Что такое термопара: об устройстве простыми словами

Температура — горячий спай — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 4

Температура — горячий спай

В термопаре рубнднй — платина рубидий проявляет отрицательную валентность по отношению к платине при температуре горячего спая 173 16 К.

Если холодные спаи держать при температуре льда Г0 0 С, то ТЭДС пропорциональна температуре горячего спая Т по шкале Цельсия. В данной работе роль холодных спаев выполняют контакты проводов термопары с клеммами измерительного прибора ( потенциометра), которые имеют комнатную температуру. Поэтому определение температуры сводится к следующему.

Принудительный режим охлаждения имеет место, когда температура объекта, от которого отводится тепло, выше температуры горячих спаев термобатареи В этом режиме батарея работает как термогенератор.

Влияние длительности включения проявляется в основном у термопреобразователей на токи свыше 1 а из-за изменения разности температур горячего спая и холодных концов термопары по мере прогрева измеряемым током подводящих колодок.

При постоянстве температуры холодного спая и равенстве температур нейтральных спаев термо — ЭДС будет зависеть только от температуры горячего спая. Таким образом, введение третьего проводника в цепь термоэлектрического преобразователя не изменяет результирующей термо — ЭДС при условии равенства температур в местах подключения третьего проводника.

Различным типам генераторов соответствует разный уровень величины т.г. Она зависит от типа термобатарей ( в первую очередь от температуры горячих спаев), от типа горелочного устройства и от конструкции генератора в целом.

Как указывалось выше, температура на холодном спае термоэлемента при оптимальном токе и отсутствии тепловой нагрузки зависит от температуры горячих спаев и величины z используемого вещества. В теллуриде висмута, который пока является лучшим материалом для охлаждающих термоэлементов, с понижением температуры уменьшается значение z, что в свою очередь влечет за собой уменьшение перепада температур, обеспечиваемого термоэлементом. I, § 2), при температуре горячих спаев в — 120 С перепад температур на термоэлементе практически равен нулю. В связи с этим в последние годы в литературе широко обсуждается вопрос о возможности практического использования некоторых термогальваномагнитных эффектов для целей глубокого понижения температуры.

Следует отметить, что приведенные зависимости относятся к термоэлементам, у которых 22.5 10 — 3 градл1 и температура горячего спая равна 25 С.

Из выражения ( 1 — 25) следует, что величина максимальной разности температур между спаями термобатареи при фиксированной температуре горячего спая зависит только от параметра термоэлектрической добротности Z. Поэтому величина Ав акс может служить количественной характеристикой полупроводникового вещества, применяемого для изготовления термобатарей.

Объясняется это тем, что с увеличением частоты вследствие поверхностного эффекта повышается сопротивление нагревателя, а следовательно, изменяется температура горячего спая термопары.

Из выражения ( 1 — 25) следует, что величин а максимальной разности температур между спаями термобатареи при фиксированной температуре горячего спая зависит только от параметра термоэлектрической добротности Z. Поэтому величина Дв макс может служить количественной характеристикой полупроводникового вещества, применяемого Для изготовления термобатарей.

Страницы:  

   1

   2

   3

   4

История

Принцип работы

Работа любой термопары основывается на термоэлектрическом эффекте, который был открыт Т.И. Зеебеком в далёком 1821 году. Данный эффект заключается в том, что если последовательно соединить друг с другом два разнородных металлических проводника, образуя таким образом замкнутую электрическую цепь, и в одном месте соединения проводников произвести нагрев, то в цепи возникает электродвижущая сила (ЭДС). Данную электродвижущую силу называют термо-ЭДС. Под действием термо-ЭДС в замкнутой цепи начинает протекать электрический ток.

Как работает термопара.

Место нагрева обычно называют горячим спаем. Место, где нет нагрева – холодный спай. Если в разрыв цепи подключить гальванометр или микровольтметр, то можно измерить величину термо-ЭДС, которая будет составлять несколько мили- или микровольт. Значение термо-ЭДС будет зависеть от величины нагрева в месте соединения проводников и от величины температуры в месте соединения проводников, где нагрев не происходит. Т.е. значение термо-ЭДС зависит от разности температур между холодным и горячим спаем. Также термо-ЭДС зависит и от рода самих проводников.

