Принцип работы термопары (видео)

Принцип действия и структура термопар

Состоит термопара из двух проводников и трубки, которая служит защитой для термоэлектродов. Термоэлектроды состоят из неблагородных и благородных металлов, чаще всего из сплавов, закрепленные друг с другом на одном конце(рабочий конец или горячий спай), таким образом они образуют одну из частей устройства. Другие концы термопары (свободные концы или холодный спай) соединены с прибором измерения напряжения. Посередине двух несоединенными выводами возникает ЭДС, величина зависит от температуры рабочего конца.

Одинаковые термопреобразователи объединенные параллельно замыкают цепь, по правилу Зеебека, мы рассмотрим далее это правило, между ними образуется контактная разность потенциалов или термоэлектрический эффект, при соприкосновении на проводниках появляются электрические заряды, между их свободными концами возникает различие потенциалов, и он зависит от разности температур. Только тогда, когда температура между термоэлектродами одинакова, разница потенциалов приравнивается к нулю.

Например: Помещая спай с различными от нуля коэффициентами, в две кипящие кастрюли с жидкостью, температура первой 50, а второй 45, то разность потенциалов будет равна 5.

Разность потенциалов определяется разностью температур источников. Так же зависит материал из которого сделаны электроды термопары. Пример: У термопары Хромель-Алюмель температурный коэффициент равен 41, а у Хромель-Константан коэффициент равен 68.

Литература

Киес Р. Дж., Крузе П. В., Патли Э. Г., Лонг Д., Цвиккер Г. Р., Милтон А. Ф., Тейч М. К. § 3.2. Термопара // Фотоприёмники видимого и ИК диапазонов = Optical and Infrared Detectors / пер. с англ. под ред. В. И. Стафеева. — М.: Радио и связь, 1985. — 328 с.

H. Melloni. Ueber den Durchgang der Wärmestrahlen durch verschiedene Körper (нем.) // Annalen der Physik und Chemie : журнал. — Leipzig: Verlag von Johann Ambrosius Barth, 1833. — Bd. 28. — S. 371—378.

Грунин В. К. § 2.3.4. Термоэлектрические приёмники излучения // Источники и приёмники излучения: учебное пособие. — СПб.: Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2015. — 167 с. — ISBN 978—5.

Что такое термопара

Термопары существуют благодаря такому явлению, как контактная разность потенциалов. Если два разных твердых проводника или полупроводника привести в плотный контакт друг с другом, то в окрестности места их соприкосновения образуются разделенные электрические заряды. При этом на внешних концах данных проводников возникнет разность потенциалов. Эта разность потенциалов окажется равна разности работ выхода для каждого металла, поделенной на заряд электрона.

Вопрос эксперту

Зачем нужен вольтметр при подборе термопары?

Вольтметром измерить контактную разность потенциалов не удастся, однако на вольт-амперной характеристике она себя проявит, так например она проявляет себя в транзисторе и в диоде на p-n переходе.

Понятно, что если сомкнуть такую пару в кольцо, то результирующая ЭДС будет равна нулю, а если с одной стороны ее все же оставить разомкнутой, то будет иметь место реальная ЭДС, величиной от десятых долей вольта до единиц вольт, в зависимости от того, что это за материалы.

Суть в том, что при соприкосновении, к примеру, двух металлов, система выходит из равновесия потому что химические потенциалы этих двух металлов не равны друг другу, в результате происходит диффузия электронов в сторону уменьшения их энергии, что в свою очередь приводит к изменению заряда и электрического потенциала приведенных в контакт металлов. Так в приконтактной области начинается рост электрического поля, и как следствие мы имеем то, что имеем.

Если теперь снова рассмотреть два этих проводника из разных металлов, только замкнутых в кольцо, когда суммарная ЭДС по замкнутому контуру станет равна нулю, то здесь получится два контактных места. Назовем эти места спаями. Итак, есть два спая двух разных проводников. Что если попробовать подогреть один из спаев, а второй оставить при комнатной температуре? Очевидно, что поскольку соединенные металлы разные, и в каждом спае присутствует контактная разность потенциалов, то спаи будут испытывать разное отклонение ЭДС, находясь при разных температурах.

Принцип работы термопары.

Эксперимент доказывает, что разность потенциалов между спаями будет пропорциональна разности их температур, так что можно ввести коэффициент пропорциональности, который называют термо-ЭДС. Для различных термопар термо-ЭДС будет разной. Если в разрезе такого кольца измерить напряжение, то в определенном интервале температур оно окажется почти строго пропорционально разности температур спаев. И даже если оставить только один спай (как на рисунке), и лишь его подогревать, а напряжение измерять между двумя концами, находящимися при одной и той же комнатной температуре, то все равно можно обнаружить очень четкую зависимость ЭДС от текущей температуры спая.

Чем отличаются параллельное и последовательное соединение конденсаторов.
Читать далее

Металлоискатель пират своими руками подробная инструкция.
Читать далее

Что такое подстроечный резистор: описание устройства и область его применения.
Читать далее

Так и работают термопары. Описанное явление относится к термоэлектрическим, а сам эффект, на базе которого работают все термопары, называется эффектом Зеебека, в честь его первооткрывателя — Томаса Зеебека. Сегодня можно встретить промышленные термопары, у которых, в зависимости от требуемого измеряемого диапазона температур, электроды изготавливают из специально подобранных сплавов.

К примеру термопары из сплавов хромель и алюмель имеют коэффициент термо-ЭДС, равный 40 микровольт на °C, и предназначены для измерения температур в диапазоне от 0 до +1100°C. А пара медь-константан, столь популярная в качестве демонстрационного пособия, позволяет измерять температуры от -185 до +300°C.

Разновидности преобразователей термоэлектрического типа

Виды термопар чрезвычайно обширные.  Есть два основных фактора разделения: по разновидности сплавов и по варианту спайки. А также отдельным типом являются многоточечные ТП.

Тип электропар в зависимости от сплавов проводников

Термопара создает ЭДС, принцип всегда аналогичный, но сплавы нагреваются по-разному, поэтому рабочие диапазоны, скорость срабатывания, погрешности могут колебаться.

Разные сочетания металлов обладают своими параметрами, определяющими выходной импульс напряжения, но главное — температурный диапазон, в котором допускается использовать ту или иную разновидность сенсора

При росте амплитуды выходного напряжения улучшается разрешение измерений. Растет повторяемость, соответственно, и точность.

Есть разные соотношения разрешения и диапазона t° у конкретных типов ТП, что делает их подходящими для определенных условий.

Есть 9 типов термопар по составу сплавов проводников:

Разновидности обозначаются буквами. (J, K, T, E, N, R, S, B, C).

Для нас важна термопара типа К (другое обозначение — ТХА): она наиболее распространенная, подходит для применения в бытовых, других приборах и для задач, не имеющих каких-либо особых требований.

Традиционно ТХА рекомендована всегда, если только нет обоснований для использования иных видов. Ниже приведем описание термопары типа К из узкопрофилированного сайта по электронике:

Где используются термопары

ТП чаще, чем другие датчики применяют для оборудования, связанного с высокими плюсовыми температурами: топливные котлы и плиты, иное оснащение с горелками, бойлеры, паяльники, пирометры, печи, металлургия.

Термин «термоэлектрический преобразователь» отображает природу сенсора — дифференциальный измеритель, который делает замеры, преобразовывая тепло в электричество.

Термопары — это простые и эффективные сенсоры для высокоточных термоэлектрических термометров, работающих в повышенных температурных рамках.

Яркий пример применения: в составах автоматики топливных котлов и отопления. Сработка оснащения инициируется электросигналом от сенсорного узла с ТП.

Термопары наряду с NTC и PTC термисторами — самые популярные измерители температуры для оборудования, последние имеют свои достоинства (считаются более точными в своих диапазонах), но не охватывают настолько широкие температурные рамки, как ТП.

Конструктивные особенности

Если относиться более скрупулезно к процессу замера температуры, то эта процедура осуществляется с помощью термоэлектрического термометра. Основным чувствительным элементом этого прибора считается термопара.

Сам процесс измерения происходит за счет создания в термопаре электродвижущей силы. Существуют некоторые особенности устройства термопары:

  • Электроды соединяются в термопарах для измерения высоких температур в одной точке с помощью электрической дуговой сварки. При замере небольших показателей такой контакт выполняется с помощью пайки. Особенные соединения в вольфрам-рениевых и вольфрамо-молибденовых устройствах проводятся с помощью плотных скруток без дополнительной обработки.

  • Соединение элементов проводится только в рабочей зоне, а по остальной длине они изолированы друг от друга.
  • Метод изоляции осуществляется в зависимости от верхнего значения температуры. При диапазоне величины от 100 до 120 °C используется любой тип изоляции, в том числе и воздушный. При температуре до 1300 °C применяются трубки или бусы из фарфора. Если величина достигает до 2000 °C, то применяется изоляционный материал из оксида алюминия, магния, бериллия и циркония.
  • В зависимости от среды использования датчика, в которой происходит замер температуры, применяется наружный защитный чехол. Выполняется он в виде трубки из металла или керамики. Такая защита обеспечивает гидроизоляцию и поверхностное предохранение термопары от механических воздействий. Материал наружного чехла должен выдерживать высокую температуру воздействия и обладать отличной теплопроводностью.

Вам это будет интересно  Киловатт — производная единица измерения мощности

Руководство по ремонту газконтроля

Если газ на плите гаснет, то проблема может крыться не только в термопаре. Однако чаще всего дело именно в ней.

Основной признак проблем с газконтролем – после розжига конфорки и отпускания ручки или кнопки открытия «голубого топлива» пламя сразу тухнет. Это происходит из-за перекрытия клапана, так как термо-ЭДС для поддержания его открытым отсутствует либо недостаточна.

Причины шума конфорок газовых плит подробно изложены в статье, с полезной информацией которой стоит ознакомиться.


Прежде чем приобретать новую термопару, надо определиться с причиной плохой работы имеющегося прибора – возможно проблема в отошедших контактах на клапане, тогда надо лишь их подтянуть

Самостоятельно выполнять проверку, производить ремонт и замену термопары в газовой плите своими руками следует только при полном перекрытии газа. Сначала необходимо закрыть вентиль на баллоне с газовой смесью или трубе с метаном, а только потом приступать к каким-либо работам. Также не стоит забывать об отключении электроснабжения, если в конструкции есть энергозависимые приборы.

Наконечник термопары располагается непосредственно возле конфорки и газового огня. А в духовке его найти можно возле рассекателя пламени в верхней части духового шкафа. Этот кончик должен быть без нагара, минеральных отложений и каких-либо повреждений.

Если рабочий наконечник термопарного датчика покрыт окалиной, то ее в обязательном порядке следует счистить наждачной бумагой. Чем больше нагара, тем меньше тепла доходит до термопары, а тем меньше она соответственно создает ЭДС. Полученных милливольт может банально не хватать для открытия электромагнитного клапана.

Как проверить перед заменой?

Термопара обычно имеет один наконечник для установки возле огня. Но есть и варианты с двумя или тремя кончиками контроля температуры. Их обычно используют в духовках, однако все зависит от конкретной модели плиты.

У термопар с несколькими рабочими наконечниками имеется особенность – если лишь один из них не нагрет или вышел из строя, то электромагнитный клапан окажется закрыт. Поэтому, чтобы точно найти причину проблем, подобные термопарные устройства проверять придется особенно внимательно. Неисправным может быть лишь один из датчиков.


Исправная термопара для плиты на газу при нагреве над свечкой уже через 20–30 секунд выдает ЭДС порядка 15–20 мВ – если меньше, то датчик надо менять

Еще один момент – проводники термопары на участке до клапана должны быть натянуты или болтаться в корпусе плиты. При этом их подсоединение к электромагниту должно быть жестким, висящий «на честном слове» разъем здесь недопустим.

Выпускаются рассматриваемые устройства с длиной от 40 до 130 см. Выбирать по этому показателю термопарный прибор газконтроля следует очень внимательно. С одной стороны проволоку проводников нельзя излишне натягивать, а с другой она не должна лежать на нагреваемых поверхностях или свободно болтаться.

Как поменять устройство?

Перед тем как поменять поврежденную термопару в газовой плите, следует осмотреть прибор на:

  • наличие на рабочем наконечнике нагара (если есть, надо счистить наждачной бумагой);
  • отсутствие прогара данного наконечника (в этом случае только полная замена);
  • жесткость соединения контактов термопарного датчика и клапана (при необходимости следует подтянуть);
  • исправность самой термопары с выдачей при нагреве ЭДС на уровне минимум 15 мВ.

Менять рассматриваемый прибор следует только тогда, когда он точно неисправен. Во многих случаях, чтобы газовая плита вновь заработала, можно обойтись очисткой наконечника от нагара и проверкой контактов.


Чтоб произвести замену термопары, с газовой плиты придется снять переднюю панель, а также поднять на ней верхнюю крышку с конфорками

Рабочий наконечник термопары жестко зафиксирован возле конфорки или горелки с помощью гайки. Если она из-за накипи не поддается откручиванию, то излишне давить на ключ не стоит. Так можно лишь сломать крепление. Лучше воспользоваться сначала растворителем.

Второй конец термопары к электромагнитному клапану крепится с помощью резьбового разъема либо двух обжимных контактов. Снять их не представляется чем-то сложным. Новый термопарный датчик ставится в аналогичной последовательности – одним концом он крепится возле конфорки, а вторым к электромагниту.

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 Чему равна электроемкость конденсатора?

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.

Поверка

осуществляется в соответствии с ГОСТ 8.338-2002 «ГСИ. Преобразователи термоэлектрические. Методика поверки».

Основное поверочное оборудование:

—    термометр сопротивления платиновый эталонный ПТС-10М 1 разряда, диапазон температур от минус 196 °С до плюс 660 °С;

—    преобразователь термоэлектрический платинородий-платиновый эталонный ППО 2 разряда, диапазон температур от 300 до 1200 °С;

—    печь малоинерционная трубчатая МТП-2М (100 — 1200) °С, температурный градиент

0,8 °С/см.

—    термостат нулевой ТН 12, 0°С, неравномерность температуры ±0,02 °С;

—    измеритель-регулятор температуры многоканальный прецизионный МИТ 8, диапазон измерения напряжения от 0 до 300 мВ.

Рекомендации по эксплуатации

Точность и целостность системы измерений на основе термопарного датчика может быть увеличена, если соблюдать определенные условия. Не допускать вибраций и механических натяжений термопарных проводников. При применении миниатюрной термопары из тонкой проволоки. Необходимо применять ее только в контролируемом месте, а за этим местом следует применять удлинительные проводники. Рекомендуется применять проволоку большого диаметра, не изменяющую температуру измеряемого объекта. Использовать термодатчик только в интервале рабочих температур.

Таблица – Градуировка и проверка термопар.

Избегать резких перепадов температуры по длине термодатчика. При работе с длинными термодатчиками и удлинительными проводниками, необходимо соединить экран вольтметра с экраном провода. Для вспомогательного контроля и температурной диагностики используют специальные температурные датчики с 4-мя термоэлектродами, позволяющими выполнять вспомогательные температурные измерения, сопротивления, напряжения, помех для проверки надежности и целостности термопар.

Проводить электронную запись событий и постоянно контролировать величину сопротивления термоэлектродов. Применять удлиняющие проводники в рабочем интервале и при наименьших перепадах температур. Применять качественный защитный чехол для защиты термопарных проводников от вредных условий.

Применение термопар

В этом разделе не хватает ссылок на источники информации.

Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 31 июля 2012 года

Для измерения температуры различных типов объектов и сред, а также в качестве датчика температуры в автоматизированных системах управления. Термопары из вольфрам-рениевого сплава являются самыми высокотемпературными контактными датчиками температуры. Такие термопары незаменимы в металлургии для контроля температуры расплавленных металлов.

Для контроля пламени и защиты от загазованности в газовых котлах и в других газовых приборах (например, бытовые газовые плиты). Ток термопары, нагреваемой пламенем горелки, удерживает в открытом состоянии газовый клапан. В случае пропадания пламени ток термопары снижается и клапан перекрывает подачу газа.

В 1920—1930-х годах термопары использовались для питания простейших радиоприемников и других слаботочных приборов. Вполне возможно использование термогенераторов для подзарядки АКБ современных слаботочных приборов (телефоны, камеры и т. п.) с использованием открытого огня.

Приёмник излучения

Крупный план термобатареи фотоприёмника. Каждый из проволочных уголков представляет собой термопару. Исторически термопары представляют один из наиболее ранних термоэлектрических приёмников излучения. Упоминания об этом их применении относятся к началу 1830-х годов. В первых приёмниках использовались одиночные проволочные пары (медь — константан, висмут — сурьма), горячий спай находился в контакте с зачернённой золотой пластинкой. В более поздних конструкциях стали применяться полупроводники.

Термопары могут включаться последовательно, одна за другой, образуя термобатарею (англ.). Горячие спаи при этом располагают либо по периметру приёмной площадки, либо равномерно по её поверхности. В первом случае отдельные термопары лежат в одной плоскости, во втором параллельны друг другу.

Преимущества термопар

  • Высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01 °С).
  • Большой температурный диапазон измерения: от −250 °C до +2500 °C.
  • Простота.
  • Дешевизна.
  • Надёжность.

Недостатки

  • Для получения высокой точности измерения температуры (до ±0,01 °С) требуется индивидуальная градуировка термопары.
  • На показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового датчика и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.
  • Эффект Пельтье (в момент снятия показаний необходимо исключить протекание тока через термопару, так как ток, протекающий через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный).
  • Зависимость ТЭДС от температуры существенно нелинейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.
  • Возникновение термоэлектрической неоднородности в результате резких перепадов температур, механических напряжений, коррозии и химических процессов в проводниках приводит к изменению градуировочной характеристики и погрешностям до 5 К.
  • На большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.