О термопарах: что это такое, принцип действия термопары, подключение преобразователя

В качестве заключения

Популярность и преимущества термопары в настоящее время трудно оспорить или поставить под сомнение. Ведь эти элементы не только основные детали не только в газовом оборудовании (котлы, плиты, колонки). Их можно встретить во многих моделях терморегуляторов и термометров бытового и промышленного назначения.

Понять, что такое термопара, несложно, но куда важнее своевременно устранять все появившиеся признаки ее неисправности!

Термопара — что такое простыми словами? на News4Auto.ru.

Наша жизнь состоит из будничных мелочей, которые так или иначе влияют на наше самочувствие, настроение и продуктивность. Не выспался — болит голова; выпил кофе, чтобы поправить ситуацию и взбодриться — стал раздражительным. Предусмотреть всё очень хочется, но никак не получается. Да ещё и вокруг все, как заведённые, дают советы: глютен в хлебе — не подходи, убьёт; шоколадка в кармане — прямой путь к выпадению зубов. Мы собираем самые популярные вопросов о здоровье, питании, заболеваниях и даем на них ответы, которые позволят чуть лучше понимать, что полезно для здоровья.

Устройство термопары

Принцип работы термопары. Эффект Зеебека

Работа термопары обусловлена возникновением термоэлектрического эффекта, открытым немецким физиком Томасом Зеебеком (Tomas Seebeck) в 1821 г.

Явление основано на возникновении электричества в замкнутом электрическом контуре при воздействии определенной температуры окружающей среды. Электрический ток возникает при наличии разницы температур между двумя проводниками (термоэлектродами) различного состава (разнородных металлов или сплавов) и поддерживается сохранением места их контактов (спаев). Устройство выводит на экран подсоединенного вторичного прибора значение измеряемой температуры.

Выдаваемое напряжение и температура находятся в линейной зависимости. Это означает, что увеличение измеряемой температуры приводит к большему значению милливольт на свободных концах термопары.

Находящийся в точке измерения температуры спай называется «горячим», а место подключения проводов к преобразователю — «холодным».

Компенсация температуры холодного спая (КХС)

Компенсация холодного спая (КХС) – это компенсация, вносимая в виде поправки в итоговые показания при измерении температуры в точке подсоединения свободных концов термопары. Это связано с расхождениями между реальной температурой холодных концов с вычисленными показаниями градуировочной таблицы для температуры холодного спая при 0°С.

КХС является дифференциальным способом, при котором показания абсолютной температуры находятся из известного значения температуры холодного спая (другое название эталонный спай).

Конструкция термопары

При конструировании термопары учитывают влияние таких факторов, как «агрессивность» внешний среды, агрегатное состояние вещества, диапазон измеряемых температур и другие.

Особенности конструкции термопар:

1) Спаи проводников соединяются между собой скруткой или скруткой с дальнейшей электродуговой сваркой (редко пайкой).

2) Термоэлектроды должны быть электрически изолированы по всей длине, кроме точки соприкосновения.

3) Способ изоляции подбирается с учетом верхнего температурного предела.

До 100-120°С – любая изоляция;
До 1300°С – фарфоровые трубки или бусы;
До 1950°С – трубки из Al₂O₃;
Свыше 2000°С – трубки из MgO, BeO, ThO₂, ZrO₂.

4) Защитный чехол.

Материал должен быть термически и химически стойким, с хорошей теплопроводностью (металл, керамика). Использование чехла предотвращает коррозию в определенных средах.

Удлиняющие (компенсационные) провода

Данный вид проводов необходим для удлинения концов термопары до вторичного прибора или барьера. Провода не используются в случае наличия у термопары встроенного преобразователя с унифицированным выходным сигналом. Наиболее широкое применение получил нормирующий преобразователь, размещенный в стандартной клеммной головке датчика с унифицированным сигналом 4-20мА, так называемая «таблетка».

Материал проводов может совпадать с материалом термоэлектродов, но чаще всего заменяется на более дешевый с учетом условий, предотвращающих образования паразитных (наведенных) термо-ЭДС. Применение удлиняющих проводов также позволяет оптимизировать производство.

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.

Термопары типа T.

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.

Термопара типа N.

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

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.

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.

Так выглядит стандартная термопара на фото.

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

Гильза, внутри которой находятся термоэлектроды с «горячим» спаем проводников, именно она крепится на горелочный модуль котла, рядом с пилотной горелкой (запальником).
Удлинитель, защищенный медной трубкой от внешнего воздействия электромагнитных полей, служит для соединения рабочей части (горячего спая) с электромагнитным газовым клапаном.
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:

Сначала человек механическим путем открывает клапан подачи газа, удерживая кнопку электромагнитного клапана в течение 15-30 секунд.
Затем единожды нажимается кнопка пъезорозжига, возникает искра и зажигается запальная горелка.
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.
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.
Как только горение прекращается, пламя больше не нагревает термопару, вследствие чего напряжения недостаточно для удержания электромагнитного газового клапана открытым, он закрывается, прекращая подачу газа.

Устройство и принцип действия термопары

Действительно, постоянно находиться в зоне открытого пламени может далеко не каждый материал. Термоэлемент же изготовлен из металла, точнее, из нескольких металлов, поэтому высокой температуры не боится. При работе газовой котельной установки без него никак не обойтись, выход из строя термопары означает полную остановку агрегата и немедленный ремонт. Все дело в том, что термоэлемент работает совместно с электромагнитным отсекающим клапаном, перекрывающим вход в топливный тракт. Стоит только этой детали выйти из строя, как клапан закроется, подача топлива прекратится и горелочное устройство потухнет.

Чтобы лучше понять принцип работы термопары газового котла, стоит рассмотреть схему, представленную на рисунке.

Схема термопары

В основе этого принципа лежит следующее физическое явление: если надежно соединить между собой 2 разнородных металла, а потом место соединения нагревать, то на холодных концах этого спая появится разница потенциалов, то есть, напряжение. А при подключении к ним измерительного прибора цепь замкнется и возникнет постоянный электрический ток. Напряжение будет совсем небольшим, но этого вполне достаточно, чтобы в чувствительной катушке электромагнитного клапана возникла индукция и он открылся, позволяя топливу пройти к запальнику.

Для справки. Некоторые современные электромагнитные клапаны настолько чувствительны, что остаются открытыми, пока напряжение на входе не станет ниже 20 мВ. Термоэлемент в обычном рабочем режиме вырабатывает напряжение порядка 40—50 мВ.

Соответственно, устройство термопары газового котла основано на описанном явлении, носящем название эффекта Зеебека. Две детали из различных металлов прочно соединяются между собой в одной или нескольких точках, при этом качество соединения играет большую роль. Оно влияет на рабочие параметры элемента и долговечность его эксплуатации. Место соединения и будет той самой рабочей частью, помещаемой в зону открытого огня.

Поскольку для изготовления термоэлементов применяется множество различных пар металлов, не вдаваясь в подробности, отметим, что в термопаре для газового котла используется пара хромель – алюминий. К холодным концам этих металлов приварены проводники, заключенные в защитную оболочку. Второй конец проводников вставляется в соответствующее гнездо автоматики агрегата и закрепляется с помощью зажимной гайки.

В процессе розжига запальника и горелки газового котла для подачи топлива мы открываем электромагнитный клапан вручную, нажимая на его шток. Газ попадает на запальник и поджигается, а термопара находится рядом и нагревается от его пламени. Спустя 10—30 сек кнопку можно отпускать, так как термоэлемент уже начал вырабатывать напряжение, удерживающее шток клапана в открытом состоянии.

Термопара принцип действия термопреобразователя сопротивления ТСПТ (ТСМТ)

Термопреобразователи сопротивления ТСПТ (ТСМТ) с двухпроводной схемой подключения изготавливаться только с классом допуска В или С и имеют ограничения по монтажным длинам и длинам удлинительных проводов. В соответствии с требованиями ГОСТ 6651-2009, для датчиков с двух проводной схемой подключения, сопротивление внутренних проводов не должно превышать 0,1% номинального сопротивления ТС при 0°С. В связи с этим для различных НСХ присутствуют ограничения по монтажным длинам:

– для датчиков с клеммной головкой максимальная монтажная длина составляет Lmax= (500÷1250) мм в зависимости от конструктивной модификации,
– для датчиков с удлинительным проводом, максимальная длина провода составляет ℓ max= (500÷1000) мм в зависимости от конструктивной модификации.

Датчики с трех- и четырехпроводной схемой подключения, в зависимости от конструктивных модификаций, изготавливаются по классу допуска АА, А, В, С. При изготовлении ограничения по монтажным длинам и длинам удлинительных проводов отсутствуют. Следует учитывать, что у вторичных приборов, к которым подключаются датчики, могут существовать ограничения по входному сопротивлению измерительной линии, которая в свою очередь зависит от длины провода датчика.

Таблица 1. Номинальное сопротивление R0

Обозначение варианта исполнения ТС	Pt	П	М
Температурный коэффициент a, °С-1	0,00385	0,00391	0,00428
Номинальное сопротивление R, Ом	100, 500; 1000	50, 100	50, 100

Неопределенность измерений термометров сопротивления

Термопреобразователь сопротивления может быть признан годным изготовителем (или поверочным центром), если отклонение сопротивления ТС от НСХ с учетом расширенной неопределенности измерения в лаборатории изготовителя или поверителя, рассчитанное в эквиваленте температуры (R–Rнсх ± Uпр)/(dR/dt), находится внутри интервала допуска ±Δt (см. ТС № 1 на рис. 3).

Термопреобразователь сопротивления может быть забракован потребителем только в том случае, если отклонение сопротивления ТС от НСХ с учетом расширенной неопределенности измерения в условиях использования термометра потребителем, рассчитанное в эквиваленте температуры (R–Rнсх ± Uпотр)/(dR/dt), находится полностью вне интервала допуска ±Δt.

Такое правило приемки с одной стороны снижает риск потребителя, который может приобрести некачественный термометр сопротивления только по причине больших погрешностей измерений на производстве, с другой стороны, это правило стимулирует изготовителя использовать при приемке термометров высокоточное измерительное оборудование. Правило также является очень важным при установлении брака Заказчиком, т. к. Заказчик тоже обязан оценить неопределенность своих измерений и уже после этого предъявлять претензии к изготовителю.

Объем и последовательность первичной и периодической поверок ТС установлены в соответствии с ГОСТ Р 8.624 при этом перечень обязательных контролируемых параметров одинаков. Первичная поверка, осуществляемая аккредитованной метрологической службой нашего предприятия, совмещается с приемо-сдаточными испытаниями.

На неопределенность результатов измерений температуры термопарами и термометрами сопротивления влияют многие факторы, основные из них это:

– случайные эффекты при измерении;
– неопределенность измерения регистрирующего прибора;
– класс допуска термопары или термометра сопротивления;
– изменение характеристики ТП или ТС за межповерочный интервал (МПИ);
– для ТП дополнительно класс точности удлинительных проводов, соединяющей термопару с регистрирующим прибором и погрешность компенсации температуры опорных спаев;

Характеристики источников неопределенности измерения температуры термоэлектрическим преобразователем представлены в таблице 3. Бюджет неопределенности составлен в соответствии с Руководством по выражению неопределенностей и нормативными документами.

Вклад случайных эффектов, характеристики нестабильности измеряемой температуры и теплового контакта со средой в расчетах не учитывались, исходя из того, что эти величины зависят от условий применения.

Выбор измерительного тока также влияет на точность измерения температуры. Поскольку ЧЭ изготовлен из очень тонкой проволоки или пленки, даже малый ток может вызвать существенный нагрев ЧЭ. Во избежание значительного увеличения погрешности из-за нагрева ЧЭ измерительным током для 100-омных ТС рекомендуется использовать токи 1 мА и ниже. В этом случае погрешность не превысит 0,1 °С. Для снижения эффекта нагрева ЧЭ иногда используется импульсный измерительный ток.

Принцип работы

Термопара, принцип работы которой основан на эффекте, открытом Т. Зеебеком в 1822 г., является исключительно дифференциальным сенсором.

Этот принцип таков: в цепи замкнутого типа из двух проводников разного типа в случае наличия температурного градиента между спаями появляется электрический ток. Термопары создаютэлектрический сигнал, являющийся пропорциональным разнице температур двух разных точек. Таким образом, спай, используемый для измерения необходимой температуры, именуется «горячим», а другой спай – «холодным».

Как правило, измеряемая температура выше, чем температура, в которой расположен прибор для измерения. Трудности применения пар относятся к использованию напряжения «холодного» спая. В основном, требуется измерение температуры в конкретной точке, а не разницу температур двух точек, что выполняет термопара.

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.

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.

Принцип работы термопары

Термоэлектрический преобразователь – это два проводника (А и В), которые созданы из разных металлов (сплавов). Они объединены в единую электрическую цепь. Места соединений (t1 и t2) помещают в зоны с разными температурами. Это действие инициирует возникновение электродвижущей силы (тока).

Схема, поясняющая принцип действия термопары

Примечания:

А (В) – положительный (отрицательный) электрод, соответственно;
t1 – «горячий спай», который устанавливают в области с высокой температурой;
t2 – «холодный спай», расположенный снаружи для подключения измерительных приборов.

К сведению. Рассмотренное выше явление называют «эффектом Зебека» по имени ученого, сделавшего открытие. Он смог основать заключение о главных принципах построения измерительных приборов.