Технологии » 2012 » Март » 6 » Выбор термопары. Типы и область их применения.
23:41
Выбор термопары. Типы и область их применения.

Термопары широко применяют для измерения температуры различных объектов, а также в автоматизированных системах управления и контроля.

Измерение температур с помощью термопар получило широкое распространение из-за надежной конструкции датчика, возможности работать в широком диапазоне температур и дешевизны.

Широкому применению термопары обязаны в первую очередь своей простоте, удобству монтажа, возможности измерения локальной температуры.
Они гораздо более линейны, чем многие другие датчики, а их нелинейность на сегодняшний день хорошо изучена и описана в специальной литературе.
К числу достоинств термопар относятся также малая инерционность, возможность измерения малых разностей температур.

Термопары незаменимы при измерении высоких температур (вплоть до 2200°С) в агрессивных средах.
Термопары могут обеспечивать высокую точность измерения температуры на уровне ±0,01°С.
Они вырабатывают на выходе термоЭДС в диапазоне от микровольт до милливольт, однако требуют стабильного усиления для последующей обработки.
 
Конструкции термопар
 
Сварка проводов, изготовленных из разных металлов, выполняется таким образом, чтобы получилось небольшое по размеру соединение - спай.
Провода можно просто скрутить, однако такое соединение ненадежно и имеет большой уровень шумов.
Сварку металлов иногда заменяют пайкой, однако верхний температурный диапазон такой термопары ограничен температуров плавления припоя.
При температурах, близких к температуре плавления припоя, контакт разнородных металлов в термопаре может нарушаться.

Термопары, изготвленные сваркой, выдерживают более высокие температуры, однако химический состав термопары и структура металла в месте сварки могут нарушаться, что приводит к разбросу температурных коэффициентов термопар.
Под действием высоких температур может произойти раскалибровка термопары вследствие изменения диффуции компонентов металла в месте сварки.
В таких случаях термопару следует откалибровать заново или заменить.

Промышленностью выпускаются термопары трех различных конструкций: с открытым спаем, с изолированным незаземленным спаем и с заземленным спаем.

Термопары с открытым контактом имеют малую постоянную времени, но плохую коррозионную стойкость.
Термопары двух других тпов применимы для измерения температуры в агрессивных средах.

В таблице 1 приведены типы термопар, маркировка в соответствии со стандартом ANSI и международной классификации ТСС.
 
Таблица. 1. Характеристики различных типов термопар.
Тип термо-
пары
Букве-
нное обозна-
чение НСХ*
Материал термоэлектродов Коэффициент термоЭДС, мкв/°С (в диапазоне температур, °С) Диапазон рабочих температур, °С Предель
ная
 темпе-
ратура при кратко-
времен
ном приме-
нении, 
°С
положи
тельного
отрица
тельного
ТЖК J Железо (Fe) Сплав константен (45% Сu + 45% Ni, Mn, Fe) 50-64 (0-800) ОТ -200 до +750 900
ТХА К Сплав хромель (90,5% Ni +9,5% Сr) Сплав
алюмель (94,5% Ni + 5,5% Al, Si, Mn, Co)
35-42 (0-1300) от -200 до +1200 1300
ТМК Т Медь (Сu) Сплав константан (55% Си + 45% Ni, Mn, Fe) 40-60 (0-400) от -200 до +350 400
ТХКн Е Сплав хромель (90,5% Ni + 9,5% Сr) Сплав константан (55% Сu + 45% Ni, Mn, Fe) 59-81 (0-600) от-200 до+700 900
ТХК L Сплав хромель (90,5% Ni + 9,5% Сr) Сплав
копель (56% Си + 44% Ni}
64-88 (0-600) от -200 до +600 800
ТНН N Сплав никросил (83,49% Ni +13,7% Сr + 1,2% Si+ 0,15% Fe + 0,05% С + 0,01% Mg) Сплав нисил (94,98% Ni + 0,02% Сr + 4,2% Si + 0,15% Fe + 0,05% С + 0,05% Mg) 26-36 (0-1300) от -270 до +1300 1300
ТПП13 R Сплав платина-родий (87%Pt + 13%Rh) платина (Pt) 10-14 (600-1600) от 0 до +1300 1600
ТПП10 S Сплав платина-родий (87% Pt — 13% Rh) платина (Pt) 10-14 (600-1600) от 0 до +1300 1600
ТПР В Сплав платина-родий (70% Pt - 30% Rh} Сплав платина-родий (94% Pt-6%Rh) 10-14(1000-1800) от 600 до+1700 1800
ТВР А-1
А-2
А-3
Сплав вольфрам-рений (95% W - 5% Re) Сплав вольфрам-рений (80% W-20% Re) 14-7 (1300-2500) от 0 до +2200
от 0 до +1800
от 0 до +1800
2500
ТСС I Сплав сильд Сплав силин - от 0 до + 800 900
Примечание: *НСХ — номинальные статические характеристики преобразования по международной классификации ТСС

Термопары относятся к классу термоэлектрических преобразователей, принцип действия которых основан на явлении Зеебека: если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру (Т не равно Т2), то в цепи протекает электрический ток.
Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока.
Под термоэлектрическим эффектом понимается генерирование термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), возникающей из-за разности температур между двумя соединениями различных металлов и сплавов.

Таким образом, термопара может образовывать устройство (или его часть), использующее термоэлектрический эффект для измерения температуры.
В сочетании с электроизмерительным прибором термопара образует термоэлектрический термометр.
Измерительный прибор или электронную измерительную систему подключают либо к концам термоэлектродов, либо в разрыв одного из них.

В местах подключения проводников термопары к измерительной системе возникают дополнительные термоЭДС.
В результате их действия на вход измерительной системы фактически поступает сумма сигналов от рабочей термопары и от «термопар», возникших в местах подключения .

Существуют различные способы избежать этого эффекта.
Самым очевидным из них является поддержание температуры холодного спая постоянной.

На практике при измерении температур широко используется техника «компенсации холодного спая»: температура холодного спая измеряется другим датчиком температуры, а затем величина термоЭДС холодного спая программно или аппаратно вычитается из сигнала термопары.
Места подключения термопары к измерительной системе должны иметь одинаковую температуру, то есть находиться в изотермальной зоне.
Кроме того, в схеме с компенсацией холодного спая в этой же зоне должен находиться и датчик температуры холодного спая.
Разработчик должен учитывать эти требования при конструировании измерительной системы.

Основные характеристики выпускаемых промышленностью термопар приведены в табл. 1 (ГОСТ 6616-94 «Преобразователи термоэлектрические»).

Термопары типа Е наиболее чувствительны и развивают наибольшее выходное напряжение при одном и том же изменении температуры, чем другие.
С другой стороны, термопары типа S являются наименее чувствительными.

К сожалению, у большинства термопар эти зависимости в некоторых диапазонах температур носит нелинейный характер.

При выборе термопары для производства замеров температуры в некотором диапазоне следует выбирать ту термопару, коэффициент линейности которой изменяется менее других в рамках этого диапазона.

Для достижения высокой точности измерений термопарного термометра во всем диапазоне рабочих температур необходима его калибровка.

В ГОСТ 50431-92 «Термопары» ( заменен на ГОСТ Р 8.585—2001) приведены вид и порядок полинома, а также коэффициенты полиноминальной аппроксимации зависимости выходного напряжения термопар от температуры, которые определяются по градуировочным таблицам для каждого типа термопар.

    Таблица. 2. Особенности и области применения некоторых типов термопар.
Тип термопары Особенности применения
ТХА Обладают: — наиболее близкой к прямой характеристикой. Предназначены для работы в окислительных и инертных средах
ТХК Обладают: — наибольшей чувствительностью;
— высокой термоэлектрической стабильностью при температурах до 600°С.
Предназначены для работы в окислительных и инертных средах.
Недостаток: высокая чувствительность к деформациям
ТПП Обладают: — хорошей устойчивостью к газовой коррозии, особенно на воздухе при высоких температурах;
— высокой надежностью при работе в вакууме (но менее стабильны в нейтральных средах).
Предназначены для длительной эксплуатации в окислительных средах.
Недостаток: высокая чувствительность термоэлектродов к любым загрязнениям, появившимся при изготовлении, монтаже или эксплуатации термопар
ТВР Обладают: — возможностью длительного применения при температурах до 22О0°С в неокислительных средах;
— устойчивостью в аргоне, гелии, сухом водороде и азоте.
Термопары с термоэлектродами из сплава платины с 10% родия относительно электрода из чистой платины могут использоваться как стандартные для установления номинальных статических характеристик термопар методом сравнения.
Недостаток - плохая воспроизводимость термоЭДС, вынуждающая группировать термоэлектродные пары по группам с номинальными статическими характеристиками А-1, А-2, А-3
ТНН Обладают: — высокой стабильностью термоЭДС (по сравнению с термопарами ТХА, ТПП, ТПР);
— высокой радиационной стойкостью;
— высокой стойкостью к окислению электродов.
Предназначены в качестве универсального средства измерения температур в диапазоне температур 0-1230°С

В зависимости от конструкции и назначения различают термопары погружаемые и поверхностные; с обыкновенной, взрывобезопасной, влагонепроницаемой или иной оболочкой (герметичной или негерметичной), а также без оболочки; обыкновенные, вибротряскоустойчивые и ударопрочные; стационарные и переносные и т.д.
 
Основное применение термопары

Отечественная промышленность выпускает электронные термометры для измерения температуры контактным способом.
Измеритель температуры, каждый из которых состоит из электронного блока и набора сменных датчиков температуры, представляющих собой стандартные хромель-алюмелевые термопары (тип К) в различных конструктивных исполнениях.
 
Серия приборов: ETI-2001, ETI-2OO2 и ETI-2003.
Прибор ETI-2001 имеет 2 диапазона температур, переключение между которыми выполняется кнопками на лицевой панели.
Узкий диапазон температур характеризуется более высоким разрешением и точностью.
Приборы ETI-2002 и ETI-2003 имеют только по одному диапазону.
Приборы имеют кнопку HOLD, с помощью которой можно зафиксировать измеренное значение температуры на индикаторе.
 
Таблица. 3. Технические характеристики приборов
Тип прибора ETI-2001 ETI-2002 ETI-2003
Число диапазонов 2 1 1
Диапазон измерений,°С -49,9...199,9(1)
-50...1000(2)
-49,9...199,9 -50...1000
Разрешение 0,1°C(1) 0,1°С 1°С
Точность ±0,5°С+1%(1)) ±1°С ±0,5%(2) ±0,5°С ±1% ±1°С ±0,5%
Питание батарейка 9 В («Крона»)
Срок работы батареи 150 часов 175 часов 175 часов
Тип сенсора ТХА термопара (К тип)
Тип индикатора ЖК, высота знака 13 мм
Размеры 141x73x35 мм
Вес 220 г 210 г 210 г

Термометр ЕТI-2001, в комплект поставки которого входят термопары: поверхностная (для измерения температуры поверхности твердых тел - tmax = 1000°C, погружная (для измерения температуры в объеме сыпучих и жидких веществ — tmax = 250°С и бескорпусная (для измерения температуры воздуха и других газов — tmax = 250°С.

Существуют не только специализированные приборы с термодатчиками для измерения температуры, но и универсальные мультиметры с функцией измерения температуры.


по материалам сайта  RadioRadar - Белорусский электронный портал
Категория: Измерители | Просмотров: 4886 | Добавил: semglass | Теги: термоэдс, измерение, температура, термопара, вторичный прибор
Всего комментариев: 0
Имя *:
Email *:
Код *: