Что такое термопара: об устройстве простыми словами

Статистические характеристики термопреобразователя

На сегодняшний день статистические характеристики термопреобразователя считаются стандартизированы. Они будут выражать зависимость сопротивления чувствительного элемента от измеряемой температуры. Характеристика может обозначаться 1П, 100П, 10м, 100м и прочие значения. Числа будут обозначать сопротивление чувствительного элемента, а буква материал, из которого оно выполнено. В зависимости от точности измерения преобразователи могут иметь пять классов. Их обозначение происходит с помощью римских цифр. У нас вы также можете прочесть про уличные розетки.

Платиновые термопреобразователи сопротивления применяют для измерения температуры в диапазоне от -260 до +1100, а медные для измерения температуры от -200 до +200. Применение преобразователей считается ограничено из-за сравнительно низкой максимальной температуры. Термоэлектропреобразователи более популярны, так как их можно будет использовать для измерения температуры до 1800 градусов.

Сейчас в промышленности могут использовать термопреобразователи из следующих сплавов:

1. Хромель-копель (ХК).
2. Хромель-алюмель (ХА).
3. Платинородий-платина (ПП).
4. Платинородий-платинородий (ПР).

Каждый тип продукции может иметь свой собственный диапазон температур. Термоэлектропреобразователь будет иметь подобную конструкцию с термопреобразователем. Чувствительный элемент этого изделия будет помещаться в специальный корпус и представлять собою спай термоэлектродов, которые будут припаяны к серебряному диску. Затем термоэлектроды будут выводиться через каналы изолирующих бус на зажимы головки. В дальнейшем термоэлектропреобразователь будут крепить с помощью специальных штуцеров и фланцев.

Сложность применения подобных изделий будет заключаться в том, что необходимо стабилизировать температуру их свободных концов. Если температура холодных концов будет изменяться, а температура погружения горячего конца останется неизменной, тогда значения также будут изменяться.

На данный момент для каждого типа термоэлектропреобразователя устанавливается определенная марка компенсационных проводов. При подключении холодных концов к компенсационным проводам между каждым термоэлектродом будет образовываться термопара. Материалы компенсационных проводов необходимо подбирать таким образом, чтобы для каждой термопары они были равны между собой и включены встречно. Во вторичном приборе будут устанавливать специальное устройство, которое сможет автоматически вносить поправки в значение т.э.д.с. в зависимости от температуры.

Манометрические термометры могут применять для измерения температуры в зонах аппаратов. Принцип их действия считается достаточно простым, и он будет основан на зависимости между температурой и давлением жидкости при постоянном объеме. В дальнейшем измерительную систему будут заполнять с помощью газа.

Термобаллон будут погружать в специальную среду, температуру которой будут измерять. Термобаллон соединяются с манометром с помощью капилляра. Во время измерения температуры будет изменяться давление, которое заполнит систему жидкости или газа. Затем через капилляр давление будет подводиться к пружине, припаянной к корпусу. При повышении температуры давление увеличивается и под воздействием раскручивается манометрическая пружина. Когда давление будет уменьшаться она закручивается. Через тягу перемещение конца пружины будет передаваться на трибко-секторный механизм. На ось трибки будет насаживаться стрелка, которая перемешается по шкале измеряемого давления.

Теперь вы точно знаете устройство термопреобразователя и приборов температуры. Надеемся, что эта информация была полезной и интересной.

Преимущества и недостатки использования термопар

Достоинствами использования данного устройства можно назвать:

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

К недостаткам следует отнести:

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

Термометр сопротивления — датчик для измерения температуры: что это такое, описание и виды

Что такое тензодатчик, типы тензометрических датчиков, схема подключения и их применение

Что такое люминесцентная лампа и как она работает?

Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы

Трансформаторы тока: устройство, принцип действия и типы

Как устроен электрический аккумулятор, его принцип работы, виды, назначение и основные характеристики

Платинородий-платина типы R, S

Самые распространенные типы термопары для температур до 1600 0С. К данным устройствам относятся платина со сплавом платины и родия 10%-ти или 13%-ным составом. Применяются в инертной и окислительной среде. Длительное использование при 1400С, кратковременное — 1600С. Обладают линейной термоэлектрической особенностью в диапазоне 600-1600 0С. Показатель чувствительности — 10-12 мкВ/ 0С (10% Rh) и 11-14 мкВ/С (13% Rh). Производят высокоточное измерение, обладают высокой воспроизводимостью и стабильностью термо-ЭДС.Минусы: нестабильность в облучаемой среде, повышенная чувствительность к загрязнениям.

ТПП с хорошим изолятором может применяться в восстановительной среде, и в условиях содержащих мышьяковые пары, серу, свинец, цинк и фосфор.

Практически не используются для измерения отрицательных температур по причине снижения чувствительности. Но, в отдельной сборке возможно измерение значений до -50 градусов. Для значений 300-600 0С применяются в качестве сравнительных показателей. Краткое применение – до 1600 0С, длительное – 1400 0С. С наличие защиты можно длительно эксплуатировать при 1500 0С.

Изоляторами в условиях температуры до 1200 0С применяются кварцевые и фарфоровые материалы или муллит и силлиманит. Образцовые термопары изолируют плавленым кварцем.

При использовании с вырабатываемой температурой в 1400 0С в качестве изолятора лучше применять керамику с окислю Al2O3. При слабоокислительной и восстановительной среде около 1200 0С.

В слабоокислительных и восстановительных условиях с температурой выше 1200 и независимо от условий с температурами выше 1400 0С необходимо в качестве изолятора использовать керамический высокочистый оксид алюминия. В восстановительной среде возможно применение оксида магния.

Обычно внутренний чехол для термопары состоит из того же материала из которого выполнен изолятор. Данные материалы должны быть газоплотными. В условиях разового измерения температур жидкой стали, чтобы защитить рабочий спай измерителя используются кварцевые наконечники.

Вся рабочая длина электродов должна быть заизолирована трубкой из керамики двухканального типа. Места стыка трубки и чехла, электрода и трубки должны иметь зазоры для вентиляции. Электроды должны тщательно очищаться от смазки перед установкой в изолятор. В свою очередь металлический чехол тоже должен быть сухим и чистым. Перед установкой на объект все компоненты термопары должны пройти отжиг. Термоэлектроды не должны выполнять опорную функцию для изолятора

Особенно это важно для вертикальных термопар

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.

Чувствительный элемент термопреобразователя

Чувствительный элемент преобразователя – это баллон с жидкостью при нагревании которого жидкость будет расширяться и ее столбик поднимется в отсчетном устройстве. Положение определенного конца столбика будет соответствовать температуре среды. Термопреобразователи сопротивления на сегодняшний день применяют в системах, где может потребоваться измерять высокие температуры и передавать все показания в дистанционном порядке. Принцип работы подобных устройств достаточно простой. Он будет основан на свойстве разнообразных металлов изменять свое сопротивление во время изменения температуры. У нас вы также можете прочесть про обустройство правильного заземления.

Чувствительные элементы чаще всего выполнены из платины или меди. Платиновую или медную проволоку необходимо наматывать на каркас. Размеры каркаса в зависимости от конструкции может быть от 60 до 100 мм. Каркас вместе с чувствительным элементом будут помещать в специальный корпус защитной арматуры. Его чаще всего выполняют из нержавеющей стали.

На технологических трубопроводах специальный преобразователь будут вставлять в гнездо, которое в дальнейшем будут укреплять с помощью штуцера. Монтажная длина преобразователей может составлять от 10 до 3150 мм, а диаметр защитной арматуры от 10 до 300 мм.

Характеристики соединений

Чистая платина имеет α = 0,003925 Ω / (Ω · ° C) в диапазоне от 0 до 100 °C и используется при создании RTD лабораторного уровня. И, наоборот, два широко признанных стандарта для промышленных термопреобразователей сопротивления IEC 60751 и ASTM E-1137 определяют α = 0,00385 Ом / (Ом · °C). До того как эти стандарты получили широкое распространение, использовалось несколько различных значений. Еще можно найти более старые датчики, изготовленные из платины, которые имеют α = 0,003916 Ом / (Ом · °C) и 0,003902 Ом / (Ом · °C).

Эти различные значения α для платины достигаются легированием: в основном, осторожно вводя примеси в платину. Последние, добавленные во время этого процесса, внедряются в решетчатую структуру платины и приводят к другой кривой R относительно T и, следовательно, к значению α

Стабильность метрологических характеристик термометра сопротивления

В ходе эксплуатации метрологические характеристики термопреобразователей сопротивления неизбежно изменяются. Скорость изменения зависит от многих факторов таких как: температура эксплуатации, скорость и частота изменений температуры, наличие химически активных веществ в измеряемой среде и т.д. В связи с этим для датчиков ТСПТ, ТСМТ, ТСПТ Ex, ТСМТ Ex введены группы условий эксплуатации и в зависимости от этой группы нормированы допустимые значения дрейфа метрологических характеристик термометров сопротивления.

РМГ-74 «МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕЖПОВЕРОЧНЫХ И МЕЖКАЛИБРОВОЧНЫХ ИНТЕРВАЛОВ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ» предписывает определять интервал между поверками (ИМП) как период времени/наработки СИ за который изменение метрологических характеристик не превышает модуля класса допуска СИ, уменьшенного на систематическую погрешность измерений в ходе испытаний СИ.

Для термопреобразователя сопротивления определяющим фактором дрейфа является наработка датчика при повышенной температуре. Влияние старения на дрейф ТС практически не упоминается в научных публикациях. При этом общеизвестно что величина и скорость дрейфа ТС зависит от величины измеряемой температуры. Известно, что медные термопреобразователи сопротивления менее стабильны чем платиновые. Доминирующей причиной дрейфа, в условиях эксплуатации, не относящихся к экстремальным, является изменение физических свойств металлов под воздействием температуры, величина изменений зависит от значения максимальной температуры эксплуатации и длительности воздействия.

Предлагается при нормировании интервалов между поверками учитывать условия эксплуатации, разделив их по диапазонам измеряемых температур. Для каждого из диапазонов указывать свой интервал между поверками от одного года до пяти лет. Предлагаемая градация интервалов представлена на рисунке 4.

Для чего применяются различные схемы подключения датчиков температуры сопротивления?

Дело в том, что измеряемым параметром при применении таких датчиков является сопротивление датчика, однако провода имеют собственное сопротивление и внсят тем самым определенную погрешность.

Например, если датчик температуры Pt100 при нуле градусов цельсия (сопротивление 100 Ом) подключен по двух проводной схеме медным проводом сечением 0,12 мм2, длина соединительного кабеля 3 м, то два провода в сумме дадут сопротивление около 0,5 Ом в результате набегает погрешность — датчик дает суммарное сопротивление 100,5 Ом, что соответствует температуре примерно 101,2 градуса.

Эту погрешность можно скорректировать прибором (если прибор это позволяет), введя корректировку на 1,2 градуса. Однако такая корректировка не может полностью компенсировать сопротивление проводов датчика. Это связано с тем, что медные провода являются сами по себе термосопротивлениями, т.е. сопротивление проводов так же меняется от темепратуры. Причем в случае например с нагреваемой камерой часть проводов, которая находится вместе с датчиком нагревается и меняет сопротивление, а часть за пределами камеры меняется с изменением температуры в комнате.

В случае рассмотреном выше при сопротивлении проводов 0,5 ома при нагреве на каждые 250 градусов сопротивление проводов может измениться практически вдвое. Дав дополнительно 1,2 градуса цельсия погрешность.

Для исключения влияния сопротивления проводов применяют трехпроводную схему подключения датчика температуры. При такой схеме подключения прибор измеряет суммарное сопротивление датчика с проводами и сопротивление двух проводов (или одного провода и умножает его на 2) и вычитает сопротивление проводов из суммарного, выделяя тем самым чистое сопротивление датчика. Такая схема подключения позволяет получать достаточно высокую точность при значительных влияниях сопротивлений проводов на тчоность измерения. Однако данная схема не учитывает, что провода ввиду погрешностей изготовления могут обладать разным сопротивлением (в следствии неоднородности материала, изменения сечения по длине и пр.) такие погрешности вводят меньшие отклонения в отображаемой температуре чем при двух проводной схеме, однако при больших длинах проводов могут быть существенны. В таких случаях может потребоваться применение четырех проводной схемы подключения, в которой прибор измеряет непосредственно сопротивление датчика без учета соединительных проводов.

В каких случаях можно применять двух проводную схему подключения:

1. Диапазон измерения не большой (например 0. 40 градусов) и требуется невысокая точность (например 1 градус)

2. Соединительные провода имеют большое сечение и длина их не велика, т.е сопротивление проводов мало по сравнению с сопротивлением датчика и не вносит существенной погрешности. Например суммарное сопротивление 2 проводов 0,1 ом, а сопротивление датчика меняется на 0,5 Ома на градус, требуемая точнось 0,5 градуса, таким образом сопротивление проводов вносит погрешность меньше, чем допустимая погрешность.

Трехпроводная схема подключения датчиков температуры сопротивления:

Наиболее распространненная схема подключения, применяемая для измерений на удалении датчика от 3 до 100 м, позволяющая в диапазоне до 300 градусов иметь погрешность порядка 0,5 %, т.е. 0,5 С на 100 С.

Четырех проводная схема подключения:

Применяется как правило для прецизионных измерений с точностью 0,1 С и выше.

Термопара принцип действия термопреобразователя сопротивления ТСПТ (ТСМТ)

Термопреобразователи сопротивления ТСПТ (ТСМТ) с двухпроводной схемой подключения изготавливаться только с классом допуска В или С и имеют ограничения по монтажным длинам и длинам удлинительных проводов. В соответствии с требованиями ГОСТ 6651-2009, для датчиков с двух проводной схемой подключения, сопротивление внутренних проводов не должно превышать 0,1% номинального сопротивления ТС при 0°С. В связи с этим для различных НСХ присутствуют ограничения по монтажным длинам:

для датчиков с клеммной головкой максимальная монтажная длина составляет Lmax= (500÷1250) мм в зависимости от конструктивной модификации, для датчиков с удлинительным проводом, максимальная длина провода составляет ℓ max= (500÷1000) мм в зависимости от конструктивной модификации.

Датчики с трех- и четырехпроводной схемой подключения, в зависимости от конструктивных модификаций, изготавливаются по классу допуска АА, А, В, С. При изготовлении ограничения по монтажным длинам и длинам удлинительных проводов отсутствуют. Следует учитывать, что у вторичных приборов, к которым подключаются датчики, могут существовать ограничения по входному сопротивлению измерительной линии, которая в свою очередь зависит от длины провода датчика.

Таблица 1. Номинальное сопротивление R0

Обозначение варианта исполнения ТС	Pt	П	М
Температурный коэффициент a, °С-1	0,00385	0,00391	0,00428
Номинальное сопротивление R, Ом	100, 500, 1000	50,  100	50,  100

Неопределенность измерений термометров сопротивления

Термопреобразователь сопротивления может быть признан годным изготовителем (или поверочным центром), если отклонение сопротивления ТС от НСХ с учетом расширенной неопределенности измерения в лаборатории изготовителя или поверителя, рассчитанное в эквиваленте температуры (R–Rнсх ± Uпр)/(dR/dt), находится внутри интервала допуска ±Δt (см. ТС № 1 на рис. 3).

Термопреобразователь сопротивления может быть забракован потребителем только в том случае, если отклонение сопротивления ТС от НСХ с учетом расширенной неопределенности измерения в условиях использования термометра потребителем, рассчитанное в эквиваленте температуры (R–Rнсх ± Uпотр)/(dR/dt), находится полностью вне интервала допуска ±Δt.

Такое правило приемки с одной стороны снижает риск потребителя, который может приобрести некачественный термометр сопротивления только по причине больших погрешностей измерений на производстве, с другой стороны, это правило стимулирует изготовителя использовать при приемке термометров высокоточное измерительное оборудование. Правило также является очень важным при установлении брака Заказчиком, т. к. Заказчик тоже обязан оценить неопределенность своих измерений и уже после этого предъявлять претензии к изготовителю.

Объем и последовательность первичной и периодической поверок ТС установлены в соответствии с ГОСТ Р 8.624 при этом перечень обязательных контролируемых параметров одинаков. Первичная поверка, осуществляемая аккредитованной метрологической службой нашего предприятия, совмещается с приемо-сдаточными испытаниями.

На неопределенность результатов измерений температуры термопарами и термометрами сопротивления влияют многие факторы, основные из них это:

– случайные эффекты при измерении, – неопределенность измерения регистрирующего прибора, – класс допуска термопары или термометра сопротивления, – изменение характеристики ТП или ТС за межповерочный интервал (МПИ), – для ТП дополнительно класс точности удлинительных проводов, соединяющей термопару с регистрирующим прибором и погрешность компенсации температуры опорных спаев,

Характеристики источников неопределенности измерения температуры термоэлектрическим преобразователем представлены в таблице 3. Бюджет неопределенности составлен в соответствии с Руководством по выражению неопределенностей и нормативными документами.

Вклад случайных эффектов, характеристики нестабильности измеряемой температуры и теплового контакта со средой в расчетах не учитывались, исходя из того, что эти величины зависят от условий применения.

