Термопару

Термопара, подключенная к мультиметрам, отображающей комнатную температуру в ° C

Термопара электрических , также известная как «термоэлектрический термометр», представляет собой электрическое устройство, состоящее из двух разнородных проводников, образующих электрическое соединение . Термопара создает напряжение в зависимости от температуры в результате эффекта Зебека , и это напряжение можно интерпретировать для измерения температуры . Термопары широко используются в качестве датчиков температуры .

Коммерческие термопары недорогие, смены, снабжены стандартными разъемами и могут измерить широкий спектр температур. В отличие от большинства других методов измерения температуры, термопары самостоятельно способны и не требуют внешней формы возбуждения. Основным ограничением с термопарами является точность; Системные ошибки менее одного градуса Цельсия (° C) могут быть трудно достичь.

Термопары широко используются в науке и промышленности. Применение включает измерение температуры для печей , выхлопных газа , дизельных двигателей и других промышленных процессов. Термопары также используются в домах, в офисах и предприятиях в качестве датчиков температуры в термостатах , а также в качестве датчиков пламени в защитных устройствах для газовых приборов.

Принцип работы

В 1821 году немецкий физик Томас Иоганн Сибек обнаружил, что магнитная игла, удерживаемая рядом с цепью, состоящей из двух разнородных металлов, была отклоненной, когда один из разнородных металлических соединений был нагрет. В то время Сибек назвал это последствием термомагнетизмом. Позже показано, что магнитное поле, которое он наблюдал, связано с термоэлектрическим током. При практическом использовании напряжение, генерируемое при одном соединении двух различных типов провода, является тем, что представляет интерес, так как это может быть использовано для измерения температуры при очень высоких и низких температурах. Величина напряжения зависит от типов используемого провода. Как правило, напряжение находится в диапазоне микроволта, и необходимо соблюдать осторожность для получения полезного измерения. Хотя очень мало потоков тока, мощность может быть получена с помощью единого соединения термопары. Выработка электроэнергии с использованием нескольких термопавров, как в термопилете , является обычной.

K-типа Thermocouple ( Chromel - Alumel ) в стандартной конфигурации измерения термопары. Измеренное напряжение $\scriptstyle V$ можно использовать для расчета температуры $\scriptstyle T_{\mathrm {sense} }$, при условии этой температуры $\scriptstyle T_{\mathrm {ref} }$ известен.

Стандартная конфигурация для использования термопары показана на рисунке. Вкратце, желаемая температурная t _смысл получается с использованием трех входов - характерной функции E ( t ) термопары, измеренное напряжение V и температуру эталонных соединений t _ref . Решение уравнения e ( t _Sense ) = v + e ( t _ref дает смысл ₎ . Эти детали часто скрыты от пользователя, поскольку контрольный переходный блок (с TRE _-REF -термометром), вольтметра и уравнений объединяются в один продукт.

Эффект Seebeck

Основная статья: эффект Seebeck

Эффект Seebeck относится к развитию электродвижущей силы в двух точках электрического проводящего материала, когда между этими двумя точками существует разность температуры. В условиях открытого круга, где нет потока внутреннего тока, градиент напряжения ( $\scriptstyle {\boldsymbol {\nabla }}V$) прямо пропорционален градиенту температуры ( $\scriptstyle {\boldsymbol {\nabla }}T$):

${\boldsymbol {\nabla }}V=-S(T){\boldsymbol {\nabla }}T,$

где $S(T)$ является температурным свойством материала, известного как коэффициент Зебека .

Стандартная конфигурация измерения, показанная на рисунке, показывает четыре области температуры и, следовательно, четыре вклада напряжения:

1. Изменение от $\scriptstyle T_{\mathrm {meter} }$ к $\scriptstyle T_{\mathrm {ref} }$, в нижней медной проволоке.
2. Изменение от $\scriptstyle T_{\mathrm {ref} }$ к $\scriptstyle T_{\mathrm {sense} }$, в алюмельной проволоке.
3. Изменение от $\scriptstyle T_{\mathrm {sense} }$ к $\scriptstyle T_{\mathrm {ref} }$, в хромельной проволоке.
4. Изменение от $\scriptstyle T_{\mathrm {ref} }$ к $\scriptstyle T_{\mathrm {meter} }$, в верхней медной проволоке.

Первый и четвертый вклад отменяется точно, потому что эти области включают в себя одинаковое изменение температуры и идентичный материал. Как результат, $\scriptstyle T_{\mathrm {meter} }$ не влияет на измеренное напряжение. Второй и третий взносы не отменяются, поскольку они связаны с разными материалами.

Измеренное напряжение оказывается

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

где $\scriptstyle S_{+}$ и $\scriptstyle S_{-}$ являются коэффициентами Seebeck проводников, прикрепленных к положительным и отрицательным терминалам вольтметра соответственно (хромель и алюмель на рисунке).

Характерная функция

Поведение термопары запечатлено характерной функцией $\scriptstyle E(T)$, что нужно только для консультации с двумя аргументами:

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

С точки зрения коэффициентов Seebeck, характерная функция определяется

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

Константа интеграции в этом неопределенном интеграле не имеет значения, но обычно выбирается таким образом, что $\scriptstyle E(0\,{}^{\circ }{\rm {C}})=0$.

Производители термопары и организации по стандартам метрологии, такие как NIST, предоставляют таблицы функции $\scriptstyle E(T)$ которые были измерены и интерполированы в диапазоне температур, для конкретных типов термопары (см. Раздел внешних ссылок для доступа к этим таблицам).

Справочный перекресток

Справочный переходный блок внутри случайного температурного измерителя CNX T3000. Два белых провода соединяются с термистором (встроенным в белое тепловое соединение), чтобы измерить температуру эталонных соединений.

Чтобы получить желаемое измерение $\scriptstyle T_{\mathrm {sense} }$, недостаточно просто измерить $\scriptstyle V$Полем Температура на эталонных соединениях $\scriptstyle T_{\mathrm {ref} }$ Должен быть уже известен. Здесь часто используются две стратегии:

• Метод «Ледяная ванна»: контрольный развязка погружена в полупрозрачную ванну с дистиллированной водой при атмосферном давлении. плавления Точная температура перехода фазового действует как естественный термостат , фиксируя $\scriptstyle T_{\mathrm {ref} }$ до 0 ° C.
• Справочный датчик соединения (известный как » Компенсация холодного соединения »): контрольно -соединительному блоку разрешается варьироваться по температуре, но температура измеряется в этом блоке с использованием отдельного датчика температуры. Это вторичное измерение используется для компенсации изменения температуры в блоке соединения. соединение часто устанавливается рядом с расположением прибора Часто подвергается воздействию экстремальных сред, в то время как эталонный .

В обоих случаях значение $\scriptstyle V+E(T_{\mathrm {ref} })$ рассчитывается, затем функция $\scriptstyle E(T)$ ищет соответствующее значение. Аргумент, в котором происходит это совпадение, является ценность $\scriptstyle T_{\mathrm {sense} }$:

$E(T_{\mathrm {sense} })=V+E(T_{\mathrm {ref} })$.

Практические проблемы

Термопары в идеале должны быть очень простыми измерительными устройствами, причем каждый тип характеризуется точным $\scriptstyle E(T)$ кривая, независимо от любых других деталей. В действительности, на термопары влияют такие проблемы, как неопределенность производства сплавов, эффекты старения и ошибки/недоразумения дизайна схем.

Конструкция контура

Общая ошибка в конструкции термопары связана с компенсацией холодного соединения. Если ошибка сделана по оценке $T_{\mathrm {ref} }$, в измерении температуры появится ошибка. Для самых простых измерений провода термопары соединены с медью далеко от горячей или холодной точки, температура которых измеряется; Затем предполагается, что этот эталонный соединение находится при комнатной температуре, но эта температура может варьироваться. Из -за нелинейности в кривой напряжения термопары ошибки в $T_{\mathrm {ref} }$ и $T_{\mathrm {sense} }$ как правило, неравные значения. Некоторые термопары, такие как тип B, имеют относительно плоскую кривую напряжения вблизи комнатной температуры, а это означает, что большая неопределенность в темнотехнике в комнате $T_{\mathrm {ref} }$ переводится только на небольшую ошибку в $T_{\mathrm {sense} }$.

Соединения должны быть сделаны надежным образом, но есть много возможных подходов для достижения этого. При низких температурах соединения могут быть смены или припаяны; Тем не менее, может быть трудно найти подходящий поток , и это может быть не подходит на чувствительном соединении из -за низкой точки плавления припоя. Следовательно, эталонные и удлинительные соединения обычно изготавливаются с винтовыми терминальными блоками . Для высоких температур наиболее распространенным подходом является точечный сварка или обжима с использованием долговечного материала.

Одним из распространенных мифов о термопарах является то, что соединения должны быть сделаны чисто без участия третьего металла, чтобы избежать нежелательных добавленных ЭМП. Это может быть результатом другого распространенного недоразумения, что напряжение генерируется на соединении. Фактически, соединения должны в принципе иметь равномерную внутреннюю температуру; Следовательно, напряжение не генерируется на соединении. Напряжение генерируется в термическом градиенте, вдоль провода.

Термопара производит небольшие сигналы, часто микроволны по величине. Точные измерения этого сигнала требуют усилителя с низким напряжением входного смещения и с осторожностью, чтобы избежать тепловых ЭМФ от самого нарыва в самом вольтметре. Если по какой -то причине провода термопары имеет высокое сопротивление (плохой контакт в соединениях или очень тонкие провода, используемые для быстрого теплового отклика), измерительный прибор должен иметь высокий входной импеданс , чтобы предотвратить смещение в измеренном напряжении. Полезная функция в инструментарии термопары будет одновременно измерять сопротивление и обнаружить неисправные соединения в проводке или в соединениях термопары.

Металлургические оценки

В то время как тип проволоки термопары часто описывается его химической композицией, фактическая цель состоит в том, чтобы произвести пару проводов, которые следуют стандартизированным $\scriptstyle E(T)$ изгиб.

Примеси по -разному влияют на каждую партию металла, создавая переменные коэффициенты звена. Чтобы соответствовать стандартному поведению, производители термопарных проводов будут намеренно смешивать дополнительные примеси, чтобы «допировать» сплав, компенсируя неконтролируемые изменения в исходном материале. В результате существуют стандартные и специализированные оценки термопары проволоки, в зависимости от уровня точности, требуемого в поведении термопары. Точные оценки могут быть доступны только в соответствующих парах, где один провод изменен, чтобы компенсировать недостатки в другом проводе.

Особый случай провода термопары известен как «удлинительная оценка», предназначенный для переноса термоэлектрической цепи на более длительном расстоянии. Удлинительные провода следуют указанному $\scriptstyle E(T)$ Кривая, но по разным причинам они не предназначены для использования в экстремальных средах, и поэтому в некоторых приложениях их нельзя использовать на чувствительном соединении. Например, удлинитель может быть в другой форме, такой как очень гибкая с проливкой конструкцией и пластиковой изоляцией, или быть частью многопроводного кабеля для переноски многих термопаров. Благодаря дорогостоящим термопарам для благородных металлов провода удлинителя могут даже изготовлены из совершенно другого, более дешевого материала, который имитирует стандартный тип в уменьшенном диапазоне температур.

Старение

Термопары часто используются при высоких температурах и в атмосфере реактивной печи. В этом случае практическое срок службы ограничена старением термопары. Термоэлектрические коэффициенты проводов в термопаре, которая используется для измерения очень высоких температур, могут измениться со временем, а напряжение измерения соответственно падает. Простая связь между разницей температур в соединениях и напряжением измерения является правильной только в том случае, если каждый провод является однородной (равномерной по составе). По мере того, как термопары возрастают в процессе, их проводники могут потерять однородность из -за химических и металлургических изменений, вызванных экстремальным или длительным воздействием высоких температур. Если стариная часть схемы термопары подвергается воздействию градиента температуры, измеренное напряжение будет отличаться, что приведет к ошибке.

Выдержанные термопары только частично модифицированы; Например, не затронуто в деталях за пределами печи. По этой причине выдержанные термопары не могут быть выведены из установленного места и перекалиброваны в ванной или испытательной печи, чтобы определить ошибку. Это также объясняет, почему иногда можно наблюдать ошибку, когда стариная термопару частично вытягивается из печи, когда датчик вытягивается назад, выдержанные секции могут видеть воздействие повышенных градиентов температуры от горячей до холодной Площадь рефрактерной, внося значительную ошибку для измерения. Аналогичным образом, выдержанная термопару, которая проталкивается глубже в печь, может иногда обеспечить более точный показатель, если их толкают в печи, вызывает то, что градиент температуры возникает только в свежем участке.

Типы

Некоторые комбинации сплавов стали популярными в качестве отраслевых стандартов. Выбор комбинации обусловлен стоимостью, доступностью, удобством, температурой плавления, химическими свойствами, стабильностью и выходом. Различные типы лучше всего подходят для разных приложений. Они обычно выбираются на основе температурного диапазона и необходимой чувствительности. Термопары с низкой чувствительностью (типами B, R и S) имеют соответственно более низкие разрешения. Другие критерии отбора включают химическую инертность материала термопары и, является ли он магнитным или нет. Стандартные типы термопары перечислены ниже с положительным электродом (при условии $T_{\text{sense}}>T_{\text{ref}}$) сначала, за которым следует отрицательный электрод.

Термопары никель-сплава

Характерные функции для термопалей, которые достигают промежуточных температур, как покрытые никель-сплавными типами термопары E, J, K, M, N, T. Также показаны благородные сплавные сплавы и чистые благородные комбинации Gold-Platinum и Платином -палладий.

Тип e

Тип E ( Chromel - Constantan ) имеет высокую выход (68 мкВ/° C), что делает его хорошо подходящим для криогенного использования. Кроме того, это не магнитно. Широкий диапазон составляет от -270 ° C до +740 ° C и узкий диапазон от -110 ° C до +140 ° C.

Тип J.

Тип J ( железо - постоянный ) имеет более ограниченный диапазон (от -40 ° C до +1200 ° C), чем тип K, но более высокая чувствительность около 50 мкВ/° C. Точка Кюри железа (770 ° С) вызывает плавное изменение характеристики, которое определяет предел верхней температуры. Обратите внимание, что европейский/немецкий тип L является вариантом типа J, с другой спецификацией для вывода EMF (ссылка DIN 43712: 1985-01 ).

Тип К.

Тип K ( Chromel - Alumel ) является наиболее распространенной термопарой общего назначения с чувствительностью приблизительно 41 мкВ/° C. Это недорого, и широкий спектр зондов доступен в диапазоне от -200 ° C до +1350 ° C (от -330 ° F до +2460 ° F). Тип K был указан в то время, когда металлургия была менее продвинутой, чем сегодня, и, следовательно, характеристики могут значительно различаться между образцами. Один из составляющих металлов, никель , магнитный; Характеристикой термопавли, изготовленных с магнитным материалом, является то, что они подвергаются отклонению на выходе, когда материал достигает своей точки Кюри , которая происходит для термопалей типа K примерно при 185 ° C.

Они очень хорошо работают в окислении атмосферы. Если, однако, в основном восстанавливающаяся атмосфера (такая как водород с небольшим количеством кислорода) вступает в контакт со проводами, хром в хромелевом сплаве окисляется. Это уменьшает выход ЭМФ, и термопару считывается низко. Это явление известно как зеленая гниль из -за цвета пораженного сплава. Несмотря на то, что хромельная проволока не всегда отчетливо зеленая, будет развиваться пятнистая серебристая кожа и стать магнитной. Простой способ проверить эту проблему-увидеть, являются ли два провода магнитные (обычно хромель не магнитной).

Водород в атмосфере является обычной причиной зеленой гнили. При высоких температурах он может диффундировать через твердые металлы или интактный металлический термоулл. Даже оболочка, изолируя оксидом магния, термопару не будет держать водород.

Зеленая гниль не встречается в атмосферах, достаточно богатых кислородом или без кислорода. Можно добавить герметичный термоулль инертный газ, или может быть добавлена ​​инертный газ, или может быть добавлено поглотитель кислорода (например, жертвенная титановая проволока). В качестве альтернативы, дополнительный кислород может быть введен в термоулль. Другим вариантом является использование другого типа термопары для атмосферы с низким содержанием кислорода, где может возникнуть зеленая гниль; Термопара типа N является подходящей альтернативой.

Тип m

Тип M (82% NI/18% MO –99,2% Ni/0,8% CO , по весу) используются в вакуумных печи по тем же причинам, что и при типе C (описано ниже). Верхняя температура ограничена 1400 ° C. Это реже используется, чем другие типы.

Тип n

Термопары типа N ( NICROSIL - NISIL ) подходят для использования между -270 ° C и +1300 ° C из -за ее устойчивости к стабильности и окислению. Чувствительность составляет около 39 мкВ/° C при 900 ° C, немного ниже по сравнению с типом K.

Разработано в Организации по оборонной науке и технике (DSTO) в Австралии Ноэлем А. Берли, термопары типа N преодолевают три основных характерных типа и причины термоэлектрической нестабильности в стандартных материалах термоэлемента базового металла:

1. Постепенный и обычно кумулятивный дрейф в тепловой ЭДС при длительном воздействии при повышенных температурах. Это наблюдается во всех термоэлементных материалах базового металла и в основном связано с изменениями композиции, вызванными окислением , карбинизацией или облучением нейтронов , которые могут вызывать трансмутацию в средах ядерных реакторов . В случае термопалей типа k, атомы марганца и алюминия из проволоки KN (отрицательный) мигрируют в проволоку KP (положительный), что приводит к дрейфу вниз по шкале из-за химического загрязнения. Этот эффект совокупный и необратимый.
2. Краткосрочное циклическое изменение теплового ЭДС при нагревании в диапазоне температур около 250–650 ° C, которое происходит в термопалях типов K, J, T и E. Этот вид нестабильности ЭДС связан со структурными изменениями, такими как магнитные Краткий диапазон в металлургической композиции.
3. Независимое от времени возмущение в тепловой ЭДС в определенных температурных диапазонах. Это связано с зависимыми от композиции магнитных преобразований, которые нарушают тепловые ЭМП в термопарах типа k в диапазоне около 25–225 ° C и в типе J выше 730 ° C.

Термопара-сплавы NICROSIL и NISIL демонстрируют значительно повышенную термоэлектрическую стабильность по сравнению с другими стандартными сплавами термопары с базой-металлом, поскольку их композиции существенно снижают термоэлектрическую нестабильность, описанные выше. Это достигается главным образом путем увеличения концентраций растворенного вещества компонентов (хром и кремния) в основании никеля выше, которые необходимы для того, чтобы вызвать переход от внутренних к внешним модам окисления, и путем выбора растворенных веществ (кремний и магний), которые преимущественно окисляются с образованием диффузии -Мадоры и, следовательно, пленки, ингибирующие окисление.

Термопары типа N подходят альтернативу типу K для условий с низким содержанием кислорода, где тип K подвержен зеленой гниле. Они подходят для использования в вакууме, инертной атмосферах, окислении атмосфер или сухой восстановительной атмосферах. Они не переносят присутствие серы.

Тип T.

Термопары типа T ( медь - постоянный ) подходят для измерений в диапазоне от -200 до 350 ° C. Часто используется в качестве дифференциального измерения, поскольку только медная проволока касается зондов. Поскольку оба проводника не магнитны, нет точки Кюри , и, следовательно, нет резких изменений в характеристиках. Термокуры типа T имеют чувствительность около 43 мкВ/° C. Обратите внимание, что медь обладает гораздо более высокой теплопроводностью, чем сплавы, обычно используемые в конструкциях термопары, и поэтому необходимо проявлять дополнительную помощь с термически закрепленными термопарами типа T. Аналогичная композиция находится в устаревшем типе U в немецкой спецификации DIN 43712: 1985-01.

Платиновые/родиевые термопары

Характерные функции для высокотемпературных типов термопары, показывающих термопары Pt/RH, w/re, Pt/Mo и IR/RH-сплав. Также показан термопару с чистой металлом PT-PD.

Типы B, R и S Thermocouples используют платиновый или платиновый/ родийный сплав для каждого проводника. Они являются одними из самых стабильных термопалей, но имеют более низкую чувствительность, чем другие типы, приблизительно 10 мкВ/° C. Термопары типа B, R и S обычно используются только для высокотемпературных измерений из-за их высокой стоимости и низкой чувствительности. Для термопалей типа R и S можно использовать платиновую проволоку HTX для укрепления термопары и предотвратить сбои из -за роста зерна, которые могут возникнуть в высокой температуре и суровых условиях.

Тип б

Тип B (70%PT/30%RH - 94%PT/6%RH, по весу) термопары подходят для использования при до 1800 ° C. Термопары типа B производят одинаковую выходную мощность при 0 ° C и 42 ° C, ограничивая их использование ниже около 50 ° C. Функция EMF имеет минимум около 21 ° C (для 21,020262 ° C EMF = -2,584972 мкВ), что означает, что компенсация холодного соединения легко выполняется, поскольку напряжение компенсации по сути является постоянной для ссылки при типичных температурах помещения.

Тип r

Тип R (87%Pt/13%Rh - PT, по весу) используются от 0 до 1600 ° C. Термопары типа R вполне стабильны и способны к длительному эксплуатации при использовании в чистых, благоприятных условиях. При использовании выше 1100 ° C (2000 ° F) эти термопары должны быть защищены от воздействия металлических и неметаллических паров. Тип R не подходит для прямой вставки в металлические пробирки. Долгосрочное высокотемпературное воздействие вызывает рост зерна, что может привести к механическому разрушению и дрейфу с отрицательной калибровкой, вызванным диффузией родия в чистую платиновую ногу, а также от летучих родия. Этот тип имеет то же использование, что и тип S, но не взаимозаменяемый с ним.

Тип с

Термопары типа S (90%PT/10%RH -PT, по весу), аналогично типу R, используются до 1600 ° C. Перед введением международной температурной шкалы 1990 года (IT-90) термопары с точным типом S использовались в качестве практических стандартных термометров для диапазона от 630 ° C до 1064 ° C, на основе интерполяции между точками замораживания сурьмы. , серебро и золото . Начиная с ITS-90, термометры сопротивления платины приняли этот диапазон в качестве стандартных термометров.

Термопары вольфрамового/рамового сплава

Эти термопары хорошо подходят для измерения чрезвычайно высоких температур. Типичными видами использования являются водород и инертные атмосферы, а также вакуумные печи . Они не используются в окислительной среде при высоких температурах из -за охлаждения . Типичный диапазон составляет от 0 до 2315 ° C, который может быть расширен до 2760 ° C в инертной атмосфере и до 3000 ° C для кратких измерений.

Чистый вольфрам при высоких температурах подвергается рекристаллизации и становится хрупким. Следовательно, типы C и D предпочтительны по сравнению с типом G в некоторых приложениях.

При наличии водяного пара при высокой температуре вольфрам реагирует с образованием оксида вольфрама (VI) , который улетучивается, и водород. Затем водород реагирует с оксидом вольфрама, после чего вода снова образуется. Такой «цикл воды» может привести к эрозии термопары и возможного отказа. Поэтому в высокотемпературных вакуумных приложениях желательно избегать присутствия следов воды.

Альтернативой вольфрамовому/ rhenium является вольфрамовый/ молибден , но отклик напряжения -тимпература слабее и имеет минимум около 1000 К.

Температура термопары также ограничена другими используемыми материалами. Например, оксид бериллия , популярный материал для высокотемпературных применений, имеет тенденцию приобретать проводимость с температурой; В конкретной конфигурации датчика была сносимость изоляции, падающую с MegaOHM при 1000 К до 200 Ом при 2200 К. При высоких температурах материалы подвергаются химической реакции. При 2700 К-оксиде бериллия слегка реагирует с вольфрамовым сплавом вольфрамового, вольфрамового сплава и тантала; При 2600 K Molybdenum реагирует с BEO, вольфрам не реагирует. BEO начинает таять около 2820 К, оксид магния примерно в 3020 К.

Тип c

(95%с 5%re - 74%с 26%re, по весу) Максимальная температура будет измерена термопарой типа C составляет 2329 ° C.

Тип d

(97%с 3%re - 75%с 25%re, по весу)

Тип g

(W - 74%с 26%re, по весу)

Другие

Хромель-глюд/железное сплав термопары

Характеристики термопары при низких температурах. Термопара на основе AUFE демонстрирует устойчивую чувствительность до низких температур, тогда как обычные типы вскоре сплющиваются и теряют чувствительность при низкой температуре.

В этих термопамах ( хромель - золото / железное сплав) отрицательный провод составляет золото с небольшой фракцией (0,03–0,15 процента атома) железа. Нечистый золотой проволока придает термопару высокой чувствительности при низких температурах (по сравнению с другими термопапрами при этой температуре), тогда как хромельный проволока поддерживает чувствительность вблизи комнатной температуры. Его можно использовать для криогенных применений (1,2–300 К и даже до 600 К). Как чувствительность, так и диапазон температуры зависят от концентрации железа. Чувствительность обычно составляет около 15 мкВ/К при низких температурах, а самая низкая потребляемая температура варьируется от 1,2 до 4,2 К.

Тип P (Noble-Metal сплав) или "Platinel II"

Тип P (55% PD /31%PT/14%AU - 65%AU/35%PD, по весу). построено исключительно из благородных металлов и поэтому показывает повышенную коррозионную стойкость. Эта комбинация также известна как Platinel II.

Платиновые/молибденовые термопары

Термопары платинового/молибденового сплава (95%Pt/5%Mo-99,9%Pt/0,1%Mo, по весу) иногда используются в ядерных реакторах, поскольку они показывают низкий дрейф от ядерной трансмутации, индуцированной облучением нейтронов, по сравнению с Платиновые/родий-сплавные типы.

Термопары иридий/родий сплав

Использование двух проводов сплавов иридий / родия может обеспечить термопару, которую можно использовать до 2000 ° C в инертных атмосферах.

Термопары чистых благородных металлов Au-pt, pt-pd

Термопары, изготовленные из двух разных, благородных металлов высокой чистоты, могут демонстрировать высокую точность, даже когда они некалиброваны, а также низкие уровни дрейфа. Две комбинации в использовании - это золото -платинум и платиновый палладий. Их основными ограничениями являются низкие точки плавления металлов (1064 ° C для золота и 1555 ° C для палладия). Эти термопары, как правило, более точны, чем тип S, и из -за их экономики и простоты даже рассматриваются как конкурентные альтернативы термометрам сопротивления платины , которые обычно используются в качестве стандартных термометров.

Термокуры HTIR-TC (устойчиво к облучению высокой температуры)

HTIR-TC предлагает прорыв в измерении высокотемпературных процессов. Его характеристики: долговечные и надежные при высоких температурах, не менее 1700 ° C; устойчив к облучению; Умеренно по цене; Доступно в различных конфигурациях - адаптируется к каждому приложению; легко устанавливается. Первоначально разработанный для использования в реакторах ядерных испытаний, HTIR-TC может повысить безопасность операций в будущих реакторах. Эта термопару была разработана исследователями в Национальной лаборатории штата Айдахо (INL).

Сравнение типов

В таблице ниже описываются свойства нескольких различных типов термопары. В рамках колонн допуска t представляет температуру горячего соединения в градусах по Цельсию. Например, термопару с допуском ± 0,0025 × T будет иметь допуск ± 2,5 ° C при 1000 ° C. Каждая ячейка в колоннах Color Code изображает конец термопары, показывающий цвет куртки и цвет отдельных лидов. Цвет фона представляет цвет корпуса разъема.

Тип	Диапазон температуры (° C)				Класс толерантности (° C)		Цветовой код
	Непрерывный		Короткий срок		Один	Два	МЭК	BS	Анси
	Низкий	Высокий	Низкий	Высокий
K	0	+1100	−180	+1370	−40 – 375: ±1.5 375 – 1000: ±0.004× T	−40 – 333: ±2.5 333 – 1200: ±0.0075× T
Дж	0	+750	−180	+800	−40 – 375: ±1.5 375 – 750: ±0.004× T	−40 – 333: ±2.5 333 – 750: ±0.0075× T
Не	0	+1100	−270	+1300	−40 – 375: ±1.5 375 – 1000: ±0.004× T	−40 – 333: ±2.5 333 – 1200: ±0.0075× T
Ведущий	0	+1600	−50	+1700	0 – 1100: ±1.0 1100 - 1600: ± 0,003 × ( T - 767)	0 – 600: ±1.5 600 – 1600: ±0.0025× T			Не определено
С	0	+1600	−50	+1750	0 – 1100: ±1.0 1100 - 1600: ± 0,003 × ( T - 767)	0 – 600: ±1.5 600 – 1600: ±0.0025× T			Не определено
Беременный	+200	+1700	0	+1820	Нет в наличии	600 – 1700: ±0.0025× T	Нет стандарта	Нет стандарта	Не определено
Т	−185	+300	−250	+400	−40 – 125: ±0.5 125 – 350: ±0.004× T	−40 – 133: ±1.0 133 – 350: ±0.0075× T
И	0	+800	−40	+900	−40 – 375: ±1.5 375 – 800: ±0.004× T	−40 – 333: ±2.5 333 – 900: ±0.0075× T
Chromel / Ave	−272	+300	—	—	Воспроизводимость 0,2% от напряжения. Каждый датчик нуждается в индивидуальной калибровке.

Термопара изоляция

Типичная низко стоимость термопары типа K (со стандартным разъемом типа K ). В то время как провода могут выжить и функционировать при высоких температурах, пластическая изоляция начнет разрушаться при 300 ° C.

Проводя изоляция

Провода, которые составляют термопару, должны быть изолированы друг от друга повсюду, за исключением чувствительного соединения. Любой дополнительный электрический контакт между проводами или контакт провода к другим проводящим объектам может изменить напряжение и дать ложное показание температуры.

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

Когда проволочная изоляция распадается, это может привести к непреднамеренному электрическому контакту в другом месте, чем желаемая точка восприятия. Если такая поврежденная термопару используется в контроле с замкнутым циклом термостата или другого контроллера температуры , это может привести к безудержному перегреву и, возможно, серьезным повреждениям, поскольку ложное температурный показатель обычно будет ниже, чем температура чувствительного соединения. Неудачная изоляция также будет, как правило , переоценит , что может привести к загрязнению процесса. Для частей термопалей, используемых при очень высоких температурах или в чувствительных к загрязнению применениям, единственной подходящей изоляцией может быть вакуум или инертный газ ; Механическая жесткость проводов термопары используется для их отделения.

Таблица изоляционных материалов

Тип изоляции	Максимум непрерывная температура	Максимум Одиночное чтение	Устойчивость к истиранию	Устойчивость к влажности	Химическая устойчивость
Слюда - глинальная лента	649 ° C/1200 ° F.	705 ° C/1300 ° F.	Хороший	Справедливый	Хороший
TFE лента, TFE -Glass лента	649 ° C/1200 ° F.	705 ° C/1300 ° F.	Хороший	Справедливый	Хороший
Утечка стеклоочисти	871 ° C/1600 ° F.	1093 ° C/2000 ° F.	Справедливый	Бедный	Бедный
Двойная стеклянная оплетка	482 ° C/900 ° F.	538 ° C/1000 ° F.	Хороший	Хороший	Хороший
Эмаль -глина	482 ° C /900 ° F	538 ° C/1000 ° F.	Справедливый	Хороший	Хороший
Двойная стеклянная обертка	482 ° C/900 ° F.	427 ° C/800 ° F.	Справедливый	Хороший	Хороший
Несоотражающая стеклянная косичка	482 ° C/900 ° F.	427 ° C/800 ° F.	Бедный	Бедный	Справедливый
Slice TFE Tap	482 ° C/900 ° F.	538 ° C/1000 ° F.	Хороший	Отличный	Отличный
Двойная хлопковая оплетка	88 ° C/190 ° F.	120 ° C/248 ° F.	Хороший	Хороший	Бедный
"S" стекло с связующим	704 ° C/1300 ° F.	871 ° C/1600 ° F.	Справедливый	Справедливый	Хороший
Nextel Ceramic Fiber	1204 ° C/2200 ° F.	1427 ° C/2600 ° F.	Справедливый	Справедливый	Справедливый
Поливинил/нейлон	105 ° C/221 ° F.	120 ° C/248 ° F.	Отличный	Отличный	Хороший
Поливинил	105 ° C/221 ° F.	105 ° C/221 ° F.	Хороший	Отличный	Хороший
Нейлон	150 ° C/302 ° F.	130 ° C/266 ° F.	Отличный	Хороший	Хороший
ПВХ	105 ° C/221 ° F.	105 ° C/221 ° F.	Хороший	Отличный	Хороший
Фейт	204 ° C/400 ° F.	260 ° C/500 ° F.	Отличный	Отличный	Отличный
Обернутый и слитый TFE	260 ° C/500 ° F.	316 ° C/600 ° F.	Хороший	Отличный	Отличный
Ловить	316 ° C/600 ° F.	427 ° C/800 ° F.	Отличный	Отличный	Отличный
Тефзель	150 ° C/302 ° F.	200 ° C/392 ° F.	Отличный	Отличный	Отличный
ПФА	260 ° C/500 ° F.	290 ° C/550 ° F.	Отличный	Отличный	Отличный
T300*	300 ° C.	–	Хороший	Отличный	Отличный

Температурные оценки для изоляции могут варьироваться в зависимости от того, из чего состоит общий конструктивный кабель термопары.

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

Приложения

Термопары подходят для измерения в большом диапазоне температур, от -270 до 3000 ° C (в течение короткого времени, в инертной атмосфере). Применения включают измерение температуры для печей , газовой выхлопной газовой выхлопа, дизельные двигатели, другие промышленные процессы и туманные машины . Они менее подходят для применений, где необходимо измерить меньшие температурные различия с высокой точностью, например, диапазон 0–100 ° C с точностью 0,1 ° C. Для таких применений термисторы , датчики температуры и сопротивления кремния и термометры сопротивления более подходят.

Сталелитейная промышленность

Термопары типа B, S, R и K широко используются в сталиной и железной промышленности для мониторинга температуры и химии на протяжении всего процесса изготовления стали. Одноразовые, погруженные термопары типа S регулярно используются в процессе электрической дуги печи, чтобы точно измерить температуру стали перед постукиванием. Кривая охлаждения небольшого образца стали может быть проанализирована и использована для оценки содержания углерода в расплавленной стали.

Безопасность газового прибора

Термопара (правая самая трубка) внутри горелки в сборе водонагревателя

Термопара подключено в газовых приборах. Конечный шар (контакт) слева изолируется от подгонки изолирующей стиральной машиной . Линия термопары состоит из медной проволоки, изолятора и оболочки наружного металла (обычно медь), которая также используется в качестве заземления .

Многие газообразные отопления, такие как печи и водонагреватели, используют пилотное пламя , чтобы воспламенить основную газовую горелку при при необходимости. Если пламя пилота выходит, может быть выпущен несгоревший газ, который представляет собой риск взрыва и опасность для здоровья. Чтобы предотвратить это, некоторые приборы используют термопару в сбойной цепи, чтобы ощутить, когда горит пилотный свет. Кончик термопары помещается в пилотный пламя, генерируя напряжение, которое управляет писточным клапаном, который подает газ в пилот. Пока пламя пилота остается освещенным, термопару остается горячей, а пилотный газовый клапан удерживается открытым. Если пилотный свет выходит, температура термопары падает, что приводит к закрытию напряжения через термопару, а клапан закрывается.

Если зонд может быть легко помещен над пламенем, выпрямляющий датчик вместо этого часто можно использовать . С частичной керамической конструкцией они также могут быть известны как пламени, датчики пламени или электроды обнаружения пламени.

Пламени-жесток (вверху)-и-флам-сенсора

Некоторые комбинированные основные горелки и пилотные газовые клапаны (в основном Honeywell ) уменьшают потребность в мощности в пределах диапазона единой универсальной термопары, нагретой пилотом (25 мВ, падающей наполовину с катушкой, подключенной к 10–12 мВ, 0,2 –0.25 Источник, как правило,), оценивая катушку, чтобы иметь возможность удерживать клапан открытым в отношении легкой пружины, но только после того, как начальная сила поворота обеспечивается нажатием пользователя и удержания ручки для сжатия пружины во время освещения Пилот. Эти системы идентифицируются с помощью «Нажмите и удерживают X минут» в инструкциях по пилотному освещению. (Требование по току удержания такого клапана гораздо меньше, чем больший соленоид, предназначенный для вытягивания клапана из закрытой позиции. Нельзя использовать, поскольку он вводит больше сопротивления, чем катушка газового клапана. Помимо проверки напряжения открытой цепи термопары и непрерывности непрерывности DC с коротким замыканием через катушку термопары газового клапана, самым простым неспециальным испытанием является замена известного хорошего газового клапана.

Некоторые системы, известные как системы управления Millivolt, расширяют концепцию термопары как на открытие, так и закрывают основной газовый клапан. Мало того, что напряжение, созданное пилотной термопарой, активирует пилотный газовый клапан, он также направляется через термостат для питания основного газового клапана. Здесь необходимо большее напряжение, чем в пилотной системе безопасности пламени, описанной выше, и термопийс используется , а не одна термопару. Такая система не требует внешнего источника электроэнергии для ее работы и, таким образом, может работать во время сбоя питания, при условии, что все другие компоненты связанных систем позволяют это. Это исключает общие принудительные воздушные печи, с неэффективными потому что для управления двигателем вентиляторов требуется внешняя электрическая мощность, но эта функция особенно полезна для конвекционных обогревателей . Аналогичный механизм безопасности отключения газа с использованием термопары иногда используется, чтобы гарантировать, что основная горелка зажигает в течение определенного периода времени, отключив основной клапан подачи газа, если этого не произойдет.

Из-за беспокойства по поводу энергии, потраченной в поток постоянного пилотного пламени, дизайнеры многих новых приборов перешли на зажигание с электронным управлением, также называемым прерывистым зажиганием. Без постоянного пилотного пламени нет риска создания газа в случае выхода пламени, поэтому эти приборы не нуждаются в коммутаторах безопасности на основе термопары. Поскольку эти конструкции теряют пользу от работы без непрерывного источника электричества, стоящие пилоты все еще используются в некоторых приборах. Исключением является более позднее модели мгновенное (так называемое «без резервуаров») водонагреватели , которые используют поток воды для генерации тока, необходимого для зажигания газовой горелки; Эти конструкции также используют термопару в качестве устройства для отсечения безопасности в случае, если газ не может зажечь, или если пламя погашено.

Датчики термопийного излучения

Фромопилы используются для измерения интенсивности падающего излучения, обычно видимого или инфракрасного света, который нагревает горячие соединения, в то время как холодные соединения находятся на радиаторе. Можно измерить радиационные интенсивности всего несколько мкВт/см. ² с коммерчески доступными термопийными датчиками. Например, некоторые лазерные измерители основаны на таких датчиках; Они специально известны как термопийный лазерный датчик .

Принцип работы термопийного датчика отличается от принципа болометра , поскольку последний опирается на изменение сопротивления.

Производство

Термопары обычно могут использоваться при тестировании прототипа электрического и механического аппарата. Например, тестирование распределительного устройства для его тока, несущей пропускную способность, могут установить и контролировать термопары и контролировать во время испытания теплового прогона, чтобы подтвердить, что повышение температуры при номинальном токе не превышает пределов.

Power Production

Основная статья: термоэлектрический генератор

Термопара может создавать ток для привлечения некоторых процессов напрямую, без необходимости дополнительных схем и источников питания. Например, мощность от термопары может активировать клапан при возникновении разности температур. Электрическая энергия , генерируемая термопарой, преобразуется из тепла , которая должна быть поставлена ​​в горячую сторону для поддержания электрического потенциала. Непрерывный перенос тепла необходима, потому что ток, протекающий через термопару, имеет тенденцию привести к охлаждению горячей стороны, а холодная сторона нагревается ( эффект Пельтье ).

Термопары могут быть подключены последовательно, чтобы сформировать термопийс , где все горячие соединения подвергаются воздействию более высокой температуры, а все холодные соединения с более низкой температурой. Выход - это сумма напряжений на отдельных соединениях, обеспечивающих большее напряжение и выходную мощность. В термоэлектрическом генераторе радиоизотопного генератора радиоактивное распад трансранских элементов в качестве источника тепла использовалась для питания космических аппаратов на миссиях слишком далеко от солнца, чтобы использовать солнечную энергию.

Термопилы, нагретые керосиновыми лампами, использовались для запуска радиоприемников без аккумулятора в изолированных областях. Существуют коммерчески изготовленные фонари, которые используют тепло со свечи, чтобы запустить несколько светодиодов, и вентиляторы с термоэлектрически питанием для улучшения циркуляции воздуха и распределения тепла в деревянных печи .

Процесс растений

Химическое производство и нефтеперерабатывающие заводы обычно используют компьютеры для регистрации и для тестирования ограниченных температур, связанных с процессом, обычно нуждающимся в сотнях. Для таких случаев ряд проводов термопары будет доведен до общего эталонного блока (большой блок меди), содержащий вторую термопару каждой цепи. Температура блока, в свою очередь, измеряется термистором . Простые вычисления используются для определения температуры в каждом измеренном месте.

Термопару как вакуумный датчик

См. Также: Измерение давления § Теплопроводность

Термопара может использоваться в качестве вакуумного датчика в диапазоне приблизительно от 0,001 до 1 абсолютного давления. В этом диапазоне давления средний свободный путь газа сопоставим с размерами вакуумной камеры , и режим потока не является чисто вязким и не чисто молекулярным . В этой конфигурации соединение термопары прикреплено к центру короткого нагреваемого провода, который обычно включается постоянным током около 5 мА, а тепло удаляется со скоростью, связанной с теплопроводностью газа.

Температура, обнаруженная на соединении термопары, зависит от теплопроводности окружающего газа, что зависит от давления газа. Разница потенциалов, измеренная термопарой, пропорциональна квадрату давления в диапазоне низкого и среднего вакуума . При более высоком (вязком потоке) и более низких (молекулярных) давлениях теплопроводности воздуха или любого другого газа по существу не зависит от давления. Термопара была впервые использована в качестве вакуумного датчика Voege в 1906 году. Математическая модель для термопары в качестве вакуумного датчика довольно сложна, как подробно объяснено Ван Атта, но может быть упрощено:

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

Если p -давление газа, B -это постоянная, которая зависит от температуры термопары, состава газа и геометрии вакуумной камеры, V ₀ -напряжение термопары при нулевом давлении (абсолютное), а V -напряжение, указанное термопарой Полем

Альтернативой является датчик Pirani , который работает аналогичным образом, более приблизительно одинакового диапазона давления, но является лишь двухкомнатным устройством, определяющим изменение сопротивления с температурой тонкого электрического нагрева провода, а не использует термопару.

Смотрите также

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

Внешние ссылки

• Принцип эксплуатации термопары - Кембриджский университет
• Дрифт термопары - Кембриджский университет
• Два способа измерения температуры с использованием термопавли

Таблицы данных термопары:

• Текстовые таблицы: база данных Thermocouple NIST ITS-90 (B, E, J, K, N, R, S, T)
• PDF Таблицы: J K T E N R S B
• Python Package Thermocouples_Reference, содержащий характерные кривые многих типов термопары.
• R Пакет [2] измерение температуры с термопарами, RTD и IC -датчиками.
• Таблица данных: Размеры проволоки термопары