Устройство термопары
Основное назначение термопар – измерение температуры. Термопара (термоэлектрический преобразователь) — устройство, применяемое для измерения температуры в промышленности, научных исследованиях, медицине, в системах автоматики. Температура — физическая величина, количественно характеризующая меру средней кинетической энергии теплового движения молекул какого-либо тела или вещества. Из определения температуры можно сделать вывод, что данная физическая величина не может быть измерена непосредственно. Судить об изменении температуры какого-либо объекта можно по изменению других физических свойств данного объекта (например, объема, давления, электрического сопротивления, интенсивности излучения и др.).
В зависимости от диапазона измеряемых температур различают две основные группы методов измерения: контактные (собственно термометрия) и бесконтактные (пирометрия или термометрия излучения). Бесконтактные способы применяются, как правило, для измерения очень высоких температур. Измерение температуры с помощью термопар относится к контактному способу измерения.
Принцип работы термопары. Эффект Зеебека
Принцип работы термопары основан на термоэлектрическом эффекте. Явление термоэлектричества было открыто немецким физиком Т. Зеебеком (T. Seebeck) в 1821 г. и также получило название эффект Зеебека.
Эффект Зеебека состоит в следующем: если соединить два проводника (термоэлектрода) из разнородных металлов или сплавов таким образом, чтобы они образовали замкнутую электрическую цепь, и затем поддерживать места контактов (спаи) при различной температуре, то в цепи будет протекать постоянный ток.
Рисунок 1. Схема термопары, где T1 > T2. А – положительный термоэлектрод, В – отрицательный термоэлектрод. Точка с температурой T1 – горячий спай (рабочий конец), с температурой T2 – холодный спай (свободный конец). Стрелками показано направление тока.
Цепь, которая состоит только из двух различных проводников (термоэлектродов), называется термоэлементом или термопарой.
Е = α (Т2 — Т1),
E – термо-ЭДС,
α — коэффициент Зеебека,
T1 – температура горячего спая,
T2 – температура холодного спая.
В простейшем случае коэффициент термо-ЭДС определяется только материалами проводников, однако, в общем случае он зависит и от температуры, и иногда с изменением температуры α меняет знак.
Термоэлектрод, по которому ток идет от горячего спая к холодному, договорились считать положительным, от холодного к горячему – отрицательным. При обозначении термопары, например ТХА (термопара хромель-алюмель), на первом месте в названии указывается материал положительного электрода, на втором – отрицательного.
Таким образом, зная температуру одного спая (обычно ее поддерживают постоянной, например, равной 0 °С) и, измеряя ток или напряжение в цепи, можно однозначно определить неизвестную температуру другого спая.
Стоит заметить, что величина термо-ЭДС составляет милливольты при разности температур в 100 К (173,15 °С) и температуре холодного спая в 0 °С.
Конструкции термопар
Основными факторами, от которых зависит конструкция термопары, являются условия ее эксплуатации. При конструировании того или иного термоэлектрического преобразователя учитываются такие факторы, как агрегатное состояние вещества, температуру которого требуется измерять, «агрессивность» внешней среды, диапазон измеряемых температур, тепловая инерционность (как быстро термопара реагирует на изменение температуры среды) и другие.
Можно выделить следующие особенности конструкции термопар:
1. Концы двух термоэлектродов соединяются между собой в одной точке, образуя рабочий спай. Соединение происходит, как правило, с помощью электродуговой сварки, а термоэлектроды перед сваркой скручивают между собой. В специальных случаях вместо сварки может применяться пайка. Термоэлектроды из тугоплавких металлов, например, в вольфрам-рениевых или вольфрам-молибденовых термопарах, часто соединяют только скруткой без дальнейшей сварки.
2.Термоэлектроды должны быть соединены между собой только в рабочем спае. По всей остальной длине требуется их электрическая изоляция друг от друга.
3.Способ изоляции термоэлектродов зависит от верхнего температурного предела применения термоэлектрического термометра. Если указанный предел не превышает 100- 120 °С, то может применяться любая изоляция, в том числе воздушная. При температурах до 1300 °С изоляцию выполняют с помощью фарфоровых одно- и двухканальных трубок или бус. При более высоких температурах электроизоляционные свойства пирометрического фарфора сильно ухудшаются, а сам он размягчается. В связи с этим при более высоких температурах используют трубки из окиси алюминия (до 1950 °С) и из окиси магния, окиси бериллия, двуокиси тория и двуокиси циркония (выше 2000 °С)
4. В зависимости от среды, в которой осуществляется измерение температуры, термопара может иметь наружную защитную трубку-чехол с закрытым концом. Данная трубка может быть металлической, керамической или металлокерамической. Она должна обеспечивать механическую стойкость термоэлектрического термометра, отсутствие механического напряжения термоэлектродов, гидроизоляцию, а в некоторых случаях герметичность термометра. Материал защитной трубки-чехла должен выдерживать длительное пребывание при температуре верхнего предела применения данной конструкции термопары, а также быть химически стойким к среде, в которой осуществляются измерения, обладать хорошей теплопроводностью. Защитная трубка-чехол должна быть газонепроницаемой и нечувствительной к действию резких изменений температуры.
Классификация типов конструктивного исполнения термопар
По конструкции крепления термопары на месте установки:
— с неподвижным штуцером;
— с подвижным штуцером;
— с подвижным фланцем.
По назначению и условиям эксплуатации:
— погружаемые;
— поверхностные.
По наличию и материалу защитного чехла:
— изготовляемые без чехла;
— со стальным чехлом (до t ≈ 600 °С);
— с чехлом из специального жаростойкого сплава (до t ≈ 1000-1100 °С);
— с фарфоровым чехлом (до t ≈ 1300°С);
— с чехлом из тугоплавких сплавов (t ≈ 2000 °С и более).
По степени тепловой инерции:
— с большой инерционностью – до 3,5 минут;
— со средней инерционностью – до 1 минуты;
— малоинерционные – до 40 секунд;
— с ненормированной инерционностью.
По защищенности от внешней среды со стороны выводов:
— с обыкновенной головкой;
— с водозащищенной головкой;
— со специальной заделкой выводных концов (без головки).
По защищенности от измеряемой среды:
— защищенные от воздействия неагрессивных и агрессивных сред;
— незащищенные (применяются, когда измеряемая среда не оказывает вредного влияния на термоэлектроды).
По герметичности, рассчитанные на высокое давление измеряемой среды:
— негерметичные;
— герметичные, предназначенные для работы при различных условных давлениях и температурах.
По устойчивости к механическим воздействиям:
— вибротрясоустойчивые;
— ударопрочные;
— обыкновенные.
По числу зон, в которых должна контролироваться температура:
— однозонные;
— многозонные.
Длина рабочей части термопары может быть различной: от 120 до 1580 мм для однозонных термоэлектрических преобразователей, до 20000 мм – для многозонных.
Удлиняющие (компенсационные) провода для термопар
Согласно принципу работы термопары, свободные концы термопары (холодный спай) должны находиться при постоянной температуре, желательно близкой к 0 °С. К этим концам присоединяют соединительные провода, которые идут к измерительному прибору. Если располагать свободные концы в головке термоэлектрического термометра, то выполнить данное условие практически невозможно. Головка термометра может находиться при очень высоких температурах, а также эти температуры могут меняться из-за изменения состояния среды, в которой осуществляются измерения. Также не всегда возможно разместить измерительный прибор в непосредственной близости от термопары. Таким образом, возникает необходимость в удалении точек подключения измерительного прибора (свободных концов термопары) от непосредственного места измерения температуры. Данную задачу решают с помощью компенсационных (удлиняющих) проводов.
В простейшем случае компенсационные провода могут быть изготовлены из тех же сплавов, что и термоэлектроды. Но, как правило, провода, выводимые из головки термометра, будут находиться при температурах гораздо более низких, чем термоэлектроды. Этот факт позволяет заменить дорогостоящие термоэлектродные сплавы со специальными свойствами на более дешевые сплавы. Необходимо только обеспечить условия, исключающие возможность образования паразитных (наведенных) термо-ЭДС.
Схема термоэлектрической цепи, которая получается при наличии удлиняющих проводов, представлена на рисунке
Рисунок 2. Схема включения удлиняющих проводов в цепь термопары, где
A, B – основные термоэлектроды; C, D – компенсационные (удлиняющие) провода; F – соединительные провода, с помощью которых подключается измерительный прибор.
Во избежание образования паразитных термо-ЭДС необходимо, чтобы провода C и D при температурах T1 и Т0 развивали такую же термо-ЭДС, что и термоэлектроды A и B при тех же температурах.
EAB(T1; T0) = ECD(T1; T0).
Проведя некоторые математические преобразования и учитывая условие EAB(T1;T0) = ECD(T1;T0) получим соотношение:
EABCFD(T; T1; T0) = eAB(T) – eAB(T0).
Провода, удовлетворяющие такому условию, называются удлиняющими (компенсационными). Такие провода, соединенные с термоэлектродами и соединительными проводами, развивают при небольших температурах (не более 100-150 °С) термо-ЭДС, равную термо-ЭДС термопары. Основное назначение компенсационных проводов – отведение свободных концов термопары в зону с известной и постоянной температурой.
В качестве примера можно рассмотреть термопару платинородий-платина (ТПП). Для данной термопары в качестве удлиняющих используются провода, изготовленные из меди и медно-никелевого сплава (0,6% Ni + 99,4% Cu). При T1 = 100 °С и T0 = 0 °С они развивают такую же термо-ЭДС, как и платинородий с платиной – 0,64 мВ. В данном случае применение удлиняющих проводов позволит использовать меньшее количество дорогостоящих платинородия и платины.
Конструкция компенсационных проводов представлена на рисунке ниже
Рисунок 3. Конструкция удлиняющих проводов типа КПП, где
1 – жила; 2 – цветная хлопчатобумажная опознавательная нить; 3 – резиновая изоляция; 4 – хлопчатобумажная оплетка; 5 – хлопчатобумажная оплетка, пропитанная противогнилостным составом; 6 – внешняя оплетка из стальной или медной проволоки.
Основные источники погрешностей измерений с помощью термопар
Любое измерение выполняется с той или иной точностью. Точность измерения зависит от метода, внешних условий, состояния средств измерения и некоторых других факторов. Далее приводятся основные источники погрешностей измерений температуры с помощью термопар.
Изменение термо-ЭДС в процессе работы термопары. Данное явление получило название термоэлектрической нестабильности термоэлектродных сплавов. Установлено, что в процессе эксплуатации все термоэлектродные сплавы изменяют свою термо-ЭДС, что приводит к изменению показаний термопар. При относительно низких температурах или при кратковременной эксплуатации изменения термо-ЭДС могут быть незначительными и не увеличивать погрешность измерений. При высоких температурах или длительной эксплуатации термопар нестабильность может достигать больших значений, что приводит к существенному снижению точности измерений. Основными причинами, вызывающими термоэлектрическую нестабильность, являются:
— взаимодействие термоэлектродов с окружающей средой;
— взаимодействие электродов с изолирующими и защитными материалами;
— взаимодействие термоэлектродов друг с другом;
— внутренние процессы, протекающие в термоэлектродных сплавах при изменении температуры, воздействии радиации, электромагнитных полей, высокого давления.
На точность измерений может оказывать влияние сопротивление изоляции термоэлектродов. Под влиянием высоких температур может понизиться электрическое сопротивление изоляции термоэлектродов, что, в свою очередь, может привести к существенному искажению показаний термопары.
К возникновению погрешностей измерений может привести неправильный выбор измерительного прибора. При уменьшении диаметра термоэлектродов возрастает удельное сопротивление (сопротивление на единицу длины) цепи. Такой же эффект наблюдается и при повышении температуры. Если входное сопротивление измерительного прибора не соответствует сопротивлению подключенной цепи, то могут возникнуть большие погрешности измерений.
Причиной возникновения погрешностей может стать изменение температуры свободных концов термопары. Эта температура может изменяться в процессе измерения либо может отличаться от температуры свободных концов во время градуировки термопары.
Погрешность измерения может возникнуть из-за того, что электроды термопары имеют различные значения термо-ЭДС вдоль своей длины. Данное явление называется термоэлектрической неоднородностью термоэлектродных сплавов и возникает из-за неоднородности физических свойств металлов и сплавов, из которых изготовлены электроды термопары. Неоднородность физических свойств обусловлена колебаниями состава и структуры материалов. Причинами таких колебаний могут быть радиоактивное облучение, механическое или электромагнитное воздействие на непосредственно электроды или заготовки, из которых они изготовлены, химические реакции, протекающие в процессе изготовления или эксплуатации электродов термопары.
Погрешности в определении градуировочной характеристики эталонных термопар.
Отклонение градуировочной характеристики термопар от стандартной градуировочной таблицы.
Источник: «МЕТОТЕХНИКА»
Смотрите также:
Примеры термопар на площадках АлиЭкспресс