Выбор измерительного тока также влияет на точность измерения температуры. Поскольку ЧЭ изготовлен из очень тонкой проволоки или пленки, даже малый ток может вызвать существенный нагрев ЧЭ. Во избежание значительного увеличения погрешности из-за нагрева ЧЭ измерительным током для 100-омных ТС рекомендуется использовать токи 1 мА и ниже. В этом случае погрешность не превысит 0,1 °С. Для снижения эффекта нагрева ЧЭ иногда используется импульсный измерительный ток.

Быстродействие измерения

Динамическое быстродействие первичного преобразователя может быть важно, если температура технологического процесса меняется быстро и в систему управления необходимо подавать быстро меняющиеся входные сигналы. Первичный преобразователь, установленный непосредственно в технологическую линию, будет иметь большее быстродействие, чем первичный преобразователь с защитной гильзой

Важно отметить, что если никакой защитной гильзы не применяется, чувствительный элемент подвергается воздействию среды технологического процесса и его невозможно заменить, не прерывая потока, для чего часто требуется останавливать технологический процесс и опорожнять технологическую систему. Указания по проектированию на большинстве производств не позволяют использовать первичные преобразователи без защитных гильз

Такие установки гораздо менее безопасны с точки зрения возможной разгерметизации технологических установок, в них возможны более частые выходы из строя первичных преобразователей из-за воздействия неблагоприятных условий технологического процесса, и они часто требуют дорогостоящих остановок технологического процесса для замены отказавшего первичного преобразователя. Применение защитных гильз решает эту проблему.

Но если используется защитная гильза, очевидно, что время реакции увеличивается (быстродействие уменьшается) из-за возрастания тепловой массы узла. Ключом к оптимизации быстродействия является уменьшение массы при сохранении достаточной физической прочности, чтобы узел выдерживал давление технологического процесса и силы, создаваемые потоком среды. Защитные гильзы меньшего диаметра обеспечивают более высокое быстродействие, так как требуется нагревать и охлаждать меньшее количество материала

Также важно правильно установить первичный преобразователь, чтобы добиться высокого быстродействия. Первичный преобразователь должен быть достаточно длинным, чтобы его конец касался дна защитной гильзы для обеспечения хорошей теплопроводности

Диаметр первичного преобразователя также должен быть таким, чтобы он плотно входил в защитную гильзу и воздушный зазор между первичным преобразователем и защитной гильзой был минимален. Кроме того, быстродействие улучшается путем использования подпружиненного первичного преобразователя и заполнения пустот в гильзе теплопроводящим наполнителем. Характеристики измеряемой среды также влияют на быстродействие, особенно ее скорость потока и плотность. Быстро движущаяся среда передает тепло и меняющуюся температуру лучше, чем медленно движущаяся, а более плотные среды (жидкости) являются лучшими проводниками тепла, чем среды с малой плотностью (газы).

Сравнение быстродействия систем измерения температуры, использующих термопару без защитной гильзы или ТС без защитной гильзы в системе с текущей водой показало, что заземленный конец термопары имеет быстродействие примерно в 2 раза выше, чем подпружиненный датчик ТС. При измерениях в потоке воздуха ТС работает несколько быстрее, чем термопара.

Однако эти преимущества существенно нивелируются, если не исчезают полностью, когда первичный преобразователь устанавливается в защитную гильзу. Масса защитной гильзы настолько велика по сравнению с массой первичного преобразователя, что она очевидно оказывает доминирующее влияние на быстродействие системы.

При использовании первичного преобразователя диаметром 6 мм (1/4 дюйма) в системе измерения температуры воды, быстродействие термопары и ТС примерно одинаковое, а при использовании первичного преобразователя диаметром 3 мм, термопара несколько быстрее, чем ТС. При измерении температуры воздуха быстродействие термопар и ТС примерно одинаковое при использовании как 3-миллиметровых (1/8 дюйма), так и 6-миллиметровых первичных преобразователей.

Поскольку в очень малом количестве технологических процессов используются для измерения первичные преобразователи без защитных гильз, изначально присущее термопарам преимущество в быстродействии значительно нивелируется. Вдумчивый разработчик выбирает наилучший первичный преобразователь для данной системы, основываясь на множестве других факторов, и не руководствуется вводящими в заблуждение утверждениями, которые можно слышать так часто: «термопары всегда быстрее, чем ТС».