Будет интересно  Что такое электрическое сопротивление

Таким образом, если место соединения разнородных проводников термопары нагреть, то между несоединёнными (свободными) концами проводников возникнет разность потенциалов, которую можно измерить электроизмерительным прибором. Благодаря современным преобразователям возникающую разность потенциалов можно преобразовать в определённое цифровое значение, т.е. вполне реально узнать значение температуры нагрева в месте соединения проводников термопары. Для того чтобы измерения были точными, температура холодного спая должна быть неизменной. Т.к. это не всегда возможно, используются специальные компенсационные схемы для компенсации температуры холодного спая.

Устройство термопары.

Конструкция устройства

Современные термопары изготавливаются различной формы и длины. По конструктивному исполнению их можно разделить на две группы:

  • бескорпусные термопары;
  • термопары с защитным кожухом.

Первые представляют собой изделие, у которого место соединения двух проводников не закрыто и не защищено от внешних воздействий. Такое исполнение позволяет достичь быстрого времени измерения температуры и низкой инертности. Второй тип термопары выпускается в виде зонда. Зонд представляет собой металлическую трубку с внутренним изолятором, выдерживающим высокую температуру. Внутрь зонда помещается термоэлектрический элемент термопары. Благодаря такой конструкции термоэлемент защищён от влияния агрессивных сред различных технологических процессов.

Термопара типа J.

Холодный спай

Холодный спай часто представляет собой точку, где свободные концы проводов термопары подсоединяются к измерительному прибору. В силу того, что измерительный прибор в цепи термопары в действительности измеряет разность напряжения между двумя спаями, то напряжение холодного спая должно поддерживаться на неизменном уровне, насколько это возможно. Поддерживая напряжение на холодном спае на неизменном уровне мы тем самым гарантируем, что отклонение в показаниях измерительного прибора свидетельствует о изменении температуры на рабочем спае.

Если температура вокруг холодного спая меняется, то величина напряжения на холодном спае также изменится. В результате изменится напряжение на холодном спае. И как следствие разница в напряжении на двух спаях тоже изменится, что в конечном итоге приведет к неточным показаниям температуры. Для того, чтобы сохранить температуру на холодном спае на неизменном уровне во многих термопарах используются компенсирующие резисторы. Резистор находится в том же месте, что и холодный спай, так что температура воздействует на спай и резистор одновременно.

Термопара газовой плиты.

Рабочий спай термопары (горячий)

Рабочий спай — это спай, который подвержен воздействию технологического процесса, чья температура измеряется. Ввиду того, что напряжение, генерируемое термопарой прямо пропорционально ее температуре, то при нагревании рабочего спая, он генерирует больше напряжения, а при охлаждении — меньше.

Из чего состоит термопара.

Особенности применения наиболее распространённых термопар

Технические характеристики зависят напрямую от материалов, из которых они произведены.

Тип J (железо-константановая термопара)

  • Не рекомендуется использовать ниже 0°С, т.к. конденсация влаги на железном выводе приводит к образованию ржавчины.
  • Наиболее подходящий тип для разряженной атмосферы.
  • Максимальная температура применения – 500°С, т.к. выше этой температуры происходит быстрое окисление выводов. Оба вывода быстро разрушаются в атмосфере серы.
  • Показания повышаются после термического старения.
  • Преимуществом является также невысокая стоимость.

Тип Е (хромель-константановая термопара)

  • Преимуществом является высокая чувствительность.
  • Термоэлектрическая однородность материалов электродов.
  • Подходит для использования при низких температурах.

Тип Т (медь-константановая термопара)

  • Может использоваться ниже 0°С.
  • Может использоваться в атмосфере с небольшим избытком или недостатком кислорода.
  • Не рекомендуется использование при температурах выше 400°С.
  • Не чувствительна к повышенной влажности.
  • Оба вывода могут быть отожжены для удаления материалов, вызывающих термоэлекрическую неоднородность.

Тип К (хромель-алюмелевая термопара)

  • Широко используются в различных областях от -100°С до +1000°С (рекомендуемый предел, зависящий от диаметра термоэлектрода).
  • В диапазоне от 200 до 500°С возникает эффект гистерезиса, т.е показания при нагреве и охлаждении могут различаться. Иногда разница достигает 5°С.
  • Используется в нейтральной атмосфере или атмосфере с избытком кислорода.
  • После термического старения показания снижаются.
  • Не рекомендуется использовать в разряженной атмосфере, т.к. хром может выделяться из Ni-Cr вывода (так называемая миграция), термопара при этом изменяет ТЭДС и показывает заниженную температуру.
  • Атмосфера серы вредна для термопары, т.к. воздействует на оба электрода.

Термопара типа К.

Тип N (нихросил-нисиловая термопара)

  • Это относительно новый тип термопары, разработанный на основе термопары типа К. Термопара типа К может легко загрязняться примесями при высоких температурах. Сплавляя оба электрода с кремнием, можно тем самым загрязнить термопару заранее, и таким образом снизить риск дальнейшего загрязнения во время работы.
  • Рекомендуемая рабочая температура до 1200°С (зависит от диаметра проволоки).
  • Кратковременная работа возможна при 1250°С.
  • Высокая стабильность при температурах от 200 до 500°С (значительно меньший гистерезис, чем для термопары типа К).
  • Считается самой точной термопарой из неблагородных металлов.

Общие советы по выбору термопар из неблагородных металлов

  • Температура применения ниже нуля – тип Е, Т
  • Комнатные температуры применения – тип К, Е, Т
  • Температура применения до 300°С – тип К
  • Температура применения от 300 до 600°С – тип N
  • Температура применения выше 600°С – тип К или N

Термопары из благородных металлов

Рекомендуемая максимальная рабочая температура 1350°С.
Кратковременное применение возможно при 1600°С.
Загрязняется при температурах выше 900°С водородом, углеродом, металлическими примесями из меди и железа. При содержании железа в платиновом электроде на уровне 0,1%, ТЭДС изменяется более, чем на 1 мВ (100°С) при 1200°С и 1,5 мВ (160°С) при 1600°С. Такая же картина наблюдается при загрязнении медью. Таким образом, термопары нельзя армировать стальной трубкой, или следует изолировать электроды от трубки газонепроницаемой керамикой.
Может применяться в окислительной атмосфере.
При температуре выше 1000°С термопара может загрязняться кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных керамических материалов

Важно использовать керамические трубки, состоящие из высокочистого оксида алюминия.
Не рекомендуется применять ниже 400°С, т.к ТЭДС в этой области мала и крайне нелинейна.

Термопары из благородных металлов

Свойства те же, что и у термопар типа S.

Будет интересно Что такое статическое электричество и как от него избавиться

Тип В (платнородий-платинородиевая)

Рекомендуемая максимальная температура рабочего диапазона 1500°С (зависит от диаметра проволоки).
Кратковременное применение возможно до 1750°С.
Может загрязняться при температурах выше 900°С водородом, кремнием, парами меди и железа, но эффект меньше, чем для термопар типа S и R.
При температуре выше 1000°С термопара может загрязняться кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных керамических материалов

Важно использовать керамические трубки, состоящие из высокочистого оксида алюминия.
Может использоваться в окислительной среде.
Не рекомендуется применение при температуре ниже 600°С, где ТЭДС очень мала и нелинейна.. Сводная таблица типов термопар

Сводная таблица типов термопар.

Устройство и принцип работы

Известно, что в замкнутой цепи, которая состоит из двух проводников из разных металлов (напр., хромель и копель), возникает термоэлектродвижущая сила (ЭДС), при условии, что их горячий и холодный спаи имеют различную температуру ( эффект Зеебека ). Значение ЭДС зависит от материалов проводников, температур их холодного и горячего спаев.

Обычно, напряжение бытовой термопары находится в пределах 20-60 милливольт (мВ), чего достаточно для открытия газового клапана, но, разумеется, недостаточно для работы сложной автоматики и прочих модулей, для которых уже необходимо подключение к электросети.

Модуль не ограничивается парой спаев, однако устройство термопары достаточно простое и понятное:

  1. Гильза, внутри которой находятся термоэлектроды с «горячим» спаем проводников, именно она крепится на горелочный модуль котла, рядом с пилотной горелкой (запальником).
  2. Удлинитель, защищенный медной трубкой от внешнего воздействия электромагнитных полей, служит для соединения рабочей части (горячего спая) с электромагнитным газовым клапаном.
  3. Диэлектрическая шайба с «холодным» спаем, именно она вставляется в гнездо газового электромагнитного клапана.

Чаще всего в термопарах бытовых газовых котлов используются спаи из хромеля и алюмеля (ТХА), хромеля и копеля (ТХК), железа и константана (ТЖК). Все используемые сплавы, их маркировка и характеристики указаны в таблице ниже.

Тип термопары (европейская классификация) Материалы проводников спая Российская маркировка Диапазон температур, °C
K хромель-алюмель ТХА -200 – 1 300
L хромель-копель ТХК -200 – 850
J железо-константан ТЖК -100 – 1 200
N нихросил-нисил ТНН -200 – 1 300
T медь-константан ТМКн -200 – 400
E хромель-константан ТХКн 0 – 600
S платинородий-платина ТПП10 0 – 1 700

Как работает термоэлектрический термометр в составе газового котла

Принцип работы термопары в составе газового котла везде один:

  1. Сначала человек механическим путем открывает клапан подачи газа, удерживая кнопку электромагнитного клапана в течение 15-30 секунд.
  2. Затем единожды нажимается кнопка пъезорозжига, возникает искра и зажигается запальная горелка.
  3. Кнопка магнитного клапана удерживается еще на протяжении 30-60 секунд, пока рабочий спай термопары, находящийся рядом с запальником, не нагреется и не выдаст необходимое напряжение.
  4. По прошествии 30-60 секунд кнопка электромагнитного клапана отпускается, но горение не прекращается, поскольку нагретая термопара вырабатывает достаточно напряжения для удержания газового клапана в открытом положении. Котел работает в штатном режиме, без вмешательства человека.
  5. Как только горение прекращается, пламя больше не нагревает термопару, вследствие чего напряжения недостаточно для удержания электромагнитного газового клапана открытым, он закрывается, прекращая подачу газа.


Как выбрать умягчитель воды для газового котла и продлить срок службы теплообменника

Проверка термопары домашней газовой колонки

Длительная эксплуатация домашней газовой колонки вполне допускает такой момент, когда термопара выходит из строя. В этом случае необходима проверка функционирования системы и, соответственно, проверка непосредственно сенсора контроля.

Конечно, далеко не все владельцы газового оборудования способны выполнить такую работу. Да и с точки зрения безопасности, лучшим решением станет обращение в газовую компанию для решения такой задачи.

Но вместе с тем, ситуации могут быть разные, включая невозможность обращения к специалистам по каким-то причинам. Тогда остаётся единственный выход – попытаться сделать работу своими руками.

В таком варианте развития событий неискушённого в газовых делах пользователя интересует, каким образом проверить термопару на газовом котле с помощью тестера – распространенным прибором диагностики электрики и электроники. Попробуем раскрыть этот технологический момент, дабы облегчить задачу.

Этап #1 — подготовка к проверке тестером

Для начала напомним – тестер представляет собой измерительный прибор – стрелочный или цифровой, при помощи которого доступно измерить:

  • сопротивление;
  • величину напряжения (переменного и постоянного);
  • силу тока (переменного, постоянного).

Отмеченные измеряемые значения являются своего рода основными. А еще, современные тестеры способны проверять ещё целый ряд параметров, к примеру, индуктивность или ёмкость.

Но с учётом принципа работы термопары бытового газового котла, вполне достаточно режима измерения напряжения в диапазоне милливольт.

Помимо измерительного прибора (тестера), наладчику потребуется ещё один достаточно простой инструмент – источник нагрева. Лучше, если такой источник будет иметь способность излучать открытое пламя. Поэтому, оптимальным вариантом здесь будет использование обычной парафиновой свечи.

Этап #2 — визуальный осмотр на наличие дефектов

Сама процедура тестирования сенсора контроля пламени несложная. Однако, прежде чем приступать к выполнению горячего теста, рекомендуется внимательно изучить термопару визуально с внешней стороны.

При осмотре области спая и нисходящего стержня на поверхности не должны просматриваться физические дефекты металла, в том числе области прогара.

Этап #3 — тестирование работоспособности датчика

Завершив визуальный осмотр, можно приступить непосредственно к выполнению горячей проверки. Для этого область спая и нисходящий участок стержня термопары газовой колонки помещается над фитилем свечи.

Далее на терминальные концы термопары подключается измерительный прибор (тестер), после чего свечу зажигают. Формируемый потенциал наблюдают на рабочей шкале измерительного прибора.

Отсутствие каких-либо показаний электрического потенциала явно свидетельствует о неисправности сенсора. При частичных дефектах на измерительном приборе могут отмечаться хаотичные (неустойчивые) показания единиц милливольт. Если же датчик газовой колонки исправен, на приборе, как правило, фиксируют стабильное значение, равное десяткам милливольт (20-30 мВ).

Причём, по мере нагрева корпуса термопары пламенем свечи, показания на шкале прибора незначительно меняется в сторону увеличения. Если же пламя свечи загасить, показания тестера устремятся к нулевому значению по мере остывания корпуса стержня и области спая. Вот, собственно и всё. При таком развитии событий, термопару, как вполне исправную, можно смело ставить по месту действия.

Полезное видео

Быстродействие измерения

Быстродействие обуславливается способностью первичного преобразователя быстро реагировать на скачки температуры и следующим за ними потоком входных сигналов измерительного прибора.

Факторы, увеличивающие быстродействие:

  1. Правильная установка и расчет длины первичного преобразователя;
  2. При использовании преобразователя с защитной гильзой необходимо уменьшить массу узла, подобрав меньший диаметр гильз;
  3. Сведение к минимуму воздушного зазора между первичным преобразователем и защитной гильзой;
  4. Использование подпружиненного первичного преобразователя и заполнения пустот в гильзе теплопроводящим наполнителем;
  5. Быстро движущаяся среда или среда с большей плотностью (жидкость).

Газовые плиты

Современная газовая плита – сложное устройство, зато пользоваться агрегатом одно удовольствие. Большинство изделий снабжены электроподжигом, значит, готовьтесь к розетке подключать, как другие бытовые кухонные приборы. Принцип действия розжига заключается в накоплении заряда конденсатором с последующим разрядом через ключевой элемент после достижения напряжением фиксированного значения. Вольтаж амплитудой 2-3 кВ пробивает разрядник, расположенный в конфорке, возникает электрическая дуга, зажигающая газ. Кран подачи голубого топлива открывается одновременно с вышеописанным процессом. Разряд происходит мгновенно.

Электроподжиг присутствует только на конфорках. Иногда для автоматизации духовки необходимо либо проложить дополнительные проводники согласно инструкции, либо вовсе доработать конструкцию. Как скоро автоматизация достигла таких высот, что газовая плита зажигается сама, неудивительно, что конструкторы снабдили технику защитой против угасания огня. Простейший пример, когда в сетевых коммуникациях пропадает газ, потом подается снова. Причем без предупреждения со стороны коммунальных служб.

Хозяин находит кухню, наполненную специфическим острым запахом. Взрыв далеко, а воду из чайника придется вылить в раковину, опасаясь отравиться. Некоторые продукты набирают запахи, кушать испорченные ароматом будет нельзя.

Наличие термопары газовой плиты помогает избежать подобных эксцессов. Если осмотреть конфорку, сняв отражатель, рассекатель, заметим две вещи:

  1. Свечу, напоминающую автомобильную.
  2. Термопару.

Первая отвечает за розжиг пламени, вторая контролирует, чтобы огонь горел исправно. Честно говоря, не приходилось видеть модели, дающие искру при повторной подаче газа, сделано для безопасности (если концентрация достигнет взрывоопасной, кухня рванет). Нынешний уровень технологии попросту не дает 100% гарантию исправной работы конструкции. Если газа в кухне хватает, пожар гарантирован. На практике пара анализаторов снаружи, турбинный датчик оборотов в трубопроводе поправили бы ситуацию, но кто хочет рисковать. Автоматика может 3-4 раза попробовать зажечь затухший огонь.

Ввиду описанных причин, термопара фиксирует угасание пламени, тракт подачи голубого топлива газовой плите перекрывается. Не всегда духовка оборудуется электроподжигом и защитой против угасания пламени

Важно отслеживать поставляемые опции. Имеем шансы наполнить кухню порцией газа, если защита от угасания пламени отсутствует. Осведомитесь у консультанта, в каких местах стоят термопары

Затем во избежание человеческой ошибки сверьте слова с руководством на газовую плиту. Лучше потратить лишние четверть часа, проделав указанные операции, чем подвергать жизнь опасности

Осведомитесь у консультанта, в каких местах стоят термопары. Затем во избежание человеческой ошибки сверьте слова с руководством на газовую плиту. Лучше потратить лишние четверть часа, проделав указанные операции, чем подвергать жизнь опасности.

Типичное устройство розжига (блочок внутри газовой плиты) снабжается шестью или четырьмя парами контактов. Каждая способна выдавать искру. Профессиональный сленг описывает словами: выходы соединены параллельно. Всегда дооборудуете газовую плиту. На прилавке представлены модели, где специальная схемка показывает трассу укладки проводников, дополняющих духовку электроподжигом. Аналогичную процедур можно проделать с контролем горения, оборудовав термопарой выбранную область. Внедрить еще один элемент, не составит сложности опытному технику.

Параметры выбора

Чтобы осуществить корректный выбор подходящего термометра, необходимо определить несколько условий, которые должны соответствовать для комфортной работы прибором.

Диапазон рабочей температуры

Необходимо знать, в каких температурах будет задействован термометр. Также нужно определить, какая погрешность будет приемлемой при получении результатов. Если диапазон температур небольшой, то подойдут термисторы. В самых суровых условиях работоспособны преимущественно шумовые приборы.

Условия проведения замеров

Возможно ли поместить термометр в среду или материал, который нужно заменить. Если нет, то получить данные можно при помощи радиационных термометров, которые замеряют температуру сквозь препятствия.

Время работы до калибровки или замены

Установить условия работы датчика. Окружающая обстановка может быть стандартной, с высокой влажность, окислительной, пожароопасной и так далее.

Величина сигнала выхода

Сигнал выхода должен соответствовать возможностям электроизмерительных приборов для дальнейшей обработки получаемых данных. Зависит это от полученных показателей температуры, преобразуемых в энергию.

Другие технические данные

Также при определении подходящего типа датчика температуры необходимо обращать внимание на второстепенные факторы. Эти нюансы позволяют выбрать самый подходящий аппарат для получения необходимых данных

Погрешность

Для получения самых точных результатов потребуется большое количество времени. Лучший показатель выдает биметаллический термометр, построенный по принципу ЯКР и цифровые. Первые – быстрее, а вторые – точнее.

Разрешение

Этот показатель позволяет получить от датчика более точные приращениям дискретности измерения температуры. Ярким представителем является DS18B20, который может работать в разрешении 9,10,11 и 12 бит. Самый малый режим даст 0.5°C, а максимальный — 0.0625°C.

Напряжение

На величину выходного напряжения будет влиять сопротивление резистора. В зависимости от этого напряжение может быть линейным (изменяться в зависимости от температуры) и нелинейным. Для каждого датчика существуют свои эталонные величины на выводах термометра, который зависит от температуры измеряемого объекта.

Время сработки

Показатель отвечает за скорость получения результатов замера. Как правило, быстрые замеры можно получить, имея крупную погрешность. Для устранения этого недостатка потребуется пренебречь временем сработки и увеличить его до необходимого показателя точности.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий