10 ноября 2017
Гордон Ли
С начала XX века термопары (ТП) обеспечивали измерение критических температур, особенно – очень высоких. Для многих промышленных применений как ТП, так и РТД (резисторные температурные детекторы) стали «золотым стандартом» температурных измерений. Хотя РТД имеют лучшую точность и повторяемость, относительными преимуществами термопар являются:
- больший диапазон измерений;
- меньшее время отклика;
- меньшая цена;
- лучший показатель долговечности;
- отсутствие необходимости во внешнем источнике возбуждения;
- отсутствие эффекта саморазогрева.
Проведение высокоточных измерений с термопарами может, однако, стать непростой задачей. Вы можете улучшить точность измерений путем схемного улучшения и калибровки, но перед разработкой схем или использованием термодатчиков необходимо понимание того как термопары работают.
Как работают термопары
Когда к отрезку металлического провода приложено напряжение, ток протекает от положительного полюса к отрицательному, и часть энергии расходуется на нагрев провода. Эффект, открытый в 1821 году Томасом Джоханом Сибеком, имеет и обратное действие. Когда температурный градиент приложен к металлическому проводу, создается электрический потенциал. Это – физическая основа термопары.
Рассмотрим несколько формул.
Где ∇V – градиент напряжения, ∇T – градиент температуры, а S(T) – коэффициент Сибека. Этот коэффициент зависит от материала, и также изменяется как функция температуры. Напряжение между двумя точками на проводе равняется интегралу функции коэффициента Сибека по температурному диапазону.
Например, Т1, Т2 и Т3 на рисунке 1 представляют температуры в разных точках металлического провода. Т1 (синий) представляет самую холодную точку, а Т3 (красный) – самую горячую точку. Напряжение между точками Т2 и Т1 равно:
Подобным же образом напряжение между точками Т3 и Т1 равно:
Используя аддитивное свойство интеграла, V31 также равняется:
Имейте в виду это обстоятельство, когда мы будем обсуждать преобразование «напряжение-температура» в термопаре.
Рис. 1. Напряжения, создаваемые на проводнике температурным градиентом и эффектом Сибека
Термопары состоят из двух различных материалов, обычно металлических проводов, с разным коэффициентом Сибека, S(T).
Почему два материала существенны, когда температурная разница в одном из них производит разницу напряжений? Предположим, что металлический провод на рисунке 2 сделан из материала «А».
Если вольтметр подключен через пробники из того же материала, он теоретически не покажет никакого напряжения.
Рис. 2. Отсутствие разницы потенциалов: пробники и провод сделаны из одного материала
Причина в том, что пробники, присоединенные к концам провода, работают как продолжение металлического провода. Концы этого длинного провода, которые подключены к входам вольтметра, имеют одинаковую температуру (ТМ).
Если концы провода имеют одинаковую температуру – напряжение на проводе создаваться не будет.
Чтобы доказать это математически, мы посчитаем напряжение, создаваемое на целом контуре провода, начиная с положительного терминала вольтметра к отрицательному.
Используя аддитивное свойство интеграла, предыдущее равенство будет выглядеть как:
- Когда нижний и верхний пределы интеграла равны, результат интеграла V = 0.
- Если материал пробников сделан из материала «В», как показано на рисунке 3, тогда:
- (8)
- Упрощая интеграл, мы получим:
- (9)
Равенство 9 показывает, что измеренное напряжение равно интегралу разницы коэффициентов Сибека двух различных материалов. В этом причина того, что термопары делаются из двух различных металлов.
Рис. 3. Эффект Сибека на вольтметре с пробниками и проводом, сделанными из различных материалов
Из схемы на рисунке 3, подставив в равенстве 9 SA(T), SB(T) и известное измеренное напряжение, мы пока не можем вычислить температуру на горячем спае (TH).
Во времена появления термопар в качестве опорной температуры (как температура холодного спая) использовалась ванная со льдом, соответствующая 0°C – этот способ очень дешев, легко реализуем, и температура саморегулируется. Эквивалентная схема показана на рисунке 4.
Рис. 4. Для вычисления ТН термопары нуждаются в опорной температуре, показанной здесь как 0°C
Хотя мы знаем опорную температуру для схемы на рисунке 4, непрактично решать интегральное уравнение для ТН. Стандартные референсные таблицы доступны для всех основных видов термопар, так вы можете определить температуру для соответствующего напряжения на выходе. Но важно иметь в виду, что все стандартные референсные таблицы для термопар были составлены для опорной температуры 0°C.
Системы термопар и основы проектирования
Системы термопар
Современные термопары состоят из двух различных металлических проводников, соединенных на одном конце (ТН). Напряжение измеряется на свободных концах пары проводов. Согласно эквивалентной схеме, показанной на рисунке 5, VC – то же, что и в равенстве 9, полученное ранее для схемы на рисунке 3.
(10)
Рис. 5. Современная конфигурация термопары использует компенсацию холодного спая
Компенсация холодного соединения
Температура холодного соединения, или холодного спая (ТС), может быть установлена в 0°C с помощью ледяной ванны, но на практике вы не будете использовать ведро холодной воды для получения опорной температуры.
Метод CJC (компенсации холодного соединения) позволит вам посчитать температуру горячего спая. Температура холодного спая даже не должна быть постоянной. Этот метод просто использует отдельный датчик температуры для измерения в точке ТН.
Становится возможным определить ТН, если ТС известна.
Если у нас есть датчик температуры для измерения температуры холодного спая, почему мы не используем его сразу для измерения температуры горячего? Дело в том, что диапазон изменения температуры холодного спая гораздо уже, чем диапазон изменения температуры горячего спая, поэтому датчик температуры, в отличие от термопары, не должен выдерживать такие экстремальные температуры.
Вычисление температуры горячего спая методом CJC
Как было замечено ранее, все стандартные референсные таблицы термопар были выпущены для температуры холодного спая 0°C.
В таком случае, как мы должны использовать эти таблицы для вычисления температуры горячего спая? Представим, что открытые концы термопары были продолжены и эти воображаемые концы подключены к спаю с температурой 0°C (рисунок 6).
Если мы можем посчитать значение V0, то мы можем легко найти соответствующую температуру горячего спая, используя референсные таблицы.
Рис. 6. Определение неизвестной температуры горячего спая ТН
- Определим V0:
- (11)
- Переставим слагаемые:
- (12)
- (13)
- (14)
Первое слагаемое в формуле 13 точно такое же, как и в 10, которое получено из подключения, показанного на рисунке 5. Соответствующее напряжение выхода – VC, а оно известно, поскольку напряжение холодного спая измеряется вольтметром. Второе слагаемое эквивалентно выходу напряжения термопары, если температура его горячего спая равняется ТС, а температура холодного спая – 0°C.
- Поскольку ТС также измеряется отдельным датчиком температуры, мы можем использовать стандартные референсные таблицы для определения соответствующего напряжения Сибека (Vi) для второго слагаемого (13):
- (15)
- С этим значением V0 соответствующая температура на ТН может быть определена с помощью стандартной референсной таблицы.
- Процедура определения температуры горячего спая с компенсацией холодного имеет следующие шаги:
- измерение температуры холодного спая (ТС) датчиком температуры;
- измерение напряжения холодного спая;
- преобразование ТС к напряжению Vi с использованием стандартных референсных таблиц;
- вычисление V0 = Vi + VC;
- преобразование V0 к температуре ТН с использованием стандартных референсных таблиц.
Стандартные референсные таблицы, а также набор стандартных формул для всех типов термопар можно найти в базе данных термопар NIST ITS-90.
Основы проектирования системы
До этой главы дискуссия содержала только теорию работы термопар. Чтобы улучшить точность в реальной системе, вы должны соблюсти несколько условий. Каждое устройство в блок-схеме базовой сигнальной цепи термопар (рисунок 7) повлияет на точность преобразования и должно быть выбрано внимательно для минимизации ошибки.
Рис. 7. Основные компоненты измерительной системы на основе термопары
Рассмотрим рисунок 7 слева направо. Термопара соединяется с разъемом системной платы. Хотя термопара – это датчик, она и сама может быть источником ошибок. Длинная термопара легко «собирает» окружающий электромагнитный шум; экранирование провода может значительно снизить его.
Важно, чтобы следующий компонент, – усилитель, – имел высокое входное сопротивление, потому что входное сопротивление усилителя и сопротивление термопары образуют резистивный делитель. Чем выше входное сопротивление усилителя – тем меньшую ошибку он создаст (формула 16).
(16)
Далее, усилитель увеличивает значение выхода термопары, которое обычно находится в диапазоне единиц милливольт.
В то время как высокий коэффициент усиления усилителя с замкнутой петлей ОС увеличивает и сигнал, и шум, добавление низкочастотного фильтра на входе АЦП обрежет большую часть шума.
Фильтр НЧ эффективен, так как частота аналого-цифрового преобразования для этих приложений обычно очень низкая – на уровне нескольких выборок в секунду, поскольку температура не изменяется очень быстро.
В заключение отметим, что температурный датчик на плате необходимо располагать очень близко к разъему холодного соединения (в идеале – касаясь концов выводов термопары, хотя это невозможно во многих случаях), чтобы получить наилучшее качество измерений температуры холодного спая. Любая ошибка в измерениях холодного спая отразится на вычислении температуры горячего спая.
Пример схемы термопары и результаты испытаний
Каким бы ни был ваш проект –собственным или объединенным с типовой разработкой – вам необходимо проверить его точность. Вот описание, как мы проверяли точность в референсном проекте MAXREFDES67# (рисунок 8).
Рис. 8. Типовая плата MAXREFDES67# для термопар и РТД, измеряющая температуру в диапазоне -40…150°C
В качестве примера того, как снизить погрешность измерения, рассмотрим использование системы термопар в типовом проекте MAXREFDES67# производства Maxim Integrated.
Для проверки точности этой или любой другой измерительной системы вам необходимо знать температуру и иметь поверенный измерительный прибор для сравнения.
В данном примере использовались три референсных термометра: Omega HH41 (сейчас заменен на HH42), термометр ETI и температурный калибратор Fluke 724.
Термопарный пробник К-типа, соединенный с MAXREFDES67#, был помещен в калибровочную ванну Fluke 7341 и откалиброван при температуре 20°C. Синие точки – это данные от Omega HH41, использующиеся в качестве опорных, а зеленые точки – данные, отражающие показания прибора ETI.
Красные точки – данные инструмента Fluke 724 с максимальной погрешностью менее 0,1°C, хотя Fluke 724 не использовался как референсный измеритель. Он симулирует выход идеальной термопары К-типа и соединяется с входом MAXREFDES67# с помощью проводов для термопары.
На рисунке 9 показаны результаты испытаний.
Рис. 9. Зависимость ошибки от температуры в MAXREFDES67#; результат показывает высокую полученную точность
Заключение
Использование термопар для промышленных измерений имеет много преимуществ, в числе которых – широкий температурный диапазон, достаточно быстрое время отклика, привлекательная цена цена и долговечность. Теория термопар достаточно сложна, но необходима для полного понимания того, как вы можете провести корректные измерения и точные преобразования напряжения в температуру.
Материалы
Оригинал статьи.
•••
Термопары: подробно простым языком
Термопары — это наиболее распространенное устройство для измерения температуры. Термопары генерируют напряжение при нагревании и возникающий ток позволяет проводить измерения температуры. Отличается своей простотой, невысокой стоимостью, но внушительной долговечностью. Благодаря своим преимуществам, термопара используется повсеместно.
Стандартная термопара
Рекомендуем обратить внимание и на другие приборы для измерения температуры.
Принцип работы термопары
Термопара представляет собой два провода, изготовленных из различных металлов. Эти два провода скреплены или сварены вместе и образуют спай. Когда на этот спай оказывают воздействие изменения температуры, то термопара реагирует на них генерируя напряжение, пропорциональное по величине изменениям температуры.
Если термопара подсоединена к электрической цепи, то величина генерируемого напряжения будет отображаться на шкале измерительного прибора. Затем показания прибора могут быть преобразованы в температурные показания с помощью таблицы. На некоторых приборах шкала откалибрована непосредственно в градусах.
Термопара в электрической цепи
Спай термопары
В конструкции большинства термопар предусмотрен только один спай. Однако, когда термопара подсоединяется к электрической цепи, то в точках ее подсоединения может образовываться еще один спай.
Цепь термопары
Цепь, показанная на рисунке, состоит из трех проводов, помеченных как А, В и С. Провода скручены между собой и помечены как D и Е.
Спай представляет собой дополнительный спай, который образуется, когда термопара подсоединяется к цепи. Этот спай называется свободным (холодным) спаем термопары. Спай Е — это рабочий (горячий) спай.
В цепи находится измерительный прибор, который измеряет разницу величин напряжения на двух спаях.
Два спая соединены таким образом, что их напряжение противодействует друг другу. Таким образом, на обоих спаях генерируется одна и та же величина напряжения и показания прибора будут равны нулю.
Так как существует прямо пропорциональная зависимость между температурой и величиной напряжения, генерируемой спаем термопары, то два спая будут генерировать одни и те же величины напряжения, когда температура на них будет одинаковой.
Воздействие нагрева одного спая термопары
Когда спай термопары нагревается, величина напряжения повышается прямо пропорционально. Поток электронов от нагретого спая протекает через другой спай, через измерительный прибор и возвращается обратно на горячий спай.
Прибор показывает разницу напряжения между двумя спаями. Разность напряжения между двумя спаями.
Разность напряжения, показываемая прибором, преобразуется в температурные показания либо с помощью таблицы, либо прямо отображается на шкале, которая откалибрована в градусах.
Холодный спай термопары
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.
Цепь термопары с компенсирующим резистором
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.
Рабочий спай и холодный спай
Типы термопары
Термопары конструируются с учетом диапазона измеряемых температур и могут изготавливаться из комбинаций различных металлов. Комбинация используемых металлов определяет диапазон температур, измеряемых термопарой.
По этой причине была разработана маркировка с помощью букв для обозначения различных типов термопар.
Каждому типу присвоено соответствующее буквенное обозначение, и это буквенное обозначение указывает на комбинацию используемых металлов в данной термопаре.
Типы термопар и диапазон их температур
Когда термопара подключается к электрической цепи, то она не будет работать нормально пока не будет соблюдена полярность при подключении. Плюсовые провода должны быть соединены вместе и подсоединены к плюсовому выводу цепи, а минусовые к минусовому.
Если провода перепутать, то рабочий спай и холодный спай не будут в противофазе и показания температуры будут неточными.
Одним из способов определения полярности проводов термопары -это определение по цвету изоляции на проводах.
Помните, что минусовой провод во всех термопарах — красный.
Цвет изоляции проводов термопар
Во многих случаях приходится использовать провода для удлинения протяженности цепи термопары. Цвет изоляции соединительных проводов также несет в себе информацию. Цвет внешней изоляции соединительных проводов — разный, в зависимости от производителя, однако цвет первичной изоляции проводов обычно соответствует кодировке, указанной в таблице выше.
Неисправности термопары
Если термопара выдает неточные показания температуры, и было проверено, что нет ослабленных соединений, то причина может крыться либо в регистрирующем приборе, либо в самой термопаре, первым обычно проверяется регистрирующий прибор, так как приборы чаще выходят из строя, чем термопары.
Более того, если прибор показывает хоть какие-нибудь показания, пусть даже неточные, то, скорей всего, дело не в термопаре. Если термопара неисправна, то обычно она не выдает вообще никакого напряжения, и прибор не будет выдавать никаких показаний. Если показаний на приборе нет совсем, то вероятно дело в термопаре.
Если Вы подозреваете, что термопара вышла из строя, то проверьте ее сигнал на выходе с помощью прибора, который называется милливольтный потенциометр, который используется для измерения малых величин напряжения.
Потенциометр
Что такое термопара для газового котла – принцип работы, устройство
Термоэлектрические датчики – термопары – применяются сугубо в газовых котлах и водогрейных колонках, оснащенных энергонезависимой автоматикой безопасности. Задача элемента – отслеживать наличие пламени горелки, непрерывно подавая напряжение на электромагнитный клапан управляющего блока SIT 630 (или подобного). Наша цель – рассказать, что такое термопара, как она работает и меняется в случае неисправности.
Устройство термоэлектрического датчика пламени
Термопара – это элемент безопасности газового котла, вырабатывающий напряжение при нагреве и поддерживающий клапан подачи топлива в открытом состоянии, пока горит запальник.
Изображенный на фото датчик действует автономно, без подключения внешнего источника электропитания.
Сфера применения термопар – газоиспользующие энергонезависимые установки: печи, кухонные домашние плиты и водонагреватели.
Поясним принцип работы термопары для котла, основанный на эффекте Зеебека. Если спаять или сварить концы 2 проводников из разных металлов, то при нагреве этой точки в цепи вырабатывается электродвижущая сила (ЭДС). Разница потенциалов зависит от температуры спая и материала проводников, обычно лежит в пределах 20…50 милливольт (на бытовой технике).
Датчик состоит из следующих деталей (устройство показано ниже на схеме):
- термоэлектрод с «горячим» спаем из двух разнородных сплавов, прикрученный гайкой к монтажной пластине рядом с пилотной горелкой котла;
- удлинитель – проводник, заключенный внутрь медной трубки, одновременно играющей роль минусового контакта;
- плюсовая клемма с диэлектрической шайбой, вставляемая в гнездо автоматического газового клапана и фиксируемая гайкой;
- существуют разновидности термопар, подсоединяемые к автоматике с помощью обычных винтовых клемм.
В данной модели нагреваемый электрод крепится к пластине котла без гайки — вставляется в специальный паз
Примечание. Медная трубка нужна для защиты плюсового проводника от внешних наводок, создаваемых домовой сетью 220 В и другими электроприборами. Вспомните: минимальная величина напряжения термопары составляет всего 20 мВ.
Для изготовления электродов, вырабатывающих ЭДС, используются специальные металлические сплавы. Самые распространенные термические пары:
- хромель – алюмель (тип K по европейской классификации, обозначение – ТХА);
- хромель – копель (тип L, аббревиатура – ТХК);
- хромель – константан (тип E, обозначается ТХКн).
Принцип действия термической пары из двух различных сплавов
Справка. Алюмель – это сплав никеля с алюминием, марганцем и кремнием. Состав хромеля – 90% никеля, 10% хрома. Копель тоже включает никель, соединенный с медью и кремнием.
Применение сплавов в конструкции термопар обусловлено лучшей генерацией тока. Если сделать термическую пару из чистых металлов, напряжение на выходе будет слишком малым. В большинстве теплогенераторов, эксплуатируемых в частных домах, установлены датчики ТХА (хромель – алюмель). Больше об устройстве термопар смотрите на видео:
Принцип действия в составе котла
Схема подключения термоэлектрического датчика в различных газоиспользующих приборах примерно одинакова. Измерительный электрод находится в зоне действия фитиля либо основной горелки, проводник присоединен к электромагниту, открывающему подачу газа.
Справочная информация. В турбированных и атмосферных теплогенераторах, подключаемых к домовой электросети, вместо термопары может применяться фотоэлектрический датчик. Он регистрирует наличие огня без непосредственного нагрева.
Как работает термопара на напольных котлах типа АОГВ и аналогичных аппаратах:
- Пользователь одной рукой нажимает кнопку и принудительно открывает электромагнитный клапан подачи газа.
- Второй рукой домовладелец включает пьезорозжиг, удерживая первую клавишу. Вспыхивает запальник.
- Согласно инструкции по эксплуатации, кнопку необходимо держать 5—30 секунд (зависит от модели агрегата), в течение которых фитиль прогревает измерительный электрод.
- В цепи электромагнита возникает постоянный ток, идущий от термоэлектродов. Пользователь отпускает клавишу, но подача топлива не прекращается – теперь клапан удерживает напряжение термопары.
Если в силу разных причин огонь потухнет, нагрев термоэлемента закончится, ЭДС исчезнет. Электромагнит отключится, пружина захлопнет клапан и перекроет путь топливу.
Справка. Газовые водогрейные установки, не зависящие от электроэнергии, комплектуются автоматикой различных производителей – EuroSIT, Жуковского завода, «Арбат», «Орион» и так далее. Термопара везде работает по одинаковому принципу – пока электрод греется пламенем, подача газа будет открыта.
Электрод термопары располагается рядом с запальником на всех водогрейных аппаратах
Отличия от датчика температуры
Помимо термопары, к автоматическому топливному клапану котла подключается термобаллон, отвечающий за отключение основной горелки при достижении заданной температуры теплоносителя. Внешне колбы элементов и медные соединительные трубки немного похожи. Несведущий домовладелец может запросто перепутать эти датчики.
Перечислим основные отличия температурного измерителя от термопары:
- конструкция датчика – цилиндрический сильфон, сделанный в виде колбы из меди с запаянным концом;
- термобаллон подключается к газовой автоматике более тонкой капиллярной трубкой, нежели электрогенерирующий датчик;
- сама термочувствительная колба устанавливается внутрь погружной гильзы либо прячется под обшивкой возле водяной рубашки, а не крепится около запальника;
- измеритель температуры не отсоединяется от автоматики вовсе либо отличается размером крепежной гайки.
Примечание. Термобаллон действует по другому принципу: при нагреве внутри колбы расширяется специальная жидкость. Давление по капилляру передается клапану автоматики, отключающему основную горелку. Пламя запальника не затухает.
Как проверить и заменить термопару
Главный признак неисправности датчика пламени — фитиль тухнет одновременно с отпусканием кнопки. Иногда неполадка проявляется иначе – огонек на запальнике остается, но после розжига основной горелки подача горючего снова перекрывается и котел гаснет полностью. Причины таких проблем:
- термический электрод покрылся сажей и плохо прогревается, отчего напряжение в цепи падает ниже минимума;
- прогар корпуса измерителя;
- нарушение контакта в точке «горячего» спая;
- открутилась гайка крепления, рабочий стержень перекосился и плохо прогревается запальником;
- пришел в негодность датчик тяги либо случился обрыв его электрической цепи.
Нагреваемый запальником электрод нужно периодически чистить от нагара. Проблема в том, что загрязнение детали плохо видно снаружи, приходится снимать планку либо всю панель с горелкой
Уточнение. Неисправность датчика тяги вызывает аналогичные симптомы, поскольку этот «концевик» включен последовательно с термопарой (в разрыв цепи). Чтобы исключить влияние датчика, временно замкните его провода.
Для диагностики понадобится мультиметр либо другой прибор, способный измерять низкое напряжение (до 100 мВ). Как выполняется проверка:
- Закройте подачу газа к теплогенератору либо проточному водонагревателю краном, расположенным на подводящей трубе. Снимите кожух или переднюю панель агрегата.
- Пользуясь рожковыми ключами, открутите гайки крепления термоэлектрода и соединительной трубки. Снимите датчик пламени.
- Внимательно осмотрите рабочий электрод, очистите его от сажи кистью и ветошью. Если при визуальной проверке обнаружены прогары, термопара безоговорочно подлежит замене.
- Переместившись на кухню, зажгите горелку газовой плиты. Подсоедините зажимы мультиметра к центральному контакту и медной трубке. Выставьте низший предел измерения – 0.1 либо 1 В.
- Нагревайте термоэлемент конфоркой газовой плиты, наблюдая за показаниями вольтметра.
Главное условие: исправная термопара для котла должна выдавать напряжение не менее 0.02 вольта. Если прибор показывает нули, напряжение скачет или не превышает 20 мВ, элемент нужно поменять. Современные датчики не подлежат ремонту путем перепайки.
Совет. Покупая новую термопару, всегда ориентируйтесь по марке и конкретной модели котла, дабы не запутаться в маркировках и обозначениях.
Если вам не хочется раньше времени снимать элемент, диагностику можно произвести прямо на котле. Открутив гайку, отсоедините трубку термопары от автоматики и подключите мультиметр, как описывалось выше. Удерживая клавишу, разожгите запальник и снимайте показания прибора. Недостаток метода: невозможность визуального осмотра и чистки электрода от сажи.
Устанавливая новую термопару в газовый котел, настройте положение нагреваемого стержня. В идеале электрод стоит горизонтально, не отклоняется вверх или вниз и хорошо омывается пламенем фитиля.
Заключение
Зная устройство термопары котла и способы ее проверки, несложно выявить проблему, как и заменить датчик в домашних условиях. Здесь важно отсечь другие неисправности – поломку датчика тяги либо катушки электромагнита. Последняя неполадка характерна для отечественных моделей автоматики – «Арбат», ЖМЗ и так далее. Как сделать ремонт подручными средствами, смотрите в последнем видео:
Термопары: устройство и принцип работы простым языком, типы
В автоматизации технологических процессов очень часто приходится снимать показатели о температурных изменениях, для их загрузки в системы управления, с целью дальнейшей обработки.
Для этого требуются высокоточные, малоинерционные датчики, способные выдерживать большие температурные нагрузки в определённом диапазоне измерений.
В качестве термоэлектрического преобразователя широко используются термопары – дифференциальные устройства, преобразующие тепловую энергию в электрическую.
Устройства также являются простым и удобным датчиком температуры для термоэлектрического термометра, предназначенного для осуществления точных измерений в пределах довольно широких температурных диапазонов.
В частности, управляющая автоматика газовых котлов и других отопительных систем срабатывает от электрического сигнала, поступающего от сенсора на базе термопары.
Конструкции датчика обеспечивают необходимую точность измерений в выбранном диапазоне температур.
Устройство и принцип действия
Термопара конструктивно состоит из двух проволок, каждая из которых изготовлена из разных сплавов. Концы этих проводников образуют контакт (горячий спай) выполненный путём скручивания, с помощью узкого сварочного шва либо сваркой встык.
Свободные концы термопары замыкаются с помощью компенсационных проводов на контакты измерительного прибора или соединяются с автоматическим устройством управления. В точках соединения образуется другой, так называемый, холодный спай.
Схематически устройство изображено на рисунке 1.
Рис. 1. Схема строения термопары
Красным цветом выделено зону горячего спая, синим – холодный спай.
Электроды состоят из разных металлов (металл А и металл В), которые на схеме окрашены в разные цвета. С целью защиты термоэлектродов от агрессивной горячей среды их помещают в герметичную капсулу, заполненную инертным газом или жидкостью. Иногда на электроды надевают керамические бусы, как показано на рис. 2).
Рис. 2. Термопара с керамическими бусами
Принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте. При замыкании цепи, например милливольтметром (см. рис. 3) в точках спаек возникает термо-ЭДС.
Но если контакты электродов находятся при одинаковой температуре, то эти ЭДС компенсируют друг друга и ток не возникает.
Однако, стоит нагреть место горячей спайки горелкой, то согласно эффекту Зеебека возникнет разница потенциалов, поддерживающая существование электрического тока в цепи.
Рис. 3. Измерение напряжения на проводах ТП
Примечательно, что напряжение на холодных концах электродов пропорционально зависит от температуры в области горячей спайки.
Другими словами, в определённом диапазоне температур мы наблюдаем линейную термоэлектрическую характеристику, отображающую зависимость напряжения от величины разности температур между точками горячей и холодной спайки.
Строго говоря, о линейности показателей можно говорить лишь в том случае, когда температура в области холодной спайки постоянна. Это следует учитывать при выполнении градуировок термопар. Если на холодных концах электродов температура будет изменяться, то погрешность измерения может оказаться довольно значительной.
В тех случаях, когда необходимо добиться высокой точности показателей, холодные спайки измерительных преобразователей помещают даже в специальные камеры, в которых температурная среда поддерживается на одном уровне специальными электронными устройствами, использующими данные термометра сопротивления (схема показана на рис. 4). При таком подходе можно добиться точности измерений с погрешностью до ± 0,01 °С. Правда, такая высокая точность нужна лишь в немногих технологических процессах. В ряде случаев требования не такие жёсткие и погрешность может быть на порядок ниже.
Рис. 4. Решение вопроса точности показаний термопар
На погрешность влияют не только перепады температуры в среде, окружающей холодную спайку. Точность показаний зависит от типа конструкции, схемы подключения проводников, и некоторых других параметров.
Типы термопар и их характеристики
Различные сплавы, используемые для изготовления термопар, обладают разными коэффициентами термо-ЭДС. В зависимости от того, из каких металлов изготовлены термоэлектроды, различают следующие основные типы термопар:
- ТПП13 – платинородий-платиновые (тип R);
- ТПП10 – платинородий-платиновые (тип S);
- ТПР – платинородий-платинродиевые (тип B);
- ТЖК – железо-константановые (тип J);
- ТМКн – медь-константановые (тип T);
- ТНН – нихросил-нисиловые (тип N);
- ТХА – хромель-алюмелевые (тип K);
- ТХКн – хромель-константановые (тип E);
- ТХК – хромель-копелевые (тип L);
- ТМК – медь-копелевые (тип M);
- ТСС – сильх-силиновые (тип I);
- ТВР – вольфрамрениевые (типы A-1 – A-3).
Термопары. Определение, принцип работы, классификация
Как работает термопара?
Термопара состоит из пары проводников из отличающихся материалов, соединенных между собой только с одной стороны.
Регистрирующие приборы (аналоговые, цифровые) измеряют разницу термо-ЭДС возникающих в местах спайки и на концах проводников.
Действие прибора построено на эффекте Зеебека(термоэлектрической эффект). Представьте две проволоки соединенные между собой двумя спайками. Если нагревать/охлаждать одну спайку, то по кольцу потечет ток. Его вызывает термо-ЭДС, которая возникает за счет разности потенциалов между спайками.
Интересное видео о термопарах от НИЯУ МИФИ смотрите ниже:
При одинаковой температуре спаек сума токов в цепи равна нулю – ток не течет. При отличающихся температурах возникает разность потенциалов между спайками. От интенсивности нагревания/охлаждения зависит и разность потенциалов.
Термо-ЭДС можно измерить. Она пропорциональна изменению разности температур на спайках. Самый простой способ измерения параметров тока в таких условиях – гальванометр (применяется для демонстрации эффекта Зеебека).
В современных сложных термопарах применяются электронные средства преобразования сигнала.
Особенности работы с термопарами для точных и высокоточных измерений
- Недостаток большинства термопар – это необходимость градуировки каждого прибора в отдельности.
Для точных измерений на предприятиях-изготовителях каждая термопара проходит отдельные испытания.
- Необходимо вносить поправку на температуру среды измерительных устройств.
- Термопара должна находиться в одинаковых условиях по всей длине измерительного участка.
- Для определения наиболее точного результата можно использовать рядом с основной термопарой контрольные термопары.
- Для точных измерений используют провода с экранами, для уменьшения наводок: токи, вызываемые термо-ЭДС, незначительны по своей величине.
Ещё одно интересное видео о термопарах смотрите ниже:
Классификация термопар, их свойства и сферы применения
В российском ГОСТе применяется трехбуквенное обозначение кириллицей групп термопар, в международной классификации (МЭК) приняты латинские однобуквенные обозначения.
В большинстве случаев группы термопар соответствуют обеим системам классификации.
В таблице даны обозначения по ГОСТу, в скобках приведены аналоги по МЭК:
| Тип термопары | Материал | Свойства |
| ТХА (К) | Вольфрам + родий | Для работы в нещелочных средах. Измеряет в пределах −250…+2500°С |
| ТНН (N) | Никросил+ нисил | Диапазон температур — 0…1230°С, относится к группе универсальных термопар |
| ТЖК (J) | Железо + константан | -200 до +750°С дешевый и надежный вариант для промышленности. |
| ТМК (Т) | Медь + константан | -250…+ 400°Снедорогие термопары |
| ТХК (L) | Хромель+ копель | наибольшая чувствительностью, но ограничены по диапазону измерений – до 600 °С и очень хрупкие. |
| ТПП (R, S) | Платинородий + платина | Для работы в газовых средах, окисленных средах. Недостаток – чувствительны к примесям, нагарам, требуют стерильных условий производства. |
| ТВР (А-1, А-2, А-3) | Вольфрам + рений | Диапазон измерений -22О0°С в нормальных средах. Сложны в производстве и эксплуатации. |
В таблице приведены наиболее часто встречаемые в сети интернет термопары.
Также существуют другие виды термопар для редких условий работы. Как правило, это штучные приборы, разрабатываемые только под заказ.
Ооо «сиб контролс»
Если два провода из разнородных металлов соединены друг с другом на одном конце, на другом конце данной конструкции, за счет контактной разницы потенциалов, появляется напряжение (ЭДС), которое зависит от температуры. Иными словами, соединение двух разных металлов ведет себя как гальванический элемент, чувствительный к изменению температуры. Такой вид температурного сенсора называется термопарой:
Данное явление предоставляет нам простой путь для нахождения электрического эквивалента температуры: необходимо просто измерить напряжение и Вы можете определить температуру этого места соединения двух металлов. И это было бы просто, если бы не следующее условие: когда Вы присоедините любой вид измерительного прибора к проводам термопары, то неизбежно сделаете второе место соединения разнородных металлов.
Следующая схема показывает, что железо — медное соединение J1 обязательно дополняется вторым железо — медным соединением J2 противоположной полярности:
Соединение J1 железа и меди (двух разнородных металлов) будет генерировать напряжение, зависящее от измеряемой температуры.
Соединение J2, которое фактически необходимо , что мы каким-то образом подключили наши медные входные провода вольтметра к железной проволоке термопары, также соединение разнородных металлов, которое тоже будет генерировать напряжение, зависящее от температуры.
Далее необходимо отметить, что полярность соединения J2 противоположна полярности соединения J1 (железный провод положительный; медный — отрицательный). В данное схеме имеется так же третье соединение (J3), но оно не оказавает влияние, потому что это соединение двух идентичных металлов, которое не создает ЭДС.
Генерация второго напряжения соединением J2 помогает объяснить, почему вольтметр регистрирует 0 вольт, когда вся система будет при комнатной температуре: любые напряжения созданные точками соединения разнородных металлов будут равны по величине и противоположны по полярности, что и приведет к нулевым показаниям. Только тогда, когда два соединения J1 и J2 находятся при разных температурах, вольтметр зарегистрирует какое-то напряжение.
- Мы можем выразить эту связь математически следующим образом:
- Vmeter = VJ1 − VJ2
- Понятно, что вольтметр «видит» только разницу между этими двумя напряжениями, генерируемыми в точках соединения.
Таким образом, термопары – это исключительно дифференциальные температурные сенсоры. Они формируют электрический сигнал, пропорциональный разнице температур между двумя различными точками.
Поэтому, место соединения (спай), которое мы используем,чтобы измерить необходимую температуру, называют «горячим» спаем, в то время как другое место соединения (от которого мы никак не можем избежать) называется «холодным» спаем.
Такое название произошло от того, что обычно, измеряемая температура выше температуры, в которой находится измерительный прибор. Большая часть сложностей применения термопар связана с именно напряжением «холодного» спая и необходимости иметь дело с этим (нежелательным) потенциалом.
Для большинства применений необходимо измерять температуру в одной определённой точке, а не разницу температур между двумя точками, что делает термопара по определению.
Существует несколько методов, чтобы заставить датчик температуры на базе термопары измерять температуру в нужной точке, и они будут рассмотрены ниже.
Студенты и профессионалы очень часто находят общий принцип влияния «холодного» спая и его эффектов невероятно запутанным.
Чтобы разобраться в данном вопросе, необходимо вернуться к простому контуру с железо — медными проводами, показанному ранее как «отправная точка», а затем вывести поведение данного контура, применяя первый закон Кирхгоффа: алгебраическая сумма напряжений в любом контуре должна быть равна нулю.
Мы знаем, что соединение разнородных металлов создает напряжение, если его температура выше абсолютного нуля.
Мы также знаем, что с тем, чтобы сделать полный контур из железного и медного провода, мы должны сформировать второе соединение железа и меди, полярность напряжения этого второго соединения будет обязательно противоположной полярности первого. Если мы обозначим первое соединение железа и меди как J1, а J2 второе, мы абсолютно уверенны в том, что напряжение, измеренное вольтметром в этой схеме, будет VJ1 − VJ2.
Все контуры термопары – независимо от того, простые они или сложные – демонстрируют эту фундаментальную особенность.
Необходимо мысленно представить простой контур из двух разнородных металлических проводов и затем, выполняя «мысленный эксперимент», определить, как этот контур будет вести себя в местах соединения при одинаковой температуре и при различных температурах. Это — лучший способ для любого человека понять, как работают термопары.