Термопары схема: устройство и принцип работы простым языком, типы

Содержание

Термопары. Виды и состав. Устройство и принцип действия

Преобразователь температуры в электрический ток называется термопарой. Такой термоэлемент используется в преобразовательных и измерительных устройствах, а также во многих системах автоматики. Если рассматривать термопары по международным стандартам, то это два проводника из разных материалов.

Устройство термопары

На одном конце эти проводники соединены между собой для создания термоэлектрического эффекта, позволяющего измерять температуру.

Внешне такое устройство выглядит в виде двух тонких проволочек сваренных на одном конце между собой, образуя маленький шарик. Многие китайские мультиметры имеют в комплекте такие термопреобразователи, что дает возможность измерять температуру разных нагретых элементов устройств. Эти два проводника обычно помещены в стекловолоконную прозрачную трубку. С одной стороны находится аккуратный сварной шарик, а с другой специальные разъемы для подключения к измерительному прибору.

Промышленное оборудование имеет более сложную конструкцию, по сравнению с китайскими термопарами. Рабочий элемент термодатчика заключают в металлический корпус в виде зонда, внутри которого он изолирован керамическими изоляторами, способными выдержать высокую температуру и воздействие агрессивной среды. На производстве таким термодатчиком измеряют температуру в технологических процессах.

Термопары являются наиболее популярным старым термоэлементом, который применяется в различных приборах для измерения температуры. Он обладает высокой надежностью, низкой инертностью, универсален и имеет низкую стоимость. Диапазон измерения различными видами термопар очень широк, и находится в пределах -250 +2500°С. Конструктивные особенности термодатчика не позволяют обеспечить высокую точность измерений, и погрешность может составлять до 2 градусов.

В бытовых условиях термопары используются в паяльниках, газовых духовках и других бытовых устройствах.

Принцип действия

Работа рассматриваемого термодатчика заключается в использовании эффекта ученого физика Зеебека, который обнаружил, что при спайке двух разнородных проводов в них образуется термо ЭДС, величина которого возрастает с увеличением нагрева места спайки. Позже это явление назвали термоэлектрическим эффектом Зеебека.

Напряжение, вырабатываемое термопарой, зависит от степени нагревания и вида применяемых металлов. Величина напряжения небольшая, и находится в интервале 1-70 микровольт на один градус.

При подключении такого температурного датчика к измерительному устройству, возникает дополнительный термоэлектрический переход. Поэтому образуется два перехода в разных режимах температуры. Входящий электрический сигнал на измерительном приборе будет зависеть от разности температур двух переходов.

Для измерения абсолютной температуры используют способ, называемый компенсацией холодного спая. Суть этого способа заключается в помещении второго перехода, не находящегося в зоне измерения, в среду образцовой температуры. Раньше для этого применяли обычный способ – размещали второй переход в тающий лед. Сегодня для этого используют вспомогательный температурный датчик, находящийся рядом со вторым переходом. По данным дополнительного термодатчика измерительное устройство корректирует итоги измерения. Это упрощает схему измерения, так как измерительный элемент и термопару совместно с дополнительным компенсатором можно соединить в одно устройство.

Разновидности

Температурные датчики на основе термопары разделяются по типу применяемых металлов.

Термопары из неблагородных металлов
Железо-константановые:
  • Достоинством стала низкая стоимость.
  • Нельзя применять при температуре менее ноля градусов, так как на металлическом выводе влага создает коррозию.
  • После термического старения показатели измерений возрастают.
  • Наибольшая допустимая температура использования +500°С, при более высокой температуре выводы очень быстро окисляются и разрушаются.
  • Железо-константановый вид является наиболее подходящим для вакуумной среды.
Хромель-константановые:
  • Способны работать при пониженных температурах.
  • Материалы электродов обладают термоэлектрической однородностью.
  • Их достоинство – повышенная чувствительность.
Медно-константановые термопары:
  • Оба электрода отожжены для создания термоэлектрической однородности.
  • Не восприимчивы к высокой влажности.
  • Нецелесообразно применять при температурах, превышающих 400°С.
  • Допускается применение в среде с недостатком или избытком кислорода.
  • Допускается применение при температуре ниже 0°С.
Хромель-алюмелевые термопары:

  • Серная среда вредно влияет на оба электрода термодатчика.
  • Нецелесообразно применять в среде вакуума, так как из электрода Ni-Cr может выделяться хром. Это явление называют миграцией. При этом термодатчик изменяет ЭДС и выдает температуру ниже истинной.
  • Снижение показаний после термического старения.
  • Применяется в насыщенной кислородом атмосфере или в нейтральной среде.
  • В интервале 200-500°С появляется эффект гистерезиса. Это означает, что при охлаждении и нагревании показания отличаются. Разница может достигать 5°С.
  • Широко применяются в разных сферах в интервале от -100 до +1000 градусов. Этот диапазон зависит от диаметра электродов.
Нихросил-нисиловые:
  • Наиболее высокая точность работы из всех термопар, изготовленных из неблагородных металлов.
  • Повышенная стабильность функционирования при температурах 200-500°С. Гистерезис у таких термодатчиков значительно меньше, чем у хромель-алюмелевых датчиков.
  • Допускается работа в течение короткого времени при температуре 1250°С.
  • Рекомендуемая температура эксплуатации не превышает 1200°С, и зависит от диаметра электродов.
  • Этот тип термопары разработан недавно, на основе хромель-алюмелевых термодатчиков, которые могут быстро загрязняться различными примесями при повышенных температурах. Если спаять два электрода с кремнием, то можно заранее искусственно загрязнить датчик. Это позволит уменьшить риск будущего загрязнения при работе.
Термодатчики из благородных металлов
Платинородий-платиновые:

  • Наибольшая рекомендуемая температура эксплуатации 1350°С.
  • Допускается кратковременное использование при 1600°С.
  • Нецелесообразно использовать при температуре менее 400°С, так как ЭДС будет нелинейной и незначительной.
  • При температуре более 1000°С термопара склонна к загрязнению кремнием, содержащимся в керамических изоляторах. Поэтому рекомендуется применять керамические трубки из чистого оксида алюминия.
  • Способны работать в окислительной внешней среде.
  • Если температура работы более 900°С, то такие термодатчики загрязняются железом, медью, углеродом и водородом, поэтому их запрещается армировать стальными трубками, либо необходимо изолировать электроды керамикой с газонепроницаемыми свойствами.
Платинородий-платинородиевые:
  • Оптимальная наибольшая рабочая температура 1500°С.
  • Нецелесообразно использование при температуре менее 600°С, где ЭДС нелинейная и незначительная.
  • Допускается кратковременное использование при 1750°С.
  • Может применяться в окислительной внешней среде.
  • При температуре 1000 и более градусов термопара загрязняется кремнием, поэтому рекомендуется применять керамические трубки из чистого оксида алюминия.
  • Загрязнение железом, медью и кремнием ниже, по сравнению с предыдущими видами.
Преимущества
  1. Прочность и надежность конструкции.
  2. Простой процесс изготовления.
  3. Спай датчика можно заземлять или соединять с объектом измерения.
  4. Широкий интервал эксплуатационных температур, что позволяет считать термоэлектрические датчики наиболее высокотемпературными из контактных видов.
Недостатки
  • Материал электродов реагирует на химические вещества, и при плохой герметичности корпуса датчика, его работа зависит от атмосферы и агрессивных сред.
  • Градуировочная характеристика изменяется из-за коррозии и появления термоэлектрической неоднородности.
  • Требуется проверять температуру холодных спаев. В новых устройствах измерительных приборов на базе термодатчиков применяется измерение холодных спаев полупроводниковым сенсором или термистором.
  • На большой длине удлинительных и термопарных проводников может появляться эффект «антенны» для имеющихся электромагнитных полей.
  • ЭДС зависит от температуры по нелинейному графику, что затрудняет проектирование вторичных преобразователей сигнала.
  • Если серьезные требования предъявляются к времени термической инерции термодатчика, и требуется заземлять спай, то необходимо изолировать преобразователь сигнала, чтобы не было утечки тока в землю.
Рекомендации по эксплуатации
Точность и целостность системы измерений на основе термопарного датчика может быть увеличена, если соблюдать определенные условия:
  • Не допускать вибраций и механических натяжений термопарных проводников.
  • При применении миниатюрной термопары из тонкой проволоки. Необходимо применять ее только в контролируемом месте, а за этим местом следует применять удлинительные проводники.
  • Рекомендуется применять проволоку большого диаметра, не изменяющую температуру измеряемого объекта.
  • Использовать термодатчик только в интервале рабочих температур.
  • Избегать резких перепадов температуры по длине термодатчика.
  • При работе с длинными термодатчиками и удлинительными проводниками, необходимо соединить экран вольтметра с экраном провода.
  • Для вспомогательного контроля и температурной диагностики используют специальные температурные датчики с 4-мя термоэлектродами, позволяющими выполнять вспомогательные температурные измерения, сопротивления, напряжения, помех для проверки надежности и целостности термопар.
  • Проводить электронную запись событий и постоянно контролировать величину сопротивления термоэлектродов.
  • Применять удлиняющие проводники в рабочем интервале и при наименьших перепадах температур.
  • Применять качественный защитный чехол для защиты термопарных проводников от вредных условий.
Похожие темы:

базовые принципы и основы проектирования

10 ноября 2017

Гордон Ли

С начала XX века термопары (ТП) обеспечивали измерение критических температур, особенно – очень высоких. Для многих промышленных применений как ТП, так и РТД (резисторные температурные детекторы) стали «золотым стандартом» температурных измерений. Хотя РТД имеют лучшую точность и повторяемость, относительными преимуществами термопар являются:

  • больший диапазон измерений;
  • меньшее время отклика;
  • меньшая цена;
  • лучший показатель долговечности;
  • отсутствие необходимости во внешнем источнике возбуждения;
  • отсутствие эффекта саморазогрева.

Проведение высокоточных измерений с термопарами может, однако, стать непростой задачей. Вы можете улучшить точность измерений путем схемного улучшения и калибровки, но перед разработкой схем или использованием термодатчиков необходимо понимание того как термопары работают.

Как работают термопары

Когда к отрезку металлического провода приложено напряжение, ток протекает от положительного полюса к отрицательному, и часть энергии расходуется на нагрев провода. Эффект, открытый в 1821 году Томасом Джоханом Сибеком, имеет и обратное действие. Когда температурный градиент приложен к металлическому проводу, создается электрический потенциал. Это – физическая основа термопары.

Рассмотрим несколько формул.

(1)

Где ∇V – градиент напряжения, ∇T – градиент температуры, а S(T) – коэффициент Сибека. Этот коэффициент зависит от материала, и также изменяется как функция температуры. Напряжение между двумя точками на проводе равняется интегралу функции коэффициента Сибека по температурному диапазону.

(2)

Например, Т1, Т2 и Т3 на рисунке 1 представляют температуры в разных точках металлического провода. Т1 (синий) представляет самую холодную точку, а Т3 (красный) – самую горячую точку. Напряжение между точками Т2 и Т1 равно:

(3)

Подобным же образом напряжение между точками Т3 и Т1 равно:

(4)

Используя аддитивное свойство интеграла, V31 также равняется:

(5)

Имейте в виду это обстоятельство, когда мы будем обсуждать преобразование «напряжение-температура» в термопаре.

Рис. 1. Напряжения, создаваемые на проводнике температурным градиентом и эффектом Сибека

Термопары состоят из двух различных материалов, обычно металлических проводов, с разным коэффициентом Сибека, S(T). Почему два материала существенны, когда температурная разница в одном из них производит разницу напряжений? Предположим, что металлический провод на рисунке 2 сделан из материала «А». Если вольтметр подключен через пробники из того же материала, он теоретически не покажет никакого напряжения.

Рис. 2. Отсутствие разницы потенциалов: пробники и провод сделаны из одного материала

Причина в том, что пробники, присоединенные к концам провода, работают как продолжение металлического провода. Концы этого длинного провода, которые подключены к входам вольтметра, имеют одинаковую температуру (Т

М). Если концы провода имеют одинаковую температуру – напряжение на проводе создаваться не будет. Чтобы доказать это математически, мы посчитаем напряжение, создаваемое на целом контуре провода, начиная с положительного терминала вольтметра к отрицательному.

(6)

Используя аддитивное свойство интеграла, предыдущее равенство будет выглядеть как:

(7)

Когда нижний и верхний пределы интеграла равны, результат интеграла V = 0.

Если материал пробников сделан из материала «В», как показано на рисунке 3, тогда:

(8)

Упрощая интеграл, мы получим:

(9)

Равенство 9 показывает, что измеренное напряжение равно интегралу разницы коэффициентов Сибека двух различных материалов. В этом причина того, что термопары делаются из двух различных металлов.

Рис. 3. Эффект Сибека на вольтметре с пробниками и проводом, сделанными из различных материалов

Из схемы на рисунке 3, подставив в равенстве 9 SA(T), SB(T) и известное измеренное напряжение, мы пока не можем вычислить температуру на горячем спае (TH). Во времена появления термопар в качестве опорной температуры (как температура холодного спая) использовалась ванная со льдом, соответствующая 0°C – этот способ очень дешев, легко реализуем, и температура саморегулируется. Эквивалентная схема показана на рисунке 4.

Рис. 4. Для вычисления ТН термопары нуждаются в опорной температуре, показанной здесь как 0°C

Хотя мы знаем опорную температуру для схемы на рисунке 4, непрактично решать интегральное уравнение для ТН. Стандартные референсные таблицы доступны для всех основных видов термопар, так вы можете определить температуру для соответствующего напряжения на выходе. Но важно иметь в виду, что все стандартные референсные таблицы для термопар были составлены для опорной температуры 0°C.

Системы термопар и основы проектирования

Системы термопар

Современные термопары состоят из двух различных металлических проводников, соединенных на одном конце (ТН). Напряжение измеряется на свободных концах пары проводов. Согласно эквивалентной схеме, показанной на рисунке 5, VC – то же, что и в равенстве 9, полученное ранее для схемы на рисунке 3.

(10)

Рис. 5. Современная конфигурация термопары использует компенсацию холодного спая

Компенсация холодного соединения

Температура холодного соединения, или холодного спая (ТС), может быть установлена в 0°C с помощью ледяной ванны, но на практике вы не будете использовать ведро холодной воды для получения опорной температуры. Метод CJC (компенсации холодного соединения) позволит вам посчитать температуру горячего спая. Температура холодного спая даже не должна быть постоянной. Этот метод просто использует отдельный датчик температуры для измерения в точке ТН. Становится возможным определить ТН, если ТС известна.

Если у нас есть датчик температуры для измерения температуры холодного спая, почему мы не используем его сразу для измерения температуры горячего? Дело в том, что диапазон изменения температуры холодного спая гораздо уже, чем диапазон изменения температуры горячего спая, поэтому датчик температуры, в отличие от термопары, не должен выдерживать такие экстремальные температуры.

Вычисление температуры горячего спая методом CJC

Как было замечено ранее, все стандартные референсные таблицы термопар были выпущены для температуры холодного спая 0°C. В таком случае, как мы должны использовать эти таблицы для вычисления температуры горячего спая? Представим, что открытые концы термопары были продолжены и эти воображаемые концы подключены к спаю с температурой 0°C (рисунок 6). Если мы можем посчитать значение V

0, то мы можем легко найти соответствующую температуру горячего спая, используя референсные таблицы.

Рис. 6. Определение неизвестной температуры горячего спая ТН

Определим V0:

(11)

Переставим слагаемые:

(12)

(13)

(14)

Первое слагаемое в формуле 13 точно такое же, как и в 10, которое получено из подключения, показанного на рисунке 5. Соответствующее напряжение выхода – VC, а оно известно, поскольку напряжение холодного спая измеряется вольтметром. Второе слагаемое эквивалентно выходу напряжения термопары, если температура его горячего спая равняется Т

С, а температура холодного спая – 0°C.

Поскольку ТС также измеряется отдельным датчиком температуры, мы можем использовать стандартные референсные таблицы для определения соответствующего напряжения Сибека (Vi) для второго слагаемого (13):

(15)

 С этим значением V0 соответствующая температура на ТН может быть определена с помощью стандартной референсной таблицы.

Процедура определения температуры горячего спая с компенсацией холодного имеет следующие шаги:

  • измерение температуры холодного спая (ТС) датчиком температуры;
  • измерение напряжения холодного спая;
  • преобразование ТС к напряжению Vi с использованием стандартных референсных таблиц;
  • вычисление V0 = Vi + VC;
  • преобразование V0 к температуре ТН с использованием стандартных референсных таблиц.

Стандартные референсные таблицы, а также набор стандартных формул для всех типов термопар можно найти в базе данных термопар NIST ITS-90.

Основы проектирования системы

До этой главы дискуссия содержала только теорию работы термопар. Чтобы улучшить точность в реальной системе, вы должны соблюсти несколько условий. Каждое устройство в блок-схеме базовой сигнальной цепи термопар (рисунок 7) повлияет на точность преобразования и должно быть выбрано внимательно для минимизации ошибки.

Рис. 7. Основные компоненты измерительной системы на основе термопары

Рассмотрим рисунок 7 слева направо. Термопара соединяется с разъемом системной платы. Хотя термопара – это датчик, она и сама может быть источником ошибок. Длинная термопара легко «собирает» окружающий электромагнитный шум; экранирование провода может значительно снизить его.

Важно, чтобы следующий компонент, – усилитель, – имел высокое входное сопротивление, потому что входное сопротивление усилителя и сопротивление термопары образуют резистивный делитель. Чем выше входное сопротивление усилителя – тем меньшую ошибку он создаст (формула 16).

(16)

Далее, усилитель увеличивает значение выхода термопары, которое обычно находится в диапазоне единиц милливольт. В то время как высокий коэффициент усиления усилителя с замкнутой петлей ОС увеличивает и сигнал, и шум, добавление низкочастотного фильтра на входе АЦП обрежет большую часть шума. Фильтр НЧ эффективен, так как частота аналого-цифрового преобразования для этих приложений обычно очень низкая – на уровне нескольких выборок в секунду, поскольку температура не изменяется очень быстро.

В заключение отметим, что температурный датчик на плате необходимо располагать очень близко к разъему холодного соединения (в идеале – касаясь концов выводов термопары, хотя это невозможно во многих случаях), чтобы получить наилучшее качество измерений температуры холодного спая. Любая ошибка в измерениях холодного спая отразится на вычислении температуры горячего спая.

Пример схемы термопары и результаты испытаний

Каким бы ни был ваш проект –собственным или объединенным с типовой разработкой – вам необходимо проверить его точность. Вот описание, как мы проверяли точность в референсном проекте MAXREFDES67# (рисунок 8).

Рис. 8. Типовая плата MAXREFDES67# для термопар и РТД, измеряющая температуру в диапазоне -40…150°C

В качестве примера того, как снизить погрешность измерения, рассмотрим использование системы термопар в типовом проекте MAXREFDES67# производства Maxim Integrated. Для проверки точности этой или любой другой измерительной системы вам необходимо знать температуру и иметь поверенный измерительный прибор для сравнения. В данном примере использовались три референсных термометра: Omega Hh51 (сейчас заменен на Hh52), термометр ETI и температурный калибратор Fluke 724.

Термопарный пробник К-типа, соединенный с MAXREFDES67#, был помещен в калибровочную ванну Fluke 7341 и откалиброван при температуре 20°C. Синие точки – это данные от Omega Hh51, использующиеся в качестве опорных, а зеленые точки – данные, отражающие показания прибора ETI. Красные точки – данные инструмента Fluke 724 с максимальной погрешностью менее 0,1°C, хотя Fluke 724 не использовался как референсный измеритель. Он симулирует выход идеальной термопары К-типа и соединяется с входом MAXREFDES67# с помощью проводов для термопары. На рисунке 9 показаны результаты испытаний.

Рис. 9. Зависимость ошибки от температуры в MAXREFDES67#; результат показывает высокую полученную точность

Заключение

Использование термопар для промышленных измерений имеет много преимуществ, в числе которых – широкий температурный диапазон, достаточно быстрое время отклика, привлекательная цена цена и долговечность. Теория термопар достаточно сложна, но необходима для полного понимания того, как вы можете провести корректные измерения и точные преобразования напряжения в температуру.

Материалы

Оригинал статьи.

•••

Наши информационные каналы

Принцип действия термопар (термоэлектрический преобразователь)

     Термопара (термоэлектрический преобразователь) — устройство, применяемое для измерения температуры в промышленности, научных исследованиях, медицине, в системах автоматики.

 

     Международный стандарт на термопары МЭК 60584 (п.2.2) дает следующее определение термопары: Термопара — пара проводников из различных материалов, соединенных на одном конце и формирующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.

 

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

 

 

Схема термопары типа К. При температуре спая проволок из хромеля и алюмеля равной 300 °C и температуре свободных концов 0 °C развивает термо-ЭДС 12,2 мВ.

 

Фотография термопары

 

Принцип действия

 

     Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Между соединёнными проводниками имеется контактная разность потенциалов; если стыки связанных в кольцо проводников находятся при одинаковой температуре, сумма таких разностей потенциалов равна нулю. Когда же стыки находятся при разных температурах, разность потенциалов между ними зависит от разности температур. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными от нуля коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой Т1, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т2, которое будет пропорционально разности температур Т1 и Т2.

 

Способ подключения (Схема подключения)

 

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

 

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

 

Следующие основные рекомендации позволяют повысить точность измерительной системы, включающей термопарный датчик:

 

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

 

Применение термопар

 

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

 

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

 

Преимущества термопар

 

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

 

Недостатки

 

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

 

Типы термопар

 

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

 

  • платинородий-платиновые
  • платинородий-платиновые
  • платинородий-платинородиевые
  • железо-константановые (железо-медьникелевые)
  • медь-константановые (медь-медьникелевые)
  • нихросил-нисиловые (никельхромникель-никелькремниевые)
  • хромель-алюмелевые
  • хромель-константановые
  • хромель-копелевые
  • медь-копелевые
  • сильх-силиновые
  • вольфрам и рений — вольфрамрениевые

 

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

 

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

 

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

 

Сравнение термопар

 

     Таблица ниже описывает свойства нескольких различных типов термопары. В пределах колонок точности, T представляет температуру горячего спая, в градусах Цельсия. Например, термопара с точностью В±0.0025Г—T имела бы точность В±2.5 В°C в 1000 В°C.

 

Тип термопары

Темп. коэффициент,

μV/°C

Температурный диапазон °C (длительно) Температурный диапазон °C (кратковременно) Класс точности 1 (°C) Класс точности 2 (°C)
K 41 0 до +1100 −180 до +1300 ±1.5 от −40 °C до 375 °C
±0.004×T от 375 °C до 1000 °C
±2.5 от −40 °C до 333 °C
±0.0075×T от 333 °C до 1200 °C
J 55.2 0 до +700 −180 to +800 ±1.5 от −40 °C до 375 °C
±0.004×T от 375 °C до 750 °C
±2.5 от −40 °C до 333 °C
±0.0075×T от 333 °C до 750 °C
N   0 до +1100 −270 to +1300 ±1.5 от −40 °C до 375 °C
±0.004×T от 375 °C до 1000 °C
±2.5 от −40 °C до 333 °C
±0.0075×T от 333 °C до 1200 °C
R   0 до +1600 −50 to +1700 ±1.0 от 0 °C до 1100 °C
±[1 + 0.003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °C
±1.5 от 0 °C до 600 °C
±0.0025×T от 600 °C до 1600 °C
S   0 до 1600 −50 до +1750 ±1.0 от 0 °C до 1100 °C
±[1 + 0.003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °C
±1.5 от 0 °C до 600 °C
±0.0025×T от 600 °C до 1600 °C
B   +200 до +1700 0 до +1820   ±0.0025×T от 600 °C до 1700 °C
T   −185 до +300 −250 до +400 ±0.5 от −40 °C до 125 °C
±0.004×T от 125 °C до 350 °C
±1.0 от −40 °C до 133 °C
±0.0075×T от 133 °C до 350 °C
E 68 0 до +800 −40 до +900 ±1.5 от −40 °C до 375 °C
±0.004×T от 375 °C до 800 °C
±2.5 от −40 °C до 333 °C
±0.0075×T от 333 °C до 900 °C

 

Источник: wikipedia

 

Принцип работы термопары, определение, типы и виды термопар, схемы работы термопары, способы подключения

Термопара — термоэлектрический преобразователь — это два разных сплава металла (проводники) которые образуют замкнутую цепь (термоэлемент). Термопара — один из наиболее распространенных в промышленности температурный датчик. Применяется в любых сферах промышленности, автоматики, научных исследованиях, медицине — везде, где нужно измерять температуру. Так же применяется в термоэлектрических генераторах для преобразования тепловой энергии в электрическую.

Действие термопары основано на эффекте, который впервые был открыт и описан Томасам Зеебеком в 1822 г. — термоэлектрический эффект или эффект Зеебека. В замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает термоэлектрический эффект (термо-ЭДС), если места контактов поддерживают при разных температурах. Цепь, которая состоит только из двух различных проводников, называется термоэлементом или термопарой. В сочетании с электроизмерительным прибором (милливольтметром, потенциометром и т. п.), термопара образует термоэлектрический термометр.

Измерительный прибор подключают либо к концам термоэлектродов, либо в разрыв одного из них. В среду, которую контролируют, помещают рабочий спай, а свободные концы подсоединяются к измерительному прибору. Чем больше различие между свойствами проводников и тепловой перепад на концах, тем выше термо-ЭДС.

По-простому — термопара это две проволоки из разнородных металлов (например, Хромель и Копель), сваренных или скрученных между собой. Место сварки (скрутки) называется рабочий спай Т1, а места соединения с измерительным прибором Т2 называют холодными спаями. То есть рабочий спай помещают в среду, температуру которой необходимо измерить, а холодные спаи подключают к приборам (милливольтметр). Но надо знать прибор — например, ИРТ 7710 не меряет температуру рабочего спая, он меряет разницу температур холодного и рабочего спаев. Это значит простым милливольтметром (тестером) мы можем узнать, поступает ли сигнал с рабочего спая (есть обрыв или нет), узнать где у термопары плюс (+) а где (-), примерно узнать какой тип термопары (но для этого нужен точный милливольтметр).

Типы, виды термопар

Типы российских термопар приведены в ГОСТ 6616-94.

Почему российские термопары? Термопара ТХК, то есть Хромель-Копель была придумана в СССР и сейчас выпускается только у нас и в странах СНГ. Не известно почему, но везде пишут ХК (L) — в скобках подразумевается международный тип, но это не так — на западе тип L это (Fe-CuNi). Может быть, они чем то и похожи по названию металлов входящих в сплав, но самое главное — у них разные таблицы НСХ. Мы с этим столкнулись, заказывая термопару из Италии. Наш совет — когда закупаете термопарный провод или кабель, сравнивайте таблицы НСХ, т.е. номинальные статические характеристики преобразователя ГОСТ Р 8.585-2001.

Таблица соответствия типов отечественных и импортных термопар

Тип температурного датчика

Сплав элемента

Российская маркировка температурных датчиков

Температурный диапазон

 

Термопара типа ТХК — хромель, копель (производства СССР или РФ)

хромель, копель

-200 … 800 °C

Термопара типа U

медь-медьникелевые

 

-200 … 500 °C

Термопара типа L

хромель, копель

ТХК

-200 … 850 °C

Термопара типа B

платинородий — платинородиевые

ТПР

100 … 1800 °C

Термопара типа S

платинородий — платиновые

ТПП

0 … 1700 °C

Термопара типа R

платинородий — платиновые

ТПП

0 … 1700 °C

Термопара типа N

нихросил нисил

ТНН

-200 … 1300 °C

Термопара типа E

хромель-константановые

ТХКн

0 … 600 °C

Термопара типа T

медь — константановые

ТМК

-200 … 400 °C

Термопара типа J

железо — константановые

ТЖК

-100 … 1200 °C

Термопара типа K

хромель, алюмель

ТХА

-200 … 1300 °C


Таблица ANSI Code (Американский национальный институт стандартов) и IEC Code (Международная электротехническая комиссия — МЭК)

В настоящее время в её состав входят более 76 стран (наша в том числе).

Принцип работы термопары: описание, устройство, схема

Принцип действия и устройство термопары предельно просты. Это обусловило популярность данного прибора и широкое применение во всех отраслях науки и техники. Термопара предназначается для измерения температур в широком диапазоне – от -270 до 2500 градусов по Цельсию. Устройство вот уже не одно десятилетие является незаменимым помощником инженеров и ученых. Работает надежно и безотказно, а показания температуры всегда правдивые. Более совершенного и точного прибора просто не существует. Все современные устройства функционируют по принципу термопары. Работают в тяжелых условиях.

Назначение термопары

Данное устройство преобразовывает тепловую энергию в электрический ток и позволяет измерять температуру. В отличие от традиционных ртутных градусников, способно работать в условиях как экстремально низких, так и экстремально высоких температур. Данная особенность обусловила широкое применение термопары в самых разнообразных установках: промышленные металлургические печи, газовые котлы, вакуумные камеры для химико-термической обработки, духовой шкаф бытовой газовой плиты. Принцип работы термопары всегда остается неизменным и не зависит от того, в каком устройстве она монтируется.

От надежной и бесперебойной работы термопары зависит работа системы аварийного отключения приборов в случае превышения допустимых лимитов температур. Поэтому данное устройство должно быть надежным и давать точные показания, чтобы не подвергать риску жизнь людей.

Принцип действия термопары

Термопара имеет три основных элемента. Это два проводника электричества из разных материалов, а также защитная трубка. Два конца проводников (их еще называют термоэлектродами) спаяны, а два других подключаются к потенциометру (прибор для измерения температуры).

Если говорить простым языком, принцип работы термопары заключается в том, что спай термоэлектродов помещается в среду, температуру которой необходимо измерить. В соответствии с правилом Зеебека, возникает разность потенциалов на проводниках (иначе – термоэлектричество). Чем больше температура среды – тем более значимой является разница потенциалов. Соответственно, стрелка прибора отклоняется больше.

В современных комплексах измерения на смену механическому устройству пришли цифровые индикаторы температуры. Однако далеко не всегда новый прибор превосходит по своим характеристикам старые аппараты еще советских времен. В технических вузах, да и в научно-исследовательских учреждениях, и по сей день пользуются потенциометрами 20-30-летней давности. И они демонстрируют поразительную точность и стабильность измерений.

Эффект Зеебека

На данном физическом явлении основан принцип работы термопары. Суть заключается в следующем: если соединить между собой два проводника из разных материалов (иногда используются полупроводники), то по такому электрическому контуру будет циркулировать ток.

Таким образом, если нагревать и охлаждать спай проводников, то стрелка потенциометра будет колебаться. Засечь ток также может позволить и гальванометр, подключенный в цепь.

В том случае, если проводники выполнены из одного и того же материала, то электродвижущая сила не будет возникать, соответственно, нельзя будет измерить температуру.

Схема подключения термопары

Наиболее распространенными способами подключения измерительных приборов к термопарам являются так называемый простой способ, а также дифференцированный. Суть первого метода заключается в следующем: прибор (потенциометр или гальванометр) напрямую соединяется с двумя проводниками. При дифференцированном методе спаивается не одни, а оба конца проводников, при этом один из электродов «разрывается» измерительным прибором.

Нельзя не упомянуть и о так называемом дистанционном способе подключения термопары. Принцип работы остается неизменным. Разница лишь в том, что в цепь добавляются удлинительные провода. Для этих целей не подойдет обычный медный шнур, так как компенсационные провода в обязательном порядке должны выполняться из тех же материалов, что и проводники термопары.

Материалы проводников

Принцип действия термопары основан на возникновении разности потенциалов в проводниках. Поэтому к подбору материалов электродов необходимо подходить очень ответственно. Различие в химических и физических свойствах металлов является основным фактором работы термопары, устройство и принцип действия которой основаны на возникновении ЭДС самоиндукции (разности потенциалов) в цепи.

Технически чистые металлы для применения в качестве термопары не подходят (за исключением АРМКО-железа). Обычно используются различные сплавы цветных и благородных металлов. Такие материалы имеют стабильные физико-химические характеристики, благодаря чему показания температуры всегда будут точными и объективными. Стабильность и точность – ключевые качества при организации эксперимента и производственного процесса.

В настоящее время наиболее распространены термопары следующих видов: E, J, K.

Термопара типа E

В качестве материалов для проводников используются константан и хромель. Изделия данного типа хорошо зарекомендовали себя по части надежности и точности показаний. Свидетельств тому – многочисленные положительные отзывы специалистов. Однако данный состав демонстрирует точность измерений лишь в положительном диапазоне температур до 600 градусов по Цельсию включительно.

Термопара типа J

По принципу работы термопара не отличается от предыдущей. Однако хромель уступил место технически чистому железу, что позволило существенно расширить диапазон рабочей температуры с сохранением стабильности показаний. Он составляет от -100 до 1200 градусов по Цельсию.

Термопара типа K

Это, пожалуй, самый распространенный и применяемый повсюду тип термопары. Пара хромель — алюминий отлично работает при температурах от -200 до 1350 градусов по Цельсию. Данный тип термопары отличается большой чувствительностью и фиксирует даже незначительный скачок температуры. Благодаря такому набору параметров, термопара применяется и на производстве, и для научных исследований. Но есть у нее и существенный недостаток – влияние состава рабочей атмосферы. Так, если данный вид термопары будет работать в среде CO2, то термопара будет давать некорректные показания. Данная особенность ограничивает применение устройств такого типа. Схема и принцип работы термопары остаются неизменными. Разница лишь в химическом составе электродов.

Проверка работы термопары

В случае выхода из строя термопары не подлежит ремонту. Теоретически можно, конечно, ее починить, но вот будет ли прибор после этого показывать точную температуру – это большой вопрос.

Иногда неисправность термопары не является явной и очевидной. В частности, это касается газовых колонок. Принцип работы термопары все тот же. Однако она выполняет несколько иную роль и предназначается не для визуализации температурных показаний, а для работы клапанов. Поэтому, чтобы выявить неисправность такой термопары, необходимо подключить к ней измерительный прибор (тестер, гальванометр или потенциометр) и нагреть спай термопары. Для этого не обязательно держать ее над открытым огнем. Достаточно лишь зажать его в кулак и посмотреть, будет ли отклоняться стрелка прибора.

Причины выхода из строя термопар могут быть разными. Так, если не надеть специальное экранирующее устройство на термопару, помещенную в вакуумную камеру установки ионно-плазменного азотирования, то с течением времени она будет становиться все более хрупкой до тех пор, пока не переломается один из проводников. Кроме того, не исключается и вероятность неправильной работы термопары из-за изменения химического состава электродов. Ведь нарушаются основополагающие принципы работы термопары.

Газовая аппаратура (котлы, колонки) также оснащается термопарами. Основной причиной выхода из строя электродов являются окислительные процессы, которые развиваются при высоких температурах.

В том случае, когда показания прибора являются заведомо ложными, а при внешнем осмотре не были обнаружены слабые зажимы, то причина, скорее всего, кроется в выходе из строя контрольно-измерительного прибора. В этом случае его необходимо отдать в ремонт. Если имеется соответствующая квалификация, то можно попытаться устранить неполадки самостоятельно.

Да и вообще, если стрелка потенциометра или цифровой индикатор показывают хоть какие-то «признаки жизни», то термопара является исправной. В таком случае проблема, совершенно очевидно, кроется в чем-то другом. И соответственно, если прибор никак не реагирует на явные изменения температурного режима, то можно смело менять термопару.

Однако прежде чем демонтировать термопару и ставить новую, нужно полностью убедиться в ее неисправности. Для этого достаточно прозвонить термопару обычным тестером, а еще лучше – померить напряжение на выходе. Только обычный вольтметр здесь вряд ли поможет. Понадобится милливольтметр или тестер с возможностью подбора шкалы измерения. Ведь разность потенциалов является очень маленькой величиной. И стандартный прибор ее даже не почувствует и не зафиксирует.

Преимущества термопары

Почему за столь долгую историю эксплуатации термопары не были вытеснены более совершенными и современными датчиками измерения температуры? Да по той простой причине, что до сих пор ей не может составить конкуренцию ни один другой прибор.

Во-первых, термопары стоят относительно дешево. Хотя цены могут колебаться в широком диапазоне в результате применения тех или иных защитных элементов и поверхностей, соединителей и разъемов.

Во-вторых, термопары отличаются неприхотливостью и надежностью, что позволяет успешно эксплуатировать их в агрессивных температурных и химических средах. Такие устройства устанавливаются даже в газовые котлы. Принцип работы термопары всегда остается неизменным, вне зависимости от условий эксплуатации. Далеко не каждый датчик другого типа сможет выдержать подобное воздействие.

Технология изготовления и производства термопар является простой и легко реализуется на практике. Грубо говоря – достаточно лишь скрутить или сварить концы проволок из разных металлических материалов.

Еще одна положительная характеристика – точность проводимых измерений и мизерная погрешность (всего 1 градус). Данной точности более чем достаточно для нужд промышленного производства, да и для научных исследований.

Недостатки термопары

Недостатков у термопары не так много, в особенности если сравнивать с ближайшими конкурентами (температурными датчиками других типов), но все же они есть, и было бы несправедливо о них умолчать.

Так, разность потенциала измеряется в милливольтах. Поэтому необходимо применять весьма чувствительные потенциометры. А если учесть, что не всегда приборы учета можно разместить в непосредственной близости от места сбора экспериментальных данных, то приходится применять некие усилители. Это доставляет ряд неудобств и приводит к лишним затратам при организации и подготовке производства.

Термопары, термопреобразователи сопротивления — выбор, подключение, установка. Низкая цена

В данной статье приведены основные технические характеристики термопреобразователей сопротивления, ГОСТ 6651-94 (Общие технические требования и методы испытаний) и преобразователей термоэлектрических (далее термопары), ГОСТ 6616-94 (Общие технические условия, а также рекомендации по правильному выбору термопреобразователей, их установке, подключению и обслуживанию. 

(Также см. статью: Что такое температура? Как правильно измерять температуру? Что выбрать: термосопротивление или термопару? Советы по применению.) 

Термины и определения


Термоэлектрический эффект — генерирование термоэлектродвижущей силы (термо-ЭДС), возникающей из-за разности температур между двумя соединениями различных металлов или сплавов, образующих часть одной и той же цепи. 

Термопара — два проводника из разнородных материалов, соединенных на одном конце и образующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.

Соединение при измерении (рабочий конец для термопар) — соединение, подлежащее воздействию температуры, которую необходимо измерить.

Соединение при контроле (свободный конец для термопары) — соединение термопары, находящееся при известной температуре, с которой сравнивают измеряемую температуру.

Длина монтажной части — 
для термопреобразователей сопротивления и термопар с неподвижным штуцером или фланцем — расстояние от рабочего конца защитной арматуры до опорной плоскости штуцера или фланца; 
для термопреобразователей сопротивления и термопар с подвижным штуцером или фланцем, а также без штуцера или фланца — расстояние от рабочего конца защитной арматуры до головки, а при отсутствии ее — до мест заделки выводных проводников. 

Длина наружной части — расстояние от опорной плоскости неподвижного штуцера или фланца до головки. 

Длина погружаемой части — расстояние от рабочего конца защитной арматуры до места возможной эксплуатации при температуре верхнего предела измерения. 

Диапазон измеряемых температур — интервал температур, в котором выполняется регламентируемая функция термопреобразователя по измерению. 

Рабочий диапазон — интервал температур, измеряемых конкретным термопреобразователем и находящийся внутри диапазона измеряемых температур. 

Номинальное значение температуры применения — наиболее вероятная температура эксплуатации, для которой нормируют показатели надежности и долговечности. 

Показатель тепловой инерции — время, необходимое для того, чтобы при внесении термометра сопротивления или термопары в среду с постоянной температурой разность температур среды и любой точки внесенного в нее преобразователя стала равной 0,37 того значения, которое будет в момент наступления регулярного теплового режима. 

Допуск — максимально допустимое отклонение от номинальной зависимости сопротивления (термопреобразователя сопротивления) или ЭДС (термопары) от температуры, выраженное в градусах Цельсия. 

Чувствительный элемент (ЧЭ) — элемент термопреобразователя, воспринимающий и преобразующий тепловую энергию в другой вид энергии для получения информации о температуре. 

Измерительный ток термопреобразователя сопротивления — ток, вызывающий изменение сопротивления термопреобразователя сопротивления при 0°С не более 0,1% его номинального значения.

 

Термопреобразователи сопротивления, основные технические характеристики

 

  Тип ТС

Класс допуска

Допускаемое отклонение сопротивления от номинального значения при 0°С, %

Значение W100

Диапазон измеряемых температур, °С

Предел допускаемого отклонения сопротивления от НСХ, °С

Номинальное

Наименьшее допускаемое

Платиновый (ТСП)

А

0,05

1,3850

1,3910

1,3845

1,3905

-220…+850

±(0,15 + 0,002 |t|)

В

0,1

1,3850

1,3910

1,384

1,390

-220…+1100

±(0,3 + 0,005 |t|)

С

0,2

1,3850

1,3910

1,3835

1,3995

-100…+300

±(0,6 + 0,008 |t|)

Медный (ТСМ)

А

0,05

1,4260

1,4280

1,4255

1,4275

-50…+120

±(0,15 + 0,002 |t|)

В

0,1

1,4260

1,4280

1,4250

1,4270

-200…+200

±(0,25 + 0,0035 |t|)

С

0,2

1,4260

1,4280

1,4240

1,4260

-200…+200

±(0,5 + 0,0065 |t|)

 

Схемы соединений внутренних проводников термопреобразователя сопротивления с ЧЭ и их условные обозначения

 

При использовании схемы 2 (двухпроводная схема) сопротивление соединительных проводов термопреобразователя сопротивления не должно превышать 0,1% номинального значения сопротивления термопреобразователя при 0°С.

В двухпроводной схеме к сопротивлению ЧЭ добавлено сопротивление соединительных проводников, что приводит к сдвигу характеристики при 0°С и уменьшению W100.

На практике эта проблема решается за счет измерительного прибора, к которому подключается термопреобразователь сопротивления, путем задания соответствующих корректировок по смещению и наклону характеристики.

Термопреобразователь с двухпроводной схемой подключения внутренних проводников может подключаться к прибору по трехпроводной схеме с использованием трехжильного кабеля.

При использовании термопреобразователей сопротивления с трехпроводной схемой подключения, прибор автоматически вычитает из сопротивления полной цепи сопротивление соединительных проводов. Сопротивление внутренних проводов и жил кабеля при этом должны быть между собой одинаковы.

Если входная электрическая схема прибора представляет собой мост, в одно плечо которого подключается термопреобразователь сопротивления, то достаточно, чтобы были одинаковы сопротивления двух проводов: 1 и 2. 

Мостовая схема подключения термопреобразователя сопротивления

термопреобразователя сопротивления

 

 

 

 

Наиболее точные термопреобразователи сопротивления имеют четырехпроводную схему подключения. Для этой схемы не требуется равенство в сопротивлениях проводников. Каждый конкретный тип термопреобразователя имеет свой более узкий по сравнению с приведенным в таблице основных характеристик диапазон измеряемой температуры. Это связано с технологией сборки термопреобразователя сопротивления и применяемыми при этом материалами.

Необходимо помнить, что для точного измерения температуры вся погружаемая часть термопреобразователя сопротивления должна находиться в измеряемой среде.

Термопары, основные технические характеристики

 

Тип термопары

Класс допуска

Диапазон измеряемых температур, °С

Предел допускаемого отклонения от НСХ, °С

Хромель-копелевый ХК (L)

2

-40…+300

+300…+800

±2,5

±0,0075 |t|

3

-200…-100

-100…+100

±0,015 |t|

±2,5

Хромель-алюмелевыый ХА (K)

1

-40…+375

+375…+1000

±1,5

±0,004|t|

2

-40…+333

+333…+1200

±2,5

±0,0075 |t|

3

-200…-167

-167…+40

±2,5

±0,0075 |t|

Термопара хромель-алюмель ХА(K) обладает наиболее близкой к прямой термоэлектрической характеристикой. Термоэлектроды изготовлены из сплавов на никелевой основе. Хромель (НХ9,5) содержит 9…10%Сг; 0,6…1,2%Со; алюмель (НМцАК) — 1,6…2.4%Al, 0,85…1,5%Si, 1,8…2,7%Mn, 0.6…1.2%Со. Алюмель светлее и слабо притягивается магнитом; этим он отличается от более темного в отожженном состоянии совершенно немагнитного хромеля. Благодаря высокому содержанию никеля хромель и алюмель лучше других неблагородных металлов по стойкости к окислению. Учитывая почти линейную зависимость термо-ЭДС термопары хромель — алюмель от температуры в диапазоне 0…1000°С, ее часто применяют в терморегуляторах.

Термопара хромель-копель ХК(L) обладает большей термо-ЭДС, чем термопара ХА(K), но уступает по жаростойкости и линейности характеристики. Копель (МНМц 43-0,5) — серебристо-белый сплав на медной основе, содержит 42,5-44,0%(Ni+Со), 0,1-1,0%Mn. Даже в сухой атмосфере при комнатной температуре на его поверхности быстро образуется окисная пленка, в дальнейшем удовлетворительно предохраняющая сплав от дальнейшего окисления.

Номинальные статические характеристики термопар приведены в ГОСТ Р 8.585-2001.

Схемы включения

Рабочий конец термопары погружается в среду, температуру которой требуется измерить. Свободные концы подключаются к вторичному прибору. Если температура свободных концов постоянна и известна, то подключение может быть сделано медным проводом, а если не постоянна и неизвестна, то оно выполняется специальными удлинительными (компенсационными) проводами. В качестве последних используются два провода из различных материалов. Провода подбираются так, чтобы в паре между собой они имели такие же термоэлектрические свойства, как и рабочая термопара. При подсоединении к термопаре компенсационные провода удлиняют ее и дают возможность отвести холодный спай до измерительного прибора.

Удлинительные провода

Также смотрите кабели высокотемпературные и термопарные, соединители медные и термопарные, разъемы со склада. 

Стандартные удлинительные провода маркируются. При включении этих проводов в цепь термопар необходимо соблюдать полярность, иначе при измерениях возникает погрешность, равная удвоенной погрешности, которую старались устранить с помощью удлинительных проводов. Промышленность выпускает удлинительные провода в виде скомплектованного (двухжильного) кабеля с жилами различных цветов.

Основные характеристики термопар и удлинительных проводов

 

Термопара

Условное обозна-чение НСХ

Материал термоэлектрода

Материал удлинительного

провода, марка и цвет оплетки

ТермоЭДС, мВ при t=100°С, t0=0°C

Сопро-тивление   1 м. Ом  для сечения, мм2

положит.

отрицат.

положит.

отрицат.

1

2,5

Платинородий — платина

ПП (R, S)

Платинородий
(90%Pt+10%Rh)

Платина

Медь П,

красный   или розовый

Медно-никелевый
(99,4%Сu  +0,6%Ni) зеленый

0,64 ± 0,03

0,05

2,5

Платинородий – платино-родий

ПР (B)

Платинородий
(70%Pt+30%Rh)

Платинородий
(94%Pt+6% Rh)

0,05

0,02

Хромель — алюмель

ХА (K)

Хромель
(89%Ni+9,8% Cr+1% Fe+ 0,2% Mn)

Алюмель
(94% Ni+2% Al+ 2,5% Mn+1% Si+ 0,5% Fe)

Медь М,

красный или разовый

Константан (42%Ni+58%Cu), коричневый

4,10 ± 0,16

0,52

0,02

Хромель — копель

ХК (L)

To же

Копель
(55%Cu+45%Ni+Co)

Хромель ХК, фиолетовый  

или черный

Копель, желтый, оранжевый

6,95 ± 0,2

1,15

0,21

Железо — копель

ЖК

Железо

То же

Железо ЖК, белый

То же

5,57

0,60

0,46

Медь — копель

МК (M)

Медь

То же

Медь МК, красный или розовый

То же

4,76

0,50

0,24

Медь — константан

МКт (T)

Медь

Константан
(42%Ni+58%Cu)

То же

Константан, коричневый

или черный

4,10 ± 0,16

0,52

0,20

Вольфрам — рений-

вольфрам — рений

ВР

(A1, A2, A3)

Вольфрам-рений

Вольфрам-рений

То же

Медно  -никелевыи
синий или  голубой

1,33 ± 0,03

0,20

0,21

Вольфрам — молибден

ВМ

Вольфрам

Молибден

То же

Медно- никелевыи  (99,7%Cu+ 0,3%Ni)

0,40 ± 0,03

0,05

0,04

В связи с высокой стоимостью термопарных кабелей по сравнению, например, с медными при значительной удаленности прибора от датчика более целесообразно в ряде случаев присоединение датчика к прибору осуществлять четырехжильным медным кабелем. При этом две жилы кабеля подключаются к термоэлектродам термопары, а две — к термосопротивлению, контролирующему температуру свободных концов термопары. Как в этом случае, так и при подключении термопары непосредственно к зажимам прибора, необходимо обеспечить хороший тепловой контакт термосопротивления с выводами термопары.

При измерении температуры до +600°С более предпочтительным является использование термопары ХК(L), имеющей в 1,5…2 раза большую термо-ЭДС, чем ХА(K).

С другой стороны, для ТП ХК(L) не существует недорогого термокомпенсационного провода. Поэтому при большой удаленности датчика от прибора лучше применять ТП ХА(K) и удлинительный провод МК.

Сравнительные характеристики термопар и термопреобразователей сопротивления

В данной таблице приведены сравнительные эксплуатационные характеристики термопреобразователей сопротивления и термоэлектрических преобразователей («+» — преимущество, «-» — недостаток).

 

Тип

преобразователя

Характеристики

Диапазон

измеряемой

температуры

Точность измерения

Инерционность

Цена преобразователя

Цена подсоединения преобразователя

ТП

+

+

+

ТС

+

+

Также смотрите термопреобразователи сопротивления, термопары, датчики температуры с токовым выходом, чувствительные элементы нашего производства. А также кабели высокотемпературные и термопарные, соединители медные и термопарные, разъемы со склада. 

Читайте также статьи из разделов:
• Измерение температуры и влажности, датчики температуры и влажности
• Автономные регистраторы
• Автоматизация, приборы для автоматизации
• Медицинские приборы

Thermocouple | Analog Devices

AD7124-4 – это обладающий низким шумом и малым энергопотреблением, полностью интегрированный аналоговый входной интерфейс для задач прецизионного измерения. Компонент содержит 24-разрядный Σ-Δ аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с низким шумом и может быть сконфигурирован для работы с 4 дифференциальными или 7 несииметричными/псевдодифференциальными входными сигналами. Интегрированный усилительный каскад с малым коэффициентом усиления позволяет подавать слабые сигналы непосредственно на АЦП.

Одно из основных преимуществ AD7124-4 заключается в том, что компонент дает пользователю возможность выбрать один из трех интегрированных режимов энергопотребления. Выбранный режим определяет потребляемый ток, диапазон скоростей обновления выходных данных и среднеквадратическое значение шума. Компонент также имеет несколько вариантов фильтрации, что позволяет пользователю получить максимальную степень свободы проектирования.

AD7124-4 способен поддерживать одновременное подавление помех на частотах 50 Гц и 60 Гц при работе с частотой обновления выходных данных 25 SPS (установление сигнала за один цикл). При понижении частоты обновления можно достичь подавления более 80 дБ.

AD7124-4 обеспечивает наивысшую степень интеграции сигнальной цепочки. Компонент содержит прецизионный, малощумящий источник опорного напряжения с малым дрейфом, а также поддерживает работу с внешним дифференциальным опорным напряжением, которое может быть буферизировано внутреннем буфером. К другим ключевым интегрированным блокам компонента относятся программируемые источники тока возбуждения с малым дрейфом, источники диагностических токов, а также генератор напряжения смещения, который устанавливает синфазное напряжение канала равным AVDD/2. Ключ цепи низкого напряжения питания позволяет пользователям отключать питание мостовых датчиков в интервалах между преобразованиями, гарантируя минимальную потребляемую системой мощность. Компонент также даёт пользователю возможность выбора между внутренним и внешним источником тактового сигнала.

Интегрированный блок управления последовательностью преобразования позволяет пользователю выбирать несколько каналов AD7124-4 для автоматического последовательного преобразования, упрощая обмен данными с компонентом. Одновременно может быть активно до 16 каналов, включая как каналы аналоговых входных сигналов, так и диагностические каналы, например, каналы контроля уровней напряжения питания или опорного напряжения. Эта уникальная особенность позволяет чередовать диагностику с преобразованиями сигналов внешних источников.

AD7124-4 поддерживает независимое конфигурирование каждого отдельного канала. Компонент позволяет реализовать до восьми конфигурационных настроек. Каждая конфигурация включает в себя опции коэффициента усиления, типа фильтра, частоты обновления выходных данных, буферизации и источника опорного напряжения. Пользователь может назначать любую из этих конфигураций любому из каналов в произвольном порядке.

AD7124-4 также обладает обширными возможностями функциональной диагностики, позволяющими повысить устойчивость решения. Они включают в себя проверку данных с использованием контрольной суммы (CRC), проверки сигнальной цепочки и проверки работоспособности последовательного интерфейса. Эти диагностические функции уменьшают число внешних компонентов, необходимых для реализации диагностики, сокращая требуемое пространство на печатной плате, время проектирования и стоимость. Значение доли безопасных отказов (SFF), показанное в тесте FMEDA (анализ видов, эффектов и диагностики отказов) типичного приложения, превышает 90% в соответствии с IEC 61508.

Компонент работает с однополярным напряжением питания аналоговой части в диапазоне от 2.7 В до 3.6 В или биполярным напряжением 1.8 В. Напряжение питания цифровой части имеет допустимый диапазон от 1.65 В до 3.6 В. Гарантированный рабочий температурный диапазон составляет от −40°C до +105°C. AD7124-4 выпускается в 32-выводном корпусе LFCSP и 24-выводном корпусе TSSOP.

Обратите внимание, что при ссылке на многофункциональные выводы, например, DOUT/RDY в техническом описании может указываться как полное имя вывода, так и только имя отдельной обсуждаемой функции, например, RDY.

Области применения

  • Измерение температуры
  • Измерение давления
  • Управление промышленными процессами
  • Измерительные приборы
  • Интеллектуальные передатчики 
Цепь термопары

| Рабочая | Типы | Преимущество

Цепь термопары: Схема термопары

— Одним из наиболее часто используемых методов измерения умеренно высоких температур является эффект термопары. Когда пара проводов, состоящих из разных металлов, соединяется на одном конце, разница температур между двумя концами провода создает напряжение между двумя проводами, как показано на Рис. 13.41

Измерение температуры с помощью цепи термопары основано на эффекте Зеебека.Ток будет циркулировать по петле, состоящей из двух разнородных металлов, когда два перехода находятся при разных температурах, как показано на рис. 13.42.

Когда эта цепь разомкнута, появляется напряжение, пропорциональное наблюдаемому току Зеебека.

Имеется четыре источника напряжения, их сумма равна наблюдаемому напряжению Зеебека. Каждый переход представляет собой источник напряжения, известный как ЭДС Пельтье . Кроме того, каждый однородный проводник имеет самоиндуцированное напряжение или ЭДС Томсона.

ЭДС Томсона и Пельтье возникают из-за того, что внутри проводников плотность свободных носителей заряда (электронов и дырок) увеличивается с температурой.

(Если температура одного конца проводника поднимается выше температуры другого конца, избыточные электроны от горячего конца будут диффундировать к холодному концу. Это приводит к индуцированному напряжению, эффект Томсона , который делает горячий конец положительный конец по отношению к холодному концу.

Проводники, изготовленные из разных материалов, имеют разную плотность свободных носителей даже при одинаковой температуре.Когда соединяются два разнородных проводника, электроны диффундируют через переход от проводника с более высокой плотностью электронов. Когда это происходит, проводник, теряющий электроны, приобретает положительное напряжение по отношению к другому проводнику. Это напряжение называется ЭДС Пельтье.)

Когда переход нагревается, генерируется напряжение, это называется эффектом Зеебека. Напряжение Зеебека линейно пропорционально небольшим изменениям температуры. В термопарах используются различные комбинации металлов.

Величина этого напряжения зависит от материала, из которого изготовлены провода, и величины разницы температур между соединенными концами и другими концами. Место соединения проводов цепи термопары называется чувствительным переходом , и этот переход обычно размещается внутри или на тестируемом устройстве.

Поскольку критическим фактором является разница температур между чувствительным переходом и другими концами, на других концах либо поддерживается постоянная эталонная температура, либо, в случае очень недорогого оборудования, при комнатной температуре.В последнем случае контролируется температура в помещении, и показания выходного напряжения цепи термопары корректируются с учетом любых ее изменений.

Поскольку температура на этом конце провода цепи термопары является эталонной температурой, эта функция известна как эталонная, также называемая холодным спаем.

Цепь термопары, следовательно, состоит из пары разнородных металлических проводов, соединенных вместе на одном конце (чувствительный или горячий спай) и оканчивающихся на другом конце (эталонный или холодный спай), который поддерживается при известной постоянной температуре (эталонная температура). .Когда существует разница температур между чувствительным и опорным спаями, создается ЭДС, которая вызывает ток в цепи.

Когда эталонный конец заканчивается измерителем или записывающим устройством, показание измерителя будет пропорционально разнице температур между горячим спаем и эталонным спаем.

Величина термоэдс зависит от материалов проводов и разницы температур между переходами.

Рисунок 13.43 показаны термоэдс для некоторых распространенных материалов термопар. Показанные значения основаны на эталонной температуре 32 ° F.

Термопара (ТП) — это датчик температуры, в котором возникает ЭДС, которая является функцией разницы температур между ее горячим и холодным спаями.

Цепь термопары можно рассматривать как термометр, основанный на термо-ЭДС и работающий по принципу, согласно которому потенциал между двумя разнородными металлами или металлическими сплавами является функцией температуры.

Тип «E» В термопарах используется хромелевый сплав в качестве положительного электрода и константановый сплав в качестве отрицательного электрода.

Термопара типа «S» выдает наименьшее выходное напряжение, но может использоваться в наибольшем температурном диапазоне.

Тип «T» , показанный на рис. 13.44, использует медь и константан.

Используемая медь — это элемент, а используемый константан — это сплав никеля и меди. Медная сторона — положительная, а константановая — отрицательная.Предполагая, что медные провода используются для подключения цепи термопары к следующей ступени (схеме), создается (формируется) второй переход медь-константан. Этот переход называется опорным переходом. Он генерирует напряжение Зеебека, которое противодействует напряжению, создаваемому чувствительным переходом. Если оба перехода имеют одинаковую температуру, выходное напряжение V на выходе будет равно нулю. Если чувствительный спай имеет более высокую температуру, V на выходе будет пропорционально разнице между двумя температурами перехода.Температура не может быть определена непосредственно по выходному напряжению. Он подвержен ошибке, вызванной напряжением, создаваемым опорным спаем. Этого можно избежать, поместив эталонный спай в ледяную баню, чтобы поддерживать его при известной температуре. Этот процесс называется компенсация холодного спая , как показано на рис. 13.45 (а). Опорное напряжение поддерживается на уровне 0 ° C. Опорное напряжение теперь можно предсказать по калибровочной кривой термопары типа «T».

Когда медь не является одним из металлов цепи термопары, тогда образуется четырехпозиционная цепь. Термопара типа T использует железо и константан в качестве двух элементов, показанных на рис. 13.45 (b). Когда он подключается к медным проводам, образуются два соединения железо-медь. Эти переходы не представляют дополнительных трудностей из-за использованного изотермического блока. Этот блок сделан из материала, который плохо проводит электричество, но хорошо проводит тепло. Оба перехода железо-медь будут иметь одинаковую температуру и генерировать одинаковое напряжение Seeback, и, следовательно, эти два напряжения будут нейтрализованы.В этом случае компенсация холодного спая также используется в качестве опорного спая.

Метод ледяной ванны — не самый удобный метод компенсации холодного спая. Этот метод часто используется в калибровочной лаборатории. В промышленности используется другой метод компенсации холодного спая, как показано на рис. 13.46.

Изотермический блок содержит два опорных спая и термистор. Сопротивление термистора зависит от температуры.Схема используется для измерения этого сопротивления и для компенсации напряжения, создаваемого двумя опорными переходами. Такое расположение иногда называют Электронная ссылка на ледовую точку .

Если датчик подключен к компьютеру, эталонная температура будет преобразована в эталонное напряжение, а затем вычтена из выходного напряжения V out Этот процесс известен как программная компенсация.

Изотермический блок с одним датчиком температуры может обеспечить компенсацию нескольких агрегатов.

В таблице 13.3 приведены конструкции и термоэлектрические свойства различных термопар.

Для точного измерения температуры горячего спая необходимо поддерживать температуру холодного спая или эталонного спая при 0 ° C. Если эталонный спай поддерживается при температуре окружающей среды, то напряжение, соответствующее этой температуре, должно быть добавлено к измерению для получения точных показаний.

В большинстве современных систем измерения цепей термопар используется электрическая компенсация холодного спая (электронная схема, имитирующая напряжение, которое эталонный спай будет генерировать при температуре окружающей среды).Популярный метод компенсации холодного спая, используемый в регистраторах данных и системах сбора данных, показан на рис. 13.47.

Клеммы измерительного спая навинчиваются на изотермический блок (температура которого остается постоянной в пределах ± 0,05 ° C). Температура изотермического блока измеряется независимо, а компенсирующее напряжение генерируется с помощью электронной схемы. Это компенсационное напряжение комбинируется с ЭДС от измерительного перехода для получения истинной температуры

Термопары иногда подключаются последовательно или параллельно для обеспечения повышенного выходного напряжения или тока.

На рис. 13.48 (a) четыре термопары соединены последовательно, при этом провод A является положительным, а B — отрицательным в каждой термопаре.

Полная ЭДС между точками 1–5 является суммой ЭДС отдельной термопары. Устройство этого типа называется термобатареей и используется для получения повышенной чувствительности и большей абсолютной ЭДС от установки термопары.

На рис. 13.48 (b) показаны четыре параллельно подключенные термопары. Такое расположение обеспечивает большой ток, но ЭДС такая же, как у любой термопары.

Цепь термопары

должна быть защищена от механических повреждений и изолирована от коррозионного или загрязняющего воздействия, которое большинство газов и жидкостей оказывают при высокой температуре. Устройства, используемые для этой цели, называются колодцами или трубками в зависимости от их физической конструкции или защитными гильзами .

Термопары

изготавливаются из различных металлических сплавов, охватывающих широкий диапазон температур от минус 270 ° C (-418 ° F) до 2700 ° C (около 5000 ° F).Они могут быть получены в виде простого неизолированного провода, в изолированной форме или внутри защитных чехлов или зондов (диаметр оболочки всего 0,25 мм).

Термоспай защищен от загрязнения технологическими материалами путем заключения его в защитную оболочку. Например, медно-никелевая оболочка для термопар медь / хромель и мягкая оболочка для термопар железо / хромель.

Температурные диапазоны, охватываемые термопарами, делают их подходящими для использования в промышленных печах, а также для измерения в криогенном диапазоне.Различные типы термопар показаны на рис. 13.49.

Преимущества термопары
  1. Имеет прочную конструкцию.
  2. Имеет диапазон температур от –270 ° C до 2700 ° C.
  3. Использование удлинителей и компенсационных кабелей позволяет передавать данные на большие расстояния для измерения температуры.
  4. Мостовые схемы не требуются для измерения температуры.
  5. Сравнительно дешевле по стоимости.
  6. Проверка калибровки выполняется легко.
  7. Термопары обеспечивают хорошую воспроизводимость.
  8. Скорость отклика высока по сравнению с термометром заполненной системы.
  9. Точность измерения неплохая.

Недостатки термопары
  1. Холодный спай и другая компенсация важны для точности
  2. Они демонстрируют нелинейность зависимости ЭДС от температуры.
  3. Чтобы избежать случайного захвата электрического сигнала, важно правильно отделить удлинительные провода от провода термопары.
  4. Возможен захват паразитного напряжения.
  5. Во многих приложениях сигналы необходимо усиливать.

Основы термопар — Circuit Cellar

Если вы хотите создать устройство для измерения температуры или вам нужно добавить возможности измерения в более крупную систему, вам следует ознакомиться с термопарами и понять, как проектировать интерфейсы для термопар. Боб Перрин осветил эти и другие темы в статье Circuit Cellar Online 1999 г. «Основы термопар.»Статья полностью размещена ниже.

Обедали математик, физик и инженер. Бармен спросил трех джентльменов: «Что это за пи, о котором я так много слышу?»

Математик ответил: «Пи — это отношение длины окружности к ее диаметру».

Физик ответил: «Пи равно 3,14159265359».

Инженер поднял голову и категорически сказал: «О, пи около трех», а затем быстро вернулся к рисованию на обратной стороне салфетки.

Дело не в том, что инженеры неряшливы, беспечны или социально некомпетентны. Дело в том, что мы в высшей степени практичны. Мы решаем проблемы в неидеальном мире. Это означает, что мы должны уметь применять концепции к реальным проблемам и знать, когда определенные эффекты незначительны в нашем приложении.

Например, при разработке фильтров первого или второго порядка число 3 часто является достаточно близким приближением для pi, учитывая допуск и температурную зависимость доступных компонентов.

Но, прежде чем мы сможем сбежать и сделать грубые приближения, мы должны понять физические принципы, включенные в систему, которую мы проектируем. Одна тема, которая, кажется, страдает от грубых приближений без твердого понимания связанных с этим проблем, — это измерение температуры с помощью термопар.

Термопары — это простые датчики температуры, состоящие из двух проводов, изготовленных из разнородных сплавов. Эти устройства просты по конструкции и удобны в использовании. Но, как и любой электронный компонент, они требуют определенного объяснения.Цель этой статьи — представить и объяснить, как использовать термопары и как проектировать интерфейсы термопар.

ХВОСТ ИЗ ДВУХ МЕТАЛЛОВ

На рисунке 1а показана термопара. Один спай обозначается как горячий спай. Другой спай обозначается как холодный или опорный спай. Ток, развиваемый в контуре, пропорционален разнице температур между горячим и холодным спаями. Термопары измеряют разницу температур, а не абсолютную температуру.

Рис. 1a: Два провода — это все, что требуется для образования термопары.

Чтобы понять, почему образуется ток, мы должны вернуться к физике. К сожалению, я не физик, поэтому это объяснение может исказить концепцию или две, но, тем не менее, я продолжу.

Рассмотрим однородную металлическую проволоку. Если к одному концу приложить тепло, электроны на этом конце станут более энергичными. Они поглощают энергию и переходят из своих нормальных энергетических состояний в более высокие. Некоторые будут полностью освобождены от своих атомов.Эти недавно освобожденные электроны с высокой энергией движутся к холодному концу провода. По мере того, как эти электроны ускоряются по проводу, они передают свою энергию другим атомам. Так энергия (тепло) передается от горячего конца к холодному концу провода.

