В каких термопарах содержится

Термопара — это устройство, предназначенное для того, чтобы измерять температуры. Термопары, то есть термоэлектрические преобразователи, обычно применяются в промышленности, разных сферах производства, медицине, военной автоматике и во время научных исследований. Термопара, купитькоторую мы готовы по выгодным ценам, представляет собой пару проводников, сделанных из разных материалов, которые соединены на одном конце и формируют часть устройства. Термопарами с легкостью можно мерить даже очень высокие температуры, это их главная функция.

Температурой называют физическую величину, которая характеризует меру средней электростатической энергии движения молекул любых тел и веществ. Благодаря анализу определения температуры, можно узнать, что непосредственное измерение данной физической величины невозможно ни при каких условиях. Варьирование других физических свойств одного предмета показывает на изменение температуры этого же самого объекта.

К этим физическим свойствам, по которым модно судить о том, как изменяется температура, относят термо-ЭДС (электродвижущаяся силы, которая возникает в электрической цепи), объем, давление, интенсивность излучения, электрическое сопротивление (физическая величина, которая характеризует функцию проводника препятствовать электрическому току).

Колебания амплитуды измерений могут быть значительными из-за содержания различных металлов. Проволока из платины, никеля, титана или хрома наиболее часто используется в изготовлении керамических трубок. Благодаря применению данных металлов, термопары могут измерять даже такую высокую температуру, как +2500 градусов Цельсия, делать это абсолютно точно и не ломаться.

Отличительные черты строения конструкции термопар:

Стоит обратить внимание на некоторые отличительные черты строения конструкции термопар:

В одной точке соединяются два термоэлектрода, тем самым образуется рабочий спай. В стандартном случае концы двух термоэлектродов соединены посредством профессиональной сварки, перед которой они обязательно должны быть скручены друг с другом. В особых случаях сварка может быть заменена пайкой. Существуют вольфрам-раниевые и другие термопары, содержащие вольфрам, в которых термоэлектроды выполнены из металлов, которые тяжело поддаются выплавке. В такой ситуации часто обходятся даже без сварки, только скручивают термоэлектроды. Если после сварки или пайки остались ненужные детали, то можно с легкостью сдать разъемы, например, или даже сдать резисторы.
Рабочий спай при соединении двух термоэлектродов — единственный правильный вариант. Это обязательное условие. Также необходима электрическая изоляция по всей длине термоэлектродов.
Изолировать термоэлектроды можно несколькими способами. Температурный предел использования термоэлектрического термометра влияет на выбор способа. Если предел не больше 100-120 градусов Цельсия, изоляция может быть любого вида. Если предел в 1300 градусов Цельсия, обычно выбирают фарфоровые одно- и двухканальные трубки или бус в целях изоляции. Если температура выше 1300 градусов Цельсия, фарфор сильно размягчается, его свойства меняются не в самую лучшую сторону, поэтому при более высоких температурах трубки из окиси алюминия идут в ход, но только до 1950C. Если температура выше 2000 градусов, используются чехлы из окиси Mg (магний) или Be (бериллий), двуокиси тория или циркония.
В достаточно частых случаях у термометра может иметься внешняя защитная трубка-чехол. Это зависит от места, в котором измеряется температура. Есть несколько вариантов материала, из которого могут делаться данные чехлы: металл, керамика или смешанный вариант — металлокерамика. Трубка-чехол нужна для обеспечения прочности и надежности термоэлектрического термометра, герметичности, защиты от попадания жидкости, обеспечения нехватки механического напряжения. Важное условие при выборе материала для трубки-чехла — способность пребывать при высокой температуре достаточно длительное время. Также необходимо, чтобы материал имел химическую стойкость к условиям, в которых проходит само измерение, и отличную тепло-проводимость. Трубка-чехол обязана не пропускать газ и быть чувствительной к неожиданным перепадам температуры.

Сколько стоят термопары?

Термопары даже содержат драгоценные металлы. Например, почти во всех термопарах содержится 99,8% платины. На самом деле, в термометрах сопротивления ТСП, ТПР, ТП, ТПП, ЭЧП в составе имеется платиновая проволока.

Разумеется, важный момент для каждого человека, кто планирует покупку термопары в ближайшее время, — это цена. ТПР и ТПП являются самыми дорогими видами. Цена может быть около 10 000 рублей за одну штуку. Для тех, кто не хочет платить такую цену, существует не дорогой тип — ТСП. Применяются в производстве для того, чтобы измерять температуру расплавов и сплавов цветных металлов.

Скупка термопары является очень выгодным направлением, что можно сказать и о скупке радиодеталей, приборов и скупке танталовых конденсаторов. Многие предприниматели занимаются скупкой сопротивлений, что также выгодно. Мы хотим приобрести ТПП термометры и керамические детали от них по очень выгодным ценам. Также в список наших постоянных закупок входят все радиодетали, микросхемы, конденсаторы по таким ценам, которые ни один другой покупатель предложить не может. Прием микросхем цены за кг. Мы готовы предложить определенные бонусы всем постоянным клиентам.

ТСП расшифровывается как термо-сопротивление платиновое. Это изделие, имеющее нагревательный элемент, который является белой керамической капсулой, которая помещена в металлический стержень. ТСП содержит проволоку из платины 999 пробы. Помимо 90% платины, 10% приходится на иридий. Их вес может быть от 20 до 40 миллиграмм.

В керамической капсуле присутствуют нагревательные элементы, которые содержат драгоценные металлы. Именно с помощью взвешивания этих элементов осуществляется продажа или покупка термоэлектрических преобразователей. Для того, чтобы правильно это осуществить, нужно смотать извлеченную проволоку в средний по размеру шарик, проверить каждый, а потом взвесить все имеющиеся шарики вместе. Затем полученную цифру нужно умножить на пробу. Именно так можно с точностью узнать количество чистой платины в продукте.

Полученное количество платины нужно умножить на цифру, равную цене платины на данный момент и именной в нужной валюте. Благодаря этим расчетам, можно вычислить цену изделия.

Источник

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).

Технические требования к термопарам задаются параметрами определёнными ГОСТ 6616-94, а их НСХ (номинальные статические характеристики преобразования), оптимальные диапазоны измерений, установленные классы допуска регулируются стандартами МЭК 62460, и определены ГОСТ Р 8.585-2001. Заметим, также, что НСХ в вольфрам-рениевых термопарах отсутствовали в таблицах МЭК до 2008 г. На сегодняшний день указанными стандартами не определены характеристики термопары хромель-копель, но их параметры по прежнему регулируются ГОСТ Р 8.585-2001. Поэтому импортные термопары типа L не являются полным аналогом отечественного изделия ТХК.

Классификацию термодатчиков можно провести и по другим признакам: по типу спаев, количеству чувствительных элементов.

Типы спаев

В зависимости от назначения термодатчика спаи термопар могут иметь различную конфигурацию. Существуют одноэлементные и двухэлементные спаи. Они могут быть как заземлёнными на корпус колбы, так и незаземленными. Понять схемы таких конструкций можно из рисунка 5.

Рис. 5. Типы спаев

Буквами обозначено:

И – один спай, изолированный от корпуса;
Н – один соединённый с корпусом спай;
ИИ – два изолированных друг от друга и от корпуса спая;
2И – сдвоенный спай, изолированный от корпуса;
ИН – два спая, один из которых заземлён;
НН – два неизолированных спая, соединённых с корпусом.

Заземление на корпус снижает инерционность термопары, что, в свою очередь, повышает быстродействие датчика и увеличивает точность измерений в режиме реального времени.

С целью уменьшения инерционности в некоторых моделях термоэлектрических преобразователей оставляют горячий спай снаружи защитной колбы.

Многоточечные термопары

Часто требуется измерение температуры в различных точках одновременно. Многоточечные термопары решают эту проблему: они фиксируют данные о температуре вдоль оси преобразователя. Такая необходимость возникает в химических и нефтехимических отраслях, где требуется получать информацию о распределении температуры в реакторах, колоннах фракционирования и в других ёмкостях, предназначенных для переработки жидкостей химическим способом.

Многоточечные измерительные преобразователи температуры повышают экономичность, не требуют сложного обслуживания. Количество точек сбора данных может достигать до 60. При этом используется только одна колба и одна точка ввода в установку.

Таблица сравнения термопар

Выше мы рассмотрели типы термоэлектрических преобразователей. У читателя, скорее всего, резонно возник вопрос: Почему так много типов термопар существует?

Дело в том, что заявленная производителем точность измерений возможна только в определённом интервале температур. Именно в этом диапазоне производитель гарантирует линейную характеристику своего изделия. В других диапазонах зависимость напряжения от температуры может быть нелинейной, а это обязательно отобразится на точности. Следует учитывать, что материалы обладают разной степенью плавкости, поэтому для них существует предельное значение рабочих температур.

Для сравнения термопар составлены таблицы, в которых отображены основные параметры измерительных преобразователей. В качестве примера приводим один из вариантов таблицы для сравнения распространённых термопар.

Таблица 1.

Тип термопары	K	J	N	R	S	B	T	E
Материал положительного электрода	Cr—Ni	Fe	Ni—Cr—Si	Pt—Rh (13 % Rh)	Pt—Rh (10 % Rh)	Pt—Rh (30 % Rh)	Cu	Cr—Ni
Материал отрицательного электрода	Ni—Al	Cu—Ni	Ni—Si—Mg	Pt	Pt	Pt—Rh (6 % Rh	Cu—Ni	Cu—Ni
Температурный коэффициент	40…41	55.2	68
Рабочий температурный диапазон, ºC	0 до +1100	0 до +700	0 до +1100	0 до +1600	0 до 1600	+200 до +1700	−185 до +300	0 до +800
Значения предельных температур, ºС	−180; +1300	−180; +800	−270; +1300	– 50; +1600	−50; +1750	0; +1820	−250; +400	−40; +900
Класс точности 1, в соответствующем диапазоне температур, (°C)	±1,5 от −40 °C до 375 °C	±1,5 от −40 °C до 375 °C	±1,5 от −40 °C до 375 °C	±1,0 от 0 °C до 1100 °C	±1,0 от 0 °C до 1100 °C	±0,5 от −40 °C до 125 °C	±1,5 от −40 °C до 375 °C
	±0,004×T от 375 °C до 1000 °C	±0,004×T от 375 °C до 750 °C	±0,004×T от 375 °C до 1000 °C	±[1 + 0,003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °C	±[1 + 0,003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °	±0,004×T от 125 °C до 350 °C	±0,004×T от 375 °C до 800 °C
Класс точности 2 в соответствующем диапазоне температур, (°C)	±2,5 от −40 °C до 333 °C	±2,5 от −40 °C до 333 °C	±2,5 от −40 °C до 333 °C	±1,5 от 0 °C до 600 °C	±1,5 от 0 °C до 600 °C	±0,0025×T от 600 °C до 1700 °C	±1,0 от −40 °C до 133 °C	±2,5 от −40 °C до 333 °C
	±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C	±0, T от 333 °C до 750 °C	±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C	±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C	±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C	±0,0075×T от 133 °C до 350 °C	±0,0075×T от 333 °C до 900 °C
Цветовая маркировка выводов по МЭК	Зелёный — белый	Чёрный — белый	Сиреневый — белый	Оранжевый — белый	Оранжевый — белый	Отсутствует	Коричневый — белый	Фиолетовый — белый

Способы подключения

Каждая новая точка соединения проводов из разнородных металлов образует холодный спай, что может повлиять на точность показаний. Поэтому подключения термопары выполняют, по возможности, проводами из того же материала, что и электроды. Обычно производители поставляют изделия с подсоединёнными компенсационными проводами.

Некоторые измерительные приборы содержат схемы корректировки показаний на основе встроенного термистора. К таким приборам просто подключаются провода, соблюдая их полярность (см. рис. 6).

Рис. 6. Компенсационные провода

Часто используют схему подключения «на разрыв». Измерительный прибор, подключают через проводник того же типа что и клеммы (чаще всего медь). Таким образом, в местах соединения отсутствует холодный спай. Он образуется лишь в одном месте: в точке присоединения провода к электроду термопары. На рисунке 7 показана схема такого подключения.

Рис. 7. Схема подключения на разрыв

При подключении термопары следует как можно ближе размещать измерительные системы, чтобы избежать использования слишком длинных проводов. Во всяком проводе возможны помехи, которые усиливаются с увеличением длины проволоки. Если от радиопомех можно избавиться путём экранирования проводки, то бороться с токами наводки гораздо сложнее.

В некоторых схемах используют компенсирующий терморезистор между контактом измерительного прибора и точкой холодного спая. Поскольку внешняя температура одинаково влияет на резистор и на свободный спай, то данный элемент будет корректировать такие воздействия.

И напоследок: подключив термопару к измерительному прибору, необходимо, пользуясь градуировочными таблицами, выполнить процедуру калибровки.

Применение

Термопары используются везде, где требуется измерение температуры в технологической среде. Они применяются в автоматизированных системах управления в качестве датчиков температуры. Термопары типа ТВР, у которых внушительный диаметр термоэлектрода, незаменимы там, где требуется получать данные о слишком высокой температуре, в частности в металлургии.

Газовые котлы, конвекторы, водонагревательные колонки также оборудованы термоэлектрическими преобразователями.

Преимущества

высокая точность измерений;
достаточно широкий температурный диапазон;
высокая надёжность;
простота в обслуживании;
дешевизна.

Недостатки

Недостатками изделий являются факторы:

влияние свободных спаев на показатели приборов;
ограничение пределов рабочего диапазона нелинейной зависимостью ТЭДС от степени нагревания, порождающей сложности в разработке вторичных преобразователей сигналов;
при длительной эксплуатации в условиях перепадов температур ухудшаются градуировочные характеристики;
необходимость в индивидуальной градуировке для получения высокой точности измерений, в пределах погрешности в 0,01 ºC.

Благодаря тому, что проблемы связанные с недостатками решаемы, применение термопар более чем оправдано.

Видео по теме

Источник