Датчик температуры термопара

Измерение температуры с помощью термопары

Опубликовано 18.02.2010 Ведущий Антон Панкратов

Среди множества методов измерения температуры одним из самых распространенных, особенно в промышленности, является метод измерения с помощью термопары.

Термопара - это датчик температуры, состоящий из двух соединённых между собой разнородных электропроводящих элементов, обычно металлических проводников, реже полупроводников.

В сочетании с электроизмерительными приборами термопара образует термоэлектрический термометр, шкала которого градуируется непосредственно в градусах Кельвина или Цельсия.

Действие термопары основано на эффекте Зеебека, рассмотренном нами ранее. Если контакты (обычно - спаи) проводящих элементов, образующих термопару (их часто называют термоэлектродами), находятся при разных температурах, то в цепи термопары возникает термоЭДС, величина которой определяется температурой "горячего" и "холодного" контактов и природой материалов, примененных в качестве термоэлектродов.

Напряжение V выходное является функцией от разности температур холодного и горячего спаев, определяемой коэффициентом Зеебека. То есть, для определения актуальной температуры горячего спая необходимо знать температуру холодного.

Самый простой метод - поддержание температуры холодного спая на уровне 0°C. В этом случае Vвых = V горячего спая, и измеренное напряжение однозначно определяется температурой горячего спая.

В промышленных системах широко используется техника "компенсации холодного спая". Этот метод заключается в том, что температура холодного спая измеряется другим датчиком температуры, а затем величина термоЭДС холодного спая программно или аппаратно вычитается из сигнала термопары

В настоящее время применяются различные термопары, термоэлектроды которых изготовлены как из чистых металлов (платина), так и из сплавов, таких как хромель, копель, алюмель и так далее. Материалы термоэлектродов определяют предельное значение измеряемой температуры. Наиболее известны такие термопары, как хромель-копель (предельная температура 600°С), хромель-алюмель (до 1000°С), вольфрам-рений (до 2200°С).

Главные преимущества термопар:

- широкий диапазон рабочих температур, это самый высокотемпературный из контактных датчиков.

- спай термопары может быть непосредственно заземлен или приведен в прямой контакт с измеряемым объектом.

- простота изготовления, надежность и прочность конструкции.

Главным недостатком является очень малый уровень выходного сигнала, требующий усиления или применения цифровых преобразователей высокой разрядности для обработки сигнала.

Термопары можно классифицировать по назначению: промышленные, для научно-исследовательских целей, для измерения температуры пищевых продуктов, для медицинских исследований и т.д. Термопары обычно встраиваются в пробники (щупы).

В зависимости от конструкции и назначения различают термопары, погружаемые и поверхностные; с обыкновенной, взрывобезопасной, влагонепроницаемой или иной оболочкой, а также без оболочки; обыкновенные, вибротряскоустойчивые и т.д.

При выборе термопары необходимо учитывать тип термопары, изоляцию и конструкцию пробника, поскольку от этих факторов зависят диапазон измеряемых температур, точность и достоверность измеренных значений.

Термопара - высокотемпературный датчик!

Термопа́ра ( преобразователь, датчик температуры) — это средство измерения температуры (прибор ), преобразующий измеряемую температуру в сигнал (НСХ) для последующей передачи, обработки или регистрации средствами автоматизации ТП.

Термопар - старейший и  наиболее распространенный в промышленности температурный датчик. Термопары широко применяют для измерения температуры жидких, газообразных сред и твердых тел в автоматизированных системах управления и контроля. Широко используются  в промышленности, в сельском, лесном и рыбном хозяйстве, строительстве, жилищно-коммунальном хозяйстве, науке, на транспорте и в связи. Термопары также применяются и в металлургической промышленности, т.к. с их помощью можно контролировать температуры и различные химические процессы в ходе изготовления и выплавки стали.

Необходимо отметить, что термопары используются только для определения разницы температур, а не для определения абсолютной температуры. В отличие от других термодатчиков, температурный коэффициент термопары находится в прямой зависимости от материала, из которого изготовлены электроды прибора. Конструкция термопары никак не влияет  на тепловой коэффициент. Это очень удобно, т.к. одна термопара может быть заменена другой без дополнительной подстройки.

Термопара состоит из двух спаянных на одном из концов проводников, изготовленных из разнородных металлов. Спаянный конец, или «рабочий спай», погружается в измеряемую среду, а свободные концы («холодный спай») термопары подключаются к входу вторичного прибора (измерителя-регулятора температуры). Принцип действия термопар основан на термоэлектрическом эффекте: при разности температур «рабочего» («горячего») и «холодного спаев» в цепи  термопары и при наличии градиента температур между спаями начинает вырабатываться термо-ЭДС, которая воспринимается регистрирующими приборами как входной сигнал. Поскольку термо-ЭДС возникает  от разности температур двух спаев термопары, то для получения корректных показаний необходимо знать температуру «холодного спая», чтобы скомпенсировать эту разницу в дальнейших вычислениях.

В сочетании с электроизмерительным прибором (потенциометром, милливольтметром,и т. п.) термопара образует термоэлектрический термометр. Измерительный прибор подключают либо к концам термоэлектродов, либо в разрыв одного из них. При измерении температуры один из спаев осязательно термостатируется (обычно при 273 К).

В зависимости от конструкции и назначения различают термопары: погруженные и поверхностные; с обыкновенной,  влагонепроницаемой, взрывобезопасной или иной оболочкой (герметичной или негерметичной), а также без оболочки; обыкновенные, виброустойчивые и ударопрочные; стационарные и переносные и т. д.

Термопары обладают множеством достоинств, которые послужили широкому распространению их в различных областях: надежность конструкции,  дешевизна, удобство монтажа и возможность работать в широком диапазоне температур. Также к преимуществам термопар можно отнести малую инерционность, возможность измерения малых разностей температур. Термопреобразователь - это самый высокотемпературный из контактных датчиков. Термопары обеспечивают высокую точность  измерения температуры на уровне ±0,01°С. при измерении очень высоких температур (до 2200˚) и очень низких (от -50°С), а большой температурный диапазон измерения создает возможности для многопланового применения устройств.

По составу различают термопары из благородных и неблагородных металлов.

Наиболее точные термопары – с  термоэлектродами из благородных металлов: платинородий-платиновые ПП (тип S ( Pt-10%Rh / Pt) (тип R (Pt-13%Rh / Pt), платинородий-платинородиевые ПР (тип В (Pt-30%Rh / Pt-6%Rh)). Преимущество таких термопар в сравнении с  термопарами  из неблагородных металлов  - меньшая термоэлектрическая неоднородность, устойчивость к окислению, а значит и  высокая стабильность.

Существует следующие  виды термопар, которые служат для измерения температур из различных интервалов:

ТХА хромель-алюмель (К) - диапазон измеряемых температур -200 ÷ 1000 °C;

ТХК хромель-копель (L) - диапазон измеряемых температур -200 ÷ 800 °C;

ТХК хромель-константан (Е) - диапазон измеряемых температур -40 ÷ 900 °C;

железо-константан (J)- имеет практически линейную характеристику и высокую термо-ЭДС, служит для измерения низких температур: до -190 °C;

медь-константан (Т)- диапазон измеряемых температур -250 ÷ 300 °C;

железо-копель - диапазон измеряемых температур 0 ÷ 760 °C;

вольфрам-рений – служат для измерения высоких температур до 3000 °C;

платина -родий (R,B,S)подходит для высокотемпературных измерений вплоть до 1600°C.

нихросил-нисиловые  (N) – выдерживают температуры свыше 1200°C

Общие рекомендации к применению. ниже нуля – тип Е, Т; комнатные температуры – тип К, Е, Т; до 300 °С – тип К; от 300 до 600°С – тип N; выше 600 °С – тип К или N.

Два способа измерения температуры при помощи термопар

Написал MACTEP в 04.03.2012 23:20:00 ( 41444 прочтений )

Мэтью Дафф, Джозеф Тови (США)

Перевод Андрея Данилова

Термопара является простым, широко используемым компонентом для измерения температуры. Эта статья представляет общий обзор термопар, описывает стандартные проблемы, возникающие при разработке с их использованием, и предлагает два решения для обработки сигнала. Первое решение сочетает и компенсацию эталонного спая, и обработку сигнала в одной аналоговой ИС для удобства и лёгкости использования; второе решение разделяет компенсацию эталонного спая и обработку сигнала для большей гибкости и точности измерения температуры с цифровым выходом.

Теория термопары

Термопара, показанная на рисунке 1. состоит из двух проводников разнородных металлов, соединённых вместе на одном конце, называемом измерительным («•горячим») спаем. Другой конец, где проводники не соединены, подключен к дорожкам схемы обработки сигнала, обычно сделанным из меди. Это переход между металлами термопары и медными дорожками называется эталонным («холодным») спаем.*

Подверженность коррозии. Поскольку термопары состоят из двух разнородных металлов, в некоторых окружающих условиях коррозия с течением времени может привести к ухудшению точности. Следовательно, им может потребоваться защита, а уход и техническое обслуживание яачяются неоть-емлемыми процедурами.