По мере того, как эти электроны накапливаются на холодном конце провода, они испытывают электростатическое отталкивание. Электроны с меньшей энергией на холодном конце движутся к горячему концу провода, благодаря чему в проводнике поддерживается нейтральность заряда.

Электроны, движущиеся от холодного конца к горячему, движутся медленнее, чем энергичные электроны, движущиеся от горячего конца, к холодному концу. Но на макроскопическом уровне баланс заряда сохраняется.

Когда два разнородных металла используются для формирования петли термопары, как на рисунке 1а, разница в сродстве двух металлов к электронам позволяет току развиваться, когда между двумя переходами устанавливается разность температур.

По мере того, как электроны перемещаются от холодного спая к горячему, эти не столь энергичные электроны могут перемещаться в одном металле легче, чем в другом.Электроны, которые движутся от горячего конца к холодному, уже поглотили много энергии и могут свободно перемещаться почти одинаково хорошо по обоим проводам. Вот почему в контуре возникает электрический ток.

Возможно, я упустил некоторые тонкости физики, но я думаю, что ударил основные моменты. Если кто-нибудь может предложить более глубокое или подробное объяснение, пожалуйста, напишите мне. Одна из лучших вещей в написании статей для технической аудитории — это учиться у моих читателей.

РАЗРЫВ КОНТУРА

Если вы используете термопары, вы должны вставить в контур измерительное устройство, чтобы получить информацию о разнице температур между горячим и холодным спаями.На рисунке 1b показана типичная установка. Провода термопары подводятся к клеммной колодке, и электрическая цепь измеряет напряжение холостого хода.

Рис. 1b: Чтобы использовать термопару, у вас должна быть система измерения.

Когда провода термопары подключаются к клеммной колодке, образуется дополнительная пара термопар (по одной на каждую винтовую клемму). Это верно, если винтовые клеммы изготовлены из другого сплава, чем провода термопары. На рисунке 1c показано альтернативное представление рисунка 1b.Разветвление 2 и разветвление 3 являются нежелательными артефактами подключения к измерительной схеме. Эти два спая обычно называют паразитными термопарами.

Рис. 1c: При подключении измерительной системы из меди появляются две паразитные термопары.

В физической цепи паразитные термопары сформированы на каждом паяном соединении, соединителе и даже на каждом внутреннем связующем проводе ИС. Если бы не так называемый закон промежуточных металлов, эти паразитные соединения доставили бы нам бесконечные проблемы.

Закон промежуточных металлов гласит, что третий металл может быть вставлен в систему термопар без воздействия на систему, если и только если соединения с третьим металлом сохраняются изотермическими (при той же температуре).

На рисунке 1c, если переход 2 и переход 3 имеют одинаковую температуру, они не будут влиять на ток в контуре. Напряжение, измеренное вольтметром на рисунке 1b, будет пропорционально разнице температур между переходом 1 и переходами 2 и 3.

Соединение 1 — это горячий спай. Изотермическая клеммная колодка эффективно электрически удаляется из цепи, поэтому температура холодного спая является температурой клеммной колодки.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Термопары вырабатывают напряжение (или ток контура), пропорциональное разнице температур между горячим спаем и опорным спаем. Если вы хотите узнать абсолютную температуру горячего спая, вы должны знать абсолютную температуру опорного спая.

Есть три способа узнать температуру холодного спая. Самый простой метод — измерить температуру в эталонном спайе с помощью термистора или полупроводникового датчика температуры, такого как TMP03 / 04 компании Analog Devices. Затем в программном обеспечении добавьте измеренную температуру термопары (разницу между горячим спаем и эталонным спаем) к измеренной температуре эталонного спая. Этот расчет даст абсолютную температуру горячего спая.

Второй метод предполагает поддержание эталонного спая при фиксированной и известной температуре. Ледяная ванна или ледяная слякоть — один из наиболее распространенных методов, используемых в лабораторных условиях. На рисунке 2 показано, как это достигается.

Рис. 2. Вставляя короткий отрезок провода из металла A в клеммную колодку, где обычно подключается металл B, мы перемещаем холодный спай.

В качестве альтернативы, мы могли бы опустить пигтейл из металла А и просто погрузить клеммную колодку в лед. Это будет работать нормально, но будет намного сложнее, чем метод, показанный на рисунке 2.

Иногда температура холодного спая (клеммной колодки) на Рисунке 1c может достигать температуры окружающей среды. Тогда предполагается, что температура окружающей среды составляет «около 25 ° C» или другую «достаточно близкую» температуру. Этот метод обычно используется в системах, где знание температуры горячего спая не является слишком важным.

Третий метод, используемый для определения температуры холодного спая, заключается в использовании ИС компенсации холодного спая, такой как Analog Devices AD594 или Linear Technology LT1025.Этот метод как бы сочетает в себе первые два метода.

В этих ИС есть датчик температуры, который определяет температуру холодного спая. Предположительно, это та же температура, что и на печатной плате, на которой установлена ​​ИС. Затем ИС вырабатывает напряжение, которое пропорционально напряжению, создаваемому термопарой с ее горячим спаем при температуре окружающей среды и холодным спаем при 0 ° C. Это напряжение добавляется к ЭДС, создаваемой термопарой. Чистый эффект такой же, как если бы холодный спай физически поддерживался при 0 ° C.

Знание (или приближение) температуры холодного спая и учет этой информации при общем измерении называется компенсацией холодного спая. Каждый из трех обсуждаемых мной методов компенсации холодного спая.

Ледяная баня, вероятно, самый точный метод. Ледяная слякоть может без особого труда поддерживать однородность около 0,1 ° C. Я читал, что ледяная ванна может поддерживать однородность 0,01 ° C, но мне никогда не удавалось достичь такого уровня однородности.Ледяные ванны физически неудобны и поэтому обычно непрактичны для промышленных измерений.

Стандартные ИС компенсации холодного спая могут быть дорогими и, как правило, имеют точность до нескольких градусов Цельсия, но многие системы используют эти устройства.

Использование термистора или даже PN перехода на диоде или BJT для измерения температуры холодного спая может быть довольно недорогим и достаточно точным. Самая распространенная трудность, с которой сталкивается эта система, — калибровка.Важно правильно расположить датчик рядом с клеммной колодкой или на ней.

Если клеммная колодка будет использоваться в качестве холодного спая (см. Рисунок 1b), клеммная колодка должна быть изотермической. На практике сохранить истинно изотермическую клеммную колодку практически невозможно. Итак, нужно идти на компромиссы. Это сфера деятельности инженеров. Уловка состоит в том, чтобы знать, какой изотермический «достаточно» для вашего приложения.

Много денег можно потратить на прецизионную электронику, если на винтовых клеммах клеммной колодки будет образовываться значительный температурный градиент.Это состояние обычно возникает, когда силовые компоненты размещаются рядом с клеммными колодками. Вы должны уделять особое внимание поддержанию стабильной температуры вокруг клеммных колодок.

Существует два широких класса приложений для измерения температуры. Первый класс включает измерение абсолютной температуры. Например, вы можете узнать температуру внутри духовки относительно стандартной шкалы температур (например, шкалы Цельсия). Этот тип применения требует, чтобы вы точно знали абсолютную температуру холодного спая.

Второй тип измерения включает измерение разницы температур. Например, в микрокалориметре вы можете захотеть измерить температуру системы, затем запустить какую-то химическую реакцию и измерить температуру по мере протекания реакции. Ценная информация — это разница между первым измерением и последующими.

Системы, измеряющие разницу температур, как правило, легче построить, потому что не требуется контроль или точное измерение эталонного спая.Необходимо, чтобы эталонный спай оставался при постоянной температуре во время проведения двух измерений. Температура эталонного спая 25,0 ° C или 30,0 ° C не имеет значения, поскольку вычитание последовательных измерений удалит температуру эталонного спая из вычисленного ответа.

Вы можете использовать термопары для точных измерений дифференциальной температуры, но вы должны убедиться, что клеммная колодка, образующая холодный спай, «достаточно близка» к изотермической.Вы также должны убедиться, что холодный спай имеет достаточную тепловую массу, чтобы он не изменял температуру за время между измерениями.

ПРАКТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ

Термопарам дается буквенное обозначение, указывающее на материалы, из которых они изготовлены. Это буквенное обозначение называется «типом» термопары. В таблице 1 показаны стандартные доступные термопары и их применимые диапазоны температур.

Таблица 1: Существует большое количество стандартных комбинаций сплавов, которые образуют стандартные термопары.Чаще всего используются J, K, T и E.

Термопары каждого типа вырабатывают различное напряжение холостого хода (напряжение Зеебека) для заданного набора температурных условий. Ни одно из этих устройств не является линейным во всем диапазоне температур. Существуют стандартные таблицы, в которых указаны зависимости напряжения Зеебека от температуры. [1] Существуют также стандартные полиномиальные модели термопар.

Термопары вырабатывают небольшое напряжение Зеебека. Например, термопара типа K вырабатывает около 40 мкВ на градус Цельсия, когда температура обоих спаев близка к комнатной.Самая чувствительная из термопар, тип E, вырабатывает около 60 мкВ на градус Цельсия, когда оба спая находятся около комнатной температуры.

Во многих приложениях диапазон измеряемых температур настолько мал, что предполагается, что напряжение Зеебека линейно во всем интересующем диапазоне. Это устраняет необходимость в таблицах поиска или вычислении полиномов в системе. Часто потеря абсолютной точности незначительна, но инженер-конструктор должен тщательно взвесить этот компромисс.

ЦЕПИ

При проектировании интерфейса термопары вам нужно знать лишь несколько частей информации:

  • какой тип термопары будет использоваться
  • каков полный диапазон температур горячего спая подвергается воздействию
  • каков полный диапазон температур холодный спай будет подвергаться воздействию
  • какое температурное разрешение требуется для вашего приложения
  • требуется ли вашей системе гальваническая развязка
  • какой тип компенсации холодного спая будет использоваться

Если ответ на последний вопрос требует аналогового добавления напряжения от коммерческой ИС компенсации холодного спая, то производитель ИС, вероятно, предоставит вам соответствующий эталонный дизайн.Если вы планируете выполнять компенсацию холодного спая физически (с помощью ледяной ванны) или программно (путем измерения температуры холодного спая с помощью другого устройства), то вы должны построить или купить систему сбора данных.

Гальваническая развязка — важная особенность во многих промышленных приложениях. Поскольку термопары на самом деле представляют собой просто длинные петли из проволоки, они часто улавливают высокий уровень синфазного шума. В некоторых приложениях термопары могут быть подключены к оборудованию, находящемуся под линейным напряжением (или выше).

В этом случае требуется гальваническая развязка, чтобы исключить попадание переменного тока высокого напряжения в вашу систему сбора данных. Этот тип изоляции обычно достигается одним из двух способов — с помощью оптоизолятора или трансформатора. Обе системы требуют, чтобы формирователь сигнала термопары позволял его заземлению плавать относительно заземления. На рисунках 3a и 3b показаны эти схемы.

Рисунок 3: Гальваническую развязку до нескольких тысяч вольт легко (но немного дорого) с помощью оптоизоляции (a) и недорого (но немного сложнее) с помощью VFC и трансформатора (b).

Поскольку в этой статье основное внимание уделяется интерфейсу термопары, мне придется оставить детали реализации гальванической развязки для другой статьи.

Учитывая крошечные уровни напряжения, создаваемые термопарой, разработчик модуля формирования сигнала должен тщательно сосредоточиться на подавлении шума. Использование характеристик подавления синфазного сигнала (CMR) дифференциального усилителя — хорошее место для начала. На Рисунке 4 показан простой, но эффективный интерфейс для термопар.

Рисунок 4: Синфазный фильтр и характеристики подавления синфазного сигнала работают в усилителях термопар.

Монолитный инструментальный усилитель (in-amp) стоит 2–5 долларов (в зависимости от марки и производителя). Обычно это 8-контактные устройства DIP или SOIC. In-Amps — это простые дифференциальные усилители. Коэффициент усиления устанавливается с помощью одного внешнего резистора. Входное сопротивление усилителя обычно составляет 10 гигаом.

Конечно, вы можете использовать операционные усилители или даже отдельные части для создания стабилизатора сигнала. Однако все активные компоненты монолитного усилителя находятся на одних и тех же кристаллах и остаются более или менее изотермическими.Это означает, что характеристики усилителя хорошо себя ведут при повышении температуры. Хороший CMR, регулируемое усиление, малые размеры и высокое входное сопротивление делают входные усилители идеальным элементом схемы кондиционирования термопары.

Температура имеет тенденцию изменяться относительно медленно. Итак, если вы обнаружите, что ваша система имеет шум, вы обычно можете установить дополнительные фильтры нижних частот. Они могут быть реализованы аппаратно или программно. Во многих системах нередко проводят 128 измерений в течение 1 с, а затем усредняют результаты.Цифровые фильтры значительно сокращают затраты в производственных системах.

Другая проблема, с которой часто сталкиваются при разработке схем термопар, — обнуление смещения усилителя. Вы можете обнулить смещение усилителя различными способами [2], но мой любимый — отключение входа. На рисунке 5 показано, как можно осуществить этот процесс.

Рисунок 5: Входной прерыватель, такой как CD4052, — это все, что необходимо для обнуления смещений формирователя сигнала. Термопары

имеют такие малые уровни сигнала, усиление порядка 1000 В / В не является чем-то необычным, что означает, что операционный усилитель или усилитель со смещением напряжения даже 1 мВ будет иметь смещение на выходе порядка вольт.

Прерыватель на Рисунке 5 позволяет микроконтроллеру изменять полярность термопары. Чтобы обнулить схему, микроконтроллер выполнит два измерения, а затем вычитает их.

Сначала установите прерыватель так, чтобы АЦП измерял GAIN (Vsensor + Voffset). Во-вторых, установите прерыватель так, чтобы АЦП измерял GAIN (–Vsensor + Voffset).

Вычтите второе измерение из первого и разделите на два. Результат — GAIN * Vsensor. Как видите, это именно то количество, которое нас интересует.Смещение усилителя было удалено из измерения.

ВРЕМЯ ЗАКРЫТИЯ

В 1821 году Томас Дж. Зеебек обнаружил, что если соединение двух разнородных металлов нагревается, возникает напряжение. Это напряжение с тех пор было названо напряжением Зеебека.

Термопары можно найти во всем, от промышленных печей до медицинских устройств. На первый взгляд термопары могут показаться таинственными. Они не. В конце концов, как может быть настолько сложным для понимания устройство, которое построено из двух проводов и существует уже 180 лет?

При проектировании с использованием термопар просто помните об этих четырех концепциях, и проект будет проходить намного более гладко.Во-первых, термопары создают напряжение, пропорциональное разнице температур между горячим спаем и опорным спаем.

Во-вторых, поскольку термопары измеряют относительную разность температур, требуется компенсация холодного спая, если система должна сообщать абсолютные температуры. Компенсация холодного спая просто означает знание абсолютной температуры холодного спая и соответствующую корректировку повторно установленного значения температуры.

Третье, что следует помнить, это то, что термопары имеют небольшой коэффициент Зеебека по напряжению, обычно порядка десятков микровольт на градус Цельсия.И, наконец, термопары нелинейны в своем температурном диапазоне. При необходимости линеаризацию лучше проводить программно.

Вооружившись этими концепциями, схемами, описанными в этой статье, и немного времени, у вас должно быть хорошее начало для того, чтобы иметь возможность спроектировать термопару для вашего следующего проекта.

Боб Перрин разработал приборы для агрономии, физики почвы и исследования активности воды. Он также разработал встроенные контроллеры для множества других приложений.

СПРАВОЧНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

[1] www.omega.com/pdf/tempera/z/zsection.asp [2] Б.Перрин, «Практический аналоговый дизайн», Circuit Cellar , № 94, май 1998 г.

ИСТОЧНИКИ

AD594 , TMP03 / 04
Analog Devices
www.analog.com

INA118
Texas Instruments (Burr-Brown Corp.)
www.ti.com

LT1025
Linear Technology (теперь часть Analog Devices)
www. linear-tech.com

Эта статья была первоначально опубликована в Circuit Cellar Online в 1999 году.Размещено с разрешения.

Система измерения температуры с помощью термопар | Максим Интегрированный

Аннотация: Требуется тщательно спроектированная и реализованная схема для разработки высокоточного интерфейса термопары. Первый шаг — понять основные физические принципы этого широко используемого датчика температуры.

Изобретенные в 1921 году и приближающиеся к своему столетнему юбилею, термопары (ТП) продолжают предоставлять ценную информацию для измерения температуры во многих приложениях, особенно в тех, которые связаны с очень высокими температурами.Во множестве промышленных и критически важных приложений как термодатчики, так и резистивные датчики температуры (RTD) стали золотым стандартом для измерения температуры. Хотя RTD имеют лучшую точность и воспроизводимость, преимущества термопары включают:

  • Большой диапазон измерения,
  • Более короткое время отклика,
  • Более низкая стоимость,
  • Лучшая долговечность,
  • Собственная мощность (сигнал возбуждения не требуется) и
  • Нет эффекта самонагрева.

По этим причинам термопары широко используются во многих различных приложениях. Однако выполнение высокоточных измерений температуры с помощью термопар может быть непростым делом. В этой заметке по применению обсуждаются способы оптимизации точности измерения. Сначала опишем основы работы термопары.

Как работают термопары?

Когда источник напряжения подается на кусок металлического провода, электроны текут от положительного вывода к отрицательному, и некоторая энергия теряется, нагревая металлический провод.Эффект Зеебека, открытый в 1821 году Томасом Иоганном Зеебеком, указывает на обратное явление. Когда к металлической проволоке применяется температурный градиент, создается электрический потенциал. Это физическая основа термопары.

∇V = S (T) × ∇T (уравнение 1)

Где ∇V — градиент напряжения, ∇T — градиент температуры, а S (T) — величина Зеебека. коэффициент. Коэффициент Зеебека зависит от материала, а также от температуры.Напряжение между двумя разными температурными точками на проводе равно интегрированию функции коэффициента Зеебека по температурному диапазону.

(уравнение 2)

Например, На рисунке 1 показан кусок металлической проволоки черного цвета. T1, T2 и T3 представляют температуры в разных местах провода. Т1 синего цвета — самая холодная точка, а Т3 — самая горячая точка. Напряжение в точках Т2 и Т1 равно. Аналогично напряжение в точке T 3 и точке T 1 равно.V 31 также равно из-за аддитивного свойства определенного интеграла. Имейте это в виду, поскольку в данном примечании к применению дополнительно объясняется преобразование напряжения термопары в температуру.

Рис. 1. Напряжение, создаваемое на проводящем проводе температурным градиентом.

Термопары состоят из двух разнородных материалов, обычно из металлической проволоки с разными функциями коэффициента Зеебека, S (T). Почему необходимы два материала, если разница температур в одном материале приводит к разнице напряжений? Например, предположим, что металлическая проволока в Рис. 2 сделана из материала A.При наличии вольтметра с проводами зонда, также сделанными из материала A, теоретически вольтметр не обнаружит никакого напряжения. Почему? Когда зонды подсоединяются к концам провода, зонды действуют как удлинители металлической проволоки. Концы этого длинного провода, подключенного к входам вольтметра, имеют одинаковую температуру (T M ). Если концы провода имеют одинаковую температуру, разница температур по длине провода не приводит к разнице напряжений. Чтобы доказать это математически, мы вычисляем напряжение, накопленное на всей проводной петле, начиная с положительной клеммы вольтметра и заканчивая отрицательной клеммой.

(уравнение 3)

Используя аддитивное свойство интеграла, приведенное выше уравнение становится:

(уравнение 4)

И, когда нижняя граница и верхняя граница интегральных пределов совпадают, результатом интеграла будет V = 0.

Рисунок 2. Подключение для измерения напряжения. Зонды и провода сделаны из одного материала.

Если материал зонда изготовлен из материала B, как показано на рисунке 3.

(уравнение 5)

Упрощая интеграл, получаем

(уравнение 6)

В приведенном выше уравнении показано измерительное напряжение, равное интегралу разности функций коэффициента Зеебека двух типов материала. По этой причине термопары изготавливаются из двух разных типов металла.

Рисунок 3. Подключение для измерения напряжения. Зонды и провода изготавливаются из разных материалов.

Из схемы, показанной на рис. 3 и Уравнение 6 (уравнение 6), предполагая, что S A (T), S B (T) и напряжение, измеренное вольтметром, известны, мы по-прежнему не может рассчитать температуру в переходе TH (горячий спай), если температура на переходе TC (холодный спай) не известна. На заре создания термопар в качестве эталонной температуры использовалась ледяная баня, соответствующая 0 ° C (отсюда и термин «холодный спай»), поскольку этот метод является недорогим, очень легкодоступным и саморегулирующимся по температуре.Эквивалентная схема показана на Рисунок 4 .

Рис. 4. Эквивалентная схема на рис. 3 с холодным спаем внутри ледяной ванны.

Хотя нам известна эталонная температура для схемы на рисунке 3, решение интегрального уравнения для температуры горячего спая (T H ) нецелесообразно. Стандартные справочные таблицы доступны для всех распространенных типов термопар, поэтому пользователи могут искать температуру для соответствующего выходного напряжения.Но имейте в виду, что все стандартные справочные таблицы термопар были сведены в таблицу с расчетной температурой 0 ° C.

Современная система термопар

Современная термопара, как показано на рис. 5 , состоит из двух разнородных металлических проволок, соединенных на одном конце. Напряжение измеряется на открытых концах пары проводов. Эквивалентная схема показана на рисунке 5. V OUT точно такое же, как уравнение, которое мы вывели ранее для рисунка 3.

(Ур.7)

Рисунок 5. Современная конфигурация термопары.

Компенсация холодного спая

Температура холодного спая (T C ) может быть установлена ​​на 0 ° C с помощью ледяной ванны, но практически никто не станет использовать ведро с ледяной водой в любой современной электрической системе. Метод компенсации холодного спая может использоваться для расчета температуры горячего спая без необходимости в температуре холодного спая 0 ° C, и, действительно, температура холодного спая даже не должна быть постоянной.Этот метод просто использует отдельный датчик температуры для измерения температуры холодного спая (T C ). Определение температуры горячего спая (T H ) становится возможным, если известно T C . Некоторым это может показаться абсурдным. Если у нас есть температурный датчик для измерения температуры холодного спая, почему мы не можем использовать этот температурный датчик для измерения температуры горячего спая напрямую? Ответ прост. Диапазон температур холодного спая намного уже, чем температура горячего спая, поэтому датчику температуры не нужно поддерживать экстремальную температуру, как это делает термопара.

Расчет температуры горячего спая с компенсацией холодного спая

Как упоминалось выше, все стандартные справочные таблицы термопар были созданы с холодным спаем, поддерживаемым при 0 ° C. Как же тогда нам использовать таблицы, чтобы найти температуру горячего спая в этом случае?

Представьте, если бы открытые концы вышеуказанной термопары выдвинулись, как показано на Рис. 6 . И воображаемые концы соединены с переходом с температурой 0 ° C. Если мы сможем вычислить значение V 0 , мы сможем легко найти соответствующую температуру горячего спая, используя справочную таблицу.

Рис. 6. Термопара с воображаемым удлинением, подключенная к переходу 0 ° C.

Определим V 0 :

(уравнение 8)
Переставьте термины:
(уравнение 9)
(уравнение 10)
(уравнение 11)
9000 10 (уравнение 11) ) точно такое же, как уравнение 7 (Ур.7), что показано на рисунке 5. Таким образом, эквивалентное выходное напряжение составляет В C , и это известное значение, поскольку напряжение на холодном спайе измеряется вольтметром. Второй член эквивалентен выходному напряжению термопары с температурой горячего спая, равной T C , и температурой холодного спая, равной 0 ° C. Поскольку T C также измеряется отдельным датчиком температуры, мы можем использовать стандартную справочную таблицу, чтобы найти соответствующее напряжение Зеебека (V i ) для второго члена уравнения 10 (Ур.10).

Теперь, когда мы знаем значение V 0 , соответствующую температуру горячего спая (T H ) можно определить с помощью стандартной справочной таблицы.

Следующие шаги обобщают процедуру определения температуры горячего спая с компенсацией холодного спая.

  1. Измерьте температуру холодного спая (T C ) с помощью датчика температуры.
  2. Измерьте напряжение на холодном спайе.
  3. Преобразуйте T C в напряжение (В и ), используя стандартную справочную таблицу.
  4. Вычислить V 0 = V i + V C .
  5. Преобразуйте V 0 в температуру горячего спая (T H ), используя стандартную справочную таблицу.

Стандартные справочные таблицы термопар можно найти на веб-сайте базы данных термопар NIST ITS-90 http://srdata.nist.gov/its90/menu/menu.html (Министерство торговли США, Национальные институты стандартов и Технология). Если реализация справочной таблицы в микроконтроллере нежелательна из-за нехватки памяти или по каким-либо другим причинам, веб-сайт NIST ITS-90 также предоставляет наборы формул для каждого типа термопары для преобразования температуры в напряжение и наоборот.

Основы проектирования системы для оптимизации точности измерений термопар

Рис. 7. Структурная схема базовой системы термопар

До сих пор это обсуждение рассматривало только теорию термопар; однако, чтобы оптимизировать точность в реальной системе, следует учесть несколько моментов. На рисунке 7 показаны основные блоки сигнальной цепи термопары. Каждое устройство влияет на точность преобразования и должно быть тщательно выбрано, чтобы минимизировать ошибку.

Начиная с левой стороны рисунка, термопара подключена к разъему на системной плате. Хотя термопара является самим датчиком, она также может быть источником ошибки. Длинная термопара легко улавливает окружающие электромагнитные помехи. Экранирование провода может эффективно снизить шум.

Следующий компонент — усилитель. Выбор усилителя с высоким входным импедансом важен, потому что входное сопротивление усилителя и сопротивление термопары создают эффект делителя напряжения, как показано в уравнении 13 (Ур.13). Чем выше входное сопротивление, тем меньше ошибок.

(уравнение 13)

Кроме того, усилитель увеличивает выходной сигнал термопары, который обычно находится в диапазоне милливольт. В то время как высокий коэффициент усиления с обратной связью усиливает как сигнал, так и шум, добавление фильтра нижних частот на входе АЦП устраняет большую часть шума. Фильтр нижних частот эффективен, потому что скорость преобразования АЦП для приложений измерения температуры обычно очень низкая, возможно, несколько выборок в секунду, потому что температура не меняется очень быстро.

Наконец, встроенный датчик температуры должен быть расположен очень близко к соединителю холодного спая (в идеале, касаясь концов выводов термопары, но во многих случаях это невозможно), чтобы получить наилучшее измерение температуры холодного спая. Любая ошибка измерения холодного спая отражается на вычислении температуры горячего спая.

Пример схемы термопары

Более детальное изображение.
Рис. 8. Эталонная конструкция с универсальным входом, которая может измерять напряжение, ток и напряжение с помощью RTD или термопары.

Эталонная конструкция универсального входа MAXREFDES67 # (, рис. 8, ) содержит все необходимые компоненты для реализации системы измерения температуры термопар. В предустановленной прошивке используется формула с веб-сайта NIST ITS-90 для преобразования выходного сигнала термопары типа K в температуру. Диапазон измерения температуры от -40 ° C до + 150 ° C. Кроме того, эта система также способна с высокой точностью измерять напряжение, ток и температуру, а также RTD.

Рисунок 9.Ошибка MAXREFDES67 # в зависимости от температуры с использованием термопары Omnitec EC3TC, K-типа, откалиброванной при 20 ° C.

Рисунок 9 показывает температурную погрешность, измеренную входом термопары MAXREFDES67 #, в зависимости от температуры, относящейся к трем различным эталонным термометрам, термометру Omega Hh51, эталонному термометру ETI и калибратору температуры Fluke 724 соответственно. Зонд термопары типа K, подключенный MAXREFDES67 #, был помещен в калибровочную ванну Fluke 7341 и откалиброван при 20 ° C.Синие данные использовали термометр Omega Hh51 в качестве эталона. Зеленые данные использовали эталонный термометр ETI в качестве эталона. Красные данные использовали калибратор температуры Fluke 724 в качестве эталона. Эта конструкция отображает измерение температуры термопар мирового класса.

Заключение

Использование термопар для промышленного измерения температуры дает множество преимуществ, включая диапазон температур, время отклика, стоимость и долговечность. Система измерения с высокой точностью может быть достигнута с помощью приведенных здесь рекомендаций по проектированию.MAXREFDES67 # — отличный пример, который помогает разработчикам систем разрабатывать высокоточные термопары для измерения температуры быстрее, чем когда-либо прежде.

Прецизионный термопар для измерения температуры | Максим Интегрированный

Что такое термопара?

Термопара (TC) — это пассивное чувствительное устройство, которое реагирует на температуру, которой она подвергается, на основе эффекта Зеебека, который представляет собой создание дифференциального напряжения при наличии разности температур между спаями разнородных металлов, как показано на Рисунок 1 .Термопара состоит из пары разнородных металлизированных электрических кабелей, соединенных вместе и образующих два спая. Первый спай подключается к объекту, температуру которого необходимо измерить. Это известно как горячий или измерительный спай. Другой переход связан с известной температурой, например с резистивным датчиком температуры (RTD). Это называется холодным или опорным спаем. Измеренная температура, обозначенная напряжением V M на Рисунке 1, является дифференциальным измерением.Следовательно, измерение абсолютной температуры термопары зависит от температуры горячего и холодного спая и требует ссылки на известную температуру. В отличие от других прямых методов с использованием RTD и других устройств, измерение температуры с помощью термопары является калиброванным измерением. Термопары обеспечивают широкий диапазон низких и высоких температур в лабораторных, промышленных и автомобильных приложениях, а также в потребительских приложениях, поскольку они очень быстрые, точные, воспроизводимые, надежные и стабильные.

Рисунок 1. Схема термопары.

Место соединения металла A и металла B является горячим спаем. Это подключенный конец термопары. Открытый конец термопары является холодным спаем и подключается к измерительному устройству, например, вольтметру или входам АЦП MAX11410, AIN1 и AIN2.

В таблице 1 перечислены некоторые распространенные типы термопар.

Таблица 1. Некоторые распространенные типы термопар

Тип Диапазон температур
(° C)
Чувствительность (° C) Тип материала
К -180 до +1250 41
  • Никель-хром (90% Ni, 10% Cr)
  • Никель-алюминий (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si)
Дж -180 до +800 55
  • 100% Fe
  • Константан (55% Cu, 45% Ni)
N -270 до +1300 39
  • Никросил (84.1% Ni, 14,4% Cr, 1,4% Si, 0,1% Mg)
  • Нисил (95,6% Ni, 4,4% Si)
R -50 до +1700 10
S -50 до +1750 10
B 0 до +1820 10
  • 70% Pt, 30% Rh
  • 94% Pt, 6% Rh
т -250 до +400 43
E -40 до +900 68

В этом указании по применению для измерения температуры используется термопара K-типа.

Прецизионные термопары для измерения температуры с помощью MAX11410 ADC

MAX11410 — это маломощный 10-канальный 24-битный дельта-сигма (Δ-Σ) АЦП с функциями и характеристиками, оптимизированными для точных измерений сенсора. Устройство включает малошумящий усилитель с программируемым усилением (PGA) с очень высоким входным сопротивлением и доступным усилением от 1x до 128x для оптимизации общего динамического диапазона. Этот внутренний PGA идеально подходит для измерений в широком диапазоне температур с помощью термопар, которые генерируют очень низкое термоэлектрическое напряжение в диапазоне милливольт.Программируемые источники согласованного тока обеспечивают возбуждение для датчиков RTD, которые могут использоваться в качестве опорного (холодного) спая для измерения термопар. Дополнительный источник / приемник тока помогает обнаружить обрыв проводов датчика. 10-канальный входной мультиплексор обеспечивает гибкость, необходимую для сложных мультисенсорных измерений, а GPIO упрощает управление внешними переключателями или другими схемами. Кроме того, MAX11410 имеет внутренний фильтр 50 Гц / 60 Гц для улучшения подавления синфазного сигнала, а также доступны варианты самокалибровки и системной калибровки для сокращения времени разработки программного обеспечения.

Эталонный спай с использованием 2-проводного RTD

Первым шагом в измерении термопары с MAX11410 является установление эталонного (холодного) спая. На рис. 2 показано измерение температуры термопарой с использованием MAX11410 с 2-проводным RTD в качестве опорного спая, подключенного к входам AIN8 и AIN9 MAX11410. Чтобы точно измерить температуру на основе сопротивления RTD, на двухпроводном RTD с помощью внутренних программируемых источников согласованного тока MAX11410 генерируется напряжение от 10 мкА до 1.6 мА через вывод AIN8. Этот ток сначала проходит через паразитное сопротивление RC кабеля RTD. Затем он проходит через 2-проводный RTD и паразитное сопротивление RC нижнего кабеля. Наконец, он проходит через опорный резистор 4 кОм (R REF ), чтобы установить опорное напряжение на выводе REF1P. Контакты AIN8 и AIN9 используются для измерения падения напряжения на RTD и VRTD, а значение RTD рассчитывается следующим образом:

В AIN8 — V AIN9 = V RC + V RTD … + V RC = (2 × RC + RTD) × I (EQ.1)

Поскольку RTD подключается непосредственно к входным контактам AIN8 и AIN9 MAX11410, выводы RTD очень короткие. Следовательно, паразитное сопротивление RC незначительно.

Следовательно, RC = 0 в уравнении 1.

Отсюда:

В AIN8 — В AIN9 = RTD × I (EQ.2)

Также:

В REF = R REF × I (EQ.3)

Выходной код, представляющий собой цифровое двоичное число, создаваемое MAX111410 при сравнении аналогового входного напряжения с опорным напряжением, получается следующим образом:

(эквалайзер.4)

Где N — количество битов АЦП, равное 24 для MAX11410.
Итак, из уравнения 4:

(уравнение 5)

Также, поскольку Код (Полная шкала АЦП) = 2 N :

(уравнение 6)

Следовательно:

(уравнение 7)

Уравнение 7 показывает, что вычисленный RTD не зависит от тока возбуждения устройства в этом логометрическом измерении. Следовательно, любая ошибка в токе отменяется, и измеренное напряжение на RTD зависит исключительно от точности R REF .

Обратите внимание, что в этой 2-проводной топологии RTD падение напряжения на RTD измеряется по-разному между выводами AIN8 и AIN9. Это напряжение включает падение напряжения на двух RC с паразитным сопротивлением очень коротких кабелей. Следовательно, ошибкой напряжения, вызванной кабелем RTD, можно пренебречь. Если паразитные кабели длинные, следует использовать метод измерения 3-проводным RTD, как описано в примечании по применению Maxim 6793, «Как измерять несколько температур с помощью одного MAX11410 и резистивных датчиков температуры».”

Рис. 2. Упрощенная блок-схема 2-проводного измерения температуры RTD / термопары с помощью MAX11410.

Измерение температуры термопарой

После установления эталонного (холодного) спая можно проводить измерения с помощью термопары. Как показано на рисунке 2, термопара типа K подключена к контактам AIN1 и AIN2 MAX11410 через резисторы защиты от перенапряжения 1 кОм. В отличие от случая RTD, где логометрическое измерение может быть выполнено с использованием внутреннего тока возбуждения MAX11410 и любая ошибка в токе устраняется, это измерение температуры термопары осуществляется путем измерения дифференциального напряжения на устройстве термопары на AIN1 и AIN2. булавки.Таким образом, требуется прецизионное внешнее опорное напряжение, такое как MAX6070, которое подключается к контактам REF2P и REF2N, как показано на рисунке 2. Напряжение на AIN1 и AIN2 затем усиливается внутренним PGA с коэффициентом усиления 32 и преобразуется в измеренную температуру следующим образом.

Сначала устанавливается эталонная температура или температура холодного спая с использованием 2-проводного метода измерения RTD, как обсуждалось ранее. Как показано в примере MAX11410EVKIT на рис. 3 , RTD холодного спая PT1000 измеряет и генерирует температуру окружающей среды +24.8 ° С.

Рис. 3. Измерение температуры холодного спая с помощью АЦП MAX11410 и RTD PT1000.

При измерении температуры термопары используется + 24,8 ° C в качестве эталонной температуры для получения калиброванной температуры термопары, указанной в V TC , как показано ниже.

Ссылаясь на рисунок 1:

V M = V TC — V CJ (EQ.8)

Где V TC и V CJ — напряжение термопары и напряжение холодного спая соответственно.

Преобразование уравнения 8 дает:

V TC = V M + V CJ (EQ.9)

Для измерения температуры термопары, обозначенной V TC , измерьте дифференциальное напряжение (V M ) на входах AIN1 и AIN2 MAX11410 и преобразуйте его в температуру в соответствии со Справочной таблицей термопар, опубликованной Omega . Упрощенная версия представлена ​​в таблице 2. Затем добавьте температуру холодного спая (V CJ ), равную +24.8 ° C, полученное при измерении RTD. Это значение V CJ , равное + 24,8 ° C, автоматически сохраняется в графическом интерфейсе пользователя (GUI) программного обеспечения MAX11410 и добавляется к температуре, соответствующей V M , как показано в уравнении 9.

Таблица 2. Температура термопары типа K и соответствующее напряжение

TC (° C) В TC (мВ)
(° С)
-200 -5,891
-125 -4.276
-40 -1,527
0 0
+25 1.407
+85 3,889
+125 5,532
+350 14,293
+550 22,776
+850 35,313
+1250 50,644

Например, термопара типа K теперь погружена в высокоточную масляную ванну Fluke ® 7341 для получения точной и стабильной температуры, которая установлена ​​на + 28 ° C, как показано на рис. 4 .MAX11410 измеряет V M через AIN1 и AIN2, которое дополнительно усиливается внутренним PGA, установленным на 32X. Поскольку напряжение, создаваемое термопарой, составляет всего приблизительно 51 мВ при + 1250 ° C, после PGA, равного 32, максимальное усиленное напряжение составляет приблизительно 1,6 В, что идеально для использования с опорным напряжением 2,5 В. MAX6070.

Термометр Hart Scientific 1502A используется для контроля температуры масляной бани для определения точности измерения MAX11410. Калиброванное показание температуры с MAX11410 показано на Рис. 5 .

Рисунок 4. Упрощенная блок-схема измерения температуры термопары с помощью установки MAX11410.

Рис. 5. Измерение температуры термопарой типа K с использованием MAX11410 и масляной бани.

Температура масляной бани изменялась примерно от -35 ° C до + 125 ° C рабочего диапазона. Температура термопары была измерена и сведена в Таблица 3 . Рисунок 6 показывает точность измерения температуры с помощью АЦП MAX11410.

Таблица 3. Измерение температуры с помощью MAX11410 с термопарой в масляной ванне

TC (° C) (термометр Hart Scientific 1502A) MAX11410 Измеренная температура (° C) Ошибка (° C) Ошибка (%)
-35.207 -35,2 -0,007 0,01988241
-0,01 -0,01 0 0
25.011 25,01 0,001 0,003998241
28.001 28 0,001 0,003571301
50.004 50,01 -0,006 -0,01199904
-200 -5,891 -200 -5,891
84,997 85 -0,003 -0,003529536
149,974 149.96 0,014 0,009334951

Рис. 6. Точность измерения температуры с помощью MAX11410 с термопарой в масляной ванне.

Из-за ограниченного температурного диапазона масляной бани от примерно -35 ° C до + 125 ° C, прецизионный калибратор напряжения постоянного тока Krohn-Hite Model 523 (KH523) использовался для оценки точности измерения температуры термопары MAX11410, поскольку он может генерировать прецизионное низкое напряжение в милливольтах, как указано в таблице 2 .

На основании таблицы 2, KH523 был настроен на генерирование напряжения, которое соответствует температуре термопары K-типа на AIN1 и AIN2. MAX11410 затем отобразил температуру в графическом интерфейсе пользователя на основе измеренного напряжения. Таблица 4 показывает измеренную температуру термопары от -200 ° C до + 1250 ° C. Рисунок 7 отображает ошибку точности температуры, создаваемую MAX11410.

Таблица 4. Измерение температуры с использованием MAX11410 с KH523

TC (° C) В при TC (В) * MAX11410 PGAx В REF (V) MAX11410 Измеренное напряжение (V) MAX11410 Измеренная температура (° C) Ошибка (° C) Ошибка (%)
-200 -0.005891 32 2,49999 -0,005891 -199,91 0,09 -0,045
-125 -0,004276 32 2,49999 -0,004276 -125.01 -0,01 0,008
-40 -0,00 1527 32 2,49999 -0,00 1527 -40 0 0
+25 0.001 32 2,49999 0,001 25,01 0,01 0,04
+85 0,003474 32 2,49999 0,003474 85,03 0,03 0,035294
+125 0,005124 32 2,49999 0,005124 125 0 0
+350 0.014293 32 2,49999 0,014293 349,99 -0,01 -0,00286
+550 0,022776 32 2,49999 0,022776 550,03 0,03 0,005455
+850 0,035313 32 2,49999 0,035314 850,03 0,03 0,003529
+1250 0.050644 32 2,49999 0,050645 1250,05 0,05 0,004

* Из справочной таблицы термопар Omega K-типа.

Рис. 7. Точность измерения температуры термопары с использованием MAX11410 с прецизионным источником напряжения постоянного тока Krohn-Hite Model 523 (KH523).

Заключение

Благодаря реализации внутренне программируемых согласованных источников тока возбуждения, логометрической функции, малошумящего усилителя с программируемым усилением (PGA) с очень высоким входным импедансом и доступным коэффициентом усиления от 1x до 128x, MAX11410 оптимизирован для точных измерений температуры с использованием обоих RTD. и термопары.Измерение температуры термопарой — это двухэтапный процесс. Первый шаг — установить эталонную температуру, и функция RTD MAX11410 идеально подходит для этой цели. Второй шаг требует точного измерения низкого напряжения в милливольтах, генерируемого термопарами. MAX11410 — идеальный АЦП для измерения низкого напряжения, поскольку он разработан с внутренним регулируемым усилением до 128x. Результаты, полученные при измерении термопарой K-типа с использованием MAX11410, показывают, что погрешность точности составляет всего ± 0.04% во всем диапазоне температур от -200 ° C до + 1250 ° C.

Термопара

: что это такое? (Типы и принцип работы)

Что такое термопара?

Термопара определяется как тепловой спай, который функционирует на основе явления термоэлектрического эффекта, то есть прямого преобразования разницы температур в электрическое напряжение. Это электрическое устройство или датчик, используемый для измерения температуры.

Термопара может измерять широкий диапазон температур.Это простой, надежный и экономичный датчик температуры, который используется в различных промышленных применениях, дома, в офисе и в коммерческих целях.

В 1821 году немецкий физик Томас Иоганн Зеебек обнаружил, что магнитное поле создается, когда два разных металла соединяются одним концом и создают разницу температур между двумя концами.

Он заметил, что из-за магнитного поля напряжение индуцируется термоэлектрическим эффектом. Однако это напряжение очень мало (в мВ) и зависит от типа металла, используемого в термопаре.

В зависимости от области применения термопары различной конструкции включают в себя зонды термопар, зонды с разъемами, инфракрасные термопары, термопары с базовым проводом и просто провод для термопар.

Как работает термопара?

Термопара состоит из двух пластин из разных металлов. Обе пластины соединяются одним концом и образуют стык.

Соединение размещается на элементе или поверхности, на которой мы хотим измерить температуру.Этот переход известен как горячий спай. А второй конец пластины держат при более низкой температуре (комнатной температуре). Этот спай известен как холодный спай или опорный спай.

Работа термопары

Согласно эффекту Зеебека, разница температур между двумя разными металлами вызывает разность потенциалов между двумя точками пластин термопары.

Если цепь замкнута, через нее будет протекать очень небольшой ток. В цепь включен вольтметр.Напряжение, измеренное вольтметром, зависит от разницы температур между двумя переходами.

Следовательно, измеряя напряжение, мы можем рассчитать температуру горячего спая.

Как измерение температуры достигается с помощью термопары, подробно описано в видео ниже:

Типы термопар

В зависимости от различных типов комбинаций сплавов, термопары доступны в различных типах. Тип термопары выбирается в зависимости от области применения, стоимости, доступности, стабильности, химических свойств, мощности и диапазона температур.

Здесь мы обсудим различные типы термопар с их характеристиками.

Термопара типа K

Термопара типа K является наиболее распространенным типом термопар и имеет самый широкий диапазон измерения температуры.

Положительный вывод термопары типа K состоит примерно из 90% никеля и 10% хрома. Отрицательный провод состоит примерно из 95% никеля, 2% алюминия, 2% марганца и 1% кремния.

Положительный вывод желтого цвета, это немагнитный материал.Отрицательный вывод окрашен в красный цвет и представляет собой магнитный материал. И общая куртка желтого цвета.

Температурный диапазон термопары типа K составляет от -200 ° C до + 1260 ° C (от -328 F до +2300 F). Он недорогой и широко используется в приложениях общего назначения, где температурная чувствительность требует приблизительно 41 мкВ / ˚C.

Точность термопары типа K составляет ± 2,2 C% (0,75%). Точность термопары также зависит от отклонения в сплавах.

Термопара типа K лучше всего работает в чистой окислительной атмосфере.Не рекомендуется использовать в условиях частичного окисления в вакууме.

Термопара типа T

Термопара этого типа подходит для измерения низких температур. Положительный вывод состоит из меди, а отрицательный — из константана (45% никеля и 55% меди).

Чувствительность термопары типа T составляет 43 мкВ / ° C. Эта термопара подходит для работы в окислительной атмосфере. Температурный диапазон этой термопары составляет от -200 ° C до 350 ° C.

Термопара типа J

Этот тип термопары представляет собой недорогую и наиболее часто используемую термопару. Положительный вывод сделан из железа, а отрицательный — из константана (45% никеля и 55% меди).

Положительный вывод окрашен в белый цвет, а отрицательный вывод — в красный. И общая куртка окрашена в черный цвет.

Температурный диапазон термопары типа J составляет от -210˚C ​​до 750˚C (от -346F до 1400F). Этот тип термопары имеет меньший температурный диапазон и короткий срок службы по сравнению с термопарой типа K.Но этот тип термопары хорошо подходит для окислительной атмосферы.

Точность термопары этого типа составляет ± 2,2 ° C (0,75%). Этот тип термопары не рекомендуется для работы с более низкими температурами. А чувствительность термопары этого типа составляет примерно 50 мкВ / C.

Термопара типа E

Этот тип термопары имеет более высокую точность и более сильный сигнал, чем термопары типа K и J, в умеренных диапазонах температур. И это более стабильный тип термопары, чем тип K.Термопара типа E производит самую высокую ЭДС на градус, чем другие типы термопар.

Положительный вывод состоит из никель-хрома (90% никеля и 10% хрома), а отрицательный вывод состоит из константана (95% никеля, 2% алюминия, 2% марганца и 1% кремния). Положительный вывод окрашен в фиолетовый цвет, а отрицательный — в красный.

Температурный диапазон термопары этого типа составляет от -270˚C до 870˚C (от 454 до 1600F). Стандартная точность составляет ± 1,7 ° C%.

Этот тип термопары используется там, где требуется высокая точность и быстрый отклик. Он не используется в условиях вакуума или низкого содержания кислорода, а также в серной среде. Стоимость термопары типа E больше, чем у термопар типа J и K.

Термопара типа N

Термопара типа N разработана Ноэлем А. Берли Организацией оборонной науки и технологий Австралии (DSTO). Пределы точности и температуры термопары типа N такие же, как и у термопары типа K.

Температурный диапазон термопары типа N составляет от -270 ° C до 1300 ° C. Чувствительность немного ниже, чем у термопары типа K, и составляет 39 мкВ / ˚C.

Термопара типа N состоит из никросила и низила. Где Nicrosil — это комбинация никеля, хрома и кремния. И сделал положительный провод. Nisil представляет собой комбинацию никеля и кремния. И сделал минусовой провод.

Эта термопара — лучшая альтернатива термопаре типа K для условий с низким содержанием кислорода.Этот тип термопары подходит для использования в вакууме, окислительной атмосфере, инертной атмосфере или сухой атмосфере.

Термопары типа S

Термопары типа S используются для более высоких температур. Из-за высокой точности и стабильности иногда используется также при низких температурах.

Температурный диапазон термопары типа S составляет от 630 ° C до 1064 ° C. Положительный провод состоит из 90% платины, 10% родия, а отрицательный светодиод состоит из платины.

Обычно этот тип термопары используется в фармацевтической и биотехнологической промышленности, где необходимо измерять высокую температуру с высокой точностью.

Термопара типа R

Термопара типа R также состоит из платины и родия. Но выходной диапазон и стабильность термопары типа R немного больше, чем у термопары типа S.

Термопара с положительным выводом pf типа R состоит из 87% платины и 13% родия. А отрицательный вывод состоит из платины.Температурный диапазон этой термопары составляет от 0 ° C до 1600 ° C.

Термопары типа B

Термопары типа B также состоят из комбинации платины и родия. Положительный вывод термопары состоит из 70% платины и 30% родия. А отрицательный свинец состоит из 94% платины и 6% родия.

Термопара типа B используется для измерения температуры до 1800 ° C. Но выход этой термопары ниже по сравнению с термопарами типа R и S.

Как узнать, что у вас плохая термопара?

Чтобы понять, когда у нас плохая термопара, мы сначала должны понять принцип работы хорошей термопары (той, которая работает)

Термопара работает за счет термоэлектрического эффекта, то есть прямого преобразования разницы температур в электрическое напряжение. Когда зонды термопары помещаются на поверхность, температуру которой мы хотим измерить, зонды имеют немного разные температуры.

Из-за этой разницы температур возникает ЭДС. И эта ЭДС пропорциональна температуре.

Вы можете измерить генерируемую ЭДС с помощью милливольтметра. Милливольтметр присоединен к обоим зондам термопары.

Теперь, если вы увеличите температуру, генерируемая ЭДС тоже должна увеличиться.

Итак, если показания ЭДС не зависят от температуры, значит, термопара неисправна / работает неправильно.

Перед использованием термопары у вас должна быть справочная таблица термопары, которую вы используете.В техническом описании вы можете найти таблицу температуры и соответствующей ЭДС.

RTD против термопары

RTD (датчики термометра сопротивления) и термопара — оба устройства используются для измерения температуры. И трудно сделать вывод, что лучше с точки зрения общей производительности в качестве датчика температуры.

Но если вы укажете некоторые рабочие параметры, такие как стоимость, диапазон температур, жесткость и скорость измерения, термопара будет иметь лучшие характеристики по сравнению с RTD.

Стоимость термопары намного меньше (почти в 2,5–3 раза) по сравнению с RTD. А еще дешевле стоит установка. RTD предназначен для измерения ограниченного диапазона температур.

Преимущество RTD в том, что он более точен по сравнению с термопарой. И повторяемость измерения больше по сравнению с термопарой. Следовательно, RTD предпочтительнее в приложениях, где требуется наиболее точная температура.

Итак, у обоих устройств есть свои достоинства и недостатки.Термопара имеет широкий диапазон измерений температуры, дешевле и долговечна. С другой стороны, RTD имеет лучшую точность и надежность измерения.

Цветовые коды термопар

Цветовые коды термопар различаются в зависимости от стандартов страны. В приведенной ниже таблице мы обсудили цветовую кодировку с различными стандартами.

Цветовые коды термопар

Как долго должна прослужить термопара?

Срок службы термопары зависит от области применения, в которой она используется.Следовательно, мы не можем точно определить срок службы термопары.

При правильном уходе он прослужит несколько лет. Но после нескольких лет непрерывного использования, возможно, появится эффект старения. И из-за этого будет генерировать слабый выходной сигнал.

Стоимость термопары ненамного выше. Следовательно, рекомендуется менять термопару через 2–3 года.

Области применения термопар

Области применения термопар перечислены ниже:

  • Они используются для контроля температуры в сталелитейной и черной металлургии.Для этого типа применения в электродуговой печи используются термопары типов B, S, R и K.
  • Принцип термопары используется для измерения интенсивности падающего излучения (особенно видимого и инфракрасного света). Этот прибор известен как датчик излучения термобатареи.
  • Используется в датчиках температуры в термостатах для измерения температуры в офисе, выставочных залах и домах.
  • Термопара используется для обнаружения пилотного пламени в приборах, которые генерируют тепло из газа, например, в водонагревателе.
  • Для проверки текущей емкости установлен контроль температуры при проверке термостабильности оборудования распределительного устройства.
  • Ряд термопар устанавливается на химическом производстве и на нефтеперерабатывающих заводах для измерения и контроля температуры на разных стадиях завода.

Термопара — обзор | Темы ScienceDirect

1.14.3.1.2 Детекторы термопары и термобатареи

В детекторе термопары разница температур между поглотителем и подложкой определяется с помощью эффекта Зеебека (например.g., см. Fellgett, 1949). В детекторах на термоэлементах используются несколько последовательно соединенных спаев термопар для увеличения как напряжения сигнала, так и импеданса источника; иногда дополнительные спая подключаются в обратном порядке и остаются темными для температурной компенсации. Чувствительный спай термически связан с поглотителем, а опорный спай привязан к подложке.

Базовый анализ производительности был опубликован Birkholz et al. (1987) для идеализированных детекторов термопар типа Хильгера – Шварца (Strachan, Goodyear, 1973; Strachan, 1973; Schwarz, 1949).Такие детекторы состоят из вертикальных ножек из монокристаллического термоэлектрического материала, приваренных к тонкому фольговому поглотителю, замыкающему чувствительный переход. В идеальном случае теплопроводность подложки определяется проводимостью через ножки термопары.

Следуя Birkholz et al. (1987) мы определяем свойства термоэлектрических материалов следующим образом: Коэффициенты Зеебека для полупроводниковых ветвей p-типа и n-типа равны α p и α n , соответственно. , дающий термоЭДС α te = α p α n ; термическое сопротивление ножек определяется выражением R l = l κ — 1 A l — 1 = G — 1 , где л и 0.5 A l — длина и площадь поперечного сечения каждой ветви, соответственно, а κ — теплопроводность материала, которая считается одинаковой для p-типа и n-типа; а электрическое сопротивление равно R E = 4 l σ e — 1 A l — 1 , где σ 900 e — это электрическая проводимость (обратите внимание, что для теплопроводности ветви параллельны, а для электропроводности — последовательно).

Можно определить эффективную теплопроводность для радиационного обмена с окружающей средой, сделав упрощающие предположения, что поглотитель совершенно черный и что разница температур между поглотителем и окружающей средой мала. Отмечая, что мощность Q , проводимая между резервуарами при температурах T и T + Δ T , связанных тепловой связью с проводимостью G , задается соотношением Q = G Δ T и что для радиационного обмена между черными телами при тех же двух температурах передаваемая полезная мощность определяется выражением Q = σ с A [( T + Δ T ) 4 T 4 ] ≈ 4 σ с AT 3 Δ T ; получаем эффективную радиационную теплопроводность G r = 4 σ s AT 3 , где σ s = 5.67051 × 10 — 8 Вт м — 2 K — 4 — постоянная Стефана – Больцмана (Андерсон, 1989), а A — площадь поглотителя. Поскольку излучение и теплопроводность через термопару действуют параллельно, общее тепловое сопротивление R H определяется как

(16) RH = 14σsAT3 + κAll − 1

Выходное напряжение на детекторе определяется выражением V s = α te Δ T = α te Q a R

2 H где, где a — поглощенная оптическая мощность (эквивалентная падающей мощности, поскольку для этого анализа мы предположили идеальный поглотитель).Обратите внимание, что детекторы термопар являются устройствами с очень низким импедансом, поэтому усилитель первого каскада должен разрабатываться с осторожностью, чтобы избежать значительного увеличения шума. Чувствительность просто S = V s / Q a = α te R H . NEP для детектора с ограничением шума Джонсона составляет NEP = 4kTReΔf / S = 4kTlΔf0.5σeAl − 0.5αteRH − 1. Одним из стандартных показателей качества детекторов является удельная обнаруживающая способность D * , определяемая как NEP-1AΔf.Подставляя вместо R H , получаем

(17) D ∗ = αteAσeAl / l44σsAT3 + κAl / lkT

Birkholz et al. (1987) отмечают, что D максимизируется, когда тепловые потери из-за теплопроводности и излучения одинаковы или когда 4 σ s AT 3 = κA l / л . Также обратите внимание, что при замене α te = 2 α Ур.(17) эквивалентно выражению в Birkholz et al. (1987). Исключив в числителе и знаменателе A l / l , получим

(18) Dmox ∗ = M8kσsT5

, где безразмерное число M = (0,5 α ) 2 σ e — 1 — показатель качества термоэлектрических устройств. Доступны материалы с M ≈ 1 при комнатной температуре (Birkholz et al., 1987), что приводит к D mox ≈ 1 × 10 10 см Гц 0,5 W — 1 при 300 К. Реальные ограничения препятствуют достижению теоретического максимума удельной обнаруживаемость, но были продемонстрированы значения 3,2 × 10 9 см Гц 0,5 W — 1 (Ando, ​​1974).

Постоянная времени определяется как τ th = CG — 1 = CR H , где тепловое сопротивление определяется уравнением.(16). В теплоемкости термопарных детекторов Хильгера – Шварца, как правило, преобладает поглотитель. Постоянные времени 10 мс были продемонстрированы только для термопары и 20 мс для всего детектора, включая поглотитель (Birkholz et al., 1987; Ando, ​​1974).

Несмотря на то, что термопарные детекторы Hilger – Schwarz обладают высокими характеристиками для неохлаждаемых детекторов, они хрупки и сложны в производстве. Современные технологии обработки полупроводников позволяют изготавливать детекторы на термобатареях с микромашинной обработкой, в которых поглотитель представляет собой отдельно стоящую мембрану, а термобатарея состоит из последовательно соединенных термопар, проходящих по краю мембраны (Foote and Jones, 1998; Foote et al., 2003). Микромашинные детекторы на термобатареях доступны в виде линейных массивов, которые выполняли полеты на Луну и Марс (Foote et al., 2003). Микромеханические устройства не работают так же хорошо, как старые модели по ряду причин, даже при сравнении устройств, изготовленных из тех же термоэлектрических материалов, хотя есть потенциал для дальнейшего улучшения (Foote and Jones, 1998).

Детекторы термобатареи производятся в виде одиночных детекторов, линейных решеток (Kunde et al., 1996; Foote and Jones, 1998; Foote et al., 2003) и небольшие двумерные массивы. Обработка материалов и компоновка остаются сложными для больших двумерных массивов. Были продемонстрированы микромашинные детекторы на термобатареях с постоянными времени порядка 10 мс с удельной детектирующей способностью около 10 9 см Гц 0,5 W — 1 (Foote and Jones, 1998).

Как играть с термопарами

Если вы создаете устройство для измерения температуры или вам необходимо добавить возможности измерения температуры в существующую систему, вам следует ознакомиться с термопарами и научиться разрабатывать интерфейсы для термопар.Термопара — это просто отрезок двух проводов, состоящих из двух разнородных проводников, сваренных вместе на одном конце.

Основы термопар

На рынке доступно множество различных типов термопар, в зависимости от комбинации двух разнородных проводников. Однако все типы работают на основе одной и той же фундаментальной теории — эффекта Зеебека. Каждый раз, когда проводник испытывает температурный градиент от одного конца проводника к другому, электрический потенциал (также известный как напряжение Зеебека, коэффициент Зеебека или ток контура) нарастает.Это происходит потому, что свободные электроны внутри проводника диффундируют с разной скоростью в зависимости от температуры. Электроны с более высокой энергией на горячей стороне (измерительный переход) проводника диффундируют быстрее, чем электроны с более низкой энергией на холодной стороне (контрольный переход). В результате на одном конце проводника происходит накопление заряда, что создает электрический потенциал на горячем и холодном концах.

Термопары типа К

Термопары

K-типа обычно выбираются для проектов датчиков температуры на основе микроконтроллеров, поскольку они недороги, обеспечивают достаточный температурный диапазон и обладают хорошей точностью и линейностью.Два разнородных проводящих элемента термопары K-типа изготовлены из никель-хромового сплава (положительная сторона) и никель-алюминиевого сплава (отрицательная сторона). Обратите внимание, что коэффициент Зеебека типичного термистора K-типа при комнатной температуре (25 ° C) составляет 41 мкВ / ° C, а его рабочий диапазон температур составляет от –270 ° C до 1372 ° C. Передаточная функция стандартной термопары K-типа, показанная на следующем рисунке, доказывает, что коэффициент Зеебека примерно постоянен и составляет около 41 мкВ / ° C от 0 ° C до 1000 ° C.

Измерения температуры

Передний конец датчика температуры на основе термопары — это, конечно, термопара.Поскольку передаточная функция термопары выражается в мкВ / ºC, необходима соответствующая схема преобразования сигнала для усиления выходного сигнала термопары до надлежащего значения напряжения для дальнейшей обработки. Поскольку сигнал напряжения очень мал, схема формирования сигнала обычно требует усиления около 100 или около того. Вы, безусловно, можете использовать операционные усилители или даже отдельные компоненты для создания формирователя сигнала. На следующем рисунке показана экспериментальная схема формирования сигнала термопары на базе операционного усилителя с коэффициентом усиления до 500 (в зависимости от значения потенциометра).

Формула для расчета усиления этой неинвертирующей схемы LM358: «Усиление = 1 + P1 / R1». Например, R1 = 1K и P1 = 200K, что дает коэффициент усиления 201. Это означает, что выход термопары 5 мВ приведет к выходу чуть выше 1 В. Коэффициент усиления 500 позволит лучше разрешить температуру, но коэффициент усиления 200–270 подходит для большинства целей. Хотя допустимая температура термопары K-типа находится в диапазоне от –270 ° C до 1372 ° C, существует ограничивающий фактор.Термопара типа K поставляется с изолированными проводами и оболочкой кабеля, которые также имеют связанные с ними температурные ограничения. Нет ничего необычного в том, что термопара имеет защитную оболочку, выходящую за пределы возможного диапазона применения. Ниже показано изображение недорогой термопары K-типа. Обратите внимание на ограниченный диапазон рабочих температур: от –50 ° C до 200 ° C. Также обратите внимание, что большинство термопар K-типа поставляются с красным и желтым выводами. Красный провод обычно является отрицательным, а желтый провод — положительным.

Если вам нужно только проверить, повышается ли температура — например, чтобы контролировать небольшую печь — и не заботиться о фактической температуре, схема формирования сигнала на основе ОУ (в качестве входного ) в какой-то степени это нормально. Однако для точного измерения температуры требуется схема коррекции температуры холодного спая, а также схема формирования сигнала. Поскольку выходной сигнал термопары фактически является измерением разницы температур между горячим концом и холодным концом, фактическая температура горячего конца (измерительного спая) должна корректироваться путем добавления температуры холодного конца (эталонного спая) к показаниям термопары.Для этого можно использовать дополнительный датчик температуры на холодном конце. Позже, в программном обеспечении, просто добавьте измеренную температуру термопары (разницу между горячим и холодным концом) к измеренной температуре холодного конца. Этот расчет даст абсолютную температуру горячего конца. На следующем рисунке показано одно базовое решение для оценочного двухканального усилителя термопары.

В схеме используется половина высокоточной ИС с двойным линейным операционным усилителем LTC1051 для обработки сигнала от термопары.Использование операционного усилителя с малым смещением устраняет обычное требование схемы с нулевым смещением для этих типов усилителей постоянного тока. Потенциометр «полной шкалы» можно использовать для калибровки термопары по целевому выходному сигналу 10 мВ / ºC от LTC1051. Другая микросхема, используемая в этой схеме, LT1025, представляет собой очень хороший компенсатор термопар от Linear Technology Corp (LTC).

Практические вопросы

Недавно нескольким студентам понадобилась схема термопары, и они попросили меня построить ее.Поскольку у меня было ограниченное время и ресурсы, я купил на eBay модуль термопары MAX6675, совместимый с микроконтроллером, и термопару типа K. Затем я подготовил простой проект Arduino для печати температуры в градусах Цельсия и Фаренгейта на последовательном мониторе. Результаты оказались хорошими. Если вы хотите попробовать это, просто следуйте аппаратной разводке и загрузите пример скетча в Arduino.

// Пример эскиза для MAX6675 Arduino
#include «max6675.h» // см. текст
int ktcSO = 8;
int ktcCS = 9;
int ktcCLK = 10;
MAX6675 ktc (ktcCLK, ktcCS, ktcSO);
void setup () {
   Серийный.begin (9600);
   // ждем стабилизации максимального количества микросхем
   задержка (500);
}
void loop () {
   // базовый тест считывания, просто распечатайте текущую температуру
   Serial.print («Градус C =»);
   Serial.print (ktc.readCelsius ());
   Serial.print («\ t Deg F =»);
   Serial.println (ktc.readFahrenheit ());
   задержка (1000);
}
 

Необходимая библиотека «max6675.h», которая предоставляет функции температуры Цельсия и Фаренгейта, находится в свободном доступе по адресу https: // github.com / adafruit / MAX6675-библиотека.

В основе модуля MAX6675 лежит микросхема MAX6675 от Maxim. В этом чипе есть датчик температуры (компенсационный диод холодного спая), который определяет температуру холодного конца. Предположительно, это та же температура, что и на печатной плате, на которой установлен чип. Использование этого метода для измерения температуры холодного спая может быть довольно недорогим и точным. Согласно техническому описанию, MAX6675 выполняет компенсацию холодного спая и оцифровывает сигнал термопары K-типа.Данные выводятся в 12-битном разрешении, совместимом с SPI ™ формате только для чтения. Ниже показана принципиальная схема модуля MAX6675 (также см. Идею печатной платы для домашних мастеров). Эта схема является точной копией того, что предлагается в таблице данных в качестве образца конструкции.

MAX6675 также имеет функцию «обнаружения обрыва термопары». На следующем рисунке показан протокол последовательного интерфейса MAX6675. Для полного чтения последовательного интерфейса требуется 16 тактов. Первый бит, D15, является битом фиктивного знака и всегда равен нулю.Биты D14 – D3 содержат преобразованную температуру в порядке от MSB к LSB. D1 имеет низкий уровень, чтобы предоставить идентификатор устройства для MAX6675, а бит D0 имеет три состояния. Бит D2 обычно имеет низкий уровень и переходит в высокий уровень, когда вход термопары открыт.

Основываясь на этой информации, я переработал дизайн печатной платы и добавил опцию перемычки, чтобы включить / отключить эту опцию обнаружения разомкнутой термопары (см. Перемычку SJ1 на измененном рисунке печатной платы, показанном ниже). Обратите внимание, что для обеспечения работы открытого детектора термопары SJ1 должен быть замкнут.

Время закрытия

Термопары используются в различных областях, включая промышленные печи и медицинские инструменты.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *