Термопара - Thermocouple

Термопара подключена к мультиметр отображение комнатной температуры в ° C

А термопара представляет собой электрическое устройство, состоящее из двух разнородных электрические проводники формирование электрическое соединение. Термопара производит зависящий от температуры Напряжение в результате термоэлектрический эффект, и это напряжение можно интерпретировать как измерение температура. Термопары - широко используемый тип Датчик температуры.^[1]

Коммерческие термопары недороги,^[2] сменные, поставляются со стандартными разъемы, и может измерять широкий диапазон температур. В отличие от большинства других методов измерения температуры, термопары имеют автономное питание и не требуют внешнего возбуждения. Основное ограничение термопар - точность; системные ошибки менее одной степени Цельсия (° C) может быть трудно достичь.^[3]

Термопары широко используются в науке и промышленности. Приложения включают измерение температуры для печи, газовая турбина выхлоп дизельные двигатели, и другие производственные процессы. Термопары также используются в домах, офисах и на предприятиях в качестве датчиков температуры в термостаты, а также как датчики пламени в устройства для обеспечения безопасности для газовых приборов.

Принцип действия

В 1821 г. Немецкий физик Томас Иоганн Зеебек обнаружил, что когда разные металлы соединяются на концах и между соединениями существует разница температур, наблюдается магнитное поле. В то время Зеебек называл это следствие термомагнетизмом. Позже было показано, что наблюдаемое им магнитное поле возникает из-за термоэлектрического тока. На практике представляет интерес напряжение, генерируемое на единственном стыке двух разных типов проводов, поскольку его можно использовать для измерения температуры при очень высоких и низких температурах. Величина напряжения зависит от типа используемого провода. Как правило, напряжение находится в диапазоне микровольт, и необходимо соблюдать осторожность, чтобы получить пригодное для использования измерение. Несмотря на то, что ток протекает очень мало, мощность может генерироваться одним спайом термопары. Производство электроэнергии с использованием нескольких термопар, как в термобатарея, обычное дело.

К-тип термопара (хромель –Алюмель ) в стандартной конфигурации измерения термопары. Измеренное напряжение ${displaystyle scriptstyle V}$ можно использовать для расчета температуры ${displaystyle scriptstyle T_{mathrm {sense} }}$при условии, что температура ${displaystyle scriptstyle T_{mathrm {ref} }}$ известен.

Стандартная конфигурация для использования термопары показана на рисунке. Вкратце, желаемая температура Т_смысл получается с использованием трех входов - характеристической функции E(Т) термопары измеренное напряжение V, а температура эталонных спаев Т_ссылка.Решение уравнения E(Т_смысл) = V + E(Т_ссылка) дает Т_смыслЭти детали часто скрыты от пользователя, так как блок эталонного соединения (с Т_ссылка термометр), вольтметр и программа для решения уравнений объединены в один продукт.

Физический принцип: эффект Зеебека

Основная статья: Эффект Зеебека

Эффект Зеебека относится к электродвижущая сила при наличии температурного градиента в проводящем материале. В условиях разомкнутой цепи, когда нет внутреннего протекания тока, градиент напряжения (${displaystyle scriptstyle {oldsymbol {abla }}V}$) прямо пропорционален градиенту температуры (${displaystyle scriptstyle {oldsymbol {abla }}T}$):

${displaystyle {oldsymbol {abla }}V=-S(T){oldsymbol {abla }}T,}$

куда ${displaystyle S(T)}$ зависит от температуры материальная собственность известный как Коэффициент Зеебека.

Стандартная конфигурация измерения, показанная на рисунке, показывает четыре температурных диапазона и, следовательно, четыре составляющих напряжения:

1. Меняться от ${displaystyle scriptstyle T_{mathrm {meter} }}$ к ${displaystyle scriptstyle T_{mathrm {ref} }}$, в нижнем медном проводе.
2. Меняться от ${displaystyle scriptstyle T_{mathrm {ref} }}$ к ${displaystyle scriptstyle T_{mathrm {sense} }}$, в алюмелевой проволоке.
3. Меняться от ${displaystyle scriptstyle T_{mathrm {sense} }}$ к ${displaystyle scriptstyle T_{mathrm {ref} }}$, в хромелевой проволоке.
4. Меняться от ${displaystyle scriptstyle T_{mathrm {ref} }}$ к ${displaystyle scriptstyle T_{mathrm {meter} }}$, в верхнем медном проводе.

Первый и четвертый вклады полностью компенсируются, потому что эти области связаны с одинаковым изменением температуры и одинаковым материалом. ${displaystyle scriptstyle T_{mathrm {meter} }}$ не влияет на измеряемое напряжение. Второй и третий вклады не отменяются, так как они связаны с разными материалами.

Измеренное напряжение оказывается равным

${displaystyle V=int _{T_{mathrm {ref} }}^{T_{mathrm {sense} }}left(S_{+}(T)-S_{-}(T)ight),dT,}$

куда ${displaystyle scriptstyle S_{+}}$ и ${displaystyle scriptstyle S_{-}}$ являются Коэффициенты Зеебека проводов, подключенных к положительной и отрицательной клеммам вольтметра соответственно (хромель и алюмель на рисунке).

Характеристическая функция

Нет необходимости выполнять интеграл для каждого измерения температуры. Скорее, поведение термопары фиксируется характеристическая функция ${displaystyle scriptstyle E(T)}$, с которым нужно только проконсультироваться по двум аргументам:

${displaystyle V=E(T_{mathrm {sense} })-E(T_{mathrm {ref} }).}$

В терминах коэффициентов Зеебека характеристическая функция определяется как

${displaystyle E(T)=int ^{T}S_{+}(T')-S_{-}(T')dT'+mathrm {const} }$

В постоянная интеграции в этом неопределенный интеграл не имеет значения, но условно выбирается так, чтобы ${displaystyle scriptstyle E(0,{}^{circ }{m {C}})=0}$.

Производители термопар и организации по метрологическим стандартам, такие как NIST предоставить таблицы функции ${displaystyle scriptstyle E(T)}$ которые были измерены и интерполированы в диапазоне температур, для определенных типов термопар (см. внешняя ссылка раздел для доступа к этим таблицам).

Требование к эталонному спайу

Блок эталонного спая внутри измерителя температуры Fluke CNX t3000. Два белых провода подключаются к термистор (залит белым термопастом) для измерения температуры эталонных спаев.

Чтобы получить желаемое измерение ${displaystyle scriptstyle T_{mathrm {sense} }}$, недостаточно просто измерить ${displaystyle scriptstyle V}$.Температура эталонных спаев. ${displaystyle scriptstyle T_{mathrm {ref} }}$ должны быть уже известны. Здесь часто используются две стратегии:

• Метод «ледяной бани»: блок эталонного спая погружают в полузамороженную ванну с дистиллированной водой при атмосферном давлении. Точная температура точки плавления фаза перехода действует как естественный термостат, фиксация ${displaystyle scriptstyle T_{mathrm {ref} }}$ до 0 ° C.
• Датчик холодного спая (известный как "компенсация холодного спая"): Блок эталонного спая может изменяться по температуре, но температура измеряется в этом блоке с помощью отдельного датчика температуры. Это вторичное измерение используется для компенсации изменения температуры в соединительном блоке. Спай термопары часто подвергается воздействию в экстремальных условиях окружающей среды, в то время как эталонный спай часто устанавливается рядом с прибором. Полупроводниковый термометр устройства часто используются в современных термопарах.

В обоих случаях значение ${displaystyle scriptstyle V+E(T_{mathrm {ref} })}$ вычисляется, то функция ${displaystyle scriptstyle E(T)}$ является искал для подходящего значения. Аргумент, в котором происходит это совпадение, - это значение ${displaystyle scriptstyle T_{mathrm {sense} }}$.

Практические проблемы

В идеале термопары должны быть очень простыми измерительными приборами, каждый тип которых должен характеризоваться точным ${displaystyle scriptstyle E(T)}$ В действительности на термопары влияют такие факторы, как неопределенность в производстве сплава, эффекты старения и ошибки / недоразумения при проектировании схем.

Конструкция схемы

Распространенная ошибка в конструкции термопар связана с компенсацией холодного спая. Если допущена ошибка при оценке ${displaystyle T_{mathrm {ref} }}$, при измерении температуры появится ошибка. Для простейших измерений провода термопары подключаются к меди вдали от горячей или холодной точки, температура которой измеряется; предполагается, что этот эталонный спай имеет комнатную температуру, но эта температура может изменяться.^[4] Из-за нелинейности кривой напряжения термопары погрешности ${displaystyle T_{mathrm {ref} }}$ и ${displaystyle T_{mathrm {sense} }}$ как правило, неравные ценности. Некоторые термопары, такие как тип B, имеют относительно плоскую кривую напряжения около комнатной температуры, что означает большую погрешность при комнатной температуре. ${displaystyle T_{mathrm {ref} }}$ означает лишь небольшую ошибку в ${displaystyle T_{mathrm {sense} }}$.

Соединения должны быть выполнены надежным способом, но для этого существует множество возможных подходов. Для низких температур соединения могут быть спаяны или припаяны; однако найти подходящий поток и это может не подходить для чувствительного перехода из-за низкой температуры плавления припоя. поэтому контрольные и удлинительные соединения обычно выполняются с помощью винтовых соединений. клеммные колодки.Для высоких температур наиболее распространенным подходом является точечная сварка или же обжимать с использованием прочного материала.^[5]

Один из распространенных мифов относительно термопар заключается в том, что соединения должны быть сделаны чисто, без участия третьего металла, чтобы избежать нежелательных дополнительных ЭДС.^[6]Это может быть следствием еще одного распространенного заблуждения о том, что напряжение генерируется на стыке.^[7] Фактически, стыки в принципе должны иметь одинаковую внутреннюю температуру; следовательно, на переходе не возникает напряжения. Напряжение создается в результате теплового градиента вдоль провода.

Термопара выдает слабые сигналы, часто по величине микровольт. Для точных измерений этого сигнала требуется усилитель с низким входное напряжение смещения и с осторожностью, чтобы избежать термо-ЭДС от самонагрева внутри самого вольтметра. Если провод термопары по какой-либо причине имеет высокое сопротивление (плохой контакт в местах соединения или очень тонкие провода, используемые для быстрого теплового отклика), измерительный прибор должен иметь высокое сопротивление. входное сопротивление для предотвращения смещения измеряемого напряжения. Полезная функция в контрольно-измерительных приборах термопар позволяет одновременно измерять сопротивление и обнаруживать неисправные соединения в проводке или в местах соединения термопар.

Металлургические марки

Хотя тип провода термопары часто описывается его химическим составом, фактическая цель состоит в том, чтобы произвести пару проводов, соответствующих стандартизованным ${displaystyle scriptstyle E(T)}$ изгиб.

Примеси влияют на каждую партию металла по-разному, производя переменные коэффициенты Зеебека. Чтобы соответствовать стандартному поведению, производители проводов для термопар намеренно добавляют дополнительные примеси, чтобы «легировать» сплав, компенсируя неконтролируемые изменения исходного материала.^[5]В результате существуют стандартные и специализированные сорта проводов для термопар, в зависимости от уровня точности, требуемого для поведения термопары. Классы точности могут быть доступны только в согласованных парах, когда один провод модифицируется для компенсации недостатков другого провода.

Особый случай проводов термопар известен как «удлинительный класс», он предназначен для переноса термоэлектрической цепи на большее расстояние. Удлинительные провода соответствуют заявленным ${displaystyle scriptstyle E(T)}$ кривой, но по разным причинам они не предназначены для использования в экстремальных условиях и поэтому не могут использоваться на чувствительном соединении в некоторых приложениях. Например, удлинительный провод может иметь другую форму, например, очень гибкий, многожильный и пластиковой изоляцией или быть частью многожильного кабеля для переноса многих цепей термопар. с дорогими термопарами из благородных металлов удлинительные провода могут даже быть сделаны из совершенно другого, более дешевого материала, который имитирует стандартный тип в ограниченном диапазоне температур.^[5]

Старение термопар

Термопары часто используются при высоких температурах и в реактивной атмосфере печи. В этом случае практический срок службы ограничен старением термопары. Термоэлектрические коэффициенты проводов в термопаре, которая используется для измерения очень высоких температур, могут изменяться со временем, и соответственно падает измерительное напряжение. Простое соотношение между разностью температур спаев и измеряемым напряжением является правильным только в том случае, если каждый провод однороден (однороден по составу). По мере старения термопар в процессе их проводники могут терять однородность из-за химических и металлургических изменений, вызванных экстремальным или длительным воздействием высоких температур. Если старый участок цепи термопары подвергается воздействию температурного градиента, измеренное напряжение будет отличаться, что приведет к ошибке.

Старые термопары модифицируются только частично; например, не затронуты детали вне печи. По этой причине устаревшие термопары нельзя вынуть из места их установки и повторно откалибровать в ванне или испытательной печи для определения ошибки. Это также объясняет, почему иногда может наблюдаться ошибка, когда состаренная термопара частично вытаскивается из печи - когда датчик отводится назад, старые секции могут подвергаться воздействию повышенных температурных градиентов от горячего к холодному, поскольку состаренная часть теперь проходит через охладитель. огнеупорная область, вносящая значительную ошибку в измерения. Аналогичным образом, устаревшая термопара, которую вставляют глубже в печь, может иногда обеспечивать более точные показания, если ее толкать дальше в печь, градиент температуры возникает только в свежем участке.^[8]

Типы

Определенные комбинации сплавов стали популярными в качестве промышленных стандартов. Выбор комбинации определяется стоимостью, доступностью, удобством, температурой плавления, химическими свойствами, стабильностью и производительностью. Разные типы лучше всего подходят для разных приложений. Обычно их выбирают на основе необходимого температурного диапазона и чувствительности. Термопары с низкой чувствительностью (типы B, R и S) имеют соответственно более низкое разрешение. Другие критерии выбора включают химическое инертность материала термопары и магнитный или нет. Стандартные типы термопар перечислены ниже с положительным электрод (при условии ${displaystyle T_{ ext{sense}}>T_{ ext{ref}}}$), а затем отрицательный электрод.

Термопары из никелевого сплава

Характерные функции для термопар, которые достигают промежуточных температур, которые покрываются термопарами из никелевого сплава типов E, J, K, M, N, T. Также показаны сплав благородного металла типа P и чистые комбинации благородных металлов золото-платина и платина – палладий.

Тип E

Тип E (хромель –константан ) имеет высокий выход (68 мкВ / ° C), что делает его подходящим для криогенный использовать. Кроме того, он немагнитный. Широкий диапазон составляет от −50 ° C до +740 ° C, а узкий диапазон - от −110 ° C до +140 ° C.

Тип J

Тип J (утюг –константан ) имеет более ограниченный диапазон (от -40 ° C до +750 ° C), чем тип K, но более высокую чувствительность, около 50 мкВ / ° C.^[2] В Точка Кюри утюга (770 ° C)^[9] вызывает плавное изменение характеристики, определяющей верхнюю границу температуры. Обратите внимание: европейский / немецкий тип L является вариантом типа J с другой спецификацией для выхода ЭДС (ссылка DIN 43712: 1985-01^[10]).

Тип K

Тип К (хромель –Алюмель ) является наиболее распространенной термопарой общего назначения с чувствительностью примерно 41 мкВ / ° C.^[11] Он недорогой, и доступно большое количество датчиков в диапазоне от –200 ° C до +1350 ° C (от –330 ° F до +2460 ° F). Тип K был указан в то время, когда металлургия был менее продвинутым, чем сегодня, и, следовательно, характеристики могут значительно различаться между образцами. Один из составляющих металлов, никель, является магнитным; Характерной чертой термопар, изготовленных из магнитного материала, является то, что они претерпевают отклонения на выходе, когда материал достигает своей Точка Кюри, что происходит для термопар типа K при температуре около 185 ° C.

Они очень хорошо работают в окислительной атмосфере. Однако, если в основном восстановительная атмосфера (например, водород с небольшим количеством кислорода) вступает в контакт с проволокой, хром в хромелевом сплаве окисляется. Это снижает выходную ЭДС, и показания термопары низкие. Это явление известно как зеленая гниль, из-за цвета поврежденного сплава. Хромелевый провод не всегда имеет ярко-зеленый цвет, но на нем образуется пятнистая серебристая корка и он становится магнитным. Простой способ проверить наличие этой проблемы - проверить, являются ли два провода магнитными (обычно хромель немагнитен).

Водород в атмосфере - обычная причина зеленой гнили. При высоких температурах он может диффундировать через твердые металлы или неповрежденную металлическую защитную гильзу. Даже оболочка из оксида магния, изолирующая термопару, не удерживает водород.^[12]

Зеленая гниль не возникает в атмосфере, достаточно богатой кислородом или бескислородной. Герметичная защитная гильза может быть заполнена инертным газом или может быть добавлен поглотитель кислорода (например, расходуемая титановая проволока). В качестве альтернативы в защитную гильзу можно ввести дополнительный кислород. Другой вариант - использовать термопару другого типа для атмосфер с низким содержанием кислорода, где может возникнуть зеленая гниль; Подходящей альтернативой является термопара типа N.^[13]

Тип M

Тип M (82% Ni / 18%Пн –99,2% Ni / 0,8%Co по весу) используются в вакуумных печах по тем же причинам, что и для типа C (описанного ниже). Верхняя температура ограничена 1400 ° C. Он используется реже, чем другие типы.

Тип N

Тип N (Никросил –Нисил ) термопары подходят для использования при температуре от −270 ° C до +1300 ° C, благодаря своей стабильности и стойкости к окислению. Чувствительность составляет около 39 мкВ / ° C при 900 ° C, что немного ниже по сравнению с типом K.

Разработано в Организация оборонной науки и технологий (DSTO) Австралии, автор Ноэль А. Берли, термопары типа N преодолевают три основных характерных типа и причины термоэлектрической нестабильности в стандартных материалах термоэлементов из недрагоценных металлов:^[14]

1. Постепенный и обычно кумулятивный дрейф термо-ЭДС при длительном воздействии повышенных температур. Это наблюдается во всех материалах термоэлементов из недрагоценных металлов и в основном связано с изменениями состава, вызванными окисление, науглероживание, или же нейтронное облучение что может произвести трансмутация в ядерный реактор среды. В случае термопар типа K атомы марганца и алюминия из провода KN (отрицательный) мигрируют в провод KP (положительный), что приводит к дрейфу вниз из-за химического загрязнения. Этот эффект носит кумулятивный и необратимый характер.
2. Кратковременное циклическое изменение термо-ЭДС при нагревании в диапазоне температур около 250–650 ° C, которое имеет место в термопарах типов K, J, T и E. Такая нестабильность ЭДС связана со структурными изменениями, такими как магнитные ближний порядок в металлургическом составе.
3. Не зависящее от времени возмущение термо-ЭДС в определенных диапазонах температур. Это происходит из-за зависящих от состава магнитных превращений, которые возмущают термо-ЭДС в термопарах типа K в диапазоне примерно 25–225 ° C, а в типе J - выше 730 ° C.

Сплавы термопар Nicrosil и Nisil демонстрируют значительно улучшенную термоэлектрическую стабильность по сравнению с другими стандартными сплавами термопар из недрагоценных металлов, поскольку их состав существенно снижает термоэлектрическую нестабильность, описанную выше. Это достигается в первую очередь за счет увеличения концентраций растворенных веществ (хрома и кремния) в основе никеля по сравнению с теми, которые требуются для перехода от внутреннего режима окисления к внешнему, а также путем выбора растворенных веществ (кремний и магний), которые предпочтительно окисляются с образованием диффузии. -барьерные и, следовательно, ингибирующие окисление пленки.^[15]

Термопары типа N являются подходящей альтернативой типу K для условий с низким содержанием кислорода, когда тип K склонен к зеленой гнили. Они подходят для использования в вакууме, инертной атмосфере, окислительной атмосфере или сухой восстановительной атмосфере. Они плохо переносят присутствие серы.^[16]

Тип Т

Тип Т (медь –константан ) термопары подходят для измерений в диапазоне от –200 до 350 ° C. Часто используется в качестве дифференциального измерения, так как только медный провод касается датчиков. Поскольку оба проводника немагнитны, нет Точка Кюри а значит нет резкого изменения характеристик. Термопары типа T имеют чувствительность около 43 мкВ / ° C. Обратите внимание, что медь имеет гораздо более высокую теплопроводность чем сплавы, обычно используемые в конструкциях термопар, поэтому необходимо проявлять особую осторожность при термическом закреплении термопар типа T. Подобный состав встречается в устаревшем типе U в немецкой спецификации DIN 43712: 1985-01. ^[17]

Термопары из сплава платина / родий

Характерные функции для типов высокотемпературных термопар, включая термопары из сплава Pt / Rh, W / Re, Pt / Mo и Ir / Rh. Также показана термопара из чистого металла Pt – Pd.

Термопары типов B, R и S используют платина или платина /родий сплав для каждого проводника. Это одни из самых стабильных термопар, но они имеют меньшую чувствительность, чем другие типы, примерно 10 мкВ / ° C. Термопары типов B, R и S обычно используются только для высокотемпературных измерений из-за их высокой стоимости и низкой чувствительности.

Тип B

Термопары типа B (70% Pt / 30% Rh – 94% Pt / 6% Rh по массе) подходят для использования при температуре до 1800 ° C. Термопары типа B производят такой же выходной сигнал при 0 ° C и 42 ° C, ограничивая их использование ниже примерно 50 ° C. Функция ЭДС имеет минимум около 21 ° C, что означает, что компенсация холодного спая выполняется легко, поскольку напряжение компенсации по существу является постоянным для эталонного значения при типичных комнатных температурах.^[18]

Тип R

Термопары типа R (87% Pt / 13% Rh – Pt по массе) используются от 0 до 1600 ° C.

Тип S

Термопары типа S (90% Pt / 10% Rh – Pt по массе), аналогичные типу R, используются при температурах до 1600 ° C. Перед введением Международная температурная шкала 1990 г. (ITS-90), прецизионные термопары типа S использовались в качестве практических стандартных термометров для диапазона от 630 ° C до 1064 ° C, на основе интерполяции между точками замерзания сурьма, серебро, и золото. Начиная с ИТС-90, платиновые термометры сопротивления приняли этот диапазон как стандартные термометры.^[19]

Термопары из вольфрама и сплава рения

Эти термопары хорошо подходят для измерения чрезвычайно высоких температур. Типичное применение - водород и инертная атмосфера, а также вакуумные печи. Они не используются в окислительных средах при высоких температурах из-за охрупчивание.^[20] Типичный диапазон составляет от 0 до 2315 ° C, который может быть расширен до 2760 ° C в инертной атмосфере и до 3000 ° C для кратких измерений.^[21]

Чистый вольфрам при высоких температурах подвергается рекристаллизации и становится хрупким. Поэтому в некоторых приложениях типы C и D предпочтительнее, чем тип G.

В присутствии водяного пара при высокой температуре вольфрам реагирует на оксид вольфрама, который улетучивается, и водород. Затем водород вступает в реакцию с оксидом вольфрама, снова образуется вода. Такой «круговорот воды» может привести к эрозии термопары и возможному выходу из строя. Поэтому в условиях высокотемпературного вакуума желательно избегать присутствия следов воды.^[22]

Альтернативой вольфраму / рению является вольфрам / молибден, но зависимость напряжение-температура слабее и имеет минимум около 1000 К.

Температура термопары ограничена также другими используемыми материалами. Например оксид бериллия, популярный материал для высокотемпературных применений, имеет тенденцию увеличивать проводимость с температурой; В конкретной конфигурации датчика сопротивление изоляции падает с мегаом при 1000 К до 200 Ом при 2200 К. При высоких температурах материалы подвергаются химической реакции. При 2700 К оксид бериллия слабо реагирует с вольфрамом, сплавом вольфрам-рений и танталом; при 2600 К молибден реагирует с ВеО, вольфрам не реагирует. BeO начинает плавиться примерно при 2820 К, оксид магния около 3020 К.^[23]

Тип C

(95% мас. / 5% Re – 74% мас. / 26% Re, по массе)^[20] Максимальная температура, измеряемая термопарой типа c, составляет 2329 ℃.

Тип D

(97% мас. / 3% Re – 75% мас. / 25% Re по массе)^[20]

Тип G

(W – 74% W / 26% Re, по весу)^[20]

Другие

Термопары хромель-золото / железный сплав

Характеристики термопары при низких температурах. Термопара на основе AuFe демонстрирует стабильную чувствительность к низким температурам, тогда как обычные типы быстро выравниваются и теряют чувствительность при низкой температуре.

В этих термопарах (хромель –золото /утюг сплав), отрицательный провод выполнен из золота с небольшой долей (0,03–0,15 ат.%) железа. Нечистая золотая проволока придает термопаре высокую чувствительность при низких температурах (по сравнению с другими термопарами при этой температуре), тогда как хромелевая проволока сохраняет чувствительность, близкую к комнатной. Его можно использовать для криогенный приложения (1,2–300 К и даже до 600 К). И чувствительность, и диапазон температур зависят от концентрации железа. Чувствительность обычно составляет около 15 мкВ / К при низких температурах, а самая низкая допустимая температура варьируется от 1,2 до 4,2 К.

Тип П (сплав благородных металлов) или «Платинел II»

Тип P (55%Pd / 31% Pt / 14% Au – 65% Au / 35% Pd, по массе) термопары дают термоэлектрическое напряжение, имитирующее тип K в диапазоне от 500 ° C до 1400 ° C, однако они изготовлены исключительно из благородных металлов и так показывает повышенную коррозионную стойкость. Эта комбинация также известна как Platinel II.^[24]

Термопары из сплава платина / молибден

Термопары из сплава платины и молибдена (95% Pt / 5% Mo – 99,9% Pt / 0,1% Mo по весу) иногда используются в ядерных реакторах, поскольку они показывают низкий дрейф от ядерная трансмутация индуцируется нейтронным облучением, по сравнению с сплавами платина / родий.^[25]

Термопары из сплава иридий / родий

Использование двух проводов иридий /родий из сплавов можно получить термопару, которая может использоваться при температуре до 2000 ° C в инертной атмосфере.^[25]

Термопары из чистых благородных металлов Au – Pt, Pt – Pd

Термопары, изготовленные из двух различных благородных металлов высокой чистоты, могут показывать высокую точность даже без калибровки, а также низкий уровень дрейфа. Используются две комбинации: золото-платина и платина-палладий.^[26] Их основные ограничения - низкие температуры плавления металлов (1064 ° C для золота и 1555 ° C для палладия). Эти термопары имеют тенденцию быть более точными, чем тип S, и из-за их экономичности и простоты даже рассматриваются как конкурентные альтернативы термопарам. платиновые термометры сопротивления которые обычно используются как стандартные термометры.^[27]

Термопары HTIR-TC (стойкие к высокотемпературному облучению)

HTIR-TC предлагает прорыв в измерении высокотемпературных процессов. Его характеристики: прочный и надежный при высоких температурах, до 1700 ° C; устойчивы к облучению; умеренная цена; доступны в различных конфигурациях - адаптируются к каждому применению; легко устанавливается. Первоначально разработанный для использования в ядерных испытательных реакторах, HTIR-TC может повысить безопасность эксплуатации будущих реакторов. Эта термопара была разработана исследователями из Национальной лаборатории Айдахо (INL). ^[28][29]

Сравнение типов

В таблице ниже описаны свойства нескольких различных типов термопар. В столбцах допуска Т представляет собой температуру горячего спая в градусах Цельсия. Например, термопара с допуском ± 0,0025 ×Т будет иметь допуск ± 2,5 ° C при 1000 ° C.

Тип	Диапазон температур (° C)				Класс допуска (° C)		Цветовой код
	Непрерывный		В ближайщем будущем		Один	Два	IEC[30]	BS	ANSI
	Низкий	Высоко	Низкий	Высоко
K	0	+1100	−180	+1370	−40 – 375: ±1.5 375 – 1000: ±0.004×Т	−40 – 333: ±2.5 333 – 1200: ±0.0075×Т
J	0	+750	−180	+800	−40 – 375: ±1.5 375 – 750: ±0.004×Т	−40 – 333: ±2.5 333 – 750: ±0.0075×Т
N	0	+1100	−270	+1300	−40 – 375: ±1.5 375 – 1000: ±0.004×Т	−40 – 333: ±2.5 333 – 1200: ±0.0075×Т
р	0	+1600	−50	+1700	0 – 1100: ±1.0 1100 – 1600: ±0.003×(Т − 767)	0 – 600: ±1.5 600 – 1600: ±0.0025×Т			Не определено
S	0	+1600	−50	+1750	0 – 1100: ±1.0 1100 – 1600: ±0.003×(Т − 767)	0 – 600: ±1.5 600 – 1600: ±0.0025×Т			Не определено
B	+200	+1700	0	+1820	Нет в наличии	600 – 1700: ±0.0025×Т	Нет стандарта	Нет стандарта	Не определено
Т	−185	+300	−250	+400	−40 – 125: ±0.5 125 – 350: ±0.004×Т	−40 – 133: ±1.0 133 – 350: ±0.0075×Т
E	0	+800	−40	+900	−40 – 375: ±1.5 375 – 800: ±0.004×Т	−40 – 333: ±2.5 333 – 900: ±0.0075×Т
Хромель / AuFe	−272	+300	Нет данных	Нет данных	Воспроизводимость 0,2% напряжения. Каждый датчик требует индивидуальной калибровки.

Изоляция термопары

Типичная недорогая термопара типа K (со стандартным типом K соединитель ). Хотя провода могут выдерживать и работать при высоких температурах, пластиковая изоляция начинает разрушаться при 300 ° C.

Провода, из которых состоит термопара, должны быть изолированный друг от друга повсюду, кроме чувствительного стыка. Любой дополнительный электрический контакт между проводами или контакт провода с другими проводящими объектами может изменить напряжение и дать ложные показания температуры.

Пластмассы являются подходящими изоляторами для низкотемпературных частей термопары, тогда как керамическая изоляция может использоваться при температуре примерно до 1000 ° C. Другие проблемы (истирание и химическая стойкость) также влияют на пригодность материалов.

Когда изоляция провода разрушается, это может привести к непреднамеренному электрическому контакту в месте, отличном от желаемой точки измерения. Если такая поврежденная термопара используется в замкнутом контуре управления термостат или другой регулятор температуры, это может привести к неконтролируемому перегреву и, возможно, серьезному повреждению, так как ложное показание температуры обычно ниже, чем температура чувствительного перехода. Неудачная изоляция также обычно выхлопные газы, что может привести к загрязнению технологического процесса. Для частей термопар, используемых при очень высоких температурах или в приложениях, чувствительных к загрязнению, единственной подходящей изоляцией может быть вакуум или же инертный газ; механическая жесткость проводов термопар используется для их разделения.

Таблица изоляционных материалов

Тип изоляции	Максимум. постоянная температура	Максимум. однократное чтение	Сопротивление истиранию	Влагостойкость	Химическая устойчивость
Лента слюдяно-стеклянная	649 ° C / 1200 ° F	705 ° C / 1300 ° F	Хороший	Справедливый	Хороший
Лента TFE, лента TFE – стекло	649 ° C / 1200 ° F	705 ° C / 1300 ° F	Хороший	Справедливый	Хороший
Тесьма из стекловидного кремнезема	871 ° C / 1600 ° F	1093 ° C / 2000 ° F	Справедливый	Бедные	Бедные
Двойная стеклянная оплетка	482 ° C / 900 ° F	538 ° C / 1000 ° F	Хороший	Хороший	Хороший
Эмаль – стеклянная тесьма	482 ° C / 900 ° F	538 ° C / 1000 ° F	Справедливый	Хороший	Хороший
Двойная стеклянная пленка	482 ° C / 900 ° F	427 ° C / 800 ° F	Справедливый	Хороший	Хороший
Стеклянная оплетка без пропитки	482 ° C / 900 ° F	427 ° C / 800 ° F	Бедные	Бедные	Справедливый
Лента Skive TFE, стекловолокно TFE	482 ° C / 900 ° F	538 ° C / 1000 ° F	Хороший	Отлично	Отлично
Двойная хлопковая тесьма	88 ° C / 190 ° F	120 ° C / 248 ° F	Хороший	Хороший	Бедные
Стекло "S" со связующим	704 ° C / 1300 ° F	871 ° C / 1600 ° F	Справедливый	Справедливый	Хороший
Керамическое волокно Nextel	1204 ° C / 2200 ° F	1427 ° C / 2600 ° F	Справедливый	Справедливый	Справедливый
Поливинил / нейлон	105 ° C / 221 ° F	120 ° C / 248 ° F	Отлично	Отлично	Хороший
Поливинил	105 ° C / 221 ° F	105 ° C / 221 ° F	Хороший	Отлично	Хороший
Нейлон	150 ° C / 302 ° F	130 ° C / 266 ° F	Отлично	Хороший	Хороший
ПВХ	105 ° C / 221 ° F	105 ° C / 221 ° F	Хороший	Отлично	Хороший
FEP	204 ° C / 400 ° F	260 ° C / 500 ° F	Отлично	Отлично	Отлично
ТФЭ в оболочке и плавленый	260 ° C / 500 ° F	316 ° C / 600 ° F	Хороший	Отлично	Отлично
Каптон	316 ° C / 600 ° F	427 ° C / 800 ° F	Отлично	Отлично	Отлично
Тефзель	150 ° C / 302 ° F	200 ° C / 392 ° F	Отлично	Отлично	Отлично
PFA	260 ° C / 500 ° F	290 ° C / 550 ° F	Отлично	Отлично	Отлично
T300 *	300 ° С	–	Хороший	Отлично	Отлично

Температурные характеристики изоляции могут варьироваться в зависимости от того, из чего состоит весь конструкционный кабель термопары.

Примечание: T300 - это новый высокотемпературный материал, который недавно был одобрен UL для рабочих температур 300 ° C.

Приложения

Термопары подходят для измерения в широком диапазоне температур от -270 до 3000 ° C (кратковременно в инертной атмосфере).^[21] Приложения включают измерение температуры для печи, газовая турбина выхлоп дизель двигатели, другие производственные процессы и туманные машины. Они менее подходят для приложений, где требуется измерять меньшую разницу температур с высокой точностью, например диапазон 0–100 ° C с точностью до 0,1 ° C. Для таких приложений термисторы, кремниевые зонные датчики температуры и термометры сопротивления подходят больше.

Стальная промышленность

Термопары типов B, S, R и K широко используются в стали и утюг промышленности для мониторинга температуры и химического состава на протяжении всего процесса производства стали. Одноразовые погружные термопары типа S регулярно используются в электродуговая печь процесс для точного измерения температуры стали перед выпуском резьбы. Кривую охлаждения небольшого стального образца можно проанализировать и использовать для оценки содержания углерода в жидкой стали.

Безопасность газового прибора

Термопара (самая правая трубка) внутри узла горелки водонагреватель

Подключение термопар в газовых приборах. Концевой шар (контакт) слева изолирован от примерка изоляционным Шайба. Линия термопары состоит из медного провода, изолятора и внешней металлической (обычно медной) оболочки, которая также используется в качестве земля.^[31]

Много газ -питание отопительных приборов, таких как духовки и водные нагреватели использовать пилотное пламя для розжига основной газовой горелки при необходимости. Если пилотное пламя погаснет, может выделиться несгоревший газ, что представляет опасность взрыва и здоровья. Чтобы предотвратить это, некоторые приборы используют термопару в безотказный цепь, чтобы определить, когда горит контрольная лампа. Наконечник термопары помещается в пилотное пламя, создавая напряжение, которое приводит в действие клапан подачи, который подает газ в пилотное пламя. Пока пилотное пламя горит, термопара остается горячей, а пилотный газовый клапан остается открытым. Если контрольная лампочка гаснет, температура термопары падает, что вызывает падение напряжения на термопаре и закрытие клапана.

Если зонд можно легко разместить над пламенем, выпрямительный датчик может часто использоваться вместо этого. Имея частично керамическую конструкцию, они также могут быть известны как стержни пламени, датчики пламени или электроды обнаружения пламени.

Воспламенитель пламени (вверху) и датчик пламени

Некоторые комбинированные клапаны основной горелки и запального газа (в основном Honeywell ) уменьшите потребляемую мощность до диапазона, соответствующего одной универсальной термопаре, нагреваемой пилотом (разомкнутая цепь 25 мВ падает наполовину с катушкой, подключенной к источнику 10–12 мВ, 0,2–0,25 А, как правило) путем подбора размеров катушки до иметь возможность удерживать клапан в открытом состоянии против легкой пружины, но только после того, как начальное усилие включения будет обеспечено пользователем, нажав и удерживая ручку для сжатия пружины во время зажигания пилота. Эти системы можно идентифицировать по «нажатию и удерживанию в течение x минут» в инструкциях по пилотному освещению. (Требуемый ток удержания для такого клапана намного меньше, чем требуется для более крупного соленоида, предназначенного для втягивания клапана из закрытого положения.) Для подтверждения срабатывания клапана и удерживающих токов изготавливаются специальные испытательные наборы, поскольку обычный миллиамперметр нельзя использовать, так как он создает большее сопротивление, чем катушка газового клапана. Помимо проверки напряжения холостого хода термопары и непрерывности постоянного тока, близкого к короткому замыканию, через катушку газового клапана термопары, самым простым неспециализированным тестом является замена заведомо исправного газового клапана.

Некоторые системы, известные как системы управления милливольтом, расширяют концепцию термопары для открытия и закрытия главного газового клапана. Напряжение, создаваемое пилотной термопарой, не только активирует пилотный газовый клапан, оно также проходит через термостат для питания главного газового клапана. Здесь требуется большее напряжение, чем в описанной выше системе безопасности пилотного пламени, и термобатарея используется, а не одна термопара. Такая система не требует для своей работы внешнего источника электричества и, таким образом, может работать во время сбоя питания, при условии, что все другие связанные компоненты системы позволяют это. Это исключает общие печи с принудительной подачей воздуха поскольку для работы двигателя нагнетателя требуется внешнее электрическое питание, но эта функция особенно полезна для обесточенных конвекционные обогреватели. Подобный предохранительный механизм отключения газа с использованием термопары иногда используется для обеспечения зажигания основной горелки в течение определенного периода времени, перекрывая клапан подачи газа основной горелки, если этого не произойдет.

Из-за беспокойства по поводу потери энергии из-за постоянного запального пламени разработчики многих новых устройств перешли на беспилотное зажигание с электронным управлением, также называемое прерывистым зажиганием. При отсутствии постоянного запального пламени отсутствует риск скопления газа, если пламя погаснет, поэтому этим приборам не нужны пилотные предохранительные выключатели на основе термопар. Поскольку эти конструкции теряют преимущество работы без постоянного источника электроэнергии, в некоторых устройствах все еще используются стоячие пилоты. Исключение составляет более поздняя модель мгновенного действия (также известная как «без танка»). водные нагреватели которые используют поток воды для выработки тока, необходимого для зажигания газовой горелки; В этих конструкциях также используется термопара в качестве предохранительного устройства отключения в случае, если газ не загорится или если пламя погаснет.

Датчики излучения на термобатареях

Термобатареи используются для измерения интенсивности падающего излучения, обычно видимого или инфракрасного света, которое нагревает горячие спаи, в то время как холодные спаи находятся на радиаторе. Возможно измерение радиационного интенсивности всего несколько мкВт / см² с имеющимися в продаже датчиками на термобатареях. Например, некоторые лазер мощность счетчики основаны на таких датчиках; они особенно известны как термобатарейный лазерный датчик.

Принцип действия датчика термобатареи отличается от принципа действия датчика болометр, так как последний зависит от изменения сопротивления.

Производство

Термопары, как правило, могут использоваться при испытании прототипов электрических и механических устройств. Например, распределительное устройство при испытании на допустимую нагрузку по току могут быть установлены термопары, которые контролируются во время испытания на нагрев, чтобы подтвердить, что повышение температуры при номинальном токе не превышает проектных пределов.

Производство энергии

Основная статья: Термоэлектрический генератор

Термопара может вырабатывать ток для непосредственного управления некоторыми процессами без необходимости в дополнительных схемах и источниках питания. Например, мощность от термопары может активировать клапан при возникновении разницы температур. В электроэнергия генерируемый термопарой, преобразуется из высокая температура который необходимо подводить к горячей стороне для поддержания электрического потенциала. Необходим непрерывный перенос тепла, поскольку ток, протекающий через термопару, имеет тенденцию вызывать охлаждение горячей стороны и нагревание холодной стороны ( Эффект Пельтье ).

Термопары можно подключать последовательно, чтобы сформировать термобатарея, где все горячие спаи подвергаются более высокой температуре, а все холодные спаи - более низкой температуре. Выход представляет собой сумму напряжений на отдельных переходах, что дает большее напряжение и выходную мощность. В радиоизотопный термоэлектрический генератор, то радиоактивный распад из трансурановые элементы в качестве источника тепла использовался для питания космических кораблей в миссиях слишком далеко от Солнца, чтобы использовать солнечную энергию.

Термобатареи с подогревом керосиновые лампы использовались для запуска безбатарейное радио приемники в изолированных местах.^[32] Существуют коммерчески производимые фонари, которые используют тепло от свечи для работы нескольких светодиодов, а также вентиляторы с термоэлектрическим приводом для улучшения циркуляции воздуха и распределения тепла в помещении. дровяные печи.

Технологические установки

Химическое производство и нефтеперерабатывающие заводы обычно используют компьютеры для регистрации и предельного тестирования множества температур, связанных с процессом, обычно исчисляемых сотнями. В таких случаях несколько выводов термопары будут подведены к общему эталонному блоку (большому медному блоку), содержащему вторую термопару каждой цепи. Температура блока, в свою очередь, измеряется термистор. Для определения температуры в каждом месте измерения используются простые вычисления.

Термопара как вакуумметр

Смотрите также: Измерение давления § Теплопроводность

Термопару можно использовать как вакуумметр в диапазоне примерно от 0,001 до 1 торр абсолютное давление. В этом диапазоне давления длина свободного пробега газа сопоставима с размерами вакуумная камера, и режим потока не является ни чисто вязкий ни чисто молекулярный.^[33] В этой конфигурации спай термопары прикреплен к центру короткого нагревательного провода, который обычно запитывается постоянным током около 5 мА, и тепло отводится со скоростью, зависящей от теплопроводности газа.

Измеряемая температура на спайе термопары зависит от теплопроводность окружающего газа, который зависит от давление газа. Разность потенциалов, измеряемая термопарой, пропорциональна квадрат давления на от низкого до среднего вакуума классифицировать. При более высоких (вязкий поток) и более низких (молекулярный поток) давлениях теплопроводность воздуха или любого другого газа практически не зависит от давления. Термопара была впервые использована в качестве вакуумметра Фоге в 1906 году.^[34] Математическая модель термопары как вакуумметра довольно сложна, как подробно объяснил Ван Атта:^[35] но можно упростить до:

${displaystyle P={frac {B(V^{2}-V_{0}^{2})}{V_{0}^{2}}},}$

куда п давление газа, B постоянная, зависящая от температуры термопары, состава газа и геометрии вакуумной камеры, V₀ - напряжение термопары при нулевом давлении (абсолютное), а V - напряжение, показываемое термопарой.

Альтернатива - это Датчик Пирани, который работает аналогичным образом, примерно в том же диапазоне давления, но представляет собой только двухконтактное устройство, измеряющее изменение сопротивления тонкого электрически нагреваемого провода в зависимости от температуры, а не с помощью термопары.

Смотрите также

• Датчик теплового потока
• Болометр
• Джузеппе Доменико Ботто
• Термистор
• Термоэлектрическая мощность
• Список датчиков
• Международная температурная шкала 1990 г.
• Биметалл (механический)

Рекомендации

1. «Термопарные датчики температуры». Temperatures.com. Получено 2007-11-04.
2. Рамсден, Эд (1 сентября 2000 г.). «Измерение температуры». Датчики. Получено 2010-02-19.
3. «Технические примечания: точность термопары». МЭК 584-2 (1982) + A1 (1989). Получено 2010-04-28.
4. «Как предотвратить ошибки измерения температуры при установке датчиков и преобразователей термопар» (PDF). acromag.com. Акромаг. Получено 3 февраля 2017.
5. Ван, Т. П. (1990) «Материалы термопар» в Справочник ASM, Vol. 2. ISBN  978-0-87170-378-1
6. Pyromation, Inc. «Теория термопар» (2009).
7. Роу, Мартин (2013). «Термопары: просто, но неправильно», Сеть EDN.
8. Керлин, Т. И Джонсон, М. (2012). Практическая термометрия термопар (2-е изд.). Парк Исследовательского Треугольника: ISA. С. 110–112. ISBN  978-1-937560-27-0.
9. Бушоу, К. Х. Дж. Энциклопедия материалов: наука и техника, Эльзевир, 2001 ISBN  0-08-043152-6, п. 5021, таблица 1.
10. https://www.beuth.de/en/standard/din-43710/2941650
11. Руководство по использованию термопар при измерении температуры (4-е изд.). ASTM. 1993. С. 48–51. ISBN  978-0-8031-1466-1.
12. «Помощь термопарам в работе ... - Transcat». www.transcat.com.
13. https://blog.wika.us/products/tempera-products/green-rot-affects-type-k-thermocouples/
14. Берли, Ноэль А. Термопары Nicrosil / Nisil типа N. www.omega.com.
15. Сравнение термопары типа N и термопары типа K на заводе по производству кирпича. jms-se.com.
16. https://www.wika.us/landingpage_thermocouple_sensor_en_us.WIKA
17. https://www.beuth.de/en/standard/din-43710/2941650
18. «Теория термопар». Capgo. Получено 17 декабря 2013.
19. «Дополнительная информация для ITS-90». Международное бюро мер и весов. Архивировано из оригинал на 2012-09-10. Получено 2 февраля 2018.
20. OMEGA Engineering Inc. "Калибровочные эквиваленты вольфрам-рениевых термопар ".
21. Поллок, Дэниел Д. (1991). Термопары: теория и свойства. CRC Press. С. 249–. ISBN  978-0-8493-4243-1.
22. https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/jres/67C/jresv67Cn4p337_A1b.pdf
23. https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a285423.pdf
24. Другие типы термопар. dugantech.com.
25. Термоэлектричество: теория, термометрия, инструмент, выпуск 852 Дэниела Д. Поллока.
26. 5629 Gold Platinum Термопара В архиве 2014-01-05 в Wayback Machine. fluke.com.
27. BIPM - «Методы аппроксимации ИТС-90» В архиве 2014-02-01 в Wayback Machine Глава 9: Платиновые термопары.
28. http://core.materials.ac.uk/search/detail.php?id=3629
29. https://www.science.gov/topicpages/h/high-temperature+irradiation-resistant+thermocouples.html
30. МЭК 60584-3: 2007
31. Водонагреватели, устойчивые к воспламенению легковоспламеняющихся паров: Руководство по обслуживанию (238-44943-00D) (PDF). Брэдфорд Уайт. стр. 11–16. Получено 11 июн 2014.
32. Новый ученый. Reed Business Information. 10 января 1974 г. С. 67–. ISSN  0262-4079. Получено 28 мая 2012.
33. Габланян, М. Х. (1997) Технология высокого вакуума: Практическое руководство, второе изд., Marcel Dekker Inc., стр. 19–22, 45–47 и 438–443, ISBN  0-8247-9834-1.
34. Фоге, В. (1906) Physik Zeit., 7: 498.
35. Ван Атта, К. М. (1965) Вакуумная наука и инженерия, McGraw-Hill Book Co., стр. 78–90.

внешняя ссылка

• Принцип работы термопары - Кембриджский университет
• Термопара
• Дрейф термопары - Кембриджский университет
• Два способа измерения температуры с помощью термопар
• Руководство по проектированию термопар
• Ноу-хау в области термопар с минеральной изоляцией
• Насадка для термопары - грунтовка

Таблицы данных термопар:

• Текстовые таблицы: База данных термопар NIST ITS-90 (B, E, J, K, N, R, S, T)
• Таблицы PDF: J K Т E N р S B
• Python упаковка thermocouples_reference содержащие характеристические кривые многих типов термопар.
• р упаковка [1] Измерение температуры с помощью термопар, датчиков RTD и IC.
• Таблица данных: Размеры проводов термопар