О термопарах: что это такое, принцип действия, подключение, применение

В автоматизации технологических процессов очень часто приходится снимать показатели о температурных изменениях, для их загрузки в системы управления, с целью дальнейшей обработки. Для этого требуются высокоточные, малоинерционные датчики, способные выдерживать большие температурные нагрузки в определённом диапазоне измерений. В качестве термоэлектрического преобразователя широко используются термопары – дифференциальные устройства, преобразующие тепловую энергию в электрическую.

Устройства также являются простым и удобным датчиком температуры для термоэлектрического термометра, предназначенного для осуществления точных измерений в пределах довольно широких температурных диапазонов. В частности, управляющая автоматика газовых котлов и других отопительных систем срабатывает от электрического сигнала, поступающего от сенсора на базе термопары. Конструкции датчика обеспечивают необходимую точность измерений в выбранном диапазоне температур.

Устройство и принцип действия

Термопара конструктивно состоит из двух проволок, каждая из которых изготовлена из разных сплавов. Концы этих проводников образуют контакт (горячий спай) выполненный путём скручивания, с помощью узкого сварочного шва либо сваркой встык. Свободные концы термопары замыкаются с помощью компенсационных проводов на контакты измерительного прибора или соединяются с автоматическим устройством управления. В точках соединения образуется другой, так называемый, холодный спай. Схематически устройство изображено на рисунке 1.

Рис. 1. Схема строения термопары

Красным цветом выделено зону горячего спая, синим – холодный спай.

Электроды состоят из разных металлов (металл А и металл В), которые на схеме окрашены в разные цвета. С целью защиты термоэлектродов от агрессивной горячей среды их помещают в герметичную капсулу, заполненную инертным газом или жидкостью. Иногда на электроды надевают керамические бусы, как показано на рис. 2).

Рис. 2. Термопара с керамическими бусами

Принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте. При замыкании цепи, например милливольтметром (см. рис. 3) в точках спаек возникает термо-ЭДС. Но если контакты электродов находятся при одинаковой температуре, то эти ЭДС компенсируют друг друга и ток не возникает. Однако, стоит нагреть место горячей спайки горелкой, то согласно эффекту Зеебека возникнет разница потенциалов, поддерживающая существование электрического тока в цепи.

Рис. 3. Измерение напряжения на проводах ТП

Примечательно, что напряжение на холодных концах электродов пропорционально зависит от температуры в области горячей спайки. Другими словами, в определённом диапазоне температур мы наблюдаем линейную термоэлектрическую характеристику, отображающую зависимость напряжения от величины разности температур между точками горячей и холодной спайки. Строго говоря, о линейности показателей можно говорить лишь в том случае, когда температура в области холодной спайки постоянна. Это следует учитывать при выполнении градуировок термопар. Если на холодных концах электродов температура будет изменяться, то погрешность измерения может оказаться довольно значительной.

В тех случаях, когда необходимо добиться высокой точности показателей, холодные спайки измерительных преобразователей помещают даже в специальные камеры, в которых температурная среда поддерживается на одном уровне специальными электронными устройствами, использующими данные термометра сопротивления (схема показана на рис. 4). При таком подходе можно добиться точности измерений с погрешностью до ± 0,01 °С. Правда, такая высокая точность нужна лишь в немногих технологических процессах. В ряде случаев требования не такие жёсткие и погрешность может быть на порядок ниже.

Рис. 4. Решение вопроса точности показаний термопар

На погрешность влияют не только перепады температуры в среде, окружающей холодную спайку. Точность показаний зависит от типа конструкции, схемы подключения проводников, и некоторых других параметров.

Типы термопар и их характеристики

Различные сплавы, используемые для изготовления термопар, обладают разными коэффициентами термо-ЭДС. В зависимости от того, из каких металлов изготовлены термоэлектроды, различают следующие основные типы термопар:

ТПП13 – платинородий-платиновые (тип R);
ТПП10 – платинородий-платиновые (тип S);
ТПР – платинородий-платинродиевые (тип B);
ТЖК – железо-константановые (тип J);
ТМКн – медь-константановые (тип T);
ТНН – нихросил-нисиловые (тип N);
ТХА – хромель-алюмелевые (тип K);
ТХКн – хромель-константановые (тип E);
ТХК – хромель-копелевые (тип L);
ТМК – медь-копелевые (тип M);
ТСС – сильх-силиновые (тип I);
ТВР – вольфрамрениевые (типы A-1 – A-3).

Технические требования к термопарам задаются параметрами определёнными ГОСТ 6616-94, а их НСХ (номинальные статические характеристики преобразования), оптимальные диапазоны измерений, установленные классы допуска регулируются стандартами МЭК 62460, и определены ГОСТ Р 8.585-2001. Заметим, также, что НСХ в вольфрам-рениевых термопарах отсутствовали в таблицах МЭК до 2008 г. На сегодняшний день указанными стандартами не определены характеристики термопары хромель-копель, но их параметры по прежнему регулируются ГОСТ Р 8.585-2001. Поэтому импортные термопары типа L не являются полным аналогом отечественного изделия ТХК.

Классификацию термодатчиков можно провести и по другим признакам: по типу спаев, количеству чувствительных элементов.

Типы спаев

В зависимости от назначения термодатчика спаи термопар могут иметь различную конфигурацию. Существуют одноэлементные и двухэлементные спаи. Они могут быть как заземлёнными на корпус колбы, так и незаземленными. Понять схемы таких конструкций можно из рисунка 5.

Читать еще: Что такое часовой ток двигателя

Рис. 5. Типы спаев

Буквами обозначено:

И – один спай, изолированный от корпуса;
Н – один соединённый с корпусом спай;
ИИ – два изолированных друг от друга и от корпуса спая;
2И – сдвоенный спай, изолированный от корпуса;
ИН – два спая, один из которых заземлён;
НН – два неизолированных спая, соединённых с корпусом.

Заземление на корпус снижает инерционность термопары, что, в свою очередь, повышает быстродействие датчика и увеличивает точность измерений в режиме реального времени.

С целью уменьшения инерционности в некоторых моделях термоэлектрических преобразователей оставляют горячий спай снаружи защитной колбы.

Многоточечные термопары

Часто требуется измерение температуры в различных точках одновременно. Многоточечные термопары решают эту проблему: они фиксируют данные о температуре вдоль оси преобразователя. Такая необходимость возникает в химических и нефтехимических отраслях, где требуется получать информацию о распределении температуры в реакторах, колоннах фракционирования и в других ёмкостях, предназначенных для переработки жидкостей химическим способом.

Многоточечные измерительные преобразователи температуры повышают экономичность, не требуют сложного обслуживания. Количество точек сбора данных может достигать до 60. При этом используется только одна колба и одна точка ввода в установку.

Таблица сравнения термопар

Выше мы рассмотрели типы термоэлектрических преобразователей. У читателя, скорее всего, резонно возник вопрос: Почему так много типов термопар существует?

Дело в том, что заявленная производителем точность измерений возможна только в определённом интервале температур. Именно в этом диапазоне производитель гарантирует линейную характеристику своего изделия. В других диапазонах зависимость напряжения от температуры может быть нелинейной, а это обязательно отобразится на точности. Следует учитывать, что материалы обладают разной степенью плавкости, поэтому для них существует предельное значение рабочих температур.

Для сравнения термопар составлены таблицы, в которых отображены основные параметры измерительных преобразователей. В качестве примера приводим один из вариантов таблицы для сравнения распространённых термопар.

Тип термопары	K	J	N	R	S	B	T	E
Материал положительного электрода	Cr—Ni	Fe	Ni—Cr—Si	Pt—Rh (13 % Rh)	Pt—Rh (10 % Rh)	Pt—Rh (30 % Rh)	Cu	Cr—Ni
Материал отрицательного электрода	Ni—Al	