Термопары устройство и принцип работы простым языком типы

Принцип действия термопары

Принцип работы термопары основан на термоэлектрическом эффекте. Явление термоэлектричества было открыто немецким физиком Т. Зеебеком (T. Seebeck) в 1821 г. и также получило название эффект Зеебека.

Эффект Зеебека состоит в следующем: если соединить два проводника (термоэлектрода) из разнородных металлов или сплавов таким образом, чтобы они образовали замкнутую электрическую цепь (Рисунок 1), и затем поддерживать места контактов (спаи) при различной температуре, то в цепи будет протекать постоянный ток. Цепь, которая состоит только из двух различных проводников (термоэлектродов), называется термоэлементом или термопарой.

https://www.youtube.com/watch?v=jP0vp1dY374

Электродвижущая сила, вызывающая ток в цепи, называется термо-ЭДС Зеебека и в первом приближении зависит только от материала термоэлектродов и разности температур спаев.

Термоэлектрод, по которому ток идет от горячего спая к холодному, договорились считать положительным, от холодного к горячему – отрицательным. При обозначении термопары, например ТХА (термопара хромель-алюмель), на первом месте в названии указывается материал положительного электрода, на втором – отрицательного.

Таким образом, зная температуру одного спая (обычно ее поддерживают постоянной, например, равной 0 °С) и измеряя ток или напряжение в цепи, можно однозначно определить неизвестную температуру другого спая.

Стоит заметить, что величина термо-ЭДС составляет милливольты при разности температур в 100 К (173,15 °С) и температуре холодного спая в 0 °С (например, пара медь-константан дает 4,25 мВ, платина-платинородий — 0,643 мВ).

Правильнее говорить, что температуру измеряют не с помощью термопары, а с помощью термоэлектрического термометра. Чувствительным элементов такого термометра является термопара; термометрической величиной – термо-ЭДС, возникающая в термопаре; термометрическим свойством – изменение термо-ЭДС с изменением температуры;.

Основными факторами, от которых зависит конструкция термопары, являются условия ее эксплуатации. При конструировании того или иного термоэлектрического преобразователя учитываются такие факторы, как агрегатное состояние вещества, температуру которого требуется измерять, «агрессивность» внешней среды, диапазон измеряемых температур, тепловая инерционность и другие.

Можно выделить следующие особенности конструкции термопар:

  • Концы двух термоэлектродов соединяются между собой в одной точке, образуя рабочий спай. Соединение происходит, как правило, с помощью электродуговой сварки, а термоэлектроды перед сваркой скручивают между собой. В специальных случаях вместо сварки может применяться пайка. Термоэлектроды из тугоплавких металлов, например, в вольфрам-рениевых или вольфрам-молибденовых термопарах, часто соединяют только скруткой без дальнейшей сварки.
  • Термоэлектроды должны быть соединены между собой только в рабочем спае. По всей остальной длине требуется их электрическая изоляция друг от друга.
  • Способ изоляции термоэлектродов зависит от верхнего температурного предела применения термоэлектрического термометра. Если указанный предел не превышает 100-120 °С, то может применяться любая изоляция, в том числе воздушная. При температурах до 1300 °С изоляцию выполняют с помощью фарфоровых одно- и двухканальных трубок или бус. При более высоких температурах электроизоляционные свойства пирометрического фарфора сильно ухудшаются, а сам он размягчается. В связи с этим при более высоких температурах используют трубки из окиси алюминия (до 1950 °С) и из окиси магния, окиси бериллия, двуокиси тория и двуокиси циркония (выше 2000 °С).
  • В зависимости от среды, в которой осуществляется измерение температуры, термопара может иметь наружную защитную трубку-чехол с закрытым концом. Данная трубка может быть металлической, керамической или металлокерамической. Она должна обеспечивать механическую стойкость термоэлектрического термометра, отсутствие механического напряжения термоэлектродов, гидроизоляцию, а в некоторых случаях герметичность термометра. Материал защитной трубки-чехла должен выдерживать длительное пребывание при температуре верхнего предела применения данной конструкции термопары, а также быть химически стойким к среде, в которой осуществляются измерения, обладать хорошей теплопроводностью. Защитная трубка-чехол должна быть газонепроницаемой и нечувствительной к действию резких изменений температуры.

На рисунке Рисунок 2 представлен один из вариантов конструктивного исполнения термопары.

Классификация типов конструктивного исполнения термопарПо назначению и условиям эксплуатации:

  • погружаемые;
  • поверхностные.

По наличию и материалу защитного чехла:

  • изготовляемые без чехла;
  • со стальным чехлом (до t ≈ 600 °С);
  • с чехлом из специального жаростойкого сплава (до t ≈ 1000-1100 °С);
  • с фарфоровым чехлом (до t ≈ 1300 °С);
  • с чехлом из тугоплавких сплавов (t ≈ 2000 °С и более).

По конструкции крепления термопары на месте установки:

  • с неподвижным штуцером;
  • с подвижным штуцером;
  • с подвижным фланцем.

По защищенности от внешней среды со стороны выводов:

  • с обыкновенной головкой;
  • с водозащищенной головкой;
  • со специальной заделкой выводных концов (без головки).

Компенсация холодного спая

По защищенности от измеряемой среды:

  • защищенные от воздействия неагрессивных и агрессивных сред;
  • незащищенные (применяются, когда измеряемая среда не оказывает вредного влияния на термоэлектроды).

По герметичности, рассчитанные на высокое давление измеряемой среды:

  • негерметичные;
  • герметичные, предназначенные для работы при различных условных давлениях и температурах.

По устойчивости к механическим воздействиям:

  • вибротрясоустойчивые;
  • ударопрочные;
  • обыкновенные.

По степени тепловой инерции:

  • с большой инерционностью – до 3,5 минут;
  • со средней инерционностью – до 1 минуты;
  • малоинерционные – до 40 секунд;
  • с ненормированной инерционностью.

Длина рабочей части термопары может быть различной: от 120 до 1580 мм для однозонных термоэлектрических преобразователей, до 20000 мм – для многозонных.

Согласно принципу работы термопары, описанному в Глава 1, §1, свободные концы термопары (холодный спай) должны находиться при постоянной температуре, желательно близкой к 0 °С. К этим концам присоединяют соединительные провода, которые идут к измерительному прибору. Если располагать свободные концы в головке термоэлектрического термометра (см.

Рисунок 2), то выполнить данное условие практически невозможно. Головка термометра может находиться при очень высоких температурах, а также эти температуры могут меняться из-за изменения состояния среды, в которой осуществляются измерения. Также не всегда возможно разместить измерительный прибор в непосредственной близости от термопары.

В простейшем случае компенсационные провода могут быть изготовлены из тех же сплавов, что и термоэлектроды. Но, как правило, провода, выводимые из головки термометра, будут находиться при температурах гораздо более низких, чем термоэлектроды. Этот факт позволяет заменить дорогостоящие термоэлектродные сплавы со специальными свойствами на более дешевые сплавы.

Схема термоэлектрической цепи, которая получается при наличии удлиняющих проводов, представлена на рисунке Рисунок 3.

Провода, удовлетворяющие условию EAB(T1; T0) = ECD(T1; T0), называются удлиняющими (компенсационными). Такие провода, соединенные с термоэлектродами и соединительными проводами, развивают при небольших температурах (не более 100-150 °С) термо-ЭДС, равную термо-ЭДС термопары. Основное назначение компенсационных проводов – отведение свободных концов термопары в зону с известной и постоянной температурой.

В качестве примера можно рассмотреть термопару платинородий-платина (ТПП). Для данной термопары в качестве удлиняющих используются провода, изготовленные из меди и медно-никелевого сплава (0,6% Ni 99,4% Cu). При T1 = 100 °С и T0 = 0 °С они развивают такую же термо-ЭДС, как и платинородий с платиной – 0,64 мВ. В данном случае применение удлиняющих проводов позволит использовать меньшее количество дорогостоящих платинородия и платины.

Конструкция компенсационных проводов представлена на рисунке Рисунок 4.

Любое измерение выполняется с той или иной точностью. Точность измерения зависит от метода, внешних условий, состояния средств измерения и некоторых других факторов. Далее приводятся основные источники погрешностей измерений температуры с помощью термопар.

  • Изменение термо-ЭДС в процессе работы термопары. Данное явление получило название термоэлектрической нестабильности термоэлектродных сплавов. Установлено, что в процессе эксплуатации все термоэлетродные сплавы изменяют свою термо-ЭДС, что приводит к изменению показаний термопар. При относительно низких температурах или при кратковременной эксплуатации изменения термо-ЭДС могут быть незначительными и не увеличивать погрешность измерений. При высоких температурах или длительной эксплуатации термопар нестабильность может достигать больших значений, что приводит к существенному снижению точности измерений. Основными причинами, вызывающими термоэлектрическую нестабильность, являются: взаимодействие термоэлектродов с окружающей средой; взаимодействие электродов с изолирующими и защитными материалами; взаимодействие термоэлектродов друг с другом; внутренние процессы, протекающие в термоэлектродных сплавах при изменении температуры, воздействии радиации, электромагнитных полей, высокого давления.
  • На точность измерений может оказывать влияние сопротивление изоляции термоэлектродов. Под влиянием высоких температур может понизиться электрическое сопротивление изоляции термоэлектродов, что, в свою очередь, может привести к существенному искажению показаний термопары.
  • К возникновению погрешностей измерений может привести неправильный выбор измерительного прибора. При уменьшении диаметра термоэлектродов возрастает удельное сопротивление (сопротивление на единицу длины) цепи. Такой же эффект наблюдается и при повышении температуры. Если входное сопротивление измерительного прибора не соответствует сопротивлению подключенной цепи, то могут возникнуть большие погрешности измерений.
  • Причиной возникновения погрешностей может стать изменение температуры свободных концов термопары. Эта температура может изменяться в процессе измерения либо может отличаться от температуры свободных концов во время градуировки термопары.
  • Погрешность измерения может возникнуть из-за того, что электроды термопары имеют различные значения термо-ЭДС вдоль своей длины. Данное явление называется термоэлектрической неоднородностью термоэлектродных сплавов и возникает из-за неоднородности физических свойств металлов и сплавов, из которых изготовлены электроды термопары. Неоднородность физических свойств обусловлена колебаниями состава и структуры материалов. Причинами таких колебаний могут быть радиоактивное облучение, механическое или электромагнитное воздействие на непосредственно электроды или заготовки, из которых они изготовлены, химические реакции, протекающие в процессе изготовления или эксплуатации электродов термопары.
  • Погрешности в определении градуировочной характеристики эталонных термопар.
  • Отклонение градуировочной характеристики термопар от стандартной градуировочной таблицы.
ЧИТАТЬ ДАЛЕЕ:  ТОП-10 лучших шуруповертов для ледобура рейтинг 2020 года как выбрать устройство и какой мощности отзывы покупателей

Принцип работы устройства

С конструктивной точки зрения – это два разных проводника, которые припаяны (или приварены) друг к другу на одном из концов. Место их соединения называется спаем. А в качестве проводников используются разные материалы, и в зависимости от этого диапазон измеряемой термопарой температуры составляет от -250 ᴼC до 2000 ᴼC, а то и более. В большинстве случаев это металлы, полупроводники используются реже.

К примеру, при нагреве железа возникает положительное напряжение равное 15 мкВ на каждый 1 °C, в то время как в никеле создается отрицательное значение тока -20,8 мкВ. Поскольку в большинстве случаев используется сплав алюмеля с хромелем, то при нагреве до температуры 300 °С «дуэт» этих металлов образует напряжение 12 мВ.

Этого вполне достаточно для срабатывания электромагнитного реле, которое удерживает кран безопасности открытым. Но стоит только температуре упасть (что происходит практически мгновенно), реле отключается, в результате чего клапан закрывается.

Такое объяснение принципа действия термопары простыми словами будет вполне понятно многим.

Это может говорить о том, что термопара неисправна и требует замены, поскольку неремонтопригодна. Или же между устройством и электромагнитным клапаном плохой контакт.

[tchecklist]

  • Откручивается прижимная гайка, что удерживает термопару на электромагнитном клапане, после чего устройство извлекается.
  • Внимательно осмотреть разъем – есть ли окислы или загрязнения? В случае чего, пройтись мелкой шкуркой.
  • Проверить работоспособность при помощи мультиметра. Для этого один конец устройства соединяется с прибором, а другой нужно нагреть. Можно воспользоваться ручной газовой горелкой или чем-нибудь еще (свечка). У исправной термопары напряжение должно быть до 50 мВ.
  • Если диагностика прошла успешно, остается установить термопару на свое место и еще раз запустить котел.

[/tchecklist]

Любой, кто осведомлен, что такое термопара, может прийти к правильному выводу – все дело в самом электромагнитном клапане. Однако и он может быть исправен. Тогда нужно прочистить место соединения проводников, после чего найти удачное положение прижимной гайки, при котором обеспечивается хороший контакт.

Хромель-алюминиевые термопары

Данные схемы термопар применяются в большинстве случаев для производства различных датчиков и щупов, позволяющих контролировать температуру в промышленном производстве.

Их отличительными особенностями можно назвать довольно низкую цену и огромный диапазон измеряемой температуры. Они позволяют зафиксировать температуру от -200 до 13000 градусов Цельсия.

Нецелесообразно применять термопары с подобными сплавами в цехах и на объектах с высоким содержанием серы в воздухе, так как этот химический элемент негативно влияет как на хром, так и на алюминий, вызывая нарушения в функционировании устройства.

Для чего применяется термопара?

[tchecklist]

  • воздух;
  • вода;
  • смазочные материалы.

[/tchecklist]

Главная задача, которая стоит перед устройством подобного вида, заключается в обеспечении автоматического отключения оборудования в случае какой-либо неисправности газового котла.

Как правило, термопара присутствует не только в котлах, но и плитах, также работающих на таком топливе. Здесь устройство служит для электроподжига газа при его подаче. Это ее основной элемент и работа термопары сводится к управлению клапана безопасности газового крана. То есть прибор производит его открытие или закрытие, исходя из того, есть ли пламя или его нет. Но помимо этого, термопара может выступать в качестве температурного датчика.

В быту термопара может присутствовать и в других приборах. Ими оснащаются некоторые модели паяльников. Есть модели мультиметров, которые позволяют проводить замеры температуры. В этом случае в комплект их поставки входят такие устройства, имеющие специальные разъемы для подключения к прибору.

Хромель-копелевые термопары

Принцип действия термопары, контактная группа которой состоит из этих сплавов, такой же. Но эти устройства работают в основном в жидкости либо газообразной среде, обладающей нейтральными, неагрессивными свойствами. Верхний температурный показатель не превышает 8000 градусов Цельсия.

Применяется подобная термопара, принцип действия которой позволяет использовать ее для установления степени нагрева каких-либо поверхностей, например, для определения температуры мартеновских печей либо иных подобных конструкций.

Технологические особенности конструкций термопар

Обычно для производства термопар используются неблагородные металлы. А чтобы защитить рабочие элементы от воздействия внешних факторов, они помещены в трубку, оснащенную подвижным фланцем.

Он служит в качестве средства крепления конструкции. Трубка термопары для газового котла изготавливается из обычной либо нержавеющей стали, а чтобы исключить контакт электродов между собой, используются такие средства как асбест, фарфоровые трубки либо керамические бусы.

термопара

Хоть в основном термопары производятся из неблагородных металлов, благородные материалы позволяют им существенно повысить точность измерений. Здесь в меньше степени проявляется термоэлектрическая неоднородность. К тому же они более стойки к окислению, а поэтому такие конструкции отличаются высокой стабильностью. Только такие устройства весьма дороги.

Конструктивно термопары могут производиться по-разному. Это и бескорпусный вариант, где место соединения двух проводников не закрыто. Такое устройство обеспечивает практически мгновенное измерение температуры, а инертность заметно ниже.

Второе исполнение термопары для газовой плиты или котла – это зонды. Такая конструкция получила большее распространение, поскольку актуальна для производственных целей, где требуется защита рабочих элементов от агрессивных сред измерения. Но и в быту они также используются чаще, чем первый тип.

Существует две основные разновидности конструкций термопар.

  • С применением изоляционного слоя. Данная конструкция термопары предусматривает изолирование рабочего слоя устройства от электрического тока. Подобная схема позволяет использовать термопару в технологическом процессе без изоляции входа от земли.

  • Без применения изоляционного слоя. Такие термопары могут подключаться лишь к измерительным схемам, входы которых не имеют контакта с землей. Если данное условие не соблюдается, в устройстве возникнет две независимых замкнутых схемы, в результате чего показания, полученные с помощью термопары, не будут соответствовать действительности.

При изготовлении рабочей схемы термопары производится спайка двух металлических контактов, которые, как известно, изготовлены из разных материалов. Место соединения носит название «спай».

Следует отметить, что делать данное соединение с помощью спайки необязательно. Достаточно просто скрутить вместе два контакта. Но такой способ производства не будет обладать достаточным уровнем надежности, а также может давать погрешности при снятии температурных показателей.

Если необходимо измерение высоких температур, спайка металлов заменяется на их сварку. Это связано с тем, что в большинстве случаев припой, применяемый при соединении, имеет низкую температуру плавления и разрушается при превышении ее уровня.

Схемы, при изготовлении которых была применена сварка, выдерживают более широкий диапазон температуры. Но и этот способ соединения имеет свои недостатки. Внутренняя структура металла при воздействии высокой температуры в процессе сваривания может измениться, что повлияет на качество получаемых данных.

Кроме того, следует контролировать состояние контактов термопары в процессе ее эксплуатации. Так, возможно изменение характеристик металлов в схеме вследствие воздействия агрессивной окружающей среды. Может произойти окисление либо взаимная диффузия материалов. В подобной ситуации следует заменить рабочую схему термопары.

Практически единственным устройством, подходящим для измерения температур с крайне большим значением является термопара. Она может использоваться для множества разнообразных устройств, в том числе и для газовых котлов.

Поскольку термопара рассчитана на работу в условиях высокой температуры, для её изготовления применяются термостойкие материалы. Если говорить более точно, этот элемент производится с использованием нескольких металлов, что позволяет обеспечить ему необходимые свойства. Поскольку работа газового котла без применения термопары просто невозможна, то  любая её поломка влечёт за собой  необходимость полной остановки рабочего процесса и наискорейшей замены элемента.

Рис.1: Схема термопары в газовом котле

Если говорить простым языком, то принцип работы термопары заключается в следующем: при спаивании между собой двух различных металлов и последующем нагревании точки спая, на противоположных концах получившегося элемента формируется разница потенциалов. Другими словами, образуется напряжение. Подключённый к этим концам измерительный прибор, позволяет замкнуть цепь и формирует условия для появления электрического тока. Уровень напряжения при этом довольно незначительный, однако его хватает для открытия электромагнитного клапана, пропускающего топливо к запальнику.

В работе термопары реализуется так называемый эффект Зеебека. С точки зрения учёных данный эффект обуславливается тем, что частицы, транспортирующие заряд в момент нагрева изменяют свой энергетический уровень. Как результат: поток электронов движется по направлению к холодной части проводника, либо наоборот, формирую электродвижущую силу плюсового или минусового значения.

Конкретное направление движения частиц определяется характеристиками проводящих  материалов, из которых «собран» элемент. Самым важной точкой в конструкции этого элемента является место спайки металлов. Именно качественно выполненное соединение обеспечивает долговечность и бесперебойную работу элемента.

Существует несколько возможных сочетаний металлов для создания термопары. В газовых котлах применяют элементы состава хромель-алюминий. Каждый из холодных концов при этом с помощь проводника покрытого защитной оболочкой соединяется с соответствующим гнездом автоматики, где и крепится зажимной гайкой.

Чтобы в необходимый момент подать топливо на запальник, изначально придётся заняться открытием электромагнитного клапана вручную. Для этого достаточно нажать на шток, тогда газ попадёт на запальник, который его и подожжёт, после чего начинает происходить нагрев термоэлемента. Спустя полминуты удерживать клапан открытым самостоятельно уже нет необходимости, поскольку выработка напряжения термоэлементом уже началась.

ЧИТАТЬ ДАЛЕЕ:  Устройство канализации в частном доме своими руками.

Железо-константановые термопары

Данное сочетание контактов в термопаре не настолько распространено, как первая из рассматриваемых разновидностей. Принцип работы термопары такой же, однако подобная комбинация хорошо показала себя в разреженной атмосфере. Максимальный уровень замеряемой температуры не должен превышать 12500 градусов Цельсия.

Однако, если температура начинает подниматься выше 7000 градусов, существует опасность нарушения точности измерений в связи с изменением физико-химических свойств железа. Имеют место даже случаи коррозии железного контакта термопары при наличии в окружающем воздухе водных паров.

Разновидности термопар

Современная индустрия производит несколько конструкций, которые применяются при изготовлении термопар:

  • с открытым спаем;

  • с изолированным спаем;

  • с заземленным спаем.

Особенностью термопар с открытым спаем является плохая сопротивляемость внешнему воздействию.

Следующие два типа конструкции могут применяться при измерении температур в агрессивных средах, оказывающих разрушительное влияние на контактную пару.

Кроме того, в настоящее время промышленность осваивает схемы производства термопар по полупроводниковым технологиям.

Напряжение, измеряемое на холодном спае, зависит от разницы температур горячего и холодного спаев; поэтому, необходимо знать температуру холодного спая, чтобы рассчитать температуру горячего спая. Этот процесс называется «компенсацией холодного спая» (КХС). КХС выполняется управления, устройством аварийных отключений или другим устройством формирования сигнала.

Рисунок 2a — Компенсация холодного спая

Точное проведение КХС имеет решающее значение для точности измерения температуры. Точность КХС зависит от двух факторов: точности измерения эталонной температуры и близости точки эталонного измерения к холодному спаю. Во многих измерительных преобразователях используется изотермическая клеммная колодка (часто выполненная из меди) со встроенным прецизионным термистором, ТС или транзистором для измерения температуры колодки.

СОВЕТ: Следует использовать полевые измерительные преобразователи, а не преобразователи с подключением проводами напрямую к диспетчерской.

Основное различие между термопарами кроется в используемом материале для изготовления проводников. При этом встречаются довольно необычные названия сплавов, о которых могут знать лишь любители кроссвордов или сканвордов. В зависимости от этого все устройства делятся на несколько типов. Более наглядно это можно увидеть на таблице ниже.

Тип

Маркировка (отечественная)

Используемый сплав

Температурный диапазон, °C

B

ТПР

платина и родий

100…1800

E

ТХКн

хромель и константан

0…600

J

ТЖК

железо и константан

-100…1200

K

ТХА

хромель и алюмель

-200…1300

L

ТХК

хромель и копель

-200…850

N

ТНН

нихросил и нисил

-200…1300

R

ТПП13

платина и родий

0…1700

S

ТПП10

платина и родий

0…1700

T

ТМКн

медь и константан

-200…400

При этом из всех перечисленных типов бытовое газовое оборудование с автоматикой оснащается лишь тремя – это разновидности K, E и N.

Преимущества

К преимуществам использования подобных устройств для контроля температуры, независимо от области применения, можно отнести:

  • большой промежуток показателей, которые способны быть зафиксированы с помощью термопары;

  • спайку термопары, которая непосредственно участвует в снятии показаний, можно расположить в непосредственном контакте с точкой измерения;

  • несложный процесс изготовления термопар, их прочность и долговечность эксплуатации.

[tchecklist]

  • Выполняет несколько функций: контролирует пламя и замеряет температуру.
  • В устройстве этих элементов нет ничего сложного, поскольку отсутствуют какие-либо дополнительные детали.
  • Способность выдерживать широкий диапазон измеряемой температуры.
  • Высокая точность измерений, за счет чего этими устройствами оснащаются газовые котлы и колонки.
  • Легкий монтаж и обслуживание, с чем может справиться абсолютно любой владелец частной недвижимости.
  • Долгий срок службы.
  • Надежность.
  • За счет простоты конструкции термопары несложно изготовить.

[/tchecklist]

Все эти и многие другие достоинства, которыми обладают термопары для котлов современного типа, знакомы большинству производителей газового оборудования.

И теперь с их помощью можно розжиг плиты или котла более безопасен, чем раньше. Нам, как рядовым потребителям, тоже понятно, откуда у таких устройств большая популярность.

Вольфрам-рениевые термопары

Также применяются для измерения сверхвысоких температур. Максимальный предел, который можно зафиксировать с помощью данной схемы, достигает 25 тысяч градусов по шкале Цельсия.

Их применение требует соблюдения некоторых условий. Так, в процессе измерения температуры нужно полностью устранить окружающую атмосферу, которая оказывает негативное воздействие на контакты в результате процесса окисления.

Для этого вольфрам-рениевые термопары обычно помещают в защитные кожухи, заполненные инертным газом, защищающим их элементы.

Выше была рассмотрена каждая существующая термопара, устройство, принцип работы ее в зависимости от применяемых сплавов. Теперь рассмотрим некоторые конструктивные особенности.

Достоинства и недостатки применения термопары

Динамическое быстродействие первичного преобразователя может быть важно, если температура технологического процесса меняется быстро и в систему управления необходимо подавать быстро меняющиеся входные сигналы. Первичный преобразователь, установленный непосредственно в технологическую линию, будет иметь большее быстродействие, чем первичный преобразователь с защитной гильзой.

Важно отметить, что если никакой защитной гильзы не применяется, чувствительный элемент подвергается воздействию среды технологического процесса и его невозможно заменить, не прерывая потока, для чего часто требуется останавливать технологический процесс и опорожнять технологическую систему. Указания по проектированию на большинстве производств не позволяют использовать первичные преобразователи без защитных гильз.

Термопары устройство и принцип работы простым языком типы

Такие установки гораздо менее безопасны с точки зрения возможной разгерметизации технологических установок, в них возможны более частые выходы из строя первичных преобразователей из-за воздействия неблагоприятных условий технологического процесса, и они часто требуют дорогостоящих остановок технологического процесса для замены отказавшего первичного преобразователя. Применение защитных гильз решает эту проблему.

Но если используется защитная гильза, очевидно, что время реакции увеличивается (быстродействие уменьшается) из-за возрастания тепловой массы узла. Ключом к оптимизации быстродействия является уменьшение массы при сохранении достаточной физической прочности, чтобы узел выдерживал давление технологического процесса и силы, создаваемые потоком среды.

Защитные гильзы меньшего диаметра обеспечивают более высокое быстродействие, так как требуется нагревать и охлаждать меньшее количество материала. Также важно правильно установить первичный преобразователь, чтобы добиться высокого быстродействия. Первичный преобразователь должен быть достаточно длинным, чтобы его конец касался дна защитной гильзы для обеспечения хорошей теплопроводности.

Диаметр первичного преобразователя также должен быть таким, чтобы он плотно входил в защитную гильзу и воздушный зазор между первичным преобразователем и защитной гильзой был минимален. Кроме того, быстродействие улучшается путем использования подпружиненного первичного преобразователя и заполнения пустот в гильзе теплопроводящим наполнителем.

Характеристики измеряемой среды также влияют на быстродействие, особенно ее скорость потока и плотность. Быстро движущаяся среда передает тепло и меняющуюся температуру лучше, чем медленно движущаяся, а более плотные среды (жидкости) являются лучшими проводниками тепла, чем среды с малой плотностью (газы).

Сравнение быстродействия систем измерения температуры, использующих термопару без защитной гильзы или ТС без защитной гильзы в системе с текущей водой показало, что заземленный конец термопары имеет быстродействие примерно в 2 раза выше, чем подпружиненный датчик ТС. При измерениях в потоке воздуха ТС работает несколько быстрее, чем термопара.

Однако эти преимущества существенно нивелируются, если не исчезают полностью, когда первичный преобразователь устанавливается в защитную гильзу. Масса защитной гильзы настолько велика по сравнению с массой первичного преобразователя, что она очевидно оказывает доминирующее влияние на быстродействие системы.

При использовании первичного преобразователя диаметром 6 мм (1/4 дюйма) в системе измерения температуры воды, быстродействие термопары и ТС примерно одинаковое, а при использовании первичного преобразователя диаметром 3 мм, термопара несколько быстрее, чем ТС. При измерении температуры воздуха быстродействие термопар и ТС примерно одинаковое при использовании как 3-миллиметровых (1/8 дюйма), так и 6-миллиметровых первичных преобразователей.

Поскольку в очень малом количестве технологических процессов используются для измерения первичные преобразователи без защитных гильз, изначально присущее термопарам преимущество в быстродействии значительно нивелируется. Вдумчивый разработчик выбирает наилучший первичный преобразователь для данной системы, основываясь на множестве других факторов, и не руководствуется вводящими в заблуждение утверждениями, которые можно слышать так часто: «термопары всегда быстрее, чем ТС».

Многоточечные первичные преобразователи температуры для измерения температурного профиля измеряют температуры в различных точках вдоль линии. Они нашли широкое применение в химической и нефтехимической отраслях для снятия распределения температур в баках, реакторах, установках каталитического крекинга и дистилляционных установках или колоннах фракционирования.

Эти первичные преобразователи для снятия распределения температуры способны обеспечивать измерение в нескольких точках, от 2 до 60, в одной защитной трубке с одной точкой ввода в установку. Первичными преобразователями могут быть либо датчики ТС, либо термопары, в зависимости от требований конкретной системы.

Заключение

Термопары устройство и принцип работы простым языком типы

В этой главе мы подробно рассмотрели теорию, расчет, конструкцию, установку и эксплуатацию двух первичных преобразователей температуры, наиболее широко применяемых в промышленных технологических процессах — термопреобразователей сопротивления и термопар. Из сказанного выше о точности и эксплуатационных характеристиках каждого из типов первичных преобразователей можно сделать вывод, что существует множество факторов, влияющих на принятие решения, которые необходимо учитывать при выборе правильного первичного преобразователя для конкретной системы.

В некоторых системах с высокими температурами термопары являются единственным возможным решением, а в других системах могут работать любые первичные преобразователи. При принятии решения следует руководствоваться и другими соображениями, включая требуемую точность системы измерения, эксплуатационные характеристики при длительной эксплуатации и стоимость эксплуатации.

Достоинства:

  • Несложная и недорогая конструкция;
  • Термопара является одновременно и температурным датчиком, датчиком контроля пламени;
  • Продолжительный срок эксплуатации ввиду отсутствия движущихся деталей;
  • Большой спектр фиксируемых температур;
  • Производимые измерения отличаются достаточной точностью;
  • Элемент легко монтируется и переустанавливается.
ЧИТАТЬ ДАЛЕЕ:  Установка септика топас монтаж и обслуживание своими руками

Недостатки:

  • Зависимость между разницей потенциалов и температурой не является линейной;
  • Существует предельный уровень напряжения в 50 мВ, что создаёт некоторую неточность при выявлении температурных значений;
  • Возможность ремонта элемента практически отсутствует, в большинстве случаев приходится прибегать к полной замене.

Правильность температурных показателей, получаемых с помощью термопары, зависит от материала контактной группы, а также внешних факторов. К последним можно отнести давление, радиационный фон либо иные причины, способные повлиять на физико-химические показатели металлов, из которых изготовлены контакты.

Погрешность измерений состоит из следующих составных частей:

  • случайная погрешность, вызванная особенностями изготовления термопары;

  • погрешность, вызванная нарушением температурного режима «холодного» контакта;

  • погрешность, причиной которой послужили внешние помехи;

  • погрешность контрольной аппаратуры.

К недостаткам применения термопары следует отнести:

  • Необходимость в постоянном контроле температуры «холодного» контакта термопары. Это отличительная особенность конструкции измерительных приборов, в основе которых лежит термопара. Принцип действия данной схемы сужает область ее применения. Они могут быть использованы только в том случае, если температура окружающего воздуха ниже температуры в точке измерения.

  • Нарушение внутренней структуры металлов, применяемых при изготовлении термопары. Дело в том, что в результате воздействия внешней окружающей среды контакты теряют свою однородность, что вызывает погрешности в получаемых температурных показателях.

  • В процессе измерения контактная группа термопары обычно подвержена негативному влиянию окружающей среды, что вызывает нарушения в процессе работы. Это опять же требует герметизации контактов, что вызывает дополнительные затраты на обслуживание подобных датчиков.

  • Существует опасность воздействия электромагнитных волн на термопару, конструкция которой предусматривает длинную контактную группу. Это также может сказаться на результатах измерений.

  • В некоторых случаях встречается нарушение линейной зависимости между электрическим током, возникающим в термопаре, и температурой в месте измерения. Подобная ситуация требует калибровки контрольной аппаратуры.

К сожалению, у таких простых приборов наряду с очевидными достоинствами присутствуют и некоторые недостатки. Прежде всего, стоит упомянуть погрешность, которая обычно составляет 0,5-2 градусов. Поэтому чтобы добиться более точных показаний (до ±0,01 °С), необходима индивидуальная градуировка термопары.

Простота конструкции и высокая надежность, являясь неоценимым преимуществом, вместе с этим это еще и минус. Как такое может быть? Все очень просто – в случае возникновения неисправности термопары починить ее нет возможности, только заменить.

Благо, такой недостаток термопар для плит не столь существенен, так как стоимость не такая высокая.

Бегущая термопара и ее применение

Существует отдельная разновидность данного устройства, именуемая «бегущей». Принцип действия бегущей термопары мы сейчас рассмотрим более подробно.

Эта конструкция применяется в основном для определения температуры стальной заготовки при ее обработке на токарных, фрезерных и иных подобных станках.

Следует отметить, что в данном случае возможно использование и обычной термопары, однако, если процесс изготовления требует высокой точности температурного режима, бегущую термопару трудно переоценить.

При применении данного метода в заготовку заранее запаивают ее контактные элементы. Затем, в процессе обработки болванки, данные контакты постоянно подвергаются воздействию резца или иного рабочего инструмента станка, в результате чего спай (который является главным элементом при снятии температурных показателей) как бы «бежит» по контактам.

Этот эффект повсеместно применяется в металлообрабатывающей промышленности.

Особенности осуществления термоконтроля в газовом котле

Для современных газовых плит характерна достаточно сложная конструкция, однако, именно эта внутренняя сложность обеспечивает комфортное пользование функциями плиты. Многие из моделей оснащены электроподжигом, поэтому, как и другие бытовые устройства, они могут полноценно функционировать только при наличии подключения к источнику питания.

Работает электроподжиг следующим образом: специальный конденсатор накапливает заряд, а как только достигается необходимое значение, высвобождает его с помощью ключевого элемента. Высоковольтный импульс осуществляет пробой разрядника, локализованного около конфорки, и формирует электродугу, которая в свою очередь и зажигает газ.

Применение электроподжига актуально только для конфорок. Аналогичные конструкции в духовках требуют использования дополнительной проводки и общего видоизменения системы. Но кроме этого и для конфорок, и для духовок с электроподжигом в обязательном порядке необходим термоэлемент, отслеживающий наличие/отсутствие пламени.

С помощью термопары, встроенной в газовую плиту, можно избежать неприятностей, связанных с внезапным отключением газа. При снятии с конфорки отражателя и рассекателя, должны обнаружиться:

  • Свеча, вроде автомобильной (требуется для розжига пламени);
  • Термопара (отвечает за контроль процесса горения).

Как только термоэлемент газовой плиты отмечает угасание пламени, производится перекрытие канала подачи газа. Это очень удобно, однако, необходимо учитывать, что существуют разные конструкции и модели газовых плит, но не каждая из них подразумевает наличие одновременно и электроподжига, и контролирующего элемента (термопары).

Как и в случае с газовыми котлами, для газовых плит применяются преимущественно термоэлементы типа хромель-алюминь, который при нагреве в точке спая до 300оС даёт уровень напряжения в 12-13 мВ. В случаях, когда нет необходимости в абсолютно точном контроле температурного режима возможно использование компаратора (от «compare» — сличать, сравнивать), который будет соотносить заданный уровень напряжения с тем, который выдаёт термоэлемент.

В стандартном варианте контакты термоэлемента защищаются специальным экраном, это позволяет избежать помех и неполадок в работе (неправильных замеров или несвоевременных срабатываний). Также возможно использование варианта с «витыми» проводками.

Обычно элемент розжига имеет дополнительное оснащение в 4-6 пар контактов, любая из которых может сформировать искру. Это возможно благодаря тому, что соединение у этих контактов не общее, а параллельное. Это помимо прочего даёт возможность для дооборудования духовки. Например, для некоторых моделей даже предоставляются специальные указания относительно того, как и где понадобится провести проводку, чтобы вмонтировать электроподжиг внутри духовки.

У каждого устройства найдутся слабые места, и термоэлектрический преобразователь — не исключение. Он отличается особой чувствительностью к состоянию датчика, коим является его «горячий» конец. На его поверхности может появиться сильный нагар или прочие загрязнения. По этой причине термопара не способна выработать необходимое напряжение, в результате чего плита полностью не функционирует либо работает с перебоями.

Как это проявляется? При нажатии кнопки розжига загорается одна из конфорок, но стоит отпустить ее – пламя гаснет. Если такое происходит, можно попробовать почистить датчик наждачной бумагой с мелким зерном. Если же результат не изменится, или измерения термопара производит неточно, скорее всего, нужна замена термопары.

[tchecklist]

[/tchecklist]

Полезные рекомендации

Стоит уяснить, что от того, насколько правильно работает термоэлектрический преобразователь, который установлен в газовом котле либо плите, зависит не только работоспособность всего оборудования. Под угрозой находится и личная безопасность всех обитателей дома.

Ведь если устройство неисправно, значит, оно не может сработать вовремя, что повлечет за собой утечку газа. А это в свою очередь приводит к взрыву. Поэтому крайне важно проводить регулярные проверки показаний устройства. Это позволит избежать серьезной катастрофы.

[tchecklist]

  • качество спая;
  • наличие электрического шума;
  • есть утечка газа;
  • термоэлектрическая неоднородность.

[/tchecklist]

Термопары устройство и принцип работы простым языком типы

Мало знать, что такое термопара, необходимо понимать – те термопары, которые установлены в плитах, обеспечивают не только качественную работу техники, но и отвечают за безопасность. При ее повреждении лучше сразу заменить ее новым устройством. Сделать это можно самому, но лучше будет обратиться к специалисту.

Народные поделки

Многие народные умельцы, используя термоэлектрический преобразователь, изготавливают в домашних условиях зарядные устройства или миниатюрные электростанции для зарядки телефонов и прочих устройств малой мощности. Причем это происходит от огня или любого другого горячего источника.

Некоторые люди пробуют своими руками изготовить термопару на основе уже неисправного устройства. Только такие самоделки нельзя использовать долгое время. Но в качестве временной замены они подходят.

В качестве заключения

Несмотря на имеющиеся недостатки, метод измерения температуры с помощью термопар, который был впервые изобретен и опробован еще в 19 веке, нашел свое широкое применение во всех отраслях современной промышленности.

Кроме того, существуют такие области применения, где использование термопар является единственным способом получения температурных данных. А ознакомившись с данным материалом, вы достаточно полно разобрались в основных принципах их работы.

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!

В данной статье рассмотрены различные аспекты, связанные с термопарами – назначение, принцип работы, типы, производство.

Наличие локальных и международных стандартов, регламентирующих требования к термопарам, существенно упрощает их выбор и эксплуатацию.

Способы изготовления горячего спая

Описание принципа работы термопары и процесса ее производства позволяет получить базовый набор знаний, полезный при непосредственной работе с термоэлектрическими термометрами.

Оцените статью
MALIVICE.RU
Adblock
detector