- Пристрій і принцип дії
- Типи термопар і їх характеристики
- Таблиця порівняння термопар
- способи підключення
- застосування
- Відео по темі
Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!
В автоматизації технологічних процесів дуже часто доводиться знімати показники про температурні зміни, для їх завантаження в системи управління, з метою подальшої обробки. Для цього потрібні високоточні, малоінерційні датчики, здатні витримувати великі температурні навантаження в певному діапазоні вимірювань. Як термоелектричного перетворювача широко використовуються термопари - диференціальні пристрої, що перетворюють теплову енергію в електричну.
Пристрої також є простим і зручним датчиком температури для термоелектричного термометра, призначеного для здійснення точних вимірювань в межах досить широких температурних діапазонів. Зокрема, керуюча автоматика газових котлів та інших опалювальних систем спрацьовує від електричного сигналу, що надходить від сенсора на базі термопари. Конструкції датчика забезпечують необхідну точність вимірювань в обраному діапазоні температур.
Пристрій і принцип дії
Термопара конструктивно складається з двох дротів, кожна з яких виготовлена з різних сплавів. Кінці цих провідників утворюють контакт (гарячий спай) виконаний шляхом скручування, за допомогою вузького зварювального шва або зварюванням встик. Вільні кінці термопари замикаються за допомогою компенсаційних проводів на контакти вимірювального приладу або з'єднуються з автоматичним пристроєм управління. У точках з'єднання утворюється інший, так званий, холодний спай. Схематично пристрій зображено на малюнку 1.
Червоним кольором виділено зону гарячого спаю, синім - холодний спай.
Електроди складаються з різних металів (метал А і метал В), які на схемі пофарбовані в різні кольори. З метою захисту термоелектродів від агресивної гарячої середовища їх поміщають в герметичну капсулу, заповнену інертним газом або рідиною. Іноді на електроди надягають керамічні намиста, як показано на рис. 2).
Принцип дії заснований на термоелектричному ефекті. При замиканні ланцюга, наприклад милливольтметром (див. Рис. 3) в точках спайок виникає термо-ЕРС. Але якщо контакти електродів знаходяться при однаковій температурі, то ці ЕРС компенсують один одного і струм не виникає. Однак, варто нагріти місце гарячої спайки пальником, то відповідно до ефекту Зеєбека виникне різниця потенціалів, що підтримує існування електричного струму в ланцюзі.
Примітно, що напруга на холодних кінцях електродів пропорційно залежить від температури в області гарячої спайки. Іншими словами, в певному діапазоні температур ми спостерігаємо лінійну термоелектричний характеристику, що відображає залежність напруги від величини різниці температур між точками гарячої і холодної спайки. Строго кажучи, про лінійність показників можна говорити лише в тому випадку, коли температура в області холодної спайки постійна. Це слід враховувати при виконанні градуювань термопар. Якщо на холодних кінцях електродів температура буде змінюватися, то похибка вимірювання може виявитися досить значною.
У тих випадках, коли необхідно домогтися високої точності показників, холодні спайки вимірювальних перетворювачів поміщають навіть в спеціальні камери, в яких температурне середовище підтримується на одному рівні спеціальними електронними пристроями, що використовують дані термометра опору (схема показана на рис. 4). При такому підході можна домогтися точності вимірювань з похибкою до ± 0, 01 ° С. Правда, така висока точність потрібна лише в небагатьох технологічних процесах. У ряді випадків вимоги не такі жорсткі і похибка може бути на порядок нижче.
На похибка впливають не тільки перепади температури в середовищі, що оточує холодну спайку. Точність показань залежить від типу конструкції, схеми підключення провідників, і деяких інших параметрів.
Типи термопар і їх характеристики
Різні сплави, використовувані для виготовлення термопар, володіють різними коефіцієнтами термо-ЕРС. Залежно від того, з яких металів виготовлені термоелектроди, розрізняють наступні основні типи термопар:
- ТПП13 - платинородій-платинові (тип R);
- ТПП10 - платинородій-платинові (тип S);
- ТПР - платинородій-платінродіевие (тип B);
- ТЖК - залізо-константанові (тип J);
- ТМКн - мідь-константанові (тип T);
- ТНН - ніхросил-нісилові (тип N);
- ТХА - хромель-алюмелеві (тип K);
- ТХКн - хромель-константанові (тип E);
- ТХК - хромель-копелеві (тип L);
- ТМК - мідь-копелеві (тип M);
- ТСС - сільх-сіліновие (тип I);
- ТВР - вольфрамренієвих (типи A-1 - A-3).
Технічні вимоги до термопар задаються параметрами певними ГОСТ 6616-94, а їх НСХ (номінальні статичні характеристики перетворення), оптимальні діапазони вимірювань, встановлені класи допуску регулюються стандартами МЕК 62460, та визначено ГОСТ Р 8.585-2001. Зауважимо, також, що НСХ в вольфрам-ренієві термопарах були відсутні в таблицях МЕК до 2008 р На сьогоднішній день зазначеними стандартами не визначені характеристики термопари хромель-копель, але їх параметри і раніше регулюються ГОСТ Р 8.585-2001. Тому імпортні термопари типу L не є повним аналогом вітчизняного вироби ТХК.
Класифікацію термодатчиков можна провести і за іншими ознаками: за типом спаев, кількості чутливих елементів.
типи спаев
Залежно від призначення термодатчика спаї термопар можуть мати різну конфігурацію. Існують одноелементні і двоелементний спаи. Вони можуть бути як заземленими на корпус колби, так і незаземленими. Зрозуміти схеми таких конструкцій можна з малюнка 5.
Літерами позначено:
- І - один спай, ізольований від корпусу;
- Н - один з'єднаний з корпусом спай;
- ІІ - два ізольованих один від одного і від корпусу спаяний;
- 2 І - здвоєний спай, ізольований від корпусу;
- ІН - два спаяний, один з яких заземлений;
- НН - два неізольованих спаяний, з'єднаних з корпусом.
Заземлення на корпус знижує інерційність термопари, що, в свою чергу, підвищує швидкодію датчика і збільшує точність вимірювань в режимі реального часу.
З метою зменшення інерційності в деяких моделях термоелектричних перетворювачів залишають гарячий спай зовні захисної колби.
багатоточкові термопари
Часто потрібно вимірювати температуру в різних точках одночасно. Багатоточкові термопари вирішують цю проблему: вони фіксують дані про температуру вздовж осі перетворювача. Така необхідність виникає в хімічних і нафтохімічних галузях, де потрібно отримувати інформацію про розподіл температури в реакторах, колонах фракціонування і в інших ємностях, призначених для переробки рідин хімічним способом.
Багатоточкові вимірювальні перетворювачі температури підвищують економічність, не вимагають складного обслуговування. Кількість точок збору даних може досягати до 60. При цьому використовується тільки одна колба і одна точка введення в установку.
Таблиця порівняння термопар
Вище ми розглянули типи термоелектричних перетворювачів. У читача, швидше за все, резонно виникло питання: Чому так багато типів термопар існує?
Справа в тому, що заявлена виробником точність вимірювань можлива тільки в певному інтервалі температур. Саме в цьому діапазоні виробник гарантує лінійну характеристику свого вироби. В інших діапазонах залежність напруги від температури може бути нелінійної, а це обов'язково відобразиться на точності. Слід враховувати, що матеріали мають різний ступінь плавкости, тому для них існує граничне значення робочих температур.
Для порівняння термопар складені таблиці, в яких відображені основні параметри вимірювальних перетворювачів. Як приклад наводимо один з варіантів таблиці для порівняння поширених термопар.
Таблиця 1.
| Тип термопари | K | J | N | R | S | B | T | E |
| Матеріал позитивного електрода | Cr-Ni | Fe | Ni-Cr-Si | Pt-Rh (13% Rh) | Pt-Rh (10% Rh) | Pt-Rh (30% Rh) | Cu | Cr-Ni |
| Матеріал негативного електрода | Ni-Al | Cu-Ni | Ni-Si-Mg | Pt | Pt | Pt-Rh (6% Rh | Cu-Ni | Cu-Ni |
| температурний коефіцієнт | 40 … 41 | 55.2 | 68 | |||||
| Робочий температурний діапазон, ºC | 0 до +1100 | 0 до +700 | 0 до +1100 | 0 до +1600 | 0 до 1600 | +200 до +1700 | -185 до +300 | 0 до +800 |
| Значення граничних температур, ºС | -180; +1300 | -180; +800 | -270; +1300 | - 50; +1600 | -50; +1750 | 0; +1820 | -250; +400 | -40; +900 |
| Клас точності 1, у відповідному діапазоні температур, (° C) | ± 1, 5 від -40 ° C до 375 ° C | ± 1, 5 від -40 ° C до 375 ° C | ± 1, 5 від -40 ° C до 375 ° C | ± 1, 0 від 0 ° C до 1100 ° C | ± 1, 0 від 0 ° C до 1100 ° C | ± 0, 5 від -40 ° C до 125 ° C | ± 1, 5 від -40 ° C до 375 ° C | |
| ± 0, 004 × T від 375 ° C до 1000 ° C | ± 0, 004 × T від 375 ° C до 750 ° C | ± 0, 004 × T від 375 ° C до 1000 ° C | ± 1 + 0, 003 × (T - 1100)] от 1100 ° C до 1600 ° C | ± 1 + 0, 003 × (T - 1100)] от 1100 ° C до 1600 ° | ± 0, 004 × T від 125 ° C до 350 ° C | ± 0, 004 × T від 375 ° C до 800 ° C | ||
| Клас точності 2 у відповідному діапазоні температур, (° C) | ± 2, 5 від -40 ° C до 333 ° C | ± 2, 5 від -40 ° C до 333 ° C | ± 2, 5 від -40 ° C до 333 ° C | ± 1, 5 від 0 ° C до 600 ° C | ± 1, 5 від 0 ° C до 600 ° C | ± 0, 0025 × T від 600 ° C до 1700 ° C | ± 1, 0 від -40 ° C до 133 ° C | ± 2, 5 від -40 ° C до 333 ° C |
| ± 0, 0075 × T від 333 ° C до 1200 ° C | ± 0, T від 333 ° C до 750 ° C | ± 0, 0075 × T від 333 ° C до 1200 ° C | ± 0, 0025 × T від 600 ° C до 1600 ° C | ± 0, 0025 × T від 600 ° C до 1600 ° C | ± 0, 0075 × T від 133 ° C до 350 ° C | ± 0, 0075 × T від 333 ° C до 900 ° C | ||
| Кольорове маркування висновків по МЕК | Зелений - білий | Чорний білий | Бузковий - білий | Помаранчевий - білий | Помаранчевий - білий | Відсутнє | Коричневий - білий | Фіолетовий - білий |
способи підключення
Кожна нова точка з'єднання проводів з різнорідних металів утворює холодний спай, що може вплинути на точність показань. Тому підключення термопари виконують, по можливості, проводами з того ж матеріалу, що і електроди. Зазвичай виробники поставляють вироби з приєднаним компенсаційними проводами.
Деякі вимірювальні прилади містять схеми коригування показань на основі вбудованого термістора. До таких приладів просто підключаються дроти, дотримуючись їх полярності (див. Рис. 6).
Часто використовують схему підключення «на розрив». Вимірювальний прилад, підключають через провідник того ж типу що і клеми (найчастіше мідь). Таким чином, в місцях з'єднання відсутня холодний спай. Він утворюється лише в одному місці: в точці приєднання проводу до електрода термопари. На малюнку 7 показана схема такого підключення.
При підключенні термопари слід якомога ближче розміщувати вимірювальні системи, щоб уникнути використання занадто довгих проводів. У всякому дроті можливі перешкоди, які посилюються зі збільшенням довжини дроту. Якщо від радіоперешкод можна позбутися шляхом екранування проводки, то боротися з струмами наведення набагато складніше.
У деяких схемах використовують компенсуючий терморезистор між контактом вимірювального приладу і точкою холодного спаю. Оскільки зовнішня температура однаково впливає на резистор і на вільний спай, то даний елемент буде коригувати такі дії.
І наостанок: підключивши термопару до вимірювального приладу, необхідно, користуючись градуювальними таблицями, виконати процедуру калібрування.
застосування
Термопари використовуються всюди, де потрібно вимірювати температуру в технологічному середовищі. Вони застосовуються в автоматизованих системах управління як датчики температури. Термопари типу ТВР, у яких значний діаметр термоелектрода, незамінні там, де потрібно отримувати дані про занадто високій температурі, зокрема в металургії.
Газові котли, конвектори, водонагрівальні колонки також обладнані термоелектричними перетворювачами.
переваги
- висока точність вимірювань;
- досить широкий температурний діапазон;
- висока надійність;
- простота в обслуговуванні;
- дешевизна.
недоліки
Недоліками виробів є чинники:
- вплив вільних спаев на показники приладів;
- обмеження меж робочого діапазону нелінійної залежністю ТЕДС від ступеня нагрівання, що породжує складності в розробці вторинних перетворювачів сигналів;
- при тривалій експлуатації в умовах перепадів температур погіршуються градуювальні характеристики;
- необхідність в індивідуальній градуировке для отримання високої точності вимірювань, в межах похибки в 0, 01 ºC.
Завдяки тому, що проблеми пов'язані з недоліками можна вирішити, застосування термопар більш ніж виправдано.