Измерение температуры с помощью термопары: Измерение температуры с помощью термопары

Методическая разработка дистанционного занятия по теме «Определение температуры с помощью термопар»

Лабораторная работа№ 7 . Измерение температуры с помощью термопар

Цель работы: Изучить устройство термопары, познакомиться с методами измерения температуры термоэлектрическим термометром

1. Записать тему, цель работы.

2. Изучить учебный текст

3. Познакомьтесь с устройством и принципом работы термопары по видео на электронном ресурсе:

*https://www.youtube.com/watch?v=dp0mmZhaPX4

* http://www.youtube.com/watch?v=5Mea7CA_9fo

4. Ответить на контрольные вопросы в описании лабораторной работы

5. По данным таблицы построить графики.

Теория

Температура относится к числу так называемых основных величин, на которых основана международная система единиц СИ, а единица ее измерения — Кельвин — входит наряду с килограммом, метром и секундой в число основных единиц этой системы. С измерением температуры постоянно приходится иметь дело в науке, технике и быту.

Особенностью температуры как физической величины, является то, что ее нельзя измерять непосредственно. Температура тела связана с кинетической энергией молекул, поэтому она не может быть измерена не непосредственно.

Для измерения температуры используется то обстоятельство, что практически все величины, характеризующие свойства веществ, зависят от температуры. От температуры зависят, например, объем тела, электрическое сопротивление проводников и полупроводников, давление газов при постоянном объеме, излучение нагретых тел. Любое из этих и других свойств может быть использовано для создания приборов, измеряющих температуру — термометров.

Один из часто употребляемых термометров — термометр термоэлектрический. Здесь используется явление, открытое Зеебеком и состоящее в том, что на концах цепи, составленной из двух различных проводников или полупроводников, спаянных своими концами (рис.1), возникает электродвижущая сила, если температуры спаев различны. Если цепь замкнута, то в ней в этом случае течет электрический ток.

рис 2

Причина явления состоит в том, что в различных металлах различны, во-первых, концентрации свободных электронов и, во-вторых, различны силы, удерживающие электроны внутри проводника. Благодаря этому в месте контакта происходит переход электронов из того металла, где их концентрация больше, а удерживающая сила меньше, в другой, в котором концентрация меньше, а сила больше.

Термопара состоит из двух металлов, сваренных на одном конце. Способ соединения проводников А и Б не имеет существенного значения ,это может быть скрутка пайка, сварка, если при этом обеспечивается плотный контакт проводников .Эта часть ее помещается в месте замера температуры. Два свободных конца подключаются к измерительной схеме- милливольтметру(рис2).

Если спай двух металлов А и В (термопара) имеет температуру T1, а свободные (неспаянные) концы температуру T2, причем T1>T2, то между свободными концами возникает термоЭДС, пропорциональной разности температур

E = a(T1-T2). (1),где коэффициент a равен эдс термопары при разности температур в один градус. Обычно a выражают в микровольтах на градус (мкВ/К).

ТермоЭДС термопары невелика (0,01-0,06 мВ на одни градус), поэтому ее

измеряют или высокочувствительными милливольтметрами

, обеспечивающими достаточную точность для практических

целей.

Соединение термопары с вторичными приборами производится термоэлектродными проводами, изготовленными из таких же материалов что и сама термопара, или из других сплавов, развивающих в пределах до 100 оС т.э.д.с. равную т.э.д.с. термопары.

Наиболее распространены термопары платино-платинородиевые (ПП), хромельалюминиевые (ХА), хромель-копелевые (ХК), железоконстантовые (ЖК), алюмелевые.

Рис 3

Термопары пригодны для измерения температур в диапазоне от 0 до 2300°C, и в областинизких температур до -200°C.

Основные данные серийно выпускаемых термопар (рис 3)приведен в таблице 2.1

К достоинствам термопары относятся: простота изготовления, небольшие

размеры спая, малая теплоемкость термочувствительного элемента-спая, малое

время установления теплового равновесия между спаем и средой.

Недостаток термопары — небольшая величина термоЭДС при низких

температурах и в связи с этим трудность точного измерения ее. С понижением

температуры термоЭДС в спае уменьшается и обращается в нуль при

температуре, равной абсолютному нулю.\

Контрольные вопросы

1.Что называется температурой?

2.Какие свойства вещества позволяют измерить темперутуру?

3.Что называется термопарой

4.Какова технология изготовления термопары

5.Каковы особенности измерения температуры с помощью термоэлектрического термометра

6. На основе какого физического явления работает термопара

7. Какова зависимость термоЭДС от температуры

8.Почему для измерения термоЭДС используются высокоточные измерительные приборы

9. Из каких материалов изготавливаются термоэлектроды

10.Назовите основные преимущества термоэлектрического термометра.

Ход выполнения работы

В данной работе проводится градуировка дифференциальной термопары ,

схемы подключения термопары к измерительному прибору показаны на рис.3

рис 3.

При градуировке термоэлектрического термометра холодного спая свободных концов термопары поддерживается равной нулю. При измерениях составляются градировочные характеристики, устанавливающая зависимость измеряемой термоЭДС от температуры рабочего спая , на основании которых определяется действительная температура нагретого спая термопары(таблица 2)

Таблица 2

1. Выбрать по таблице тип термопары ( любой из 6 вертикальных столбцов, где представлен тип термопары и ее термоЭДС ) .

2. По результатам данных таблицы построить график зависимости термоЭДС (по вертикали) от температуры(по горизонтали ).

3. Сделать краткие выводы

Измерение температуры с помощью термопар.

При измерении
температуры с помощью термопар
используются два основных метода:
непосредственное измерение термоЭДС
с помощью милливольтметра и компенсационный
метод.

Так как значение
термоЭДС, развиваемой термопарой,
невелико, для непосредственного измерения
ее необходимы высокочувствительные
милливольтметры магнитоэлектрического
типа. Прибора этого типа работают на
основе взаимодействия магнитного поля
постоянного магнита и измеряемого тока,
протекающего по подвижной рамке. Для
создания достаточного вращающего
момента при весьма небольшом токе рамка
выполняется из большого числа витков
медного провода. Противодействующий
момент создается спиральными пружинами,
по которым и подводится ток в рамку.
Шкала милливольтметра градуируется
непосредственно в градусах и на ней
указывается тип термопары, для которой
предназначен данный милливольтметр.

Обозначим
через R_всопротивление
милливольтметра, R_т
– сопротивление термопары, R_п
– сопротивление соединительных проводов.
Ток, проходящий по рамке милливольтметра
под действием термоЭДС Е_тп,

I_в=
Е_тп/(
R_в+
R_т+
R_п).
(1.1)

Из этой формулы
видно, что показания прибора зависят
не только от термоЭДС Е_тп,
но и от сопротивленийR_в,
R_т, R_п.
Так как шкала прибора уже проградуирована
для термопары определенного типа, то
сопротивленияR_в
и R_туже
учтены при градуировке. А сопротивления
внешней цепи также указываются на шкале
(обычно 0,5; 5; 15 или 25 Ом).

Оценим показания
прибора, шкала которого проградуирована
в милливольтах. Напряжение на его зажимах
U_в=I_вR_в.

С учетом (1.1)

U_в=E_тпR_в/(R_в+
R_т+R_п)
(1.2)

Обозначим
внешнее сопротивление цепи R_вн=R_n+R_п
и выразим из (1.2.) термоЭДС

E_тп=U_в(R_в+
R_вн)/ R_в=
U _в+ U
_в(R_вн/
R_в)
(1.3)

Из (1.3) видно,
что измеряемое милливольтметром
напряжение будет всегда меньше, чем ЭДС
термопары, на U
_в(R_вн/
R_в).Эта величина будет тем меньше, чем больше
сопротивление милливольтметраR_в
по сравнению с внешним сопротивлениемR_вн.Обычно милливольтметры имеют кроме
сопротивления рамки еще добавочное
сопротивление из манганина, сто в сумме
дает не менее 100 Ом.

Обычно градуировка
термопар осуществляется при температуре
холодного спая Т₂=0. на практике
при измерении температуры Т₁холодный спай имеет Т₂0.
Следовательно, по измеренной термоЭДС
нельзя точно определить Т₂.
необходимо вводить так называемую
поправку на температуру холодных спаев.
Существует несколько способов поддержания
неизменной температуры холодных спаев.
Например, можно поместить холодные спаи
в ванну с тающим льдом, но это возможно
лишь в лабораторных условиях или при
наладке. Можно холодные спаи закапывать
в землю на глубину нескольких метров,
где температура довольно стабильна,
или помещать холодные спаи в специальную
коробку с тепловой изоляцией.

Если температура
холодных спаев известна, то к показаниям
измерительного прибора добавляют
поправку, соответствующую термоЭДС при
Т₂. Эту поправку следует брать из
градуировочной кривой.

Поправку на
температуру холодных спаев можно ввести
и механическим путем: при отключенной
термопаре сместить стрелку на шкале
прибора на отметку, соответствующую
температуре холодных спаев (обычно
температуре окружающей среды). Применяют
также схемы автоматической коррекции
температурных погрешностей, в которых
используются свойства терморезисторов
изменять сопротивление в зависимости
от температуры.

Рассмотрим
принципиальную схему включения термопары
и милливольтметра (рис 10.3). Измерительный
прибор может находиться на довольно
значительном удалении от термопары.
Длина соединительных проводов может
составлять несколько метров. В местах
присоединения этих проводов также
возникают термоЭДС. Для точной компенсации
этих термоЭДС необходим определенный
подбор материалов проводов и термопар.
Для присоединения термопар служат
специальные, так называемые компенсационные
провода. Каждой паре материалов
компенсационных проводов присваивают
буквенное обозначение, а каждому
материалу придают определенную расцветку,
для чего используют оплетку из цветной
пряжи или цветные опознавательные нити,
проложенные в проводе.

Для термопар
типа ТПП применяются компенсационные
провода с обозначением П в красной и
зеленой оплетке с зелено-белыми нитями
внутри. Материал провода – медь в паре
с медно-никелевым сплавом. Для термопар
типа ТХА применяются провода с обозначением
М в красной и коричневой оплетке с
красно-белыми нитями из меди в паре с
констаном. Для термопар ТХК применяют
провода с обозначением ХК в фиолетово-желтой
оплетке с нитями такого же цвета и
материалом хромель-копель, т.е.
компенсационными проводами могут быть
и основные термоэлектроды.

Рассмотрим
измерение температуры компенсационным
методом с помощью термопары и
автоматического потенциометра. На
рис.10.4 показаны термопара ТП, вырабатывающая
термоЭДС Е_д, и мостовая схема,
вырабатывающая компенсирующее напряжениеU_к, снимаемое между
точками А и Б. Разность этих напряжений
подается на вход усилителя (У), который
питает управляющую обмотку исполнительного
электродвигателя (ЭД). Обмотка возбуждения
ЭД постоянно подключена к источнику
переменного напряжения, а скорость
вращения ЭД зависит (примерно
пропорционально) от напряжения на его
управляющей обмотке. Электродвигатель
(ЭД) через редуктор (Р) перемещает движок
калиброванного реохорда (потенциометрического
датчика)R_пдо тех
пор, пока напряжениеU_кне сравняется с Е_д. Одновременно
перемещается указатель на шкале прибора
и перо самописца. ПриU_к=Е_днапряжение на входе усилителя равно
нулю (U_к-Е_д=0)
и электродвигатель (ЭД) остановится.
Каждому значению выходного сигнала
датчика Е_д=f(ТС)
соответствует определенное положение
указателя на шкале. Шкала проградуирована
вС и на ней указан
тип термопары, для которой выполнена
градуировка.

Мостовая схема
в данном случае служит не для измерения,
а для выработки компенсирующего
напряжения U_к и
автоматической коррекции из-за изменения
температуры холодного спая. Плечи моста
состоят из проволочных резисторовR₁–R₄, выполненных из
материала с малым температурным
коэффициентом сопротивления (например,
из манганина), и терморезистораR_к,
изготовленного из материала с большим
температурным коэффициентом сопротивления
(например, из меди или никеля). Резистор
располагается вблизи холодных спаев
термопары. Мост питается от источника
постоянного тока Е – обычно это батарейка
(например, сухой элемент типа ЭСЛ-30). При
всяком изменении температуры холодных
спаев термопары изменяется Е_ди
одновременно меняется сопротивлениеR_к, что приводит к
изменению компенсирующего напряженияU_кна туже величину,
на какую изменилось Е_д. Следовательно,
колебания окружающей температуры не
изменяют показаний на шкале прибора.
Регулировочное сопротивлениеR_рслужит для установки тока питания моста
при разряде батареи (уменьшении Е).

Обычно на панели
автоматического потенциометра имеется
кнопка с самовозвратом, обозначенная
словами «Установка рабочего тока». При
нажатии этой кнопки, не показанной на
рис.10.4, рабочая цепь прибора размыкается,
а усилитель включается на разность ЭДС
батарейки и специального, стабильного
нормального элемента. Если батарейка
разрядилась, то под действием разности
этих ЭДС, усиленной усилителем,
электродвигатель ЭД перемещает движок
регулировочного резистора R_р,
автоматически устанавливая требуемое
значение тока питания моста.

Ответственной
деталью в измерительной схеме является
реохорд. Он выполнен из манганиновой
проволоки, намотанной на медной
изолированной основе. Движок реохорда
выполнен в виде контактного ролика.

Бесконтактное
измерение температуры.

О температуре
нагретого тела можно судить на основании
измерения параметров его теплового
излучения, представляющего собой
электромагнитные волны различной длины.
Термометры, действие которых основано
на измерении теплового излучения,
называются пирометрами.Они позволяют
измерять температуру в диапазоне от
100 до 6000С и выше.

Физические тела
характеризуются либо непрерывным
спектром излучения (твердые и жидкие
вещества), либо избирательным (газы).
Участок спектра в интервале длин волн
0,02…0,4 мкм соответствует ультрафиолетовому
излучению, участок 0,4…0,76 мкм – видимому
излучению, участок 0,76…400 мкм –
инфракрасному излучению. Интегральное
излучение – это суммарное излучение,
испускаемое телом во всем спектре длин
волн.

Монохроматическим
называют излучение, испускаемое при
определенной длине волны.

На основании
законов излучения разработаны пирометры
следующих типов:

• суммарного (полного)
  излучения, в которых измеряется полная
  энергия излучения;

• частичного излучения
  (квазимонохроматические), в которых
  измеряется энергия в ограниченном
  фильтром (или приемником) участке
  спектра;

• спектрального распределения,
  в которых измеряется интенсивность
  излучения фиксированных участков
  спектра.

В
пирометрах полного излучения оценивается
не менее 90% суммарного потока излучения
источника. При измерении температуры
реального тела пирометры этого типа
показывают не действительную температуру,
а так называемую радиационную температуру
тела. Поэтому эти пирометры называют
радиационными.
При известном
суммарном коэффициенте черноты тела
возможен пересчет с радиационной
температуры тела на его действительную
температуру. Исходя из этого, пирометры
полного излучения удобно использовать
при измерении разностей температур в
неизменных условиях наблюдения в
диапазоне от 100…3500С.
Основная допустимая погрешность в
технических пирометрах возрастает с
увеличением верхнего предела измерения
температуры. Так, для 1000С
— 12%,
для 2000С
— 20%.

В радиационном
пирометре (рис 2.84) лучи нагретого тела
поступают на линзу 1, которая направляет
их через диафрагму 2 на приемник излучения
3. приемник излучения состоит из большого
числа термопар (термобатарея), горячие
спаи которых выполнены в виде секторных
тонких пластинок. Сигнал с термопар,
соединенных последовательно, подается
на отсчетное устройство ОУ. Через окуляр
4 с фильтром 5 производится наведение
пирометра на объект измерения. Приемники
полного излучения подразделяются на
электрические (термобатареи, болометры,
тепловые индикаторы, пироэлектрические
кристаллы), пневматические (детектор
Голея) и оптические (жидкие кристаллы).
Наибольшая чувствительность (10⁵В Вт^-1) у пневматических приемников.
У электрических она составляет от 10
^–4до10^–3В* Вт^-1.

Приемники
полного излучения отличаются тем, что
их спектральная чувствительность
постоянна в широком диапазоне длин волн
от дальней инфракрасной области до
ближней ультрафиолетовой. Для увеличения
поглощательной способности чувствительные
поверхности приемников окрашивают в
черный цвет. Для уменьшения теплоотвода
в среду приемник помещают в вакуумированные
или газонепроницаемые корпуса.

Термобатареи
выполняются на основе термопар,
соединенных последовательно (до 20
термопар). Их горячие спаи располагаются
на узком участке поверхности, на который
фиксируется излучение.

Болометры –
это термометры сопротивления, изготовленные
либо из фольги проводящих металлов,
либо из полупроводников (термисторов).

Тепловые
быстродействующие индикаторы выполняются
в виде тонкослойной термопары или
болометра, в которых активный слой имеет
хороший тепловой контакт с основанием.
Они применяются для идентификации
мощных сигналов, например лазерного
излучения.

Пироэлектрические
приемники –это кристаллы с определенным
видом симметрии, в которых в зависимости
от изменения температуры проявляется
эффект спонтанной поляризации.

Пирометры
полного излучения подразделяются на
пирометры с преломляющей оптической
системой (рис. 2.85, а) и пирометры с
отражающей оптической системой (рис.
2.85,б).

В первом случае
излучение от объекта измерения 1 через
линзовый объектив 2 и диафрагму 3 поступает
на приемник полного излучения 4. для
наводки на объект измерения служит
окуляр 6 с дымчатым фильтром 5 и диафрагмой
7. Отсчетным устройством является
милливольтметр 9.

В пирометрах с
отражающей оптической системой (рис.2.85
б) излучение от объекта измерения 1
попадает на приемник излучения 3 после
прохождения через защитную полиэтиленовую
пленку 2, диафрагму 4 и зеркальный объектив
5. Для наводки на объект излучения служит
зрительная труба 6. Отсчет показаний
производится по шкале милливольтметра
8. Полиэтиленовая пленка прозрачно для
инфракрасного излучения и служит для
защиты оптической системы пирометра
от загрязнения потоков воздуха.

Пирометры частичного
излучения работают в узком диапазоне
волн, они называются квазимонохроматическими
пирометрами. К данному типу относятся
оптические и фотоэлектрические пирометры.
Разновидностями оптических пирометров
являются пирометр «с исчезающей нитью»,
пирометр «с оптическим круговым клином»,
фотоэлектрические монохроматические
пирометры.

На рис.2.86, а
изображена схема оптического пирометра
«с исчезающей нитью», принцип действия
которого основан на сравнении яркости
объекта измерения и яркости градуированного
источника излучения в определенной
длине волны.

Изображение
излучателя 1 с линзой 2 и диафрагмой 4
объектива пирометра фокусируется в
плоскости нити накаливания 5. Оператор
через диафрагму 6, линзу окуляра 8, красный
светофильтр 7 на фоне раскаленного тела
видит нить лампы. Перемещая движок
реостата 11, оператор изменяет силу тока,
проходящего через лампу, и добивается
уравнивания яркостей нити и излучателя.
Момент «исчезания» нити на фоне объекта
соответствует равенству яркостей нити
и объекта излучения. Регистрирующий
прибор 9 фиксирует силу тока, соответствующую
этому моменту, и позволяет произвести
считывание результата измерения
температуры объекта излучения. Красный
светофильтр 7 пропускает область
излучения с шириной около 0,1 мкм и с
эффективной длиной волны 0,65 мкм.

Данный тип
пирометров позволяет измерять температуры
в интервале 700…8000С.
Основная допустимая погрешность
измерения для интервала температур
1200…2000С составляет20С.

Пирометр с
оптическим круговым клином является
модификацией описанного выше. В нем
яркостную температуру нити лампы
накаливания поддерживают постоянной,
а уравнивание яркостей осуществляется
перемещением оптического клина,
пропускающего больше или меньше света
от объекта. По положению клина судят о
яркостной температуре объекта излучения.

Фотоэлектрические
пирометры основаны на использовании
зависимости интенсивности излучения
от температуры в узком интервале длин
волн спектра. В качестве приемников в
данных пирометрах используются фотодиоды,
фотосопротивления, фотоэлементы и
фотоумножители.

На рис. 2.86, б
приведена схема фотоэлектрического
монохроматического пирометра, в котором
в качестве приемника применяется
фотоэлемент. Поток от излучателя 1 с
линзой 2 и диафрагмой 3 объектива
фокусируется на отверстии 7 в держателе
светофильтра 5 таким образом, чтобы
изображение визируемого участка
поверхности излучателя перекрывало
данное отверстие. В этом случае величина
светового потока, падающего на катод
фотоэлемента 6, расположенного за
светофильтром 5, определяется яркостью
излучателя, т.е. его температурой. В
держателе светофильтра 5 расположено
еще одно отверстие 8, через которое на
фотоэлемент попадает поток от лампы 17
обратной связи. Световые потоки от
излучателя 1 и лампы 17 подаются на катод
попеременно через отверстия 7 и 8 с
частотой 50 Гц, что обеспечивается с
помощью вибрирующей заслонки 9.

При различии
световых потоков излучателя 1 и лампы
17 в токе фотоэлемента появится переменная
составляющая, имеющая частоту 50 Гц и
амплитуду, пропорциональную разности
данных потоков. Усилитель 13 обеспечивает
усиление переменной составляющей, а
фазовый детектор 14 – последующее ее
выпрямление. Полученный выходной сигнал
подается на лампу 17, что вызывает
изменение тока накаливания. Это будет
происходить до тех пор, пока на катоде
фотоэлемента световые потоки от двух
источников не уравняются. Следовательно,
ток лампы обратной связи однозначно
связан с яркостной температурой объекта
измерения.

В цепь лампы
17 включено калибровочное сопротивление
16, падение напряжения на котором
пропорционально силе тока и измеряется
быстродействующим потенциометром 15,
снабженным температурной шкалой.

В фотоэлектрических
пирометрах с пределами измерения
500…1100С применяется
кислородно-цезиевый фотоэлемент, а в
приборах со шкалой 800…4000С
– вакуумный сурьмяно-цезиевый. Пределы
допускаемой погрешности до 2000С
не превышают1%.

Фотоэлектрические
пирометры характеризуются малой
инерционностью (до 10^-3с), поэтому
их используют для регистрации
быстропротекающих температурных
процессов, а также для измерений
температуры малых объектов.

Пирометры
спектрального распределенияизмеряют
цветовую температуру объекта по отношению
интенсивностей излучения в двух
определенных участках спектра. Основное
преимущество таких пирометров заключается
в независимости их показаний от
излучательной способности объекта, а
также от наличия дыма, пыли и испарений
в пространстве между объектом и
пирометром.

В пирометрах
сравнения (рис. 2.87,а) отношение
спектральных интенсивностей оценивается
субъективно по цветовому ощущению,
создаваемому смесью двух монохроматических
пучков. Излучение от объекта измерения
1 чрез объектив 2, нейтральный оптический
клин 3 и двойной светофильтр 4 направляется
к фотометрическому кубику 5. Двойной
светофильтр 4 выполнен в виде двух
клиньев (красного и зеленого), относительным
перемещением которых можно изменять
соотношение между интенсивностями
красного и зеленого цветов. На
фотометрический кубик поступает также
излучение от лампы 9 через матовое стекло
10, красный и зеленый светофильтр 11 и
объектив 12. Через окуляр 6 глаз оператора
8 видит два участка, соответствующих
излучению от объекта измерения 1 и лампы
9, окрашенных смесью зеленого и красного
цветов с различным соотношением их
интенсивности. Взаимным смещением
оптических клиньев двойного светофильтра
4 уравнивают соотношение излучения
объекта измерения 1 и излучения лампы
9. Для уравновешивания соотношения
цветов необходимо равенство яркостей
излучения объекта и лампы. Этого
добиваются изменением положения
нейтрального оптического клина 3. После
уравновешивания положения нейтрального
клина определяют яркостную температуру,
а положение одного из клиньев двойного
светофильтра определяет цветовую
температуру объекта.

Оператор,
работающий с пирометром сравнения,
должен обладать хорошим цветоощущением.

В пирометрах
спектрального отношения (рис.2.87,б)
вводится модуляция светового потока.
Световой поток от объекта измерения 1
прерывается обтюратором 4 с двумя
светофильтрами, пропускающими излучение
на двух длинах волн₁и₂к фотоэлементу
5. Переменная составляющая выходного
сигнала фотоэлемента усиливается в
усилителе 6 и подается на реверсивный
двигатель 7, который перемещает
уравновешивающий фильтр 3 до тех пор,
пока не уравняются интенсивности
излучения на обеих длинах волн. В
положении равновесия перемещение
фильтра 3 является мерой измеряемой
температуры.

Введение. Измерение температуры с помощью терморезистора и термопары

Цель работы

Измерение температуры с помощью терморезистора и термопары.

Лекция № 0

Контрольная работа

Консультации с преподавателями, которые ведут лабораторные работы.

Консультации по курсовой работе.

Консультации по курсовой работе проводят преподаватели каф ИТФ после 6 – ой недели. Консультациипроводятпреподаватели, которые ведут лабораторные работы в данной группе(см. выше).

К Курсовой работе необходимо самостоятельно освоить материал по лекциям и указанной литературе. Студенты представляют отчет на 13 – 15стр. и защищают курсовую работу.

Имеется электронный раздаточный материал – конспект лекций по основным разделам курса.

Текущая проверка знаний в течение семестра.

Литература.

Буринский В.В., Измерения и обработка результатов, М., МНЭПУ, 2000, 156 с.

Преображнский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. 3-е издание. Москва, Изд. Энергия, 1978 год, 704 стр.

Иванова Г.М. Кузнецов Н.Д., Чистяков В.С. Теплотехнические измерения и приборы. Переработанное издание. Москва, Изд. Энергия, 2008 год, 304 стр.

Рабинович С.Г., Погрешность измерений. – Ленинград, Изд. Энергия. 1978г.,- 262 с.

Н.Г. Назаров, Метрология, М., Изд. Высшая школа, 2002, 348 с.

Виноградова, Гайдученко, Свиридов и др. Основы построения информационно-измерительных систем. М., Изд. МЭИ, 2004

Сычев Е.И. Основы метрологии военной техники. М. Воениздат, 1993

Комов А.Т., Федорович С.Д. Методы получения и измерения высокого и сверхвысокого вакуума. М. Изд-во МЭИ, 2000, 63 с.

Пипко А.Б. и др. Конструирование и расчет вакуумных систем. М. Энергия,1970, 504 с.

Розанов Л.Н. Вакуумная техника М.: Высш. Шк. 1990, 320 с.

Методическое пособие № 2

Работа направлена: 1) на изучение методов измерения температуры с помощью терморезистора, термопары и цифрового термометра, 2) на освоение работы экспериментального стенда, 3) на выполнение градуировки термопары с помощью термометра сопротивления и 4) на поверку цифрового термометра.

Из курса физики известно, что электрическое сопротивление проводника R однозначно зависит от температуры T

R=R₀ (1 + a(T — T₀) + …), (2.1)

где R₀ — сопротивление проводника при температуре T₀, выбранной за начало отсчета, a-температурный коэффициент электрического сопротивления.

На рис. 2.1 показан термометр сопротивления — терморезистор 5, изготовленный из платиновой проволоки и включенный в цепь последовательно с катушкой 2, источником напряжения 3 и магазином сопротивлений 4.

Метод измерения температуры, T, вещества с помощью терморезистора состоит в том, что приводят термодатчик в состояние теплового равновесия с веществом, измеряют сопротивление резистора, R, и вычисляют температуру вещества по расчетному уравнению T(R).

На схеме (рис. 2.1) терморезистор 5 находится в контакте с водой. Блоки установки (катушка 2, источник напряжения 3 и магазин сопротивлений 4) позволяют оператору осуществить режимные и измерительные действия для получения первичных данных (R) для вычисления температуры по расчетному уравнению T(R).

Из курса физики известно, что термоэлектрическая сила E или термоЭДС, которая возникает в замкнутой электрической цепи, состоящей из двух разнородных проводников А и В, зависит от разности температур между спаями, DT = T — T₀, где T – температура горячего спая, T₀ – температура холодного спая (известны термопары, содержащие два холодных спая, рис. 2.1).

ТермоЭДС E, вырабатываемая термопарой, используется как измеряемый или первичный параметр для определения температуры вещества Т, при этом горячий спай термопары размещается в исследуемом веществе (рис. 2.1).

На рис. 2.1 показана термопара, у которой горячий спай 8 расположен в термостате и находится в тепловом равновесии с водой, температуру T которой необходимо измерить. Холодные спаи 9

Рис.2.1. Схема установки

размещены в сосуде Дьюара при температуре T₀ = 273,15 K тающего льда. Между термоЭДС, E, и разностью температур, DT, имеется зависимость, в которой E называется эффектом Зеебека,

E=S_ABDT,(2.2)

где S_AB— коэффициент Зеебека.

При граничном условии T₀ = 273,15 K термоЭДС является функцией температуры E=f(T).

Метод измерения температуры, T, вещества с помощью термопары состоит в том, что приводят горячий спай термопары в состояние теплового равновесия с веществом, помещают холодные спаи в тающий лед, измеряют термоЭДС, Е, и вычисляют температуру T вещества по расчетному уравнению T(E).

Для определения температуры по измеренным значениям E можно применять уравнение (2.2), если известно значение S_AB и выполняется условие T₀ = 273,15 K. Наряду с этой зависимостью используется расчетное уравнение T(E) или градуировочная зависимость в форме полинома

T=b₀ + b₁E + b₂E ²+….(2.3)

Входящие в него коэффициенты (b₀,b₁,b₂…) находятся с помощью статистической обработки результатов градуировочных опытов или градуировки.

В метрологии применяется зависимость E(T), называемая функцией преобразования. Она выбирается в виде полинома

E=a₀ +a₁T+a₂ T²+…, (2.4)

где a₀, a₁, a₂,… — коэффициенты, определяемые с помощью статистической обработки результатов градуировки.

В лабораторной работе необходимо осуществить два метрологических эксперимента: 1) градуировка термопары и 2) поверка цифрового термометра.

В этих экспериментах в качестве эталона используется образцовый платиновый термометр сопротивления ПТС-10.

Во время градуировки термопары приводят в состояние теплового равновесия термометр сопротивления 5 и термопару 8. В итоге эти термодатчики находятся при одинаковой температуре. В заданном стационарном режиме измеряют термоЭДС E и сопротивление резистора R.

Во время поверки цифрового термометра 6 обеспечивают такое режимное условие, когда терморезистор 5 и цифровой термометр находятся в состоянии теплового равновесия. В заданном стационарном i — режиме измеряют Т_{цифр i} по дисплею цифрового термометра и определяют сопротивление резистора R_i.

Измерение электрического сопротивления термометра осуществляют с помощью измерения: 1) напряжения U_т на резисторе 9 и 2) напряжения U_к на образцовой катушке 2. Величину сопротивления находят по соотношению

R= R_кU_т/U_к .(2.5)

Градуировка термопары предусматривает серию измерений (Е_i,U_тi,U_кi) в нескольких стационарных i — режимах. По указанным первичным данным вычисляют значения (Т_i) и находят расчетное уравнение T(E) или градуировочную зависимость термопары.

Путем аппроксимации опытных Е_i,Т_i – данных находят функцию преобразования E(T) для термопары.

В результате градуировки цифрового термометра вычисляют поправку D_цифр для цифрового термометра по формуле

D_цифр =T — Т_цифр , (2.6)

где Т — температура, измеренная термометром сопротивления.

Значения D_цифрсравнивают с паспортными данными цифрового термометра.

Указанные метрологические эксперименты — поверка и градуировка проводятся на экспериментальной установке.

термосопротивление или термопару? Советы по применению.

Измерение температуры

Из четырёх величин Международной системы единиц (СИ), неразрывно связанных с человеческой деятельностью: массой, длиной, временем и температурой, последняя оставалась полной загадкой для человечества вплоть до 18 века. Но и сегодня немногие, пользующиеся различными средствами измерения температуры, понимают, что же они измеряют. 

То же давление легко воспринимается, так как оно связано с силой и может быть без труда определено количественно. С температурой невозможно связать количественную величину. В быту мы оцениваем температуру по ощущениям: горячо, тепло, холодно. Казалось бы, если одно тело горячее другого, то и его температура должна быть больше. Но это не так.Попробуйте взять в разогретой сауне в руку деревянный ковшик и металлический ковшик. Совершенно разные ощущения, хотя температура одна. Но если мы хотим сравнить температуру одинаковых по своей природе объектов, то можем сделать это с высокой точностью. 

Рукой можно определить, повышена ли температура другого человека, т.е. фактически измерить её с точностью ±0,5⁰С. Также находясь в помещении можно с точностью до 1…2⁰С определить её температуру. Человек хорошо чувствует этот физический параметр и в то же время мало кто сможет чётко сказать, что же это такое — температура. 

Забегая вперёд можно сказать, что совершенно обратная ситуация творится с влажностью воздуха. Очень трудно определить влажность воздуха по своим ощущениям. В то же время эта характеристика прекрасно понимается в количественном выражении. Грубо – это количество молекул воды в единице объёма. (См. статью: Что такое влажность воздуха? Как правильно измерять влажность? Давление водяного пара. Таблицы и примеры расчета.) 

Существуют несколько определений температуры. Но мы воспользуемся здесь одним, который наиболее близок людям, занимающимся практическими измерениями и исходит из нулевого закона термодинамики. По нему если два тела находятся в состоянии теплового равновесия, то они имеют одинаковую температуру. Таким образом, если мы обеспечим хороший тепловой контакт термометра с измеряемой средой, то по прошествии некоторого времени, необходимого для установления теплового равновесия, температуры термометра и среды будут одинаковы. Естественно, что данный вывод будет верен, только если наша система изолирована от других тел и не совершается никакой работы. Ну а само понимание физической природы температуры приходит только после изучения статистической механики, где температура представлена как мера кинетической энергии тела. 

Принято считать, что первый термометр, работающий на расширении воздуха, был изобретён Галилеем примерно в 1592 г. А в 1641 году появился первый, реально работающий спиртовой стеклянный термометр, созданный герцогом Тосканским. С этого момента началось быстрое развитие термометрии. В начале 18-ого века Фаренгейт первым изготовил ртутный стеклянный термометр и предложил температурную шкалу, в которой одной из фиксированных точек служила температура человеческого тела, которую он принял за 96 градусов, а другой – температура таяния льда -32 градуса. Ну а кульминационной точкой в развитии практической термометрии явилось принятие в 1927 году Международной температурной шкалы МТШ-27. В дальнейшем температурная шкала совершенствовалась и расширялась практически до 0 К. 

Температура — параметр, который можно измерить только косвенно, по изменению других физических параметров. Термометрию различают на первичную и вторичную. В первичной термометрии температура явно описывается через другие физические параметры, например для газовых термометров это давление и объём. Примерами вторичных термометров являются термометры сопротивления и термопары. В промышленности термометры сопротивления и термопары являются основными средствами контроля температуры, закрывая диапазон измерения от минус 200 до + 2500⁰С и более. 
 

Термометры сопротивления

Основной стандарт в странах таможенного союза, устанавливающий общие технические требования к техническим термометрам сопротивления: ГОСТ 6651-2009. Он практически полностью соответствует МЭК 60751. Ниже приведены некоторые параметры из этого документа. 

Таблица 1.

 Таблица 2. 

В последнее время платиновые термосопротивления активно начали вытеснять медные и термопары. Связано это с появлением на рынке недорогих платиновых плёночных термочувствительных элементов, которые в отличие от медных являются более стабильными и работают в более широком диапазоне температур. А по сравнению с термопарами — обеспечивают более высокую точность измерения и не требуют использования дорогого 

Правильный выбор: термометр сопротивления или термопара

Измерение температуры является одним из основных требований практически при любых условиях технологических процессов перерабатывающей промышленности. В большинстве устройств используются датчики, основанные на двух технологиях. Выбор между этими двумя подходами определяется конкретными требованиями к технологическому процессу и его условиями.

Колебания температуры могут оказывать значительное влияние на прибыльность, безопасность и качество. Это справедливо в отношении разных отраслей промышленности, таких как нефтегазовая, энергетическая, нефтеперерабатывающая, нефтехимическая, фармацевтическая и др. Точность непрерывного контроля температуры зависит от нескольких факторов, в том числе от правильного выбора датчика для конкретных задач и технологических процессов.

Наиболее распространенными устройствами измерения температуры являются термометры сопротивления (ТС) и термопары (ТП). Эти устройства основаны на двух разных технологиях, каждая из которых обладает своими преимуществами, в соответствии с которыми и делается выбор в пользу той или иной технологии.

В конструкции ТС используется тот факт, что электрическое сопротивление металла возрастает с повышением температуры — явление, известное как тепловое сопротивление.

В отличие от ТС, ТП представляет собой замкнутый термоэлектрический датчик температуры, состоящий из двух отрезков проволоки из разнородных металлов, соединенных между собой на обоих концах. При этом если температура на одном конце этих отрезков проволоки (спае) отличается от таковой на другом, в ней возникает электрический ток. Такое явление известно под названием эффекта Зеебека. Возникающее напряжение зависит от конкретных используемых металлов, а также от текущей разницы температур. Сопоставление различных значений напряжения, возникающих при использовании разных металлов, представляет собой основу измерения температуры термопарой.

Сравнение технологий

Не существует однозначного ответа на вопрос, какой тип датчика является более эффективным в конкретной ситуации. При эксплуатации каждого из них возникают негативные побочные эффекты, которые необходимо принимать во внимание при выборе термодатчика с должной тщательностью.

Термометры сопротивления изготавливаются из резистивного материала с прикрепленными выводами и, как правило, помещаются в защитную оболочку. В качестве резистивного материала может выступать платина, медь или никель. Наибольшее распространение получила платина — благодаря высокой точности и стабильности результатов измерений и их исключительной линейности в широком диапазоне. Не существует однозначного ответа на вопрос, какой тип датчика является более эффективным в конкретной ситуации. При эксплуатации каждого из них возникают негативные побочные эффекты, которые необходимо принимать во внимание при выборе термодатчика с должной тщательностью.

ТС отличаются высоким изменением сопротивления в расчете на один градус изменения температуры. Наиболее распространенными типами датчиков ТС являются проволочный и тонкопленочный. ТС из витой проволоки изготавливаются либо путем навивания резистивной проволоки на керамический сердечник, либо путем помещения спирально витой проволоки в керамическую оболочку, отсюда и название «проволочные ТС». При изготовлении тонкопленочного ТС тонкое резистивное покрытие осаждается на плоскую керамическую подложку (обычно прямоугольной формы). Как правило, тонкопленочные ТС являются менее дорогими по сравнению с проволочными, поскольку для их изготовления требуется меньшее количество различных материалов.

ТП отличаются более высокой скоростью реакции и более широкими допустимыми диапазонами рабочей температуры, чем ТС, однако имеют более низкую точность.

Обычно показания термометров сопротивления являются значительно более стабильными, и ТС обладают более высокой чувствительностью по сравнению с ТП. Долгосрочное смещение показаний ТС является хорошо предсказуемым, в то время как ТП часто ведут себя неустойчиво в данном отношении. За счет этого обеспечивается такое преимущество ТС, как менее частая потребность в калибровке и, следовательно, пониженная стоимость их эксплуатации. Наконец, ТС обеспечивают исключительную линейность показаний. В сочетании с линеаризацией, произведенной в качественном передатчике, становится достижимой точность около 0,1 °C — значительно более высокая по сравнению с максимально возможной при использовании ТП.

Рис. 1. Конструкции термометра сопротивления и термопары

В отличие от ТС, ТП представляет собой замкнутый термоэлектрический датчик температуры, состоящий из двух отрезков проволоки из разнородных металлов, соединенных между собой на обоих концах. При этом различные сочетания металлов классифицируются как разные типы датчиков и, соответственно, обладают отличающимися характеристиками. Наиболее часто используемыми типами ТП являются тип J (железо и константан) и тип K (хромель и алюмель). ТП отличаются более высокой скоростью реакции и более широкими допустимыми диапазонами рабочей температуры, чем ТС, однако имеют более низкую точность. Конструкция кабелей ТП отличается повышенной прочностью, за счет чего они могут выдерживать высокие уровни вибрации (рис. 1). В таблице приводится сравнение основных характеристик датчиков.

Выбор наиболее подходящего типа датчика

При выборе типа датчика, наиболее подходящего для конкретного технологического процесса и поставленной задачи, следует предварительно поставить несколько основных вопросов. Ответы на них предоставят ценную информацию.

Каков диапазон измеряемых температур?

При выборе датчика определение правильного температурного диапазона является очень важным. Если температура будет превышать +850 °C, необходимо использовать ТП. При температурах ниже +850 °C можно выбрать как ТС, так и ТП. Кроме того, не стоит забывать, что проволочные ТС обладают более широким диапазоном измерения температур, чем тонкопленочные (рис. 2).

Рис. 2. Диапазоны измерения температур различными типами термодатчиков

Какова требуемая точность измерения датчика?

Определение требуемого уровня точности является еще одним важным фактором при выборе датчика. Как правило, ТС имеют большую точность по сравнению с ТП, а проволочные ТС — по сравнению с тонкопленочными. Если предположить, что на выбор одной из двух технологий не оказывают влияние другие факторы, это правило помогает сделать выбор наиболее точного датчика.

Вызывает ли опасения вибрация, возникающая в ходе процесса обработки?

Уровень вибрации при технологическом процессе также необходимо учитывать при выборе датчика. ТП обладают наиболее высокой вибростойкостью из всех существующих технологий измерения температуры.

Существуют различные типы термопар, определяющиеся сочетанием используемой в них проволоки. ТП большинства типов могут использоваться для измерения более высоких температур, чем ТС.

Если достоверно известно, что в ходе процесса возникает сильная вибрация, использование ТП позволит достичь максимальной надежности измерения температуры. Тонкопленочные ТС также устойчивы к воздействию вибрации; тем не менее они не обладают достаточной прочностью. Использование проволочных ТС в условиях повышенной вибрации исключено.

Правильный выбор — точные результаты

Ключевым моментом для успешного применения датчиков температуры является постановка основополагающих вопросов и подбор датчика, наиболее пригодного для поставленных задач и конкретных технологических процессов с учетом всех имеющихся данных. В качестве примера можно привести принятие решения об использовании датчика температуры на участке трубопровода с постоянно изменяющимися условиями при непрерывной вибрации и изменении температуры в диапазоне –200…+300 °C. Целью такого решения является достижение максимально возможной точности, несмотря на описанные непростые условия. Для указанного диапазона температур пригодны термодатчики обоих типов. Хорошо известно, что ТП обладают высокой стойкостью к вибрации, поэтому на первый взгляд может показаться, что ТП являются хорошим вариантом решения поставленной задачи. Тем не менее в данном конкретном случае требуется выполнение измерений с максимально возможной точностью. Правильным выбором для данной задачи будет использование тонкопленочных ТС. Известно, что тонкопленочные ТС отличаются более высокой стойкостью к вибрации по сравнению с проволочными и обеспечивают более высокую точность измерений по сравнению с термопарами.

Приведем еще один пример: измерение температуры в реакторе в диапазоне +550…+900 °C при низком уровне вибрации. Поставлена цель измерения температуры с точностью ±5 °C. ТС дают стабильно точные показания, особенно в условиях невысокой вибрации. Однако не стоит забывать о диапазоне температур. Как правило, ТС не следует использовать при температурах свыше +850 °C. Поскольку температура данного процесса обработки может подниматься до +900 °C, следует остановить свой выбор на ТП. Вероятность получения неверных показаний датчиков или их отказа повышается при их использовании в неподходящих диапазонах температур.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

Термопара: принцип действия, устройство

Существует множество разнообразных устройств и механизмов, позволяющих измерять температуру. Некоторые из них применяются в повседневной жизни, какие-то — для различных физических исследований, в производственных процессах и других отраслях.

Одним из таких устройств является термопара. Принцип действия и схему данного устройства мы рассмотрим в последующих разделах.

Физическая основа работы термопары

Принцип работы термопары основан на обычных физических процессах. Впервые эффект, на основе которого работает данное устройство, был исследован немецким ученым Томасом Зеебеком.

Суть явления, на котором держится принцип действия термопары, в следующем. В замкнутом электрическом контуре, состоящем из двух проводников различного вида, при воздействии определенной температуры окружающей среды возникает электричество.

Получаемый электрический поток и температура окружающей среды, воздействующая на проводники, находятся в линейной зависимости. То есть чем выше температура, тем больший электрический ток вырабатывается термопарой. На этом и основан принцип действия термопары и термометра сопротивления.

При этом один контакт термопары находится в точке, где необходимо измерять температуру, он именуется «горячим». Второй контакт, другими словами — «холодный», — в противоположном направлении. Применение для измерения термопар допускается лишь в том случае, когда температура воздуха в помещении меньше, чем в месте измерения.

Такова краткая схема работы термопары, принцип действия. Виды термопар мы рассмотрим в следующем разделе.

Виды термопар

В каждой отрасли промышленности, где необходимы измерения температуры, в основном применяется термопара. Устройство и принцип работы различных видов данного агрегата приведены ниже.

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.

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.

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.

Платинородий-платиновые термопары

Наиболее дорогая в изготовлении термопара. Принцип действия такой же, однако отличается она от своих собратьев очень стабильными и достоверными показаниями температуры. Имеет пониженную чувствительность.

Основная область применения данных устройств — измерение высоких температур.

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.

Конструкции термопар

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.

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.

Технологические особенности конструкций термопар

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.

Разновидности спаев 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.

Погрешность измерений

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.

Преимущества использования термопар

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.

Недостатки измерения температуры с помощью термопары

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.

Заключение

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.

Измерение температуры | КИПиА Портал

Одним из важнейших физических параметров, который чаще всего наблюдается и контролируется, будь то повседневная бытовая жизнь человека, производственные циклы или лабораторные исследования, является температура.

Температурой — называют величину, характеризующую тепловое состояние тела. Согласно кинетической теории температуру определяют как меру кинетической энергии поступательного движения молекул. Отсюда температурой называют условную статистическую величину, прямо пропорциональную средней кинетической энергии молекул тела.

В соответствии с Международной практической температурной шкалой 1968 г. основной температурой является термодинамическая температура, единица которой — Кельвин (К), но на практике чаще применяется температура Цельсия, единица которой — градус (С), равный Кельвину. между температурой Цельсия и термодинамической температурой существует следующее соотношение:

t, С=Т, К-273,15

Для изменения температур применяется контактные и бесконтактные методы. Для реализации контактных методов измерения применяются:

термометры расширения

• стеклянные
• жидкостные
• манометрические
• биметаллические
• дилатометрические

термопреобразователи

• термосопротивления (проводниковые и полупроводниковые)
• термоэлектрические преобразователи

Бесконтактные измерения температуры осуществляются пирометрами (квазимонохроматическими, спектрального отношения и полного излучения).

Контактные методы измерения более просты и точны, чем бесконтактные. Но для измерения температуры необходим непосредственный контакт с измеряемой средой и телом. И в результате этого может возникать, с одной стороны, искажение температуры среды в месте измерения и с другой несоответствие температуры чувствительного элемента и измеряемой среды.

Серийно выпускаемые термометры и термопреобразователи охватывают диапазон температур от — 260 до 2200°С и кратковременно до 2500°С. Бесконтактные средства измерения температуры серийно выпускаются на диапазон температур от 20 до 4000°С.

В таблице 1 приведены наиболее распространенные устройства для измерения температуры и практические пределы их применения.

Таблица 1

Термометры стеклянные

Принцип действия основан на зависимости объемного расширения жидкости от температуры. Отличаются высокой точностью, простотой устройства и дешевизной. Однако стеклянные термометры хрупки, как правило, не ремонтопригодны, не могут передавать показания на расстояние.

Основными элементами конструкции являются резервуар с припаянным к нему капилляром, заполненные частично термометрической жидкостью, и шкала.

Конструктивно различаются палочные термометры со шкалой, вложенной внутрь стеклянной оболочки. У палочных термометров шкала наносится непосредственно на поверхность толстостенного капилляра. У термометров с вложенной шкалой капилляр и шкальная пластина с нанесенной шкалой, заключены в защитную оболочку, припаянную к резервуару.

Стеклянные термометры расширения выпускаются для измерения температур от -100 до 600°С.

Выпускаются также ртутные электроконтактные термометры, предназначенные для сигнализации или поддержания заданной температуры. Термометры выпускаются с заданным постоянным контактом (ТЗК) или с подвижным контактом (ТПК).

Точность показаний термометров зависит от правильности их установки. Важнейшим требованием, предъявляемым при установке, является обеспечение наиболее благоприятных условий притока тепла от измеряемой среды к термобаллону и наименьший отвод тепла от остальной части термометра во внешнюю среду. Большей частью термометры устанавливают в защитную оправу.

Рисунок 1. Стеклянные термометры

Рисунок 2. Электроконтактные термометры

Манометрические термометры

Манометрические термометры предназначены для непрерывного дистанционного измерения температуры жидких и газообразных нейтральных сред в стационарных условиях.

Принцип действия основан на измерении давления (объема) рабочего вещества в замкнутом объеме в зависимости от температуры чувствительного элемента. Основными частями манометрических термометров являются термобаллон (чувствительный элемент), капилляр и деформационный манометрический преобразователь, связанный со стрелкой прибора.

Рисунок 3. Схема манометрического термометра

В зависимости от агрегатного состояния вещества, заполняющего систему, манометрические термометры делятся на жидкостные, газовые и парожидкостные (конденсатные). В качестве заполнителей термосистем применяются: в газовых манометрических термометрах — азот, в жидкостных — полиметилоксановые жидкости, в парожидкостных -ацетон, метил хлористый, фреон.

Измерение температуры контролируемой среды воспринимается заполнителем через термобаллон и преобразуется в изменение давления, под действием которого манометрическая трубчатая пружина с помощью тяги и сектора перемещает стрелку относительно шкалы.

Схема манометрического термометра

В зависимости от выполняемых функций манометрические термометры разделяются на показывающие, самопишущие, комбинированные, бесконтактные, с наличием устройств для телеметрической передачи, сигнализации, регулирования или без них.

В зависимости от способа соединения термобаллона с корпусом, термометры могут быть местные и дистанционные. В зависимости от формы диаграммы и поля записи, самопишущие термометры подразделяют на дисковые, ленточные. В зависимости от типа механизма для передвижения диаграммных лент самопишущие термометры изготовляют с часовым или электрическим приводом.

Достоинством манометрических термометров являются: возможность измерения температуры без использования дополнительных источников энергии, сравнительная простота конструкции, возможность автоматической записи показаний, взрывобезопасность, нечувствительность к внешним магнитным полям.

К недостаткам относятся: относительно невысокая точность измерения, трудность ремонта при разгерметизации измерительной системы, низкая прочность капилляра, небольшое расстояние дистанционной передачи показаний, значительная инерционность.

Основные типы манометрических термометров:

— ТПГ — 100 Эк, ТПГ- 100Сг -газовый показывающий сигнализирующий;

— ТКП — 100 , ТКП — 160 -конденсационный показывающий;

— ТЖП — 100 — жидкостной показывающий;

— ТГП — 100 — газовый показывающий.

Термопреобразователи сопротивления

Термопреобразователи сопротивление применяются для измерения температур а пределах от -260 до 750°С. Принцип действия основан на свойстве проводника изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Основными частями термопреобразователя сопротивления являются: чувствительный элемент, защитная арматура и головка преобразователя с зажимами для подключения и соединительных проводов. Чувствительные элементы медных термопреобразователей представляют собой проволоку, покрытую эмалевой изоляцией, которая бифилярно намотана на каркас, либо без каркаса, помещенную в тонкостенную металлическую оболочку. Чувствительный элемент помещается в защитную арматуру.

Платиновая проволока не может быть покрыта слоем изоляции. Поэтому платиновые спирали располагают в тонких каналах керамического каркаса, заполненных керамическим порошком. Этот порошок выполняет функции изолятора, осуществляет фиксацию положения спиралей в каналах и препятствует межвитковому замыканию.

Термопреобразователи сопротивления выпускаются для измерений температур в диапазоне от -260 до 1100°С следующих исполнений: погружаемые и поверхностные, стационарные и переносные; негерметичные и герметичные; обыкновенные, пылезащищенные, водозащищенные, взрывобезопасные, защищенные от агрессивных сред и других внешних воздействий; малоинерционные, средней и большой инерционности; обыкновенные и виброустойчивые; одинарные и двойные; 1 — 3 классов точности.

Выпускаются термопреобразователи сопротивления следующих номинальных статических характеристик преобразования: платиновые -10П, 50П, 100П, медные -10М, 50М, 100М. Число в условном обозначении характеристики показывает сопротивление термопреобразователя при 0°С.

К числу достоинств следует отнести высокую точность и стабильность характеристики преобразователя, возможность измерять криогенные температуры, возможность осуществления автоматической записи и дистанционной передачи показаний.

 К недостаткам следует отнести больше размеры чувствительного элемента, не позволяющие измерять температуру в точке объекта или измеряемой среды, необходимость индивидуального источника питания, значительная инертность.

Термоэлектрические преобразователи

Термометры термоэлектрические представляют собой чувствительные элементы в виде двух проводов из разнородных металлов или полупроводников со спаянными концами. Действие термоэлектрического преобразователя основано на эффекте Зеебека — появлении термоЭДС в контуре, составленном из двух разнородных проводников, спаи которых нагреты до различных температур. При поддержании температуры одного из спаев постоянной можно по значению термоЭДС судить о температуре другого спая. Спай, температура которого должна быть постоянной, принято называть холодным, а спай, непосредственно соприкасающийся с измеряемой средой — горячим.

В наименовании термоэлектрического преобразователя всегда принято ставить на первое место название положительного термоэлектрода, а на второе — отрицательного.

Преобразователи термоэлектрические изготовляют следующих типов:

— ТВР — термопреобразователь вольфрамрениевый

— ТПР — термопреобразователь платинородиевый

— ТПП — термопреобразователь платинородий-платиновый

— ТХА — термопреобразователь хромель-алюмелевый

— ТХК — термопреобразователь хромель-копелевый

— ТМК — термопреобразователь медь-копелевый

Термопреобразователи различают:

— По способу контакта с измеряемой средой — погружаемые, поверхностные.

— По условиям эксплуатации — стационарные, переносные, разового применения, многократного применения, кратковременного применения.

— По защищенности воздействия окружающей среды — обыкновенные, водозащитные, защищенные от агрессивных сред, взрывозащищенные, защищенные от других механических воздействий.

— По герметичности к измеряемой среде — негерметичные, герметичные.

— По числу термопар — одинарные, двойные тройные.

— По числу зон — однозонные, многозонные.

Если температуру холодного спая поддерживать постоянной, то термоЭДС будет зависеть только от степени нагрева рабочего конца термопреобразователя , что позволяет отградуировать измерительный прибор в соответствующих единицах температуры . В случае отклонения температуры свободных концов от градуировочного значения, равного 0°С, к показаниям вторичного прибора вводиться соответствующая поправка. Температуру свободных концов учитывают для того, чтобы знать величину поправки.

Для вывода свободных концов термопреобразователя в зону с постоянной температурой служат удлиненные термоэлектродные провода. Они должны быть термоэлектрически идентичны термоэлектродам термопреобразователя.

Существует два способа подбора компенсационных проводов. Первый способ — подбирают провода, которые в паре с соответствующим электродом имеют термоЭДС. Его применяют в тех случаях, когда необходимо производить измерения с повышенной точностью. В случае недефицитных материалов и удовлетворительных эксплуатационных свойств провода изготовляют из тех же материалов, что и подключаемая термопара.

Таким образом, чтобы определить измеряемую температуру среды с помощью термоэлектрического преобразователя, необходимо выполнить следующие операции:

•  измерить термоЭДС в цепи преобразователя;
• определить температуру свободных концов;
• в измеряемую величину термоЭДС ввести поправку на температуру свободных концов;
• по известной зависимости термоЭДС от температуры определить измеряемую температуру среды.

В зависимости от материала термоэлектродов различают: термопреобразователи с металлическими термопарами из благородных и неблагородных металлов и сплавов; термопреобразователи с термопарами из тугоплавких металлов и сплавов.

Термопары из благородных металлов, обладая устойчивостью к высоким температурам и агрессивным средам, а также постоянной термоЭДС, широко пользуются для замера высоких температур в промышленных и лабораторных условиях. Термопары из неблагородных металлов и сплавов применяются доя измерения температур до 1000°С. Достоинством этих термопар является сравнительно небольшая стоимость и способность из развивать большие термоЭДС.

Для защиты термоэлектродов от механических повреждений и агрессивного действия среды, а также для удобства установки на технологическом оборудовании применяют защитную арматуру. Материал и исполнение арматуры могут быть различными в зависимости от назначения и области применения. Наиболее широко в качестве материалов используют высоколегированные стали и коррозионно — стойкие, жаропрочные и жаростойкие сплавы на основе железа, никеля, хрома и добавок алюминия, кремния, марганца.

Бесконтактное измерение температуры, основные понятия и законы излучения

О температуре нагретого тела можно судить на основании измерения параметров его теплового излучения, представляющего собой электромагнитные волны различной длины. Чем выше температура тела, тем больше энергии оно излучает.

Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называют пирометрами. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 6000 °С и выше. Одним из главных достоинств данных устройств является отсутствие влияния измерителя на температурное поле нагретого тела, так как в процессе измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Поэтому данные методы получили название бесконтактных.

На основании законов излучения разработаны пирометры следующих типов:

1. пирометр суммарного излучения (ПСИ) – измеряется полная энергия излучения;
2. пирометр частичного излучения (ПЧИ) – измеряется энергия в ограниченном фильтром (или приемником) участки спектра;
3. пирометры спектрального отношения (ПСО) – измеряется отношение энергии фиксированных участков спектра.

В зависимости от типа пирометра различаются радиационная, яркостная, цветовая температуры.

Радиационной температурой реального тела Тр называют температуру, при которой полная мощность АЧТ равна полной энергии излучения данного тела при действительной температуре Тд.

Яркостной температурой реального тела Тя называют температуру, при которой плотность потока спектрального излучения АЧТ равна плотности потока спектрального излучения реального тела для той же длины волны (или узкого интервала спектра) при действительной температуре Тд.

Цветовой температурой реального тела Тц называют температуру, при которой отношения плотностей потоков излучения АЧТ для двух длин волн  и  равно отношению плотностей потоков излучений реального тела для тех же длин волн при действительной температуре Тд.

Измерение температуры с помощью термопары, RTD, термисторов

Мы уже упоминали, что термопары являются наиболее часто используемыми датчиками температуры .

Термопара состоит как минимум из двух металлов, которые соединены вместе, образуя два спая. Один связан с телом, температура которого будет измеряться; это горячий или измерительный спай. Другой переход связан с телом известной температуры; это холодный или опорный спай.Следовательно, термопара измеряет неизвестную температуру тела по отношению к известной температуре другого тела, что соответствует Нулевому закону термодинамики, который гласит: «Когда два тела по отдельности находятся в тепловом балансе с третьим телом, тогда они также находятся в тепловом балансе друг с другом ». Из-за этого нам нужно знать температуру в холодном спай, если мы хотим получить абсолютное значение температуры. Это делается с помощью метода, известного как компенсация холодного спая (CJC) .

Обычно температура CJC измеряется прецизионным датчиком RTD, находящимся в хорошем тепловом контакте с входными разъемами измерительного прибора. Это второе показание температуры вместе с показанием самой термопары используется измерительным прибором для расчета истинной температуры на наконечнике термопары. Комбинируя сигнал от этого полупроводника с сигналом от термопары, можно получить правильные показания без необходимости или затрат на регистрацию двух температур.

Понимание компенсации холодного спая важно, поскольку любая ошибка в измерении температуры холодного спая приведет к такой же ошибке в измеренной температуре на наконечнике термопары. Помимо работы с CJC, измерительный прибор также должен компенсировать тот факт, что выходной сигнал термопары является нелинейным. Связь между температурой и выходным напряжением представляет собой сложное полиномиальное уравнение (с 5-го по 9-й порядок в зависимости от типа термопары). Приборы высокой точности, такие как приборы Dewesoft, хранят таблицы термопар в приборах и компенсируют результаты, чтобы устранить этот источник ошибки.

Принцип работы термопар

Теперь давайте посмотрим на принцип работы каждой термопары. Принцип работы основан на эффекте Зеебека, Пельтье или Томсона.

1. Эффект Зеебека предписывает, что цепь, сделанная из двух разнородных металлов, с переходами при разной температуре, вызывает разность напряжений между переходами.

0

Обнаружена расширенная проблема

▲

Изображение 9: эффект Зеебека

2. Эффект Пельтье противоположен эффекту Зеебека. Вместо использования тепла для создания разницы напряжений он использует разность напряжений для создания тепла.

0

Обнаружена расширенная проблема

▲

Изображение 10: эффект Пельтье

3. Эффект Томсона утверждает, что если электрический ток течет по единственному проводнику, в то время как в проводнике существует разница температур, тепловая энергия либо поглощается, либо отклоняется проводником в зависимости от протекания тока.В частности, тепло выделяется, если электрический ток течет в том же направлении, что и потоки тепла; в противном случае он абсорбируется.

0

Обнаружена расширенная проблема

▲

Изображение 11: эффект Томсона

Цепь каждой термопары должна состоять из двух разнородных металлов, например, A и B. Эти два металла соединены вместе, образуя два соединения, p , и q, которые поддерживаются при температурах T1 и T2 соответственно. Не будем забывать, что термопара не может образоваться, если спай всего один.

Если температура обоих переходов одинакова, на обоих переходах будет генерироваться равная и противоположная электродвижущая сила, и чистый ток, протекающий через переход, равен нулю. Если соединения поддерживаются при разных температурах, электродвижущая сила не станет равной нулю, и по цепи будет протекать чистый ток.

Полная электродвижущая сила, протекающая через эту цепь, зависит от металлов, используемых в цепи, а также от температуры двух переходов.В цепь термопары включен амперметр. Он измеряет величину электродвижущей силы, протекающей через цепь из-за двух стыков двух разнородных металлов, поддерживаемых при разных температурах.

.

Трудности с термопарами для измерения температуры

Термопара — простой и широко используемый компонент для измерения температуры.

Термопара, показанная на рисунке ниже, состоит из двух проводов из разнородных металлов, соединенных вместе на одном конце, который называется измерительным («горячим») спаем. Другой конец, где провода не соединены, подключается к дорожкам схемы преобразования сигнала, обычно сделанным из меди. Этот спай между металлами термопары и медными дорожками называется опорным («холодным») спаем.

Напряжение, возникающее на спая, зависит от температуры на обоих стыке измерительного и опорного узла.

Поскольку термопара является дифференциальным устройством, а не устройством для измерения абсолютной температуры, для получения точных абсолютных показаний температуры необходимо знать температуру эталонного спая. Этот процесс известен как компенсация холодного спая (компенсация холодного спая).

Термопары

стали промышленным стандартом для экономичного измерения широкого диапазона температур с разумной точностью.

Типы термопар

Преимущества термопар:

Температурный диапазон: Большинство практических диапазонов температур, от криогенных до выхлопа реактивных двигателей, можно обслуживать с помощью термопар. В зависимости от используемой металлической проволоки термопара может измерять температуру в диапазоне от –200 ° C до + 2500 ° C

Надежность: Термопары — это надежные устройства, невосприимчивые к ударам и вибрации и пригодные для использования в опасных средах.

Rapid response: Термопары небольшие по размеру и имеют низкую теплоемкость, поэтому быстро реагируют на изменения температуры, особенно если чувствительный спай открыт. Они могут реагировать на быстро меняющиеся температуры в течение нескольких сотен миллисекунд.

Без самонагрева: Поскольку термопарам не требуется мощность возбуждения, они не склонны к самонагреву и являются искробезопасными.

Недостатки термопар:

Комплексное преобразование сигнала: Для преобразования напряжения термопары в пригодное для использования значение температуры необходимо существенное преобразование сигнала.Традиционно преобразование сигнала требовало больших затрат времени на разработку, чтобы избежать ошибок, снижающих точность.

Точность: Помимо погрешностей, присущих термопарам из-за их металлургических свойств, измерение термопар является настолько точным, насколько может быть измерена температура эталонного спая, обычно в пределах от 1 ° C до 2 ° C.

Восприимчивость к коррозии: Поскольку термопары состоят из двух разнородных металлов, в некоторых средах коррозия со временем может привести к ухудшению точности.Следовательно, им может потребоваться защита; и уход и обслуживание имеют важное значение.

Восприимчивость к шуму: При измерении изменений сигнала микровольтного уровня могут возникнуть проблемы с шумом от паразитных электрических и магнитных полей. Скручивание пары проводов термопары может значительно уменьшить наводку магнитного поля. Использование экранированного кабеля или прокладки проводов в металлическом кабелепроводе и ограждении может уменьшить наводку электрического поля. Измерительный прибор должен обеспечивать фильтрацию сигнала аппаратно или программно, с сильным подавлением частоты сети (50 Гц / 60 Гц) и ее гармоник.

Трудности измерения температуры термопарами

Преобразовать напряжение, генерируемое термопарой, в точное показание температуры непросто по многим причинам: сигнал напряжения мал, зависимость температуры от напряжения нелинейная, требуется компенсация холодного спая, а термопары могут создавать проблемы с заземлением. Давайте рассмотрим эти вопросы по очереди.

Сигнал напряжения маловат:

Наиболее распространенными типами термопар являются J, K и T.При комнатной температуре их напряжение составляет 52 мкВ / ° C, 41 мкВ / ° C и 41 мкВ / ° C соответственно. Другие менее распространенные типы имеют еще меньшее изменение напряжения с температурой.

Этот слабый сигнал требует каскада с высоким коэффициентом усиления перед аналого-цифровым преобразованием. В таблице 1 сравниваются чувствительности различных типов термопар.

Поскольку сигнал напряжения мал, схема формирования сигнала обычно требует усиления около 100 или около того — довольно простая обработка сигнала.

Что может быть сложнее, так это отличить реальный сигнал от шума, улавливаемого проводами термопары. Провода термопары длинные и часто проходят в среде с электрическими помехами. Шум, улавливаемый проводами, может легко подавить крошечный сигнал термопары.

Для выделения сигнала из шума обычно комбинируются два подхода. Первый заключается в использовании усилителя с дифференциальным входом, такого как инструментальный усилитель, для усиления сигнала.Поскольку большая часть шума возникает на обоих проводах (, синфазный сигнал, ), дифференциальное измерение устраняет его.

Второй — это фильтрация нижних частот, которая удаляет внеполосный шум. Фильтр нижних частот должен устранять как радиочастотные помехи (выше 1 МГц), которые могут вызвать выпрямление в усилителе, так и 50 Гц / 60 Гц (источник питания) гул . Важно разместить фильтр радиопомех перед усилителем (или использовать усилитель с фильтрами на входах).

Расположение фильтра 50/60 Гц часто не критично — его можно комбинировать с фильтром радиопомех, помещать между усилителем и АЦП, включать как часть сигма-дельта АЦП, или его можно запрограммировать в ПО как усредняющий фильтр.

Компенсация холодного спая:

Температура холодного спая термопары должна быть известна для получения точных показаний абсолютной температуры. Когда термопары были впервые использованы, это было сделано путем выдерживания контрольного спая в ледяной бане.

На рисунке ниже изображена схема термопары с одним концом при неизвестной температуре, а другим концом в ледяной бане (0 ° C). Этот метод использовался для исчерпывающей характеристики различных типов термопар, поэтому почти во всех таблицах термопар используется 0 ° C в качестве эталонной температуры.

Но держать эталонный спай термопары в ледяной бане нецелесообразно для большинства измерительных систем. Вместо этого в большинстве систем используется метод под названием компенсация холодного спая (также известный как компенсация холодного спая ).

Температура холодного спая измеряется другим термочувствительным устройством — обычно ИС, термистором, диодом или RTD (резистивным датчиком температуры). Затем значение напряжения термопары компенсируется, чтобы отразить температуру холодного спая.

Важно, чтобы эталонный спай считывался как можно точнее — с помощью точного датчика температуры, поддерживающего ту же температуру, что и эталонный спай. Любая ошибка в считывании температуры холодного спая будет отображаться непосредственно в окончательном показании термопары.

Для измерения эталонной температуры доступны различные датчики:

1. Термисторы: у них быстрая реакция и небольшой корпус; но они требуют линеаризации и имеют ограниченную точность, особенно в широком диапазоне температур. Им также требуется ток для возбуждения, который может вызвать самонагревание и дрейф. Общая точность системы в сочетании с формированием сигнала может быть низкой.

2. Резистивные датчики температуры (RTD): RTD точны, стабильны и достаточно линейны, однако размер корпуса и стоимость ограничивают их использование для приложений управления технологическим процессом.

3. Удаленные термодиоды: диод используется для измерения температуры рядом с разъемом термопары. Микросхема кондиционирования преобразует напряжение на диоде, которое пропорционально температуре, в аналоговый или цифровой выход. Его точность ограничена примерно ± 1 °

4. Встроенный датчик температуры: Встроенный датчик температуры, автономная ИС, которая измеряет температуру локально, должна быть осторожно установлена ​​рядом с эталонным спаем и может сочетать компенсацию холодного спая и формирование сигнала.Может быть достигнута точность с точностью до малых долей в 1 ° C.

Сигнал напряжения нелинейный:

Наклон кривой отклика термопары изменяется в зависимости от температуры. Например, при 0 ° C выходной сигнал термопары типа T изменяется на 39 мкВ / ° C, но при 100 ° C крутизна увеличивается до 47 мкВ / ° C.

Существует три распространенных способа компенсации нелинейности термопары.

Выберите относительно плоский участок кривой и аппроксимируйте наклон как линейный в этой области — подход, который особенно хорошо работает для измерений в ограниченном диапазоне температур.

Никаких сложных вычислений не требуется. Одна из причин популярности термопар K- и J-типа заключается в том, что они обе имеют большие диапазоны температур, для которых возрастающий наклон чувствительности (коэффициент Зеебека) остается довольно постоянным (см. Рисунок ниже).

Рисунок сверху — Изменение чувствительности термопары в зависимости от температуры. Обратите внимание, что коэффициент Зеебека K-типа примерно постоянен и составляет около 41 мкВ / ° C от 0 ° C до 1000 ° C.

Другой подход состоит в том, чтобы сохранить в памяти справочную таблицу, которая сопоставляет каждый набор напряжений термопары с соответствующей температурой.Затем используйте линейную интерполяцию между двумя ближайшими точками в таблице, чтобы получить другие значения температуры.

Третий подход заключается в использовании уравнений более высокого порядка, которые моделируют поведение термопары. Хотя этот метод является наиболее точным, он также требует больших вычислительных ресурсов. Для каждой термопары существует две системы уравнений. Один набор преобразует температуру в напряжение термопары (полезно для компенсации холодного спая). Другой набор преобразует напряжение термопары в температуру.

.

Вопросы и ответы по термопарам — Измерение температуры

Термопары: вопросы и ответы

Сравнение термопар, RTD и термисторов?

Что такое термопара?

Термопара — это датчик, используемый для измерения температуры. Термопары состоят из двух проводов из разных металлов. Ножки проволоки свариваются на одном конце, образуя стык.

На этом переходе измеряется температура. Когда соединение испытывает изменение температуры, создается напряжение. Затем напряжение можно интерпретировать с помощью справочных таблиц термопар (связанных) для расчета температуры.

Существует множество типов термопар, каждая из которых имеет свои уникальные характеристики с точки зрения температурного диапазона, долговечности, вибростойкости, химической стойкости и совместимости с областями применения.

Тип J, K, T и E — это термопары из основного металла, наиболее распространенные типы термопар.Термопары типов R, S и B являются термопарами из «благородных металлов», которые используются в высокотемпературных приложениях (см. Диапазоны температур термопар.

Термопары

используются во многих промышленных, научных и OEM-приложениях. Их можно найти практически на всех промышленных рынках: электроэнергетика, нефть / газ, фармацевтика, биотехнологии, цемент, бумага и целлюлоза и т. Д. Термопары также используются в бытовых приборах, таких как печи, печи и тостеры.

Термопары

обычно выбираются из-за их низкой стоимости, высоких температурных ограничений, широких диапазонов температур и долговечности.

Что такое холодный (эталонный) спай для термопар?

Холодный или эталонный спай — это конец термопары, который обеспечивает точку отсчета.

Термопары измеряют разницу температур между двумя спаями. Они НЕ измеряют фактическую температуру. Чувствительный спай — это место, где провода термопары свариваются (или соединяются другим способом) вместе и расположены в точке, где требуется температура.

Другой переход обычно находится там, где он подключен к приборам (измерительному устройству или преобразователю).Это называется холодным или опорным спаем.

Таблицы милливольт для термопар и математические формулы основаны на температуре холодного спая 0 ° C. Чтобы определить фактическую температуру, приборы должны «отрегулировать» разницу между температурой окружающей среды и 0 ° C. Эта регулировка известна как компенсация холодного спая.

Также читайте: Эффект зеленой гнили термопар

Заземленная или незаземленная термопара?

Термопара называется «заземленной», когда чувствительный спай соединен (физически и электрически) с металлическим корпусом.

Есть преимущества и недостатки, но обычно предпочтительнее использовать незаземленные термопары, поскольку допустимо меньшее время отклика.

В чем разница между термопарой и RTD?

Диапазон температур

Сначала рассмотрим разницу в диапазонах температур. Термопары из благородных металлов могут достигать 3100 F, в то время как стандартные RTD имеют предел 600 F, а RTD с расширенным диапазоном имеют предел 1100 F.

Стоимость

Термопара с простым штоком в 2–3 раза дешевле, чем термометр сопротивления с простым штоком.

Узел головки термопары примерно на 50% дешевле, чем узел эквивалентной головки RTD.

Точность, линейность и стабильность

Как правило, RTD более точны, чем термопары. Особенно это актуально в более низких диапазонах температур.

РДТ

также более стабильны и имеют лучшую линейность, чем термопары.Если точность, линейность и стабильность являются вашими первоочередными задачами, и ваше приложение находится в пределах температурных ограничений RTD, выберите RTD.

Прочность

В производстве датчиков RTD считаются менее прочным датчиком по сравнению с термопарами.

Время отклика

RTD не могут быть заземлены. По этой причине у них более медленное время отклика, чем у заземленных термопар.

Кроме того, термопары могут быть размещены внутри оболочки меньшего диаметра, чем RTD.

Меньший диаметр оболочки увеличивает время отклика. Например, заземленная термопара диаметром 1/16 дюйма.

Оболочка

будет иметь более быстрое время отклика, чем RTD с диаметром ¼ ”. оболочка

Какие бывают типы спая термопар?

Термопары с заземлением:

Это наиболее распространенный тип соединения. Термопара заземляется, когда оба провода термопары и оболочка свариваются вместе, образуя одно соединение на конце зонда.

Заземленные термопары

имеют очень хорошее время отклика, поскольку термопара находится в прямом контакте с оболочкой, что позволяет легко передавать тепло.

Недостатком заземленной термопары является то, что термопара более восприимчива к электрическим помехам. Это связано с тем, что оболочка часто контактирует с окружающей областью, создавая путь для помех.

Незаземленные термопары:

Термопара не заземлена, когда провода термопары свариваются вместе, но они изолированы от оболочки.

Провода часто разделены минеральной изоляцией.

Открытые термопары (или «термопары с неизолированным проводом»):

Термопара обнажается, когда провода термопары свариваются вместе и непосредственно вводятся в технологический процесс.

Время отклика очень быстрое, но оголенные провода термопары более подвержены коррозии и разрушению. Если ваше приложение не требует открытых соединений, этот стиль не рекомендуется.

Незаземленный Необычный:

Незаземленная нестандартная термопара состоит из двойной термопары, изолированной от оболочки, и каждый из элементов изолирован друг от друга.

Что такое M.I. Кабель?

М.И. Кабель (с минеральной изоляцией) используется для изоляции проводов термопар друг от друга и от металлической оболочки, которая их окружает.

Кабель

MI имеет два (или четыре в дуплексном режиме) провода термопары, идущие по середине трубки.

Затем трубка заполняется порошком оксида магния и уплотняется, чтобы обеспечить надлежащую изоляцию и разделение проводов.

Кабель

MI помогает защитить провод термопары от коррозии и электрических помех.

Чем отличаются оболочки термопар?

• 316SS (нержавеющая сталь): Это наиболее распространенный материал оболочки. Он относительно устойчив к коррозии и экономичен.
• 304SS: Эта оболочка не так устойчива к коррозии, как 316SS. Разница в стоимости между 316SS и 304SS является номинальной.
• Инконель (зарегистрированная торговая марка) 600: Этот материал рекомендуется для работы в высококоррозионных средах.

Также читайте: Калибровка термопары

Что обозначают цвета проводов термопар?

Термопару можно определить по цвету изоляции провода.

Например, в США провод для термопар типа J имеет один красный провод и один белый провод, обычно с коричневой оболочкой.

У удлинительного провода типа J также есть один красный провод и один белый провод, но он имеет черную оболочку.

Как правило, красный провод термопары или удлинительного провода является отрицательным, а положительный провод имеет цветовую маркировку в соответствии с типом термопары.

В разных странах используются разные цветовые коды.

В чем разница между кабелем для термопары и удлинительным проводом?

Проволока для термопар используется для изготовления зондов для термопар.

Проволока класса

для термопар обычно используется для соединения и внутри оболочки штока.Это связано с тем, что проволока для термопар имеет лучшие характеристики точности, чем проволока для удлинения.

Удлинительный провод — менее дорогой провод низкого качества. Он используется для распространения сигнала от датчика термопары на систему управления или цифровой дисплей.

Проволока удлинительного класса

более экономична из-за использования металла меньшей марки.

Проволока удлинительного класса

не должна использоваться в самом процессе и не должна иметь температурных перепадов и температурных циклов, как стандартная проволока.

Что такое эффект Зеебека?

Когда две проволоки из разных металлов или металлических сплавов (термопровода) соединяются на одном конце (горячий спай), образуется термопара.

Если существует разница температур между горячим спаем и открытыми концами, в термопаре создается тепловая электродвижущая сила (тепловое напряжение). Это также называется эффектом Зеебека.

Что такое CJC?

Для измерения с помощью термопары всегда требуется информация от соединенного конца провода (горячий спай) и открытого конца провода (холодный спай).Холодный спай также называют точкой отсчета.

Изменения температуры контрольной точки компенсируются измерением CJC (компенсация холодного спая).

Измерительные преобразователи температуры CJC могут быть внутренней функцией или измерительным резистором, встроенным в разъемы.

Если контрольная точка находится далеко от преобразователя, необходимо выполнить отдельное измерение температуры в этой точке и подключить его к преобразователю в качестве сигнала компенсации.

Что такое компенсационный кабель и удлинительный кабель?

Компенсирующий кабель — это кабель для измерительной цепи термопары, обозначаемый буквой C (например,г. для кабеля типа K KC).

Провода компенсационного кабеля имеют те же электрические характеристики, но не из тех же материалов, что и термопроводы датчика TC.

Компенсирующий кабель является более экономичным решением, чем удлинительный кабель, но максимальная допустимая температура окружающей среды ниже, примерно 100… 200 ° C в зависимости от изоляционного материала.

Удлинительный кабель — это кабель термопары, обозначаемый буквой X (например,для кабеля типа K KX). Провода удлинительного кабеля сделаны из тех же материалов, что и термопроводы датчика термопары.

Эти кабели могут достигать той же температуры окружающей среды, что и термопара.

Что такое электронагреватель / датчик?

Электронагреватель — это термин, обычно используемый для предотвращения замораживания трубопроводов и присоединенных устройств.

Важной функцией электронагревателя является поддержание стабильной температуры и скорости потока материалов, протекающих по трубопроводу.

Наиболее распространенная реализация электронагревателя — электрическая, которая обеспечивает хорошую регулируемость.

Однако для точного управления процессом и настройки также необходимы точные данные о температуре.

Для этих приложений мы разработали наши высококачественные электронагревательные датчики , которые уже много лет доступны для использования во взрывоопасных зонах.

Защитная гильза какого размера подходит для моего применения?

В зависимости от конструкции вашей системы вам необходимо знать:

• Рабочая температура (° C)
• Рабочее давление (бар), удельный объем (м3 / кг)
• Скорость (м / с)

После того, как они будут установлены, вы можете обратиться к стандарту ASME PTC 19.3 TW-2010 Раздел «Защитная гильза», в котором проводится расчет конструкции скважины.

Вот несколько основных правил, которым вы можете следовать * :

• Обычно для более высокой скорости потока требуются более короткие защитные гильзы.
• Убедитесь, что материал защитной гильзы совместим со средой, в которую она погружена.
• Экономичные сварные защитные гильзы могут использоваться в системах с низким расходом, таких как некоторые линии охладителей HVAC (обычно менее 1–3 фута / сек).
• Конические защитные гильзы обычно лучше подходят для высоких скоростей потока, чем ступенчатые защитные гильзы (с уменьшенным наконечником).

Что такое пирометр и объясните его работу?

Пирометр — это бесконтактное устройство, которое улавливает и измеряет тепловое излучение.

Без контакта с излучающим телом этот процесс известен как пирометрия. Это устройство полезно для определения температуры поверхности объекта.

Пирометр

работает строго по принципу излучения абсолютно черного тела.Здесь излучательная способность цели играет важную роль, так как от нее зависит, насколько яркой будет цель для пирометра.

Благодаря своей высокой точности, скорости, экономичности и особым преимуществам, он широко используется в качестве стандартной процедуры во многих промышленных приложениях.

Рабочий:

• Оптическая система собирает видимую и инфракрасную энергию от объекта и фокусирует ее на детекторе.
• Детектор получает энергию фотонов от оптической системы и преобразует ее в электрический сигнал для управления устройством отображения или контроля температуры.

Термопары Измерительный спай

Открытый переход (измерительный) рекомендуется для измерения температуры протекающего или статического некоррозионного газа, когда требуется максимальная чувствительность и самый быстрый отклик.

Изолированный переход больше подходит для агрессивных сред, хотя термическая реакция ниже.

В некоторых приложениях, где к соответствующим приборам подключается более одной термопары, изоляция может быть существенной, чтобы избежать появления паразитных сигналов в измерительных цепях.Если не указано иное, это стандарт.

Заземленный переход (заземленный) также подходит для агрессивных сред и для приложений с высоким давлением.

Он обеспечивает более быстрый отклик, чем изолированный переход, и защиту, не обеспечиваемую открытым переходом.

Также читайте: Типы разъемов и наконечников термопар

Стандарты термопар

• ASTM E 235: Стандартная спецификация для термопар в оболочке, типа K и типа N для ядерных или других высоконадежных приложений .
• ASTM E 839: Стандартные методы испытаний термопар в оболочке и материалов термопар в оболочке.
• ASTM E 220: Методы испытаний для калибровки термопар методами сравнения
• ASTM E 230: Таблицы спецификаций и температуры-ЭДС для стандартизованных термопар.
• ASTM E 585: Стандартные спецификации для кабелей термопар из компактных материалов MI, MS и из недрагоценных металлов.
• ASTM E 608: Стандартные технические условия для уплотненных термопар MI, MS и из недрагоценных металлов.
• ASTM E 696: Стандартные спецификации для проволоки для термопар из вольфрам-рениевого сплава.
• ASTM E 1652: Стандартные технические условия для порошковых оксидов магния и оксида алюминия и измельчаемых изоляторов, используемых в ПТС с металлической оболочкой, термопарах из недрагоценных металлов и термопарах из благородных металлов.
• IS 12579: Технические условия на кабели и термопары с минеральной изоляцией из недрагоценных металлов.
• GB / T 1598-2010: Китайский стандарт для платиновых термопар.
• IEC 584: Международный стандарт для термопар.

Применение защитных гильз

Защитные гильзы

обеспечивают защиту датчиков температуры от неблагоприятных условий эксплуатации, таких как коррозионные среды, физическое воздействие (например, клинкер в печах), а также газ или жидкость под высоким давлением.

Их использование также позволяет быстро и легко менять зонд без необходимости «открывать» процесс.

Основные области применения:

• Защитная гильза используется в термопарах
• Обеспечивает целостность в условиях высокого давления
• Небольшие скважины используются в системах низкого давления
• Прямые скважины для работы в агрессивных и эрозионных средах
• Для применений, где требуется быстрая реакция на изменения температуры, готовые карманы могут быть оснащены уменьшенным наконечником.

Цельные защитные гильзы рассчитаны на самые высокие технологические нагрузки в зависимости от их конструкции. Таким образом, в нефтехимической промышленности сейчас используются почти исключительно неразъемные термопары.

Типы конструкций термопар

Чаще всего используются термопары двух типов.

Это термопары с минеральной изоляцией (M.I.) и термопары без M.I. Термопары.

Термопары с минеральной изоляцией:

Термопары с изоляцией из оксида магния используются во многих технологических и лабораторных применениях.

Они прочные по своей природе и гибкие, а их довольно высокие температурные характеристики делают термопары из MgO популярным выбором для множества приложений измерения температуры.

Датчики

MgO конструируются путем помещения элемента или элементов в оболочку из подходящего материала и размера, изоляции элементов от самих себя и оболочки с помощью неплотно заполненного или измельчаемого порошка оксида магния или изоляторов, а затем обжатия или вытягивания заполненной оболочки до его окончательный уменьшенный размер.

В процессе обжатия образуется элемент с сильно уплотненной изоляцией из MgO и обеспечивается изоляция с высокой диэлектрической прочностью между самими элементами и их оболочкой.

минеральная изоляция Термопара состоит из провода термопары, встроенного в плотно упакованном тугоплавких оксидном порошке Изолируйте все заключенные в бесшовном, обращаются металлическая оболочка (как правило, из нержавеющей стали).

На одном конце жилы и оболочка приварены из «горячего» спая. На другом конце термопара подключается к «переходу» удлинительных проводов, соединительной головке или разъему.

Non M.I. Термопары

в не-M.I. Термопары, провода термопар либо изолируются керамическими шариками, либо после изоляции керамикой покрываются металлической оболочкой (обычно из нержавеющей стали), и предоставляется какая-либо форма заделки (например, удлинитель, соединительная головка или соединитель).

В конструкции этого типа провода термопары защищены от среды измерения, если предусмотрена защита оболочки.

Материал оболочки зависит от среды измерения, обычно используется нержавеющая сталь.В зависимости от агрессивной среды выбор оболочки изменяется.

Эта конструкция не обеспечивает гибкости и не применяется в небольших размерах. Не слишком хорошая механическая прочность.

В Non M.I. конструкционная оболочка может быть керамической или металлической в ​​зависимости от пригодности.

Открытый, Заземленный и Незаземленный все типы переходов образуются как в M.I, так и в Non M.I. строительство.

Характеристики термопары

Допуски по показаниям температуры

Допуск обозначает максимально допустимое значение, полученное путем вычитания показания температуры или температуры горячего спая из стандартной температуры, преобразованной из применимой таблицы температурной ЭДС.

Максимальная рабочая температура

Предел рабочей температуры означает верхнюю температуру, при которой термопара может постоянно использоваться на воздухе.

Максимальный предел означает верхнюю температуру, при которой термопара может использоваться временно в течение короткого периода времени из-за неизбежных обстоятельств.

Основными факторами, влияющими на срок службы термопары, являются:

• Температура: Срок службы термопары уменьшается примерно на 50% при повышении на 50 ° C.
• Диаметр: При увеличении диаметра проволоки вдвое срок службы увеличивается в 2-3 раза.
• Термический цикл: Когда термопары подвергаются термическому циклическому воздействию от комнатной температуры до температуры выше 500 ° C, их срок службы сокращается примерно на 50% по сравнению с термопарой, постоянно используемой при той же температуре.
• Защита: Когда термопары закрываются защитной оболочкой и помещаются в керамические изоляторы, их срок службы значительно увеличивается.

Время отклика термопары

Время отклика термопары обычно определяется как время, за которое тепловое напряжение (выход) достигает 63% от максимума для температуры ступенчатого изменения.

Это зависит от нескольких параметров, включая размер термопары, конструкцию, конфигурацию наконечника и характер среды, в которой расположен датчик.

Длина погружения

Узлы термопар

представляют собой «концевые» чувствительные устройства, которые в зависимости от конструкции могут использоваться как в поверхностных, так и в погружных приложениях.

Однако погружной тип следует использовать осторожно, чтобы избежать ошибки из-за проводимости стебля от процесса, которая может привести к завышению или занижению показаний соответственно.

Общее правило — погружать в среду как минимум на 4-кратный наружный диаметр оболочки; количественные данные не применяются, но необходимо проявлять осторожность, чтобы получить значимые результаты.

Измерение температуры поверхности

Хотя термопары в сборе представляют собой в первую очередь устройства для измерения наконечников, использование защитных трубок делает измерение поверхности непрактичным.

Физически зонд не поддается отображению на поверхности, и проводимость пара может вызвать ошибки считывания.

Если термопара должна надежно использоваться для измерения поверхности, она должна быть либо открытой, сварной с очень малой тепловой массой, либо помещаться в конструкцию, которая допускает истинный контакт поверхности при прикреплении к поверхности.

Профили наконечника защитной гильзы

Ниже приведены различные профили наконечника защитной гильзы:

Конический

Внешний диаметр постепенно уменьшается по мере погружения.Используется для высокоскоростных приложений.

Плоский наконечник

Один конец имеет плоскую поверхность. Используется в системах с низким давлением или там, где характеристики потока вокруг защитной гильзы не важны.

Наконечник с куполом

• Такая защитная гильза имеет полусферический наконечник на одном конце защитной гильзы.
• Используется в системах с более высоким давлением или там, где важны характеристики потока вокруг защитной гильзы.
• Это обеспечивает высокую степень механической прочности без потери чувствительности или точности индикатора

Сферический наконечник

• Для сферического наконечника используется специальное сверло с углом при вершине 118ºC для изготовления защитной гильзы.
• Для достижения возможной равномерной толщины стенки наконечник имеет шарообразную или сферическую форму.
• Используется в системах с более высоким давлением или там, где важны характеристики потока вокруг защитной гильзы.
• Это обеспечивает высокую степень механической прочности без потери чувствительности или точности индикатора.

Основная конструкция защитных гильз

• Q Размер: Самая толстая часть хвостовика колодца на горячей стороне технологического соединения или фланца.Это зависит от диаметра отверстия и размера присоединения к процессу.
• Размер отверстия Внутренний диаметр защитной гильзы. Другими словами, диаметр внутренней цилиндрической полости защитной гильзы или защитной трубки. Стандартные размеры отверстий составляют 6,5 мм, 8,5 мм.
• Погружная («U») Длина: Длина защитной гильзы или защитной гильзы ниже монтажной резьбы, фланца, втулки и т. Д., Выходящих в технологическую зону. Длина «U» измеряется от нижней части технологического соединения до конца защитной гильзы.
• Удлинитель с утеплителем («T») Длина: Длина защитной гильзы в дополнение к стандартной длине головки, необходимая для обеспечения доступа к головке защитной гильзы, что позволяет зонду проходить через изоляцию или стены.
• Внутренняя установочная резьба: Резьба внутри защитной гильзы для крепления датчика температуры на штуцере и удлинении ниппеля для узла защитной гильзы.

Испытания защитных гильз

• Тест материалов
• Размерный тест
• Испытание гидростатическим давлением
• Проверка пенетранта красителя
• Рентгенография

Как выбрать термопару?

Поскольку термопары измеряют в широком диапазоне температур и могут быть относительно прочными, термопары очень часто используются в промышленности.

При выборе термопары используются следующие критерии:

• Диапазон температур
• Химическая стойкость материала термопары или оболочки
• Устойчивость к истиранию и вибрации
• Требования к установке (может потребоваться совместимость с существующим оборудованием; диаметр зонда может зависеть от имеющихся отверстий)

Какое время отклика термопары?

Постоянная времени определяется как время, необходимое датчику для достижения 63.2% ступенчатого изменения температуры при заданном наборе условий.

Чтобы датчик приблизился к 100% значения ступенчатого изменения, требуется пять постоянных времени. Термопара с открытым спаем обеспечивает самый быстрый отклик.

Кроме того, чем меньше диаметр оболочки зонда, тем быстрее отклик, но максимальная температура может быть ниже.

Однако имейте в виду, что иногда оболочка зонда не может выдержать полный температурный диапазон типа термопары.

Загрузить: Калькулятор термопары

Как узнать, какой тип перехода выбрать?

• Зонды с термопарами в оболочке доступны с одним из трех типов спая: заземленным, незаземленным или открытым.
• На конце зонда с заземленным спайом провода термопары физически прикреплены к внутренней стороне стенки зонда.
• Это приводит к хорошей теплопередаче снаружи через стенку зонда к спайу термопары.
• В незаземленном зонде спай термопары отделен от стенки зонда.
• Время отклика меньше, чем у заземленного, но незаземленный обеспечивает гальваническую развязку.

Как выбрать между термопарами, датчиками температуры сопротивления (RTD), термисторами и инфракрасными приборами?

Вы должны учитывать характеристики и стоимость различных датчиков, а также доступное оборудование.

Кроме того, термопары, как правило, могут измерять температуры в широком диапазоне температур, недорого и очень надежны, но они не так точны и стабильны, как термометры сопротивления и термисторы.

ТС

стабильны и имеют довольно широкий диапазон температур, но они не такие надежные и недорогие, как термопары.

Поскольку для проведения измерений требуется использование электрического тока, RTD могут иметь неточности из-за самонагрева.

Термисторы

имеют тенденцию быть более точными, чем термометры сопротивления или термопары, но они имеют гораздо более ограниченный диапазон температур.Также они подвержены самонагреву.

Инфракрасные датчики

могут использоваться для измерения температур, превышающих любые другие устройства, и делать это без прямого контакта с измеряемыми поверхностями.

Однако они, как правило, не такие точные и чувствительны к эффективности излучения поверхности (или, точнее, коэффициенту излучения поверхности).

Используя оптоволоконные кабели, они могут измерять поверхности, находящиеся вне прямой видимости.

Какие бывают типы термопар?

Термопары

доступны в различных комбинациях металлов или калибровок.Наиболее распространены термопары из «основного металла», известные как типы J, K, T, E и N.

Существуют также высокотемпературные калибровки — также известные как термопары из благородных металлов — типов R, S, C и GB.

Термопары типа

K известны как термопары общего назначения из-за их низкой стоимости и диапазона температур.

Эта высокотемпературная проволока / термопара производится с использованием широкого диапазона материалов и доступна с изоляцией из ПВХ, FEP, TFE, PFA, стекловолокна и Ceramaflex.

Однако, если вы видите ссылку на «тип» в спецификации, это означает, что описание относится к типу металлического сплава, из которого изготовлен проводник:

• Тип E = хромель / константан
• Тип J = железо / константан
• Тип K = Хромель / Алюмель
• Тип N = Никросил / Нисил
• Тип T = медь / константан

Когда «X» следует за буквой, обозначающей сплав, использованный в кабеле, кабель относится к категории удлинения.

В этих случаях типы кабелей перечислены как Тип EX, Тип JX, Тип KX, Тип NX или Тип TX.

В чем разница между проводом для термопар и проводом для удлинения?

Этот провод, который используется для создания измерительной точки прибора, где удлинительный провод используется только для передачи сигнала термопары от датчика обратно к прибору, считывающему сигнал.

Выбор материала термопары?

Различные материалы оболочки зависят от области применения.

Следующий список поможет вам сделать лучший выбор:

• 304 SS
  Максимальная температура 1650 ° F (900 ° C), это наиболее широко используемый низкотемпературный материал оболочки. Он обеспечивает хорошую коррозионную стойкость, но подвержен осаждению карбидов в диапазоне от 900 ° F до 1600 ° F (от 480 до 870 ° C).
• Нержавеющая сталь 310
  Максимальная температура 2100 ° F (1150 ° C) и обеспечивает хорошую механическую и коррозионную стойкость, аналогичную нержавеющей стали 304.Очень хорошая термостойкость. Не такой пластичный, как нержавеющая сталь 304.
• 316 S
  Максимальная температура 1650 ° F (900 ° C) и имеет лучшую коррозионную стойкость среди аустенитных нержавеющих сталей. Возможны осаждения карбидов при температуре от 900 до 1600 ° F (от 480 до 870 ° C)
• Inconel®
  Максимальная температура 2150 ° F (1175 ° C) и является наиболее широко используемым материалом оболочки термопар. Хорошая термостойкость, коррозионная стойкость и устойчивость к хлоридно-ионной коррозии под напряжением, растрескиванию и окислению.Не использовать в серосодержащих средах.
• Hastelloy X
  Максимальная температура 2200 ° F (1205 ° C), широко используется в аэрокосмической отрасли. Устойчив к окислительным, восстановительным и нейтральным атмосферным условиям. Отличная термостойкость.

.

Control Engineering | Измерение температуры с помощью RTD, термопар

Измерения температуры составляют самый большой сегмент всех технологических измерений, и их точность и надежность часто могут иметь значительное влияние на эффективную работу и безопасность предприятия. Выбор наиболее подходящего типа датчика может повысить точность, повторяемость и стабильность измерений температуры, а также снизить затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание.

Резистивные датчики температуры (RTD) и термопары выполняют 90% или более мониторинга температуры на промышленных объектах, что означает, что конкретные сведения о каждом датчике могут помочь в принятии обоснованных решений относительно выбора лучшего датчика для различных приложений.

Обзор термометров сопротивления

Температурные диапазоны: RTD рекомендуется для измерений от -200 до 850 ° C (от -328 до 1562 ° F). При покупке нового датчика сообщите поставщику о рабочем диапазоне датчика, чтобы поощрять использование лучших материалов и технологий производства для этого рабочего диапазона.

Эксплуатация: РДТ работают по принципу, согласно которому электрическое сопротивление их металлических элементов увеличивается с увеличением температуры.

Конструкция: Обычными материалами резисторов являются платина (Pt), никель (Ni) и медь (Cu).Поскольку платина более стабильна, более линейна и охватывает более широкий диапазон температур, сегодня она стала отраслевым стандартом. В то время как никель и медь могут быть найдены в существующих постройках, большинство новых установок будут использовать платину повсюду.

Платина высокой чистоты часто используется для изготовления чувствительного элемента RTD либо в виде проволочной намотки (платиновая проволока наматывается на катушку с подложкой), либо в виде тонкой пленки (чистая платина наносится на керамическую подложку). Современные термометры сопротивления можно использовать при более высоких температурах, поскольку используемые сегодня материалы подложки стабильны при повышенных температурах.

В дополнение к различным датчикам RTD и термопарам также доступны различные типы конструкции датчиков: стандартные элементы с твердой оболочкой (верхний и средний) или гибкий датчик с обрезкой по длине с более короткой капсулой датчика (ниже), предназначенный для более быстрого реагирования раз и более высокая устойчивость к вибрации, например червяк от Moore Industries. Предоставлено: Moore Industries

Предложение: используйте тонкопленочные датчики от -40 до 850 ° C (от -40 до 1562 ° F) и датчики с проволочной обмоткой при понижении температуры до -200 ° C (-328 ° F).

RTD с 2, 3 или 4 проводами: RTD могут быть построены с 2-проводной, 3-проводной и 4-проводной конструкцией.

Предложение : по возможности используйте RTD вместо термопар (T / C) для обеспечения превосходной точности, воспроизводимости и стабильности.

RTD работает должным образом только тогда, когда элемент изолирован / изолирован от окружающей его защитной оболочки. Типичными изоляционными материалами являются оксид магния (MgO) или оксид алюминия (Al ₂ O ₃ ).Если изоляция выходит из строя из-за влаги и загрязнения, необходимо заменить RTD. Поскольку RTD должен быть изолирован, использование неизолированной измерительной цепи может обеспечить экономию средств.

В случаях, когда тесно связанный датчик температуры не используется с RTD, RTD подключается к измерительной цепи медным проводом.

О чем следует помнить при подготовке к выбору RTD:

• Название датчика указывает на его сопротивление при 0 ° C (32 ° F).Пример: 100 Ом Pt RTD измеряет 100 Ом при 0 ° C; 500 Ом Pt RTD измеряет 500 Ом при 0 ° C и т. Д.
• Современные измерительные схемы используют источник постоянного тока для генерации тока возбуждения.
• Измерение напряжения с высоким импедансом влияет на характеристики RTD. (Высокое сопротивление означает, что через вольтметр и его провода не протекает ток.) ​​
• Сопротивление рассчитывается по закону Ома: V = IR или R = V / I

Точность датчика RTD

Таблица 1: Значения точности RTD

По возможности лучше использовать RTD поверх T / C.Лучшие RTD созданы в соответствии со стандартом IEC 60751, который требует значений точности, как показано в таблице 1 ниже.

Датчики RTD премиум-класса / специального класса: Когда датчики RTD подвергаются старению на заводе-изготовителе, это сводит к минимуму дрейф после того, как они попадают в поле. ТС, которые циклически меняются по температуре в течение 1000 часов при 0 ° и 600 ° C и будут поддерживать более высокую точность в течение 5+ лет. Обычно термическому старению подвергаются только датчики класса А.

Провод T / C премиум-класса помогает при измерениях термопар; переход на датчики RTD класса А также помогает снизить погрешность вдвое.

Краткий обзор термопар

Технология термопар

(T / C) основана на эффекте Зеебека, при котором два разнородных металла, сплавленные вместе на обоих концах, будут генерировать электрический ток, когда одно соединение имеет температуру, отличную от температуры другого.

Температурные диапазоны: Существуют различные комбинации разнородных металлов, которые используются для создания Т / К. Готовая продукция относится к типу T / C. Для каждого типа существуют таблицы зависимости мВ от температуры, которые включены в это справочное руководство (все таблицы зависимости мВ от температуры созданы для холодного спая T / C при 0 ° C (32 ° F)).

Работа: Датчик T / C имеет два соединения. Измерительный спай (иногда называемый горячим спайом) — это место соединения двух металлов. Эталонный спай (также называемый холодным спаем) — это конец разомкнутой цепи, который подключается к измерительной цепи.

Когда существует разница температур между горячим и холодным спаем, генерируется сигнал мВ, который пропорционален разнице температур. Значение мВ увеличивается с ростом температуры.Связь между мВ и температурой нелинейна.

В реальном измерении температуры / температуры измерительная цепь, скорее всего, будет иметь любую температуру, кроме 0 ° C (32 ° F). Измерительная схема должна измерять температуру холодного спая и возвращать эту температуру к 0 ° C (32 ° F). Эта электрическая компенсация называется компенсацией холодного спая (или компенсацией холодного спая). Большинство измерительных цепей T / C выполняют эту операцию.

Конструкция: Т / К-переходы могут быть построены с заземлением горячего спая на внешнюю оболочку или незаземленным (изолированным от оболочки).Заземленный Т / С будет реагировать быстрее, но тогда Т / С контактирует с технологическим напряжением. По этой причине важно, чтобы измерительная цепь была изолирована, чтобы предотвратить образование контура заземления и результирующую ошибку измерения.

В температурном узле термостат обычно заключен в оксид магния (MgO) и металлическую оболочку. Затем он вставляется в защитную гильзу или защитную трубку. Это помогает защитить датчик от загрязнения окружающей среды. Даже незаземленный терморегулятор в конечном итоге попадет на землю, когда MgO загрязнится влагой и солями.

Предложение: Измерьте Т / К с изолированной измерительной цепью.

Точность датчика термопары: Лучше всего использовать датчики термопары, созданные в соответствии со стандартом ASTM E230, который определяет точность термопар для типов E, J, K и T.

Справочные таблицы термопар

приведены в таблицах стандартных технических условий ASTM E230 / E230M-12 и таблицах температурно-электродвижущей силы (ЭДС) для стандартизованных термопар.

Провод для термопар высшего / специального качества

Термопары

могут быть сконструированы из проводов высшего или специального качества, что снижает погрешность вдвое.Обозначение премиум / специальное обозначение по существу указывает на то, что эта проволока состоит из сплава более высокой чистоты.

Таблица 2: Проволока высшего или специального качества снижает погрешность термопары

Предложение: Если приложение требует T / C вместо RTD, используйте T / C премиум-класса; разница в стоимости незначительна, а провод премиум-класса обеспечивает большую стабильность.

Загрязнение проводов — постоянная проблема термопар. Значения в таблице точности предполагают, что провод не был загрязнен химическими веществами в процессе или окружающей среде.Когда происходит загрязнение, ошибка обычно увеличивается до такой степени, что требуется замена датчика.

Подстройка сенсора для высокой точности

Рассмотрев чувствительный элемент, рассмотрите приложение. Если требуется максимально возможная точность, система измерения температуры с калибровкой ванны. Датчик RTD класса A калибруется в ванне для калибровки его по измерительному преобразователю или удаленному входу / выходу (I / O). Этот процесс устраняет окончательную ошибку смещения «как построено», которая существует в каждом датчике.Датчик должен включать прослеживаемый отчет о калибровке от Национального института стандартов и технологий (NIST), который указывает, что погрешность комбинированного датчика и датчика температуры обычно лучше, чем ± 0,01 ° F.

Выбор датчика температуры: 11 советов

Чтобы оптимизировать характеристики измерения и минимизировать расходы на долгосрочное обслуживание, используйте следующие советы в качестве практического руководства при выборе датчика температуры.

1. Используйте RTD при измерениях в диапазоне от -40 ° до 850 ° C (от -40 ° до 1562 ° F)
2. Для температур до -200 ° C (-328 ° F) используйте резистивный датчик температуры с проволочной обмоткой.
3. Лучшей практикой является использование 4-проводных РДТ класса А.
4. Убедитесь, что датчики циклически изменяются по температуре и «состарены» для долгосрочной стабильности.
5. При применении термометров сопротивления ниже 0 ° и выше 600 ° C необходимо знать условия процесса для оптимизации конструкции: диапазон температур, цикличность, давление, поток, среда, вибрация и условия окружающей среды (химические вещества / атмосфера)
6. Если требуется максимальная точность, используйте подстройку датчика
7. Если используются 3-проводные RTD с длинными проводами, и вы не можете преобразовать их в 4-проводные RTD, замените 3-проводные RTD на платиновые RTD 1000 Ом
8. При мониторинге температуры выше 850 ° C (1562 ° F) используйте термопары
9. При использовании термопар используйте термопары высшего качества и удлинительный провод
10. При использовании длинного удлинительного провода термопары убедитесь, что он защищен от шума.
11. Заменить загрязненный удлинительный провод TC на удаленный ввод-вывод.

Гэри Прентис — вице-президент по продажам, Moore Industries. Под редакцией Марка Т. Хоске, контент-менеджера, Control Engineering, CFE Media , [email protected].

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Выбор датчика температуры, RTD, термопара

• Измеряйте температуру с помощью RTD, а не T / C.
• Премиум провода T / C следует использовать, если требуются T / C.
• 11 подсказок помогают с выбором датчика температуры.

РАССМОТРЕТЬ

Что лучше, , потратить номинально больше на лучший датчик или чаще менять их?

ОНЛАЙН экстра

Более подробную информацию о датчиках температуры и точности измерений можно найти в бесплатном Справочном руководстве по температуре Moore Industries.

.