Трудности при измерении температуры с помощью термопары
Низкий уровень выходного сигнала
Напряжение очень низкое, поэтому требуется дополнительное усиление сигнала. Измерительные схемы для термопары очень сложны, поскольку требуется сверхточное усиление сигнала. Для этого выпускаются специальные интегральные схемы, из которых можно собрать довольно компактный измеритель температуры.
Компенсация опорного перехода
Первые термопары этого типа были погружены вместе с эталонным узлом в ванну со льдом для поддержания постоянной температуры. Однако теперь это не подходит для современных измерительных систем, хотя поддержание температуры спая по-прежнему необходимо. В настоящее время используется технология компенсации опорных узлов. Для этого используется другой термочувствительный элемент. Например – термисторы, резистивные датчики или дистанционные термодиоды.
Нелинейность характеристик
Вольтамперная характеристика термопары не является линейной и меняет свой наклон в зависимости от величины сигнала. У этой проблемы есть решения:
- Приближение наклона к линейному (особенно хорошо работает для термопар типа K и -J);
- Соответствие установленного напряжения термопары ее относительной температуре путем сохранения характеристик в таблице поиска;
- Моделирование поведения термопары с помощью уравнений высокого порядка.
В зависимости от используемой пары материалов термопары делятся на:
- Чистый металл;
- Сплав.
Молибден Тугоплавкий металл молибден нашел применение в производстве высокотемпературных термопар. Для этой цели используется чистый молибден. Этот тугоплавкий металл используется при изготовлении отрицательных электродов термопар BM (вольфрам-молибден) (см. главу 2 § 5).
Что такое термопара
Термопары существуют благодаря явлению, называемому контактной разностью потенциалов. Если два различных твердых проводника или полупроводника находятся в тесном контакте друг с другом, то вблизи их контакта образуются разделенные электрические заряды. На внешних концах этих проводников будет создана разность потенциалов. Эта разность потенциалов будет равна разности работы, совершенной каждым металлом, деленной на заряд электрона.
Очевидно, что если такая пара замкнута в кольцо, то ЭДС будет равна нулю, но если она еще открыта с одной стороны, то будет реальная ЭДС, варьирующаяся от десятых долей вольта до единиц вольт, в зависимости от того, что представляют собой материалы.
Идея заключается в том, что при контакте двух металлов, например, система выходит из равновесия, поскольку химические потенциалы двух металлов не равны, что приводит к диффузии электронов для уменьшения их энергии, что в свою очередь приводит к изменению заряда и электрического потенциала металлов, находящихся в контакте. Таким образом, в ближней зоне контакта электрическое поле начинает увеличиваться, и вот что мы имеем в результате.
Если теперь мы вновь рассмотрим эти два проводника из разных металлов, но заключенные в кольцо, то когда общая ЭДС в замкнутой цепи станет равной нулю, появятся две точки контакта. Назовем эти точки перекрестками. Таким образом, это два пересечения двух разных проводников. Что произойдет, если мы попытаемся нагреть один из переходов, а другой оставить при комнатной температуре? Очевидно, что поскольку соединяемые металлы различны и существует разница в потенциале контакта на каждом спае, спаи будут испытывать разное смещение ЭДС, когда они находятся при разных температурах.
Эксперимент доказывает, что разность потенциалов между соединителями будет пропорциональна разности их температур, поэтому можно ввести коэффициент пропорциональности, который называется термоЭДС. Для разных термопар термо-ЭДС будет разной. Если измерить напряжение на участке такого кольца, то в определенном диапазоне температур оно будет почти строго пропорционально разнице температур между разъемами. И даже если оставить только один спай (как на рисунке) и нагревать только этот спай, а напряжение измерять между двумя концами, находящимися при одинаковой комнатной температуре, все равно можно обнаружить очень четкую зависимость ЭДС от температуры токового спая.
По этой же причине допустимо использовать термопары с небольшим отрезком легкоплавкой металлической проволоки, приваренной к рабочему концу между термопарами. В такой термопаре при достижении предельной температуры (температуры плавления легкоплавкого металла) происходит разрыв цепи, что используется в качестве импульса для сигнала тревоги.
Термопары: основные принципы и основы проектирования
С начала 20-го века термопары (ТП) обеспечивают критические измерения температуры, особенно при очень высоких температурах. Во многих промышленных приложениях как ТДС, так и РТД (резистивные датчики температуры) стали “золотым стандартом” для измерения температуры. Хотя ТДС имеют лучшую точность и повторяемость, относительные преимущества термопар следующие
- Увеличенный диапазон измерений;
- Более короткое время отклика;
- Более низкая стоимость;
- Повышенная прочность;
- Нет необходимости во внешнем источнике возбуждения;
- Отсутствие эффекта самонагревания.
Однако проведение точных измерений с помощью термопар может оказаться непростой задачей. Точность измерений можно повысить путем усовершенствования схемы и калибровки, но понимание принципа работы термопар необходимо перед разработкой схем или использованием термопар.
Рабочие элементы могут быть заключены в колбу или оболочку для защиты от внешних воздействий: например, защитным материалом для термопары в газовом котле является нержавеющая или обычная сталь. Жаропрочные сплавы используются при температурах до 1000-1100 °C, а фарфор или тугоплавкие сплавы – при более высоких температурах. Измерения в особых условиях окружающей среды, например, при высоком давлении, требуют применения герметичной термопары.
https://www.youtube.com/watch?v=jP0vp1dY374
Заключение
В статье были рассмотрены различные аспекты, связанные с термопарами – назначение, принцип действия, типы, производство.
Термоэлектрические термометры, основанные на термопарах, в настоящее время являются одним из самых распространенных способов измерения температуры. Об этом свидетельствует большое количество типов термопар, а также конструкций термоэлектрических термометров, описанных в данной статье.
Существование местных и международных стандартов, регламентирующих требования к термопарам, значительно упрощает их выбор и эксплуатацию.
Описание принципа работы термопары и процесса ее изготовления дает базовый набор знаний, полезных для непосредственной работы с термоэлектрическими термометрами.
Читайте далее:
- Измерительный инструмент – это инструмент для измерения. Что такое измерительный инструмент?.
- Типы контактных соединений.
- Элемент Пельтье, принцип действия.
- Как припаять термопару k без сварного шарика? – Linux-hardware – Форум.
- Как работает pH-электрод.
- Что такое электродный потенциал; Школа для инженеров-электриков: электротехника и электроника.
- 1 Понятие электромагнитного поля и его различные проявления. Материальность – Работа в школе.
