Меню

Измерение термоэдс методом горячего зонда



Применение термопар для измерения температуры

Введение

Действие термопары основано на эффекте термоэлектричества, открытом немецким физиком Т. Зеебеком в 1821 году [Seebeck A. — Cilb. Ann., 1823, 73, 115, 430]. Если соединить два провода из разнородных металлов, то между их концами возникнет электродвижущая сила величиной порядка милливольта, с температурным коэффициентом около 50 мкВ на градус. Такие соединения называются термопарами и используются для измерения температуры в диапазоне от -270 до +2500 градусов Цельсия. Зависимость напряжения от температуры нелинейна, однако в небольшом диапазоне температур термо-э.д.с. пропорциональна разности температур спаев Т1 и Т2:

где S- коэффициент Зеебека.

Принцип действия термопары иллюстрируется следующим рисунком (рис.1). Если температуры спаев различаются, и температура одного из спаев известна (например, измерена с помощью термометра или терморезистора), то температуру второго спая (т.е. измеряемую температуру) можно найти из уравнения (1). Для того, чтобы упростить процесс измерения температуры с помощью термопары, температуру холодного спая можно застабилизировать например, опустив холодный спай в ванночку со льдом. Однако применение компьютера совместно с системой сбора данных делает эту процедуру излишней, поскольку температура холодного спая изменяется в небольших пределах, и поэтому применение даже недорогого терморезисторного датчика позволяет получить хорошие результаты с помощью программной компенсации температуры холодного спая.

Рис.1. Принцип действия термопары Рис.2. Подключение вольтметра с помощью третьего металла

При подключении к термопаре внешней электрической цепи появляются новые контакты разнородных металлов, которые вводят в измерительную цепь дополнительные ЭДС. Однако можно видеть (рис.2), что, например термоЭДС двух контактов медь-константан включены встречно и поэтому компенсируют друг-друга. Это позволяет использовать термопару на большом удалении от измерителя напряжения, соединив их обычными медными проводами.

Алгоритм измерения температуры

Если по теореме об эквивалентном генераторе электрической цепи левый (по схеме) спай заменить источником напряжения, а затем перенести этот источник к вольтметру, то получим окончательно измерительную цепь, которая используется в большинстве приборов для измерения температуры на основе термопар (рис.4). Величина ЭДС источника Екомп является функцией температуры холодного спая T1. «Холодным спаем» в этом случае являются контакты между медью и железом и медью и константаном. Эти контакты должны иметь одинаковую температуру. Источник Екомп в системе RealLab! реализуется программно, а температура, на основании которой вычисляется величина компенсирующей ЭДС, измеряется каким-либо термодатчиком, например, терморезистором, полупроводниковым датчиком или RTD.

Таким образом, алгоритм измерения температуры должен состоять из следующих шагов:

  • измерение температуры холодного спая;
  • преобразование этой температуры в эквивалентное напряжение на выводах холодного спая термопары, используя градуировочную таблицу термопары или линеаризующее уравнение;
  • добавление этого напряжения к измеренному напряжению на выводах термопары;
  • преобразование полученного напряжения в температуру используя градуировочную таблицу термопары или линеаризующее уравнение.


Рис.3. Замена левого спая эквивалентным генератором

Линеаризация температурной зависимости

Температурная зависимость напряжения на выходе термопары является сильно нелинейной. Поэтому для нахождения температуры по измеренному значению напряжения необходимо использовать таблицу или нелинейную функцию, аппроксимирующую табличные данные. Для аналитической апроксимации табличных значений обычно используют полином вида

, (1)

где V — измеренное напряжение в микровольтах; Т — температура, oС; ao. an, — коэффициенты полинома, которые индивидуальны для каждого типа термопары. Для ряда стандартных термопар эти коэффициенты установлены стандартом NIST (National Institute of Standards and Technology), опубликованы в монографии [Temperature-Electromotive Force Reference Functions and Tables for the Letter-Designated Thermocouple Types Based on the ITS-90. Natl. Inst. Stand. Technol. Monograph 175; 1993. 630 p.] и приведены в табл.1. Эта таблица получена при условии, что холодный спай термопары находится при температуре 0oС.

Для обратного перехода, от температуры к напряжению, используют аналогичную полиномиальную аппроксимацию

коэффициенты которой приведены в таблице 2. Этой таблицей пользуются для точной компенсации температуры холодного спая.

Читайте также:  Как измерить артериальное давление пульсовое давление

Примечание: Уравнение для термопары типа К имеет вид

Конструкции термопар

Сварка проводов, изготовленных из разных металлов, выполняется таким образом, чтобы получилось небольшое по размеру соединение — спай. Провода можно просто скрутить, однако такое соединение ненадежно и имеет большой уровень шумов. Сварку металлов иногда заменяют пайкой, однако верхний температурный диапазон такой термопары ограничен температуров плавления припоя. При температурах, близких к температуре плавления припоя, контакт разнородных металлов в термопаре может нарушаться. Термопары, изготвленные сваркой, выдерживают более высокие температуры, однако химический состав термопары и структура металла в месте сварки могут нарушаться, что приводит к разбросу температурных коэффициентов термопар. Под действием высоких температур может произойти раскалибровка термопары вследствие изменения диффуции компонентов металла в месте сварки. В таких случаях термопару следует откалибровать заново или заменить.

Промышленностью выпускаются термопары трех различных конструкций: с открытым спаем, с изолированным незаземленным спаем и с заземленным спаем. Термопары с открытым контактом имеют малую постоянную времени, но плохую коррозионную стойкость. Термопары двух других типов применимы для измерения температуры в агрессивных средах. В таблице 3 приведены типы термопар и их маркировка в соответствии со стандартом ANSI.

Тип по
ГОСТ Р 8.585-2001

Материал
положительного
электрода

Материал
отрицательного
электрода

Температурный
коэффициент
при 20 град
Цельсия

Выходное
напряжение
при 100 град.
Цельсия

2,2 o С или 0,75% выше 0 o С, 2,2 o С или 2% ниже

1 o С или 0,75% выше 0 o С, 1 o С или 1,5% ниже

1,7 o С или 0,5% выше 0 o С, 1,7 o С или 1% ниже

2,2 o С или 0,75% выше 0 o С, 2,2 o С или 2% ниже

Платина-Родий
(13% Rh)

Платина-Родий
(10% Rh)

Платина-Родий
(30% Rh)

Платина-Родий
(6% Rh)

0,5% выше +800 o С

Вольфрам-Рений,
W-Re (5% Re)

Вольфрам-Рений,
W-Re (26% Re)

4,5 o С до _425 o С, 1% до 2320 o С

Особенностью термопар по сравнению с другими типами термодатчиков является то, что температурный коэффициент зависит только от материала, из которого изготовлена термопара и не зависит от ее конструкции (термопары выполняются в форме щупа, проклодки, бронированного зонда, и т.п.). Это делает термопары взаимозаменяемыми без дополнительной подстройки.

При высоких температурах сопротивление материала изоляции термопары уменьшается и токи утечки через изоляцию могут вносить погрешность в результат измерения. Погрешность термопары возрастает также при попадании жидкости внутрь термопары, вследствие чего возникает гальванический эффект.

Измерительная цепь

Основная проблема построения измерительной схемы на базе термопары связана с ее низким выходным напряжением (около 50 мкВ на градус), поскольку синфазные помехи промышленной частоты 50 Гц и радиопомехи, наведенные на элементах измерительной цепи, намного превышают это значение. Поэтому очень важно хорошо экранировать провода, идущие от термопары к системе сбора данных. Термопара должна быть подключена витой парой проводов, помещенных в общий экран. Если провод, идущий к термопаре, достаточно длинный (несколько сотен метров), то наилучшие результаты получаются, если предварительно усилить сигнал термопары усилителем RL-4DA200 из серии RealLab! и уже усиленный сигнал передавать на большое расстояние. При этом электромагнитные наводки становятся малы по сравнению с усиленным сигналом от термопары, что увеличивает достоверность получаемых результатов. Поэтому усиление должно быть выбрано таким, чтобы верхний предел измерения температуры был равен верхнему пределу выходного напряжения усилителя, то есть 10 В.

Для улучшения отношения сигнал/помеха при значительном удалении термодатчика от системы сбора данных можно использовать также фильтр нижних частот третьего порядка с полосой 5 Гц, типа RL-8F3 из серии RealLab!, который позволяет существенно ослабить помеху частотой 50 Гц. На частоте 50 Гц уровень помехи ослабляется на 60 дБ. Фильтр RL-4F3 устанавливается перед системой ввода данных, т.е. перед мультиплексором. Поэтому инерционность фильтра не требует уменьшения скорости опроса датчиков. При использовании модулей серии NL фильтр использовать не нужно, т.к. он имеется во входных цепях модуля NL-8TI.

Читайте также:  Температура при измерении анально

Обычно используют два способа компенсации температуры холодного спая. Первый способ состоит в том, что провода, идущие от термопары к системе сбора данных, выполняют термопарным проводом, т.е. проводом, изготовленным из того же материала, что и электроды термпары. При этом «холодные спаи» всех термопар (если их несколько) оказываются расположенными в одном месте и температуры всех «холодных спаев» одинаковы. В этом случае можно использовать один общий термодатчик, измеряющий термпературу холодных спаев. Этот способ удобен, когда все термопары расположены недалеко друг от друга и от системы сбора данных.

Второй способ состоит в том, что для каждой термопары используют свой измеритель температуры холодного спая. Это позволяет использовать обычные провода для подсоединения термпары к системе сбора данных, однако одновременно с ними необходимо подвести и сигнал от термопреобразователя, который регистрирует температуру холодного спая. Такой способ удобен, когда термопары пространственно разнесены одна от другой на большое расстояние.

Если термопара в рабочем режиме находится под высоким напряжением или может случайно оказаться под напряженим, необходимо использовать изолирующий усилитель RL-1IDA200.

Точность термопары зависит от химического состава ее материала. Внешние факторы, такие как давление, коррозия, радиация могут изменить кристаллическую структуру или химический состав материала и вносят погрешность в результат измерения.

Располагается на площади 6500 м², оснащено самым современным технологическим оборудованием, имеет научно-исследовательское и конструкторское подразделение, использующие передовые средства автоматизации проектирования.

Телефон:

Режим работы:
Адрес:

Почта:

© НИЛ АП, ООО, 1989-2021
© Microsoft, Windows, and the Windows CE are registered trademarks of Microsoft Corporation in the United States and/or other countries

Источник

Основы термоэлектричества

Метод измерения температуры термопарами основан на явлении Зеебека: в электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых различныхпроводников, возникает электрический ток, если в местах контактов поддерживается различная температура. Схема, иллюстрирующая принцип работы термопары (эффект Зеебека) представлена на рис. 1

Рисунок 1. Термопарасхема: A, B – различные проводники, T и T+dT – температуры спаев

Упрощенно возникновение ТЭДС в металлах и сплавах можно объяснить, опираясь на теорию электронного газа П. Друде. В модели, предложенной П. Друде, металл рассматривается как решетка атомов, на внешних орбиталях которых находятся валентные электроны, слабо связанные электромагнитными силами с ядром атома. Валентные электроны можно считать свободными частицами, так как они легко могут переходить от одного атома к другому. Эти электроны в металлах называют электронами проводимости. Система свободных электронов при отсутствии внешних воздействий находится в равновесии. Средняя скорость электронов равновесной системы равна нулю, хотя каждый из электронов обладает конечной энергией и скоростью, пропорциональной локальной температуре металла.

При изменении температуры вдоль проводника система электронов отклоняется от равновесного состояния. Средняя скорость электронов в области горячего конца проводника становится отличной от нуля, а вектор скорости направлен в сторону области с более низкой температурой. Поскольку электроны являются носителями заряда, наличие такой скорости приведет к возникновению электрического тока. Но электрическая цепь разомкнута, и поэтому электрический ток существует лишь до тех пор, пока в более холодной области не накопится заряд, достаточный для создания замедляющего электрического поля. Это поле противодействует дальнейшему накоплению заряда и в точности компенсирует влияние градиента температуры на среднюю скорость электронов. Когда достигается новое равновесное состояние, электрический ток в цепи исчезает.

Таким образом, при наличии градиента температуры в проводнике возникает электрическое поле, направленное навстречу градиенту температуры. Различие в числе электронов на концах проводника и ток в цепи существуют до тех пор, пока есть градиент температуры. Соответственно градиент потенциала электрического поля, собственно и являющийся ТЭДС, не может возникнуть без температурного градиента. Это основной механизм возникновения ТЭДС который называетсядиффузионной составляющей ТЭДС. Она доминирует в чистых металлах при температурах выше температуры Дебая и является основной составляющей ТЭДС, возникающей во всем температурном диапазоне применения для сплавов, содержащих несколько процентов легирующих элементов.

Читайте также:  Схема измерения мощности методом вольтметра

Величина ТЭДС EA(T), возникающей на однородном участке проводника A, определяется как:

, (1)

где SA(T) – локальная чувствительность участка проводника.
Из выражения (1) следует, что:

. (2)

Формула (2) выражает абсолютный коэффициент Зеебека локального участка – физическую характеристику любого электропроводящего материала, которая не зависит от наличия других материалов в цепи.

Зависимость ТЭДС от температуры для термопары, состоящей из изотропных термоэлектродов, представляется в интегральном виде:

. (3)

Коэффициент Зеебека пары проводников АВ SAB представляет собой разность коэффициентов Зеебека материала А и материала В:

. (4)

Коэффициент Зеебека SAB, характеризующий изменение EAB в зависимости от температуры, называют также коэффициентом ТЭДС, дифференциальной ТЭДС или чувствительностью термопары. Для большинства пар металлов и сплавов SAB имеет порядок 10–5–10–4 В/К.

На практике электроды термопар на разных участках своей длины имеют неодинаковый коэффициент ТЭДС. Это проявление неоднородности физических свойств реальных материалов и сплавов, обусловленной колебаниями их состава и структуры, получило название термоэлектрической неоднородности (ТЭН). Исходная ТЭН термоэлектродной проволоки возникает при ее изготовлении, развивается в процессе изготовления термопар и представляет собой, как правило, небольшие колебания ТЭДС. У отработавших некоторое время термопар ТЭН термоэлектродов является результатом наложения исходных неоднородностей и неоднородностей, развивающихся в процессе эксплуатации вследствие ряда причин: изменения состава сплава за счет избирательного окисления, испарения или связывания в соединения отдельных элементов сплава; поглощения элементов извне при взаимодействии с изолирующими материалами и окружающей средой; рекристаллизации, роста зерна; превращений в твердом состоянии (упорядочения, распада твердого раствора). Неоднородность может возникнуть в любое время в процессе использования термопары.

Любой неоднородный термоэлектрод можно рассмотреть, как цепь нескольких локально однородных участков произвольной длины и с заданными температурами на концах. В этом случае напряжение, возникающее на концах термопары, – это сумма ТЭДС от всех участков с различной температурой на концах (см. формулу 3). На участках с постоянной температурой ТЭДС не генерируется.

(5)

Применение методики поверки, изложенной в ГОСТ 8.338-2002, при периодической поверке ранее эксплуатировавшихся, а значит неизбежно приобретших термоэлектрическую неоднородность термоэлектрических преобразователей, зачастую приводит к заведомо ложным результатам. Так реально поверка по ГОСТ 8.338-2002 производится при глубине погружения 250-300 мм и её результаты будут действительны только для этой глубины погружения, при этом термопары в условиях эксплуатации помещаются в печь на 500мм и более. Участок основного градиента температур, как правило, приходится на часть термопары, расположенную в зоне футеровки печи. Что иллюстрирует рисунок 2. Следовательно, участок длиной 250-300 мм расположен в зоне практически равномерной температуры и генерируемая на нём величина термо-э.д.с. значительно меньше, чем на участке основного градиента.

Можно утверждать, что термопара, помещенная в печь на большую глубину, чем при поверке, будет давать показания ближе к истинным, а результат поверки нельзя учитывать в качестве поправки к её показаниям. Тем более нельзя применять ранее использовавшуюся термопару на глубине погружения меньшей той, при которой проводилась поверка.

Градуировка термопары

Согласно ГОСТ 8.585 и МЭК 60574 градуировки термопар имеют буквенные коду K,J,N, T, S, R, B в зависимости от химического состава термоэлектродов. В следующей таблице приведены обозначения градуировок термопар, диапазон в котором нормирована НСХ каждого типа градуировки термопар и цветовая маркировка удлинительных проводов термопар.

Эскиз провода

НСХ нормирована в диапазоне температур

Цветовая маркировка
по МЭК 60584:3-2007

Источник

Сравнить или измерить © 2021
Внимание! Информация, опубликованная на сайте, носит исключительно ознакомительный характер и не является рекомендацией к применению.

Тип датчика