Термопару, один из датчиков температуры

Датчики температуры широко используются и бывают разных типов., но основными распространенными типами являются: термопары (ПТ100/ПТ1000), Термопилы, термисторы, детекторы температуры сопротивления, и датчики температуры IC. Датчики температуры IC включают два типа: датчики аналогового выхода и датчики цифрового выхода. В соответствии с характеристиками материала и электронных компонентов датчика температуры., они разделены на две категории: терморезисторы и термопары. Термопары стали отраслевым стандартом для экономичного измерения широкого диапазона температур с достаточной точностью.. Они используются в различных приложениях при температуре до +2500°C в котлах., водонагреватели, печи, и авиационные двигатели — и это лишь некоторые из них..

Тип платиново-родиевая термопара. Устойчивость к высоким температурам. 1600 градусная корундовая трубка

Датчик температуры PT100, игольчатый зонд, термопара

3-платиновая термопара сопротивления PT100 с экранированным кабелем

(1) Основное определение термопар
Термопары являются одними из наиболее часто используемых элементов измерения температуры в промышленности.. Принцип работы термопар основан на эффекте Зеебека., Это физическое явление, при котором два проводника разных компонентов соединяются на обоих концах, образуя петлю.. Если температуры двух соединительных концов различны, в контуре образуется тепловой ток.

Как один из наиболее широко используемых датчиков температуры в промышленном измерении температуры., термопары, вместе с платиновыми терморезисторами, приходится около 60% от общего количества датчиков температуры. Термопары обычно используются в сочетании с индикаторными приборами для непосредственного измерения температуры поверхности жидкостей., пары, газообразные среды и твердые тела в диапазоне -40 до 1800°C в различных производственных процессах. К преимуществам относится высокая точность измерений., широкий диапазон измерений, простая структура и простота использования.

(2) Основной принцип измерения температуры термопарой
Термопара — это чувствительный элемент температуры, который может напрямую измерять температуру и преобразовывать ее в сигнал термоэлектрического потенциала.. Сигнал преобразуется в температуру измеряемой среды с помощью электрического прибора.. Принцип работы термопары заключается в том, что два проводника разных компонентов образуют замкнутый контур.. Когда существует температурный градиент, ток пройдет через петлю и создаст термоэлектрический потенциал, что такое эффект Зеебека. Два проводника термопары называются термопарами., один конец которого является рабочим (более высокая температура) а другой конец - свободный конец (обычно при постоянной температуре). По связи между термоэлектрическим потенциалом и температурой, изготавливается шкала термопары. Разные термопары имеют разные шкалы..

Когда к контуру термопары подключается третий металлический материал, до тех пор, пока температура двух контактов материала одинакова, термоэлектрический потенциал, создаваемый термопарой, останется неизменным и на него не будет влиять третий металл.. Поэтому, при измерении температуры термопарой, можно подключить измерительный прибор для определения температуры измеряемой среды путем измерения термоэлектрического потенциала. Термопары сваривают проводники или полупроводники A и B в замкнутый контур..

Термопары сваривают два проводника или полупроводника A и B из разных материалов вместе, образуя замкнутый контур., Как показано на рисунке.

Когда существует разница в температуре между двумя точками прикрепления 1 и 2 проводников A и B, электродвижущая сила генерируется между двумя, образуя таким образом ток определенной величины в контуре. Это явление называется термоэлектрическим эффектом. Термопары работают, используя этот эффект..

Два проводника разных компонентов (называемые термопарными проводами или горячими электродами) соединены с обоих концов, образуя петлю. Когда температуры спаев разные, в контуре создается электродвижущая сила. Это явление называется термоэлектрическим эффектом, и эта электродвижущая сила называется термоэлектрическим потенциалом. Термопары используют этот принцип для измерения температуры.. Среди них, конец, непосредственно используемый для измерения температуры среды, называется рабочим концом. (также называется измерительным концом), а другой конец называется холодным концом (также называется компенсационным концом); холодный конец подключен к индикаторному прибору или соответствующему прибору, и дисплейный прибор укажет термоэлектрический потенциал, создаваемый термопарой..

Термопары — это преобразователи энергии, которые преобразуют тепловую энергию в электрическую и измеряют температуру путем измерения генерируемого термоэлектрического потенциала.. При исследовании термоэлектрического потенциала термопар, необходимо отметить следующие проблемы:
1) Термоэлектрический потенциал термопары является функцией разницы температур между двумя концами термопары., а не разница температур между двумя концами термопары.
2) Величина термоэлектрического потенциала, создаваемого термопарой, не зависит от длины и диаметра термопары., но только с составом материала термопары и разницей температур между двумя концами, при условии, что материал термопары однороден..
3) После определения материального состава двух термопарных проводов термопары, величина термоэлектрического потенциала термопары связана только с разностью температур термопары. Если температура холодного конца термопары остается постоянной, термоэлектрический потенциал термопары является лишь однозначной функцией температуры рабочего конца.
Обычно используемые материалы для термопар::
(3) Типы и конструкции термопар
Типы
Термопары можно разделить на две категории.: стандартные термопары и нестандартные термопары. Так называемая стандартная термопара относится к термопаре, национальный стандарт которой предусматривает взаимосвязь между ее термоэлектрическим потенциалом и температурой., допустимая ошибка, и имеет единую стандартную шкалу. Он имеет соответствующий инструмент отображения для выбора. Нестандартные термопары уступают стандартизированным термопарам по диапазону использования или по порядку величины., и вообще не имеют единой шкалы. В основном они используются для измерений в определенных особых случаях..

Основная структура термопар:
Базовая конструкция термопар, используемых для промышленного измерения температуры, включает провод термопары., изоляционная трубка, защитная трубка и распределительная коробка, и т. д..

Часто используемые провода для термопар и их свойства.:
А. Платиново-родиевая 10-платиновая термопара (с выпускным номером S, также известна как одиночная платиново-родиевая термопара.). Положительный электрод этой термопары представляет собой платиново-родиевый сплав, содержащий 10% родий, а отрицательный электрод - чистая платина;

Функции:
(1) Стабильные термоэлектрические характеристики, сильная стойкость к окислению, подходит для постоянного использования в окислительной атмосфере, температура длительного использования может достигать 1300 ℃, когда она превышает 1400 ℃, даже в воздухе, чистая платиновая проволока рекристаллизуется, делая зерна грубыми и сломанными;
(2) Высокая точность. Это самый высокий класс точности среди всех термопар, который обычно используется в качестве стандарта или для измерения более высоких температур.;
(3) Широкий спектр использования, хорошая однородность и взаимозаменяемость;
(4) Основными недостатками являются: небольшой дифференциальный термоэлектрический потенциал, такая низкая чувствительность; дорогая цена, низкая механическая прочность, не пригоден для использования в восстановительной атмосфере или в условиях паров металлов.

Б. Платина-родий 13-платиновая термопара (с выпускным номером R, также известна как одиночная платиново-родиевая термопара.) Положительный электрод этой термопары представляет собой платиново-родиевый сплав, содержащий 13%, а отрицательный электрод - чистая платина. По сравнению с типом S, его потенциальная скорость составляет около 15% выше. Остальные свойства почти такие же. Этот тип термопары чаще всего используется в качестве высокотемпературной термопары в японской промышленности., но он меньше используется в Китае;

С. Платина-родий 30-платина-родий 6 термопара (дивизия номер Б, также известна как двойная платиново-родиевая термопара.) Положительный электрод этой термопары представляет собой платиново-родиевый сплав, содержащий 30% родий, а отрицательный электрод представляет собой платиново-родиевый сплав, содержащий 6% родий. При комнатной температуре, его термоэлектрический потенциал очень мал, поэтому компенсационные провода обычно не используются во время измерений, и влияние изменений температуры холодного конца можно игнорировать. Температура длительного использования составляет 1600 ℃., и температура кратковременного использования составляет 1800 ℃.. Поскольку термоэлектрический потенциал мал, требуется дисплейный прибор с более высокой чувствительностью.

Термопары типа B подходят для использования в окислительной или нейтральной атмосфере., а также может использоваться для кратковременного использования в вакуумной атмосфере.. Даже в восстановительной атмосфере, его жизнь 10 к 20 раз больше, чем у типа B. раз. Поскольку его электроды изготовлены из платинородиевого сплава., он не имеет всех недостатков отрицательного электрода платинородий-платиновой термопары.. Тенденция к крупной кристаллизации при высокой температуре невелика., и он имеет большую механическую прочность. В то же время, поскольку он меньше влияет на абсорбцию примесей или миграцию родия, его термоэлектрический потенциал серьезно не меняется после длительного использования. Недостаток - дорого (относительно одиночного платина-родия).

Дюймовый. Никель-хром-никель-кремний (никель-алюминий) термопара (оценочный номер K) Положительный электрод этой термопары представляет собой никель-хромовый сплав, содержащий 10% хром, а отрицательный электрод представляет собой никель-кремниевый сплав, содержащий 3% кремний (отрицательный электрод продукции в некоторых странах представляет собой чистый никель.). Он может измерять среднюю температуру 0–1300 ℃ и подходит для непрерывного использования в окисляющих и инертных газах.. Температура кратковременного использования составляет 1200 ℃., и температура длительного использования составляет 1000 ℃.. Его термоэлектрический потенциал равен Температурная зависимость примерно линейна., цена дешевая, и это наиболее широко используемая термопара в настоящее время.

Термопара K-типа представляет собой термопару из недрагоценного металла с высокой стойкостью к окислению.. Он не подходит для использования оголенного провода в вакууме., серосодержащий, углеродсодержащая атмосфера, и окислительно-восстановительная переменная атмосфера. Когда парциальное давление кислорода низкое, хром в никель-хромовом электроде будет преимущественно окисляться, вызывая большое изменение термоэлектрического потенциала, но металлический газ на него мало влияет. Поэтому, часто используются металлические защитные трубки.

С желтой вилкой. Подпружиненная термопара типа К.

Датчик температуры типа К с зондом из нержавеющей стали

Датчик температуры термопары серии WRN-K из нержавеющей стали типа K

Недостатки термопар типа К:
(1) Высокотемпературная стабильность термоэлектрического потенциала хуже, чем у термопар N-типа и термопар из драгоценных металлов.. При более высоких температурах (например, более 1000°С), он часто повреждается в результате окисления.
(2) Кратковременная стабильность термического цикла низкая в диапазоне 250-500°C., то есть, в той же температурной точке, показания термоэлектрического потенциала различны в процессе нагрева и охлаждения, и разница может достигать 2-3°C.
(3) Отрицательный электрод подвергается магнитному преобразованию в диапазоне 150-200°С., вызывая отклонение градуировочного значения в диапазоне от комнатной температуры до 230°C от градуировочной таблицы.. В частности, при использовании в магнитном поле, Часто возникает интерференция термоэлектрического потенциала, не зависящая от времени..
(4) При длительном воздействии высокопоточного облучения системы среды, такие элементы, как марганец (Мин.) и кобальт (Ко) на отрицательном электроде претерпевают превращения, что делает его стабильность плохой, что приводит к большому изменению термоэлектрического потенциала.

Эн. Термопара никель-хром-кремний-никель-кремний (Н) Основные особенности этой термопары:: сильный контроль температуры и стойкость к окислению ниже 1300 ℃, хорошая долговременная стабильность и воспроизводимость краткосрочного термического цикла, хорошая устойчивость к ядерному излучению и низким температурам. Кроме того, в диапазоне 400-1300℃, линейность термоэлектрических характеристик термопары Н-типа лучше, чем у термопары К-типа. Однако, нелинейная ошибка велика в диапазоне низких температур (-200-400℃), материал твердый и трудно поддающийся обработке.

Эн. Медно-медно-никелевая термопара (Т) Термопара Т-типа, положительный электрод этой термопары - чистая медь., а отрицательный электрод выполнен из медно-никелевого сплава. (также известный как константан). Его основными особенностями являются: среди термопар из недрагоценных металлов, имеет высочайшую точность и хорошую однородность термоэлектрода. Его рабочая температура составляет -200～350℃.. Потому что медная термопара легко окисляется, а оксидная пленка легко отпадает., обычно не допускается превышать 300 ℃ при использовании в окислительной атмосфере., и находится в диапазоне -200～300℃.. Они относительно чувствительны. Еще одной особенностью медно-константановых термопар является их дешевизна., и они являются самыми дешевыми из нескольких широко используемых стандартизированных продуктов..

Ф. Железо-константановая термопара (номер оценки J)
Термопара J-типа, положительный электрод этой термопары представляет собой чистое железо., а отрицательный электрод - константан (медно-никелевый сплав), который отличается низкой ценой. Подходит для восстановительной или инертной атмосферы вакуумного окисления., и диапазон температур от -200 до 800 ℃.. Однако, обычно используемая температура составляет только ниже 500 ℃, потому что после превышения этой температуры, скорость окисления железной термопары ускоряется. Если используется толстый диаметр проволоки, его все еще можно использовать при высокой температуре и он имеет более длительный срок службы. Эта термопара устойчива к коррозии водородом. (Н2) и угарный газ (СО) газы, но нельзя использовать при высокой температуре (например. 500℃) сера (С) атмосфера.

Глин. Никель-хром-медь-никель (Константан) термопара (код подразделения Е)
Термопара типа E — относительно новый продукт., с положительным электродом из никель-хромового сплава и отрицательным электродом из медно-никелевого сплава. (Константан). Его самая большая особенность заключается в том, что среди наиболее часто используемых термопар, его термоэлектрический потенциал самый большой, то есть, его чувствительность самая высокая. Хотя спектр его применения не такой широкий, как у Типа К., его часто выбирают в условиях, требующих высокой чувствительности, низкая теплопроводность, и допустимо большое сопротивление. Ограничения в использовании такие же, как и у типа К., но он не очень чувствителен к коррозии в атмосфере с высокой влажностью..

В дополнение к вышесказанному 8 обычно используемые термопары, есть еще вольфрам-рениевые термопары, платиново-родиевые термопары, иридий-германиевые термопары, платиново-молибденовые термопары, и термопары из неметаллических материалов как нестандартизированные термопары. В следующей таблице приведена взаимосвязь между характеристиками материала и диаметром проволоки обычно используемых термопар и температурой использования.:

Класс термопары Диаметр провода (мм) Долгосрочный Краткосрочный
SΦ0,513001600
RF0.513001600
БΦ0,516001800
КΦ1.28001000

(4) Температурная компенсация холодного конца термопары
В целях экономии затрат на материалы для термопар., особенно при использовании драгоценных металлов, компенсационный провод обычно используется для удлинения холодного конца (свободный конец) термопару в диспетчерскую, где температура относительно стабильна, и подключите ее к клемме прибора.. Должно быть понятно, что роль компенсационного провода термопары ограничивается удлинением термопары и перемещением холодного конца термопары к клемме прибора в диспетчерской.. Он сам по себе не может устранить влияние изменения температуры холодного конца на измерение температуры и не может играть компенсирующую роль..

Изоляционная трубка

Рабочие концы термопары прочно сварены между собой., термопары должны быть защищены изолирующими трубками.. Существует множество материалов для изоляции труб., которые в основном делятся на органическую и неорганическую изоляцию.. Для высокотемпературного конца, в качестве изоляционных трубок необходимо выбирать неорганические материалы. В целом, глиняные изоляционные трубки могут быть выбраны при температуре ниже 1000 ℃., Высокие алюминиевые трубы могут быть выбраны при температуре ниже 1300 ℃., и корундовые трубки могут быть выбраны при температуре ниже 1600 ℃..

Защитная трубка

Функция защитной трубки – предотвратить прямой контакт электрода термопары с измеряемой средой.. Его функция не только продлевает срок службы термопары., но также обеспечивает функцию поддержки и фиксации термоэлектрода и повышения его прочности.. Поэтому, правильный выбор защитных трубок и изоляционных материалов для термопар имеет решающее значение для срока службы и точности измерений термопары.. Материалы защитной трубки в основном делятся на две категории.: металлические и неметаллические.

Краткое содержание:
Термопары являются широко используемыми датчиками при промышленном измерении температуры., которые характеризуются высокой точностью, экономичность и применимость в широком температурном диапазоне. Он измеряет разницу температур между горячим и холодным концом..

Чтобы получить температуру точки измерения горячего конца, необходимо измерить температуру холодного конца и соответствующим образом отрегулировать выходной сигнал термопары.. Обычно, холодный спай поддерживается при той же температуре, что и вход блока обработки сигналов термопары через лист материала с высокой теплопроводностью. Медь – материал с идеальной теплопроводностью. (381Вт/мК). Входное соединение должно быть электрически изолировано, чтобы сигнал термопары не мешал теплопроводности чипа.. Весь блок обработки сигналов предпочтительно находится в этой изотермической среде..

Диапазон сигнала термопары обычно находится на уровне микровольт/℃.. Блок обработки сигналов термопары очень чувствителен к электромагнитным помехам. (ЭМИ), и на линию термопары часто влияют электромагнитные помехи. ЭМИ увеличивают неопределенность принимаемого сигнала и ухудшают точность собранных данных о температуре.. Кроме того, специальный кабель термопары, необходимый для подключения, также стоит дорого., и если другие типы кабелей не будут тщательно заменены, это может вызвать трудности при анализе.

Поскольку EMI пропорциональна длине линии, Обычный вариант минимизировать помехи — разместить схему управления близко к точке измерения., добавьте удаленную плату рядом с точкой измерения, или использовать сложную фильтрацию сигнала и экранирование кабеля. Более элегантное решение — оцифровать выходной сигнал термопары вблизи точки измерения..

(5) Процесс производства термопар
Управление процессом производства термопар включает в себя следующее::
1) Проверка проводов: проверить геометрические размеры и термоэлектрический потенциал.
2) Проверка компенсационного провода: проверить геометрические размеры и термоэлектрический потенциал.
3) Подготовьте и осмотрите такие компоненты, как пластиковые розетки., алюминиевые колпачки, огнеупорные основы, бумажные трубочки и маленькие бумажные трубочки.
4) Сварка горячего конца: проверьте аттестованную норму паяных соединений и аттестованную норму длины с помощью контрольной таблицы P..
5) Отжиг проволоки: включая первичный отжиг (отжиг после промывки щелочью и промывки кислотой) и вторичный отжиг (отжиг после прохождения через U-образную трубку), контролировать температуру и время отжига.
6) Проверка процесса: включая оценку полярности, сопротивление шлейфа и качество внешнего вида, а также проверка геометрических размеров.
7) Сварка холодного конца: контроль сварочного напряжения, проверьте форму паяного соединения и сферический размер.
8) Сборка и заливка: собрать по мере необходимости, включая контроль положения горячего конца и расстояния компенсационной проволоки. Требования к заливке включают подготовку цемента., температура и время выпечки, и измерение сопротивления изоляции.
9) Окончательная проверка: Проверьте геометрию, сопротивление контура, положительная и отрицательная полярность и сопротивление изоляции.

(6) Применение датчиков термопар
Термопары образуются путем соединения двух разных проводников вместе.. Когда измерительный и эталонный спаи имеют разную температуру, так называемая термоэлектромагнитная сила (ЭДС) генерируется. Назначение спая Измерительный спай — это часть спая термопары, находящаяся при измеряемой температуре..

Опорный спай играет роль поддержания известной температуры или автоматической компенсации изменений температуры в термопаре.. В обычных промышленных применениях, элемент термопары обычно подключается к разъему, в то время как эталонный спай подключен к контролируемой среде с относительно стабильной температурой через соответствующий удлинительный провод термопары.. Тип спая может быть спаем термопары, соединенным с оболочкой, или изолированным спаем термопары..

Соединение термопары с корпусом соединяется со стенкой зонда посредством физического соединения. (сварка), и тепло передается снаружи к месту соединения через стенку зонда для достижения хорошей теплопередачи.. Этот тип соединения подходит для измерения температуры статических или текущих агрессивных газов и жидкостей., а также некоторые приложения высокого давления.

Изолированные термопары имеют спаи, отделенные от стенки зонда и окруженные мягким порошком.. Хотя изолированные термопары имеют более медленный отклик, чем термопары в оболочке., они обеспечивают электрическую изоляцию. Изолированные термопары рекомендуются для измерений в агрессивных средах., где термопара полностью электрически изолирована от окружающей среды защитной оболочкой.

Термопары с открытыми клеммами позволяют верхней части спая проникать в окружающую среду.. This type of thermocouple provides the best response time, but is only suitable for non-corrosive, non-hazardous, and non-pressurized applications. Response time can be expressed in terms of a time constant, which is defined as the time required for the sensor to change 63.2% from the initial value to the final value in the controlled environment. Exposed-terminal thermocouples have the fastest response speed, and the smaller the probe sheath diameter, the faster the response speed, but the lower the maximum allowable measurement temperature.

Extension-wire thermocouples use extension wire to transfer the reference junction from the thermocouple to a wire at the other end, which is usually located in the controlled environment and has the same temperature-electromagnetic frequency characteristics as the thermocouple. При правильном подключении, удлинительный провод передает опорную точку подключения в контролируемую среду.