конкурентные альтернативы платиновым термометрам сопротивления, которые обычно используются в качестве стандартных термометров.

HTIR Термопары -TC (стойкие к высокотемпературному облучению)

HTIR-TC — это прорыв в измерении высокотемпературных процессов. Его характеристики: прочный и надежный при высоких температурах до 1700 ° C; устойчивы к облучению; moderately priced; available in a variety of configurations — adaptable to each application; easily installed. Originally developed for use in nuclear test reactors, HTIR-TC may enhance the safety of operations in future reactors. This thermocouple was developed by researchers at the Idaho National Laboratory (INL)

Comparison of types

The table below describes properties of several different thermocouple types. Within the tolerance columns, T represents the temperature of the hot junction, in degrees Celsius. For example, a thermocouple with a tolerance of ±0.0025×T would have a tolerance of ±2.5 °C at 1000 °C.

Type	Temperature range (°C)	Tolerance class (°C)	Color code
Continuous	Short-term	One	Two	IEC	BS	ANSI
Low	High	Low	High
K	0	+1100	−180	+1370	−40 – 375: ±1.5. 375 – 1000: ±0.004×T	−40 – 333: ±2.5. 333 – 1200: ±0.0075×T
J	0	+750	−180	+800	−40 – 375: ±1.5. 375 – 750: ±0.004×T	−40 – 333: ±2.5. 333 – 750: ±0.0075×T
N	0	+1100	−270	+1300	−40 – 375: ±1.5. 375 – 1000: ±0.004×T	−40 – 333: ±2.5. 333 – 1200: ±0.0075×T
R	0	+1600	−50	+1700	0 – 1100: ±1.0. 1100 – 1600: ±0.003×(T − 767)	0 – 600: ±1.5. 600 – 1600: ±0.0025×T			Not defined
S	0	+1600	−50	+1750	0 – 1100: ±1.0. 1100 – 1600: ±0.003×(T − 767)	0 – 600: ±1.5. 600 – 1600: ±0.0025×T			Not defined
B	+200	+1700	0	+1820	Not available	600 – 1700: ±0.0025×T	No standard	No standard	Not defined
T	−185	+300	−250	+400	−40 – 125: ±0.5. 125 – 350: ±0.004×T	−40 – 133: ±1.0. 133 – 350: ±0.0075×T
E	0	+800	−40	+900	−40 – 375: ±1.5. 375 – 800: ±0.004×T	−40 – 333: ±2.5. 333 – 900: ±0.0075×T
Chromel/AuFe	−272	+300	N/A	N/A	Reproducibility 0.2% of the voltage.. Each sensor needs individual calibration.

Thermocouple insulation

Typical low cost type K thermocouple (with standard type K connector ). While the wires can survive and function at high temperatures, the plastic insulation will start to break down at 300 °C.

The wires that make up the thermocouple must be insulated from each other everywhere, except at the sensing junction. Any addit Обычный электрический контакт между проводами или контакт провода с другими проводящими объектами может изменить напряжение и дать ложные показания температуры.

Пластмассы являются подходящими изоляторами для низкотемпературных частей термопары, тогда как керамическая изоляция может использоваться при температуре примерно до 1000 ° C. Другие проблемы (истирание и химическая стойкость) также влияют на пригодность материалов.

Когда изоляция провода разрушается, это может привести к непреднамеренному электрическому контакту в месте, отличном от желаемой точки измерения. Если такая поврежденная термопара используется в замкнутом контуре управления термостатом или другим контроллером температуры, это может привести к неконтролируемому перегреву и, возможно, серьезному повреждению, так как ложное показание температуры обычно будет ниже температуры чувствительного перехода. Неудачная изоляция также обычно выделяет газ, что может привести к загрязнению технологического процесса. Для частей термопар, используемых при очень высоких температурах или в приложениях, чувствительных к загрязнению, единственной подходящей изоляцией может быть вакуум или инертный газ ; механическая жесткость проводов термопар используется для их разделения.

Таблица изоляционных материалов

Температурные характеристикии изолироваться в зависимости от того, из чего состоит весь конструкционный кабель термопары.

Примечание: T300 — это новый высокотемпературный материал, который недавно был одобрен UL для рабочих температур 300 ° C.

Области применения

Термопары подходят для измерения в большом диапазоне температур от -270 до 3000 ° C (кратковременно в инертной атмосфере). Применения измерения температуры для печей, газовых турбин выхлопных газов, дизельных двигателей, других промышленных процессов и туманообразователей. Они менее подходят для приложений, в которых требуется измерять меньшую температуру с высокой точностью, например, диапазон 0–100 ° C с точностью до 0,1 ° C. Для таких приложений больше подходят термисторы, кремниевые зонные датчики температуры и термометры сопротивления.

Сталелитейная промышленность

Термопары типов B, S, R и K широко используются в отраслях стали и железа для контроля температуры и химического состава повсюду. процесс производства стали. Одноразовые погружные термопары типа S используются в процессе электродуговой печи для точного измерения температуры стали перед выпуском. Кривую охлаждения небольшого стального образца можно проанализировать и использовать для оценки углерода в жидкой стали.

Безопасность газового прибора

Термопара (крайняя правая трубка) внутри узла горелки водонагревателя Подключение термопары в газовых приборах. Концевой шар (контакт) слева изолирован от фитинга изолирующей шайбой . Линия термопары состоит из медного провода, изолятора и внешней металлической оболочки, которая также используется в качестве заземления.

Многие газовые нагревательные приборы, такие как печи и водонагреватели использовать пилотное пламя для зажигания основной газовой горелки, когда это необходимо. Если пилотное пламя погаснет, может выделиться несгоревший газ, представляет опасность взрыва и опасность для здоровья. Чтобы предотвратить это, некоторые приборы используют термопару в отказоустойчивой цепи , чтобы определить, когда горит контрольная лампа. Наконечник термопары помещается в пилотное пламя, создаваемое напряжение, которое приводит в действие клапан подачи, который подает газ в пилотное пламя. Пока пилотное пламя горит, термопара остается горячей, а пилотный газовый клапан остается открытым. Если контрольная лампа гаснет, температура термопары падает, в результате чего напряжение на термопаре падает, а клапан закрывается.

Там, где зонд можно легко link над пламенем, вместо него часто можно использовать выпрямляющий датчик. Имея частично керамическую конструкцию, они также могут быть известны как стержни пламени, датчики пламени или электроды обнаружения пламени.

Воспламенитель пламени (вверху) и датчик пламени

Некоторые комбинированные клапаны основной горелки и запального газа (в основном, Honeywell ) снижают потребляемую мощность в диапазоне одной универсальной термопары нагревается пилотом (разомкнутая цепь 25 мВ) падает наполовину, когда катушка подключена к источнику 10–12 мВ, 0,2–0,25 А, обычно путем подбора размеров катушки, чтобы она могла удерживать клапан в открытом против легкой пружины, но только после первоначального включения силы достигается состояние, нажимающим и удерживающим ручку для сжатия во время зажигания пилота. Эти системы можно идентифицировать по пилотию и удерживанию в течение x минут. (Требуемый ток удержания для такого клапана намного меньше, чем требуется для более крупного соленоида, предназначенного для удержания клапана из закрытого положения.) Для подтверждения срабатывания клапана и создающих токов изготавливаются специальные испытательные наборы, поскольку обычный миллиамперметр нельзя использовать, так как он создает большее сопротивление, чем катушка газового клапана. Помимо проверки напряжения холостого хода термопары и непрерывности постоянного тока, близкого к короткому замыканию, через катушку газового термопары, самым простым неспециализированным тестом является замена заведомо исправного газового клапана.

Некоторые системы, известные как системы управления милливольтом, расширяют концепцию термопары как для открытия, так и для закрытия главного газового клапана. Напряжение, создаваемое пилотной термопарой, не только активирует пилотный газовый клапан, но также проходит через термостат для питания главного газового клапана. Здесь требуется большее напряжение, чем в описанной выше системе безопасности пилотного пламени, и вместо одной термопары используется термобатарея. Такая система не требует для своей работы источника внешнего электричества и, таким образом, может работать во время сбоя питания, при условии, что все другие связанные системы позволяют это. Это исключает обычные печи с принудительной подачей воздуха, поскольку для работы электродвигателя вентилятора требуется внешнее электрическое питание, но эта функция особенно полезна для автономных конвекционных нагревателей. Подобный предохранительный механизм перекрытия газа с использованием термопары иногда используется для обеспечения зажигания основной горелки в определенный период времени, перекрывая клапан подачи газа основной горелки, если этого не происходит.

Из-за беспокойства по поводу потерь энергии из-за постоянного зажигания разработчики многих новых устройств перешли на беспилотное зажигание с электронным управлением, также называемое прерывистым зажиганием. При отсутствии постоянного запального пламени отсутствует скопления газа, если пламя погаснет, поэтому этим приборам не требуются пилотные предохранительные выключатели на основе термопар. В этих устройствах теряется преимущество работы без постоянного источника электроэнергии, в некоторых устройствах все еще используются стоячие пилоты. Исключением являются более поздние модели проточных водонагревателей (также известных как «безбаковые») , которые используют поток воды для выработки тока, необходимого для зажигания газовой горелки; в этих конструкциях также используется термопара в качестве предохранительного устройства, отключение в случае, если газ не загорится или если пламя погаснет.

Датчики излучения термобатареи

Термобатареи используются для измерения интенсивности падающего излучения, обычно видимого или инфракрасного света, которое нагревает горячие спаи, в то время как холодные спаи находятся на радиаторе. С помощью устройства в продаже датчиков на термобатареях можно измерить интенсивность излучения всего в несколько мкВт / см. Например, некоторые лазерные измерители мощности основаны на таких датчиковх; они известны как лазерный датчик на термобатареи.

Принцип работы термобатареи отличается от принципа действия болометра , поскольку последний зависит от изменения сопротивления.

Производство

Термопары, как правило, отправление при испытании прототипов и механических устройств. Например, в коммутационном устройстве установлено устройство , которое проходит испытание на допустимую нагрузку по току, может быть термопары, которые контролируются во время испытания на нагрев, чтобы подтвердить, что повышение температуры при номинальном токе не соответствует проектным пределов.

Производство энергии

Термопара может вырабатывать ток для частного управления без необходимости в дополнительных схемах и источниках питания. Например, мощность от термопары может активировать клапан при возникновении разницы температур. электрическая энергия, генерируемая термопарой, преобразуется из тепла, которое должно подаваться на горячую сторону для поддержания электрического потенциала. Непрерывная передача тепла необходима, поскольку, протекающий через термопару, вызывает тенденцию охлаждения горячей стороны и нагревание холодной стороны (эффект Пельтье ).

Термопары могут быть соединены последовательно, образуя термобатарею, где все горячие спаи подвергаются более высокой температуре, все холодные спаи — более низкой температуры. Выход представляет собой сумму напряжений на отдельных переходах, что дает большее напряжение и выходную мощность. В радиоизотопном термоэлектрическом генераторе, радиоактивный распад трансурановых элементов в качестве источника тепла использовался для питания космических кораблей в миссиях слишком далеко от Солнца, чтобы использовать солнечные лучи. сила.

Термобатареи, установленные для работы керосиновыми лампами, использовались для работы безбатарейных радиоприемников в продолжающихся районах. Существуют коммерческие производимые фонари, которые используют тепло свечи для работы нескольких светодиодов, а также вентиляторы с термоэлектрическим приводом для циркуляции воздуха и распределения тепла в дровяных печах.

Технологические установки

Химическая промышленность и нефтеперерабатывающих заводах обычно используются компьютеры для регистрации и предельного тестирования различных температур, связанных с процессами, обычно исчисляемых сот. В таких случаях несколько выводов термопары будут подведены к общему контрольному блоку (большому медному блоку), содержащему вторую термопару каждой цепи. Температура блока, в свою очередь, измеряется термистором . Для определения температуры в каждом месте используются простые вычисления.

Термопара в качестве вакуумметра

Термопара может быть в качестве вакуумметра в диапазоне приблизительно от 0,001 до 1 торр абсолютного давления. В этом диапазоне давлений средний свободный пробег газа сравним с размерами вакуумной камеры, а режим потока не является ни чисто вязким, ни чисто молекулярный. В этой конфигурации спай термопары прикреплен к центру короткого нагревательного провода, который обычно запитывается постоянным током около 5 мА, и тепло отводится со скоростью, зависящей от теплопроводности газа.

Температура, измеряемая на стыке термопары, зависит от теплопроводности окружающего газа, которая зависит от давления газа. Разность потенциалов, измеренная с помощью термопары, пропорциональна квадрату давления в диапазоне низкого и среднего вакуума. При более высоких (вязкий поток) и более низких (молекулярный поток) давленияхлопроводность воздуха или любого другого газа практически не зависит от давления. Термопара была впервые предложена в качестве вакуумметра Фоге в 1906 году. Математическая модель термопары в качестве вакуумметра довольно сложна, как подробно объяснил Ван, но может быть упрощен до:

P = B (V 2 — V 0 2) V 0 2, { displaystyle P = { frac {B ( V ^ {2} -V_ {0} ^ {2})} {V_ {0} ^ {2}}},}

где P — давление газа, B — постоянная, зависящая от температуры термопары, состава газа и геометрия вакуумной камеры, V 0 — напряжение термопары при нулевом давлении (), и V — напряжение, показываемое термопарой.

Альтернативой является манометр Пирани, который работает аналогичным образом, примерно в том же диапазоне давления, но представляет собой только 2-контактное устройство, измеряющее изменение сопротивления с температурой тонкий провод с электрическим нагревом, а не с помощью термопары.

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки

На Викискладе есть материалы, связанные с термопарами.

Таблицы данных термопар:

• Текстовые таблицы: База данных термопар NIST ITS-90 (B, E, J, K, N, R, S, T)
• Таблицы PDF: J K T E N R S B
• Python пакет ссылка_термопары, особые кривые для многих типов термопар.
• R пакет [1] Измерение температуры с помощью термопар, RTD и датчиков IC.
• Таблица данных: Провод термопары Размеры