Термопара — принцип работы

Температура является главной и одной из основных физических величин в автоматике. Для ее измерения в промышленных условиях используется, как правило, термопары и резистивные датчики температуры.

Измерительный диапазон, точность и эксплуатация этих датчиков температуры существенно отличаются, поэтому при выборе следует руководствоваться, главным образом, областью применения и диапазоном измеряемых температур.

В данной статье описан принцип работы термопары и детали, касающиеся измерения температуры с их помощью.

Термопара — описание

Термопара

Термопара — это наиболее часто используемый датчики для измерения температуры. Ее используют в промышленности, лабораториях, на транспорте. Термопара используется в очень многих системах сбора данных, в многоканальных устройствах, в системах мониторинга данных и управления промышленными процессами.

Несмотря на ее широкое распространение, принцип работы термопары, на первый взгляд кажется менее понятным, чем работа иных датчиков температуры. Существует множество различных видов термопар и для получения с их помощью точных результатов измерения необходим правильный подбор пар металлов, устранения существующих ограничений и соответствующая обработка измерительных данных.

Преимущества термопары

Термопары имеют много преимуществ по сравнению с другими типами температурных датчиков. Основное преимущество — термопара не дорогая, хотя защитное покрытие, соединительные провода и разъемы могут существенно повлиять на общую стоимость измерительной системы, особенно, когда измеряемая среда является экстремальной.

Термопары являются также устройствами, механически простыми, прочными и надежными. Свойства типичных металлов, используемых в термопарах, дают предсказуемое выходное напряжения. Это позволяет использовать термопары во многих устройствах, в том числе в химически агрессивных средах.

Физическая конструкция термопары проста – все, что нужно для ее изготовления, — это скрученные вместе и спаянные провода соответствующих сплавов.

Промышленные термопары изготавливаются с помощью сварки, скручивания или пайки. Термопары покрывают широкий диапазон измеряемых температур: от -100°C и до 2500°C. Типичная точность измерения составляет ±1-2°C, что превышает требуемую точность в большинстве промышленных процессов.

Недостатки термопар

фото термопарыНесмотря на то, что термопары имеют относительно мало недостатков, но они значительно влияют на их применение и на оборудование, которое необходимо для их работы. К недостаткам следует отнести то, что выходное напряжение термопары составляет порядка нескольких микровольт на градус Цельсия, и что эти элементы, как правило, размещены вдали от устройств сбора и обработки данных.

Чтобы компенсировать влияние этих негативных факторов используют дифференциальный режим измерений, схемы с высоким коэффициентом усиления, фильтрацию и другие методы улучшения качества сигнала, призванные получить максимальный сигнал и минимальный шум.

И все это приводит к тому, что получается низкая скорость измерений, как правило, нескольких сотен замеров в секунду. Кроме того, выход с термопары является нелинейным, поэтому в оборудование или программное обеспечение, должна быть использована функция линеаризации, применяемая для преобразования напряжения термопары в значения температуры. Это касается в основном бытовых программ, так как коммерческая программа обычно включает в себя процедуры линеаризации.

Принцип действия термопары

В начале XIX века немецкий физик Томас Иоганн Зее

бек, обнаружил, что контакт между двумя металлами генерирует напряжение, являющееся функцией температуры.

Термопара — это практическое применение явления Зеебека. Это датчик температуры, состоящий из двух проволок разных металлов, соединенных вместе с одного конца. Эти металлы на рисунке 1 обозначены как „линия 1” и „линия 2” образуют контакты J1 и J4.

Термопара - принцип работы

Рис. 1. Принцип действия термопары

Исторически сложилось так, что результат измерения температуры сопоставлялось с температурой второй термопары, предназначенной для измерения известной эталонной температуры. Самым простым и наиболее точным способом получения эталонной температуры было погружение стыка термопары в ледяную ванну, что стало причиной присвоения ему имени „холодный спай”.

Величина генерируемого таким образом, напряжения теперь зависит от разницы температур между контактами J1 и J4, а также от типов металлов, используемых в линии 1 и линии 2.

Этот результат можно описать следующим уравнением:

V=α(Tнеизвестная — Tэталонная),  где α-коэффициент Зеебека.

Различные термопары имеют разные коэффициенты, значения которых указывается на каждой термопаре. При такой конфигурации достаточно только измерить напряжение, затем найти соответствующую ему температуру, в таблице для данного сплава 1/сплава 2 термопары в зависимости от температуры 0°C.

Обратите внимание, что подключение термопары к вольтметру создает дополнительные потенциально нежелательные контакты J2 и J3. В результате эти контакты также являются термопарой, но они имеют похожий состав и противоположную полярность.

Если температура контактов J2 и J3 одинакова (условие, которое может быть достигнуто довольно легко с помощью соответствующей проектировки оборудования), то эти контакты не будут влиять на измерение.

Таким образом, мы получили базовую модель, которая может быть использована для разработки более сложной системы работы термопары.


Добавить комментарий

Ваш электронный адрес не будет опубликован.

*


\n