Термопара, один із датчиків температури

Датчики температури широко використовуються і бувають багатьох типів, але основними поширеними типами є: термопари (PT100/PT1000), термобатареї, термістори, датчики температури опору, і IC датчики температури. Датчики температури IC бувають двох типів: датчики аналогового виходу та датчики цифрового виходу. Відповідно до характеристик матеріалу та електронних компонентів датчика температури, їх поділяють на дві категорії: терморезистори і термопари. Термопари стали промисловим стандартом для економічно ефективного вимірювання широкого діапазону температур із достатньою точністю. Вони використовуються в різних сферах застосування приблизно до +2500°C у котлах, водонагрівачі, печі, і авіаційні двигуни — це лише деякі з них.

Тип платинородієва термопара Стійкість до високих температур 1600 градусів корундова трубка

Термопара датчика температури PT100

3-дріт PT100 платинова термопара опору з екранованим кабелем

(1) Основне визначення термопар
Термопари є одними з найбільш часто використовуваних елементів визначення температури в промисловості. Принцип роботи термопар заснований на ефекті Зеєбека, це фізичне явище, в якому два провідники з різних компонентів з’єднані на обох кінцях, щоб утворити петлю. Якщо температури двох сполучних кінців різні, у петлі утворюється тепловий струм.

Як один з найбільш широко використовуваних датчиків температури в промислових вимірюваннях температури, термопари, разом з платиновими терморезисторами, припадає близько 60% із загальної кількості датчиків температури. Термопари зазвичай використовуються в поєднанні з приладами відображення для безпосереднього вимірювання температури поверхні рідин, пари, газоподібних середовищ і твердих тіл в межах -40 до 1800°C у різних виробничих процесах. До переваг можна віднести високу точність вимірювань, широкий діапазон вимірювання, проста конструкція та легке використання.

(2) Основний принцип вимірювання температури термопарою
Термопара - це температурний чутливий елемент, який може безпосередньо вимірювати температуру та перетворювати її в сигнал термоелектричного потенціалу. Сигнал перетворюється в температуру вимірюваного середовища за допомогою електричного приладу. Принцип роботи термопари полягає в тому, що два провідники з різних компонентів утворюють замкнутий контур. Коли існує градієнт температури, струм буде проходити через петлю і генерувати термоелектричний потенціал, що є ефектом Зеєбека. Два провідники термопари називаються термопарами, один кінець якого є робочим (більш висока температура) а інший кінець — вільний кінець (зазвичай при постійній температурі). За зв'язком між термоелектричним потенціалом і температурою, виготовлена ​​шкала термопари. Різні термопари мають різні шкали.

Коли третій металевий матеріал підключений до контуру термопари, поки температура двох контактів матеріалу однакова, термоелектричний потенціал, створюваний термопарою, залишиться незмінним і на нього не впливатиме третій метал. Отже, при вимірюванні температури термопарою, можна підключити вимірювальний прилад для визначення температури вимірюваного середовища шляхом вимірювання термоелектричного потенціалу. Термопари зварюють провідники або напівпровідники А і В у замкнутий контур.

Термопари зварюють два провідники або напівпровідники А і В з різних матеріалів, щоб утворити замкнутий контур, як показано на малюнку.

При наявності різниці температур між двома точками кріплення 1 і 2 провідників А і В, між ними виникає електрорушійна сила, таким чином формується струм певної величини в петлі. Це явище називається термоелектричним ефектом. Термопари працюють, використовуючи цей ефект.

Два провідники з різних компонентів (називаються дротами термопар або гарячими електродами) з’єднані з обох кінців, утворюючи петлю. Коли температури спаїв різні, в контурі виникає електрорушійна сила. Це явище називається термоелектричним ефектом, і ця електрорушійна сила називається термоелектричним потенціалом. Термопари використовують цей принцип для вимірювання температури. Серед них, кінець, який безпосередньо використовується для вимірювання температури середовища, називається робочим кінцем (також називається вимірювальним кінцем), а інший кінець називається холодним кінцем (також називається кінцем компенсації); холодний кінець підключається до приладу відображення або узгоджувального приладу, і дисплей покаже термоелектричний потенціал, створений термопарою.

Термопари — це перетворювачі енергії, які перетворюють теплову енергію в електричну та вимірюють температуру шляхом вимірювання генерованого термоелектричного потенціалу. При вивченні термоелектричного потенціалу термопар, необхідно звернути увагу на наступні питання:
1) Термоелектричний потенціал термопари є функцією різниці температур між двома кінцями термопари, не різниця температур між двома кінцями термопари.
2) Величина термоелектричного потенціалу, створюваного термопарою, не має нічого спільного з довжиною та діаметром термопари., але лише з урахуванням складу матеріалу термопари та різниці температур між двома кінцями, за умови, що матеріал термопари однорідний.
3) Після визначення складу матеріалу двох проводів термопари термопари, величина термоелектричного потенціалу термопари пов'язана лише з різницею температур термопари. Якщо температура холодного кінця термопари залишається постійною, Термоелектричний потенціал термопари є лише однозначною функцією робочої кінцевої температури.
Зазвичай використовуються матеріали для термопар:
(3) Типи та будова термопар
Типи
Термопари можна розділити на дві категорії: стандартні термопари і нестандартні термопари. Так звана стандартна термопара відноситься до термопари, національний стандарт якої передбачає зв’язок між її термоелектричним потенціалом і температурою, допустима похибка, і має єдину стандартну шкалу. Він має відповідний інструмент відображення для вибору. Нестандартизовані термопари поступаються стандартизованим термопарам з точки зору діапазону використання або порядку величини, і, як правило, не мають єдиної шкали. Вони в основному використовуються для вимірювань у певних особливих випадках.

Основна будова термопар:
Основна структура термопар, що використовуються для промислового вимірювання температури, включає дріт термопари, ізоляційна трубка, захисна трубка і розподільна коробка, тощо.

Загальновживані дроти термопар та їх властивості:
A. Термопара платина-родій 10-платина (з випускним номером S, також відомий як одинарна платинородієва термопара). Позитивним електродом цієї термопари є платинородієвий сплав, що містить 10% родій, а негативний електрод — чиста платина;

особливості:
(1) Стабільна термоелектрична продуктивність, сильна стійкість до окислення, підходить для постійного використання в окислювальній атмосфері, температура тривалого використання може досягати 1300 ℃, коли вона перевищує 1400 ℃, навіть у повітрі, чистий платиновий дріт перекристалізується, роблячи зерна грубими та розбитими;
(2) Висока точність. Це найвищий ступінь точності серед усіх термопар і зазвичай використовується як стандарт або для вимірювання високих температур.;
(3) Широкий спектр використання, хороша однорідність і взаємозамінність;
(4) Основними недоліками є: малий диференціальний термоелектричний потенціал, така низька чутливість; дорога ціна, низька механічна міцність, не підходить для використання у відновній атмосфері або в умовах парів металу.

Б. Платино-родієва 13-платинова термопара (з градаційним номером Р, також відомий як одинарна платинородієва термопара) Позитивним електродом цієї термопари є платинородієвий сплав, що містить 13%, а негативний електрод — чиста платина. У порівнянні з типом S, його потенційна швидкість становить близько 15% вище. Інші властивості майже такі ж. Цей тип термопари найчастіше використовується як високотемпературна термопара в японській промисловості, але він менше використовується в Китаї;

C. Платина-родій 30-платина-родій 6 термопара (номер підрозділу В, також відомий як подвійна платиново-родієва термопара) Позитивним електродом цієї термопари є платинородієвий сплав, що містить 30% родій, а негативний електрод - сплав платини з родієм, що містить 6% родій. При кімнатній температурі, його термоелектричний потенціал дуже малий, тому компенсаційні дроти зазвичай не використовуються під час вимірювання, і вплив змін температури холодного кінця можна знехтувати. Температура тривалого використання становить 1600 ℃, а температура короткочасного використання становить 1800 ℃. Тому що термоелектричний потенціал малий, потрібен дисплей з високою чутливістю.

Термопари типу В придатні для використання в окиснювальних або нейтральних атмосферах, а також може використовуватися для короткочасного використання у вакуумній атмосфері. Навіть у відновній атмосфері, його життя 10 до 20 разів більше, ніж у типу B. разів. Так як його електроди виготовлені з платинородієвого сплаву, він не має всіх недоліків негативного електрода платино-родій-платинової термопари. Існує невелика тенденція великої кристалізації при високій температурі, і має більшу механічну міцність. В той же час, оскільки він менше впливає на поглинання домішок або міграцію родію, його термоелектричний потенціал не змінюється серйозно після тривалого використання. Недоліком є ​​те, що це дорого (по відношенню до одинарної платини-родію).

Д. Нікель-хром-нікель-кремній (нікель-алюміній) термопара (класифікаційний номер К) Позитивним електродом цієї термопари є сплав нікель-хром, що містить 10% хром, а негативний електрод - нікель-кремнієвий сплав, що містить 3% кремній (негативним електродом продуктів у деяких країнах є чистий нікель). Він може вимірювати середню температуру 0-1300 ℃ і підходить для постійного використання в окисних та інертних газах. Короткочасна температура використання становить 1200 ℃, а температура тривалого використання становить 1000 ℃. Його термоелектричний потенціал дорівнює. Залежність температури приблизно лінійна, ціна дешева, і це найбільш широко використовувана термопара на даний момент.

Термопара K-типу - це термопара з основного металу з високою стійкістю до окислення. Він не підходить для використання оголеного дроту у вакуумі, сірковмісні, вуглецевмісна атмосфера, і редокс змінна атмосфера. Коли парціальний тиск кисню низький, хром в нікель-хромовому електроді буде переважно окислюватися, викликаючи велику зміну термоелектричного потенціалу, але металевий газ мало впливає на нього. Отже, часто використовуються металеві захисні трубки.

З жовтим штекером Пружинна термопара K типу

Датчик температури К-типу з зондом з нержавіючої сталі

Датчик температури термопари типу K з нержавіючої сталі WRN-K

Недоліки термопар К-типу:
(1) Високотемпературна стабільність термоелектричного потенціалу гірша, ніж у термопар N-типу та термопар з дорогоцінних металів. При більш високих температурах (наприклад, понад 1000°C), він часто пошкоджується окисленням.
(2) Стійкість до короткострокового термічного циклу є поганою в діапазоні 250-500°C, тобто, при тій самій температурній точці, показники термоелектричного потенціалу відрізняються в процесі нагрівання та охолодження, і різниця може досягати 2-3°C.
(3) Негативний електрод піддається магнітному перетворенню в діапазоні 150-200°С, викликаючи відхилення градуювання значення в діапазоні кімнатної температури до 230°C від градуювання таблиці. Зокрема, при використанні в магнітному полі, Часто виникає інтерференція термоелектричного потенціалу, яка не залежить від часу.
(4) При тривалому впливі високопотокового середньосистемного опромінення, такі елементи, як марганець (Мн) і кобальт (Co) в негативному електроді зазнають перетворення, погіршуючи його стабільність, що призводить до великої зміни термоелектричного потенціалу.

E. Термопара нікель-хром-кремній-нікель-кремній (Н) Основними особливостями цієї термопари є: сильний контроль температури та стійкість до окислення нижче 1300 ℃, хороша довгострокова стабільність і відтворюваність короткочасного теплового циклу, хороша стійкість до ядерного випромінювання і низьких температур. Крім того, в діапазоні 400-1300 ℃, лінійність термоелектричних характеристик термопари N-типу краща, ніж у K-типу. Проте, нелінійна похибка велика в діапазоні низьких температур (-200-400℃), а матеріал твердий і важко піддається обробці.

E. Мідно-мідно-нікелева термопара (Т) Термопара Т-типу, позитивним електродом цієї термопари є чиста мідь, а негативний електрод - мідно-нікелевий сплав (також відомий як константан). Основними його особливостями є: серед термопар з недорогоцінних металів, має найвищу точність і хорошу однорідність термоелектрода. Його робоча температура -200 ~ 350 ℃. Оскільки мідна термопара легко окислюється, а оксидна плівка легко відпадає, зазвичай не допускається перевищувати 300 ℃ при використанні в окислювальній атмосфері, і знаходиться в діапазоні -200 ~ 300 ℃. Вони відносно чутливі. Ще однією особливістю мідно-константанових термопар є їх дешевизна, і вони є найдешевшими з кількох широко використовуваних стандартизованих продуктів.

Ф. Термопара залізо-константан (класифікаційний номер J)
Термопара J-типу, позитивним електродом цієї термопари є чисте залізо, а негативний електрод — константан (мідно-нікелевий сплав), який характеризується низькою ціною. Він підходить для відновлення або інертної атмосфери вакуумного окислення, і діапазон температур від -200 ~ 800 ℃. Проте, зазвичай використовується температура лише нижче 500 ℃, оскільки після перевищення цієї температури, швидкість окислення залізної термопари прискорюється. Якщо використовується товстий діаметр дроту, його можна використовувати при високій температурі та має довший термін служби. Ця термопара стійка до корозії воднем (H2) і чадний газ (CO) гази, але не можна використовувати при високій температурі (напр. 500℃) сірка (С) атмосфери.

Г. Нікель-хром-мідь-нікель (Константан) термопара (код підрозділу E)
Термопара типу E є відносно новим продуктом, з позитивним електродом зі сплаву нікель-хром і негативним електродом із сплаву мідь-нікель (Константан). Його найбільшою особливістю є те, що серед широко використовуваних термопар, його термоелектричний потенціал найбільший, тобто, його чутливість найвища. Хоча область його застосування не така широка, як у типу K, часто вибирається в умовах, що вимагають високої чутливості, низька теплопровідність, і допустимий великий опір. Обмеження щодо використання такі ж, як і для типу K, але він не дуже чутливий до корозії в атмосферах з високою вологістю.

На додаток до вищезазначеного 8 широко використовувані термопари, існують також вольфрам-ренієві термопари, платино-родієві термопари, іридій-германієві термопари, платино-молібденові термопари, і термопари з неметалічних матеріалів як нестандартизовані термопари. У наступній таблиці наведено співвідношення між специфікаціями матеріалу та діаметром дроту термопар, що зазвичай використовуються, і температурою використання:

Номер класифікації термопари Діаметр дроту (мм) Довгостроковий Короткостроковий
SΦ0,513001600
РФ0,513001600
BΦ0,516001800
KΦ1,28001000

(4) Температурна компенсація холодного кінця термопари
Щоб заощадити на матеріалах для термопар, особливо при використанні дорогоцінних металів, для подовження холодного кінця зазвичай використовується компенсаційний дріт (вільний кінець) термопари в диспетчерську, де температура є відносно стабільною, і підключіть її до терміналу приладу. Повинно бути зрозуміло, що роль дроту компенсації термопари обмежена подовженням термопари та переміщенням холодного кінця термопари до терміналу приладу в диспетчерській.. Він сам по собі не може усунути вплив зміни температури холодного кінця на вимірювання температури та не може виконувати роль компенсації.

Ізоляційна трубка

Робочі кінці термопари міцно зварені між собою, і термопари повинні бути захищені ізоляційними трубками. Існує багато доступних матеріалів для ізоляції труб, які в основному поділяються на органічні та неорганічні утеплювачі. Для високотемпературного кінця, в якості ізоляційних труб слід вибирати неорганічні матеріали. Загалом, глиняні ізоляційні труби можна вибрати нижче 1000 ℃, високі алюмінієві трубки можна вибрати нижче 1300 ℃, і корундові труби можна вибрати нижче 1600 ℃.

Захисна трубка

Функція захисної трубки полягає в запобіганні прямого контакту електрода термопари з вимірюваним середовищем. Його функція не тільки продовжує термін служби термопари, але також забезпечує функцію підтримки та фіксації термоелектрода та підвищення його міцності. Отже, правильний вибір захисних трубок термопари та ізоляційних матеріалів має вирішальне значення для терміну служби та точності вимірювань термопари. Матеріали захисної трубки в основному поділяються на дві категорії: металеві та неметалічні.

Резюме:
Термопари - це датчики, які зазвичай використовуються в промислових вимірюваннях температури, які характеризуються високою точністю, економічність і придатність до широкого діапазону температур. Він вимірює, вимірюючи різницю температур між гарячим і холодним кінцями.

Щоб отримати температуру точки вимірювання гарячого кінця, необхідно виміряти температуру холодного кінця та відповідно відрегулювати вихід термопари. Типово, холодний спай підтримується при тій же температурі, що і вхід блоку обробки сигналу термопари через лист матеріалу з високою теплопровідністю. Мідь є матеріалом з ідеальною теплопровідністю (381Вт/мК). Вхідне з’єднання має бути електрично ізольованим, щоб запобігти перешкоджанню сигналу термопари теплопровідності мікросхеми. Весь блок обробки сигналу переважно знаходиться в цьому ізотермічному середовищі.

Діапазон сигналу термопари зазвичай знаходиться на рівні мікровольт/℃. Блок обробки сигналу термопари дуже чутливий до електромагнітних перешкод (EMI), і лінія термопари часто заважає електромагнітним перешкодам. ЕМП збільшує невизначеність отриманого сигналу та погіршує точність зібраних даних про температуру. Крім того, спеціальний кабель термопари, необхідний для підключення, також є дорогим, і якщо інші типи кабелів не були обережно замінені, це може викликати труднощі в аналізі.

Оскільки EMI пропорційна довжині лінії, звичайним варіантом мінімізації перешкод є розміщення схеми керування поблизу точки вимірювання, додайте віддалену плату поблизу точки вимірювання, або використовувати комплексну фільтрацію сигналу та екранування кабелю. Більш елегантне рішення полягає в тому, щоб оцифрувати вихід термопари поблизу точки вимірювання.

(5) Процес виробництва термопари
Управління виробничим процесом термопар включає в себе наступне:
1) Перевірка проводів: перевірити геометричні розміри і термоелектричний потенціал.
2) Перевірка компенсаційного проводу: перевірити геометричні розміри і термоелектричний потенціал.
3) Підготуйте та перевірте такі компоненти, як пластикові розетки, алюмінієві кришки, вогнетривкі основи, паперові трубочки та маленькі паперові трубочки.
4) Зварювання гарячого кінця: Перевірте кваліфіковану швидкість паяних з’єднань і кваліфіковану швидкість довжини за контрольною діаграмою P.
5) Відпал дроту: включаючи первинний відпал (відпал після промивання лугом і промивання кислотою) і вторинний відпал (відпал після проходження через U-подібну трубку), контроль температури і часу відпалу.
6) Перевірка процесу: включаючи судження про полярність, опір петлі та якість зовнішнього вигляду, а також контроль геометричних розмірів.
7) Зварювання холодного кінця: контроль зварювальної напруги, перевірити форму паяного з’єднання та сферичний розмір.
8) Монтаж і заливка: зібрати як потрібно, включаючи контроль положення гарячого кінця та відстані компенсаційного проводу. Вимоги до заливки включають підготовку цементу, температура і час випічки, і вимірювання опору ізоляції.
9) Остаточна перевірка: Перевірте геометрію, опір петлі, позитивна і негативна полярність і опір ізоляції.

(6) Застосування термопарних датчиків
Термопари утворюються шляхом з'єднання двох різних провідників. Коли вимірювальний і еталонний спаї знаходяться при різних температурах, так звана термоелектромагнітна сила (ЕМП) генерується. Призначення спаю Вимірювальний спай – це частина спаю термопари, яка знаходиться при виміряній температурі.

Еталонний спай відіграє роль підтримки відомої температури або автоматичної компенсації змін температури в термопарі. У звичайних промислових застосуваннях, елемент термопари зазвичай підключається до роз'єму, в той час як контрольний спай підключений до контрольованого середовища з відносно стабільною температурою через відповідний подовжувач термопари. Тип з’єднання може бути з’єднанням термопари з оболонкою або ізольованим з’єднанням термопари.

Термопарний спай, з’єднаний із оболонкою, з’єднаний із стінкою зонда фізичним з’єднанням (зварювання), і тепло передається ззовні до з'єднання через стінку зонда для досягнення хорошої теплопередачі. Цей тип спаю підходить для вимірювання температури статичних або текучих корозійних газів і рідин, а також деякі застосування під високим тиском.

Ізольовані термопари мають з’єднання, які відокремлені від стінки зонда й оточені м’яким порошком.. Хоча ізольовані термопари мають повільніший відгук, ніж термопари з оболонкою, вони забезпечують електричну ізоляцію. Ізольовані термопари рекомендуються для вимірювання в корозійних середовищах, де термопара повністю електрично ізольована від навколишнього середовища за допомогою екрану оболонки.

Термопари з відкритими клемами дозволяють верхній частині з’єднання проникати в навколишнє середовище. Цей тип термопари забезпечує найкращий час відгуку, але підходить лише для некорозійних, нешкідливий, і застосування без тиску. Час відгуку можна виразити через постійну часу, який визначається як час, необхідний для зміни датчика 63.2% від початкового значення до кінцевого значення в контрольованому середовищі. Термопари з відкритими клемами мають найшвидшу швидкість відгуку, і менший діаметр оболонки зонда, тим швидше швидкість відповіді, але чим нижча максимально допустима температура вимірювання.

Термопари з подовжувальним дротом використовують подовжувальний дріт для перенесення еталонного спаю від термопари до дроту на іншому кінці, яка зазвичай розташована в контрольованому середовищі та має ті самі температурно-електромагнітні частотні характеристики, що й термопара. При правильному підключенні, Подовжувач передає опорну точку підключення до контрольованого середовища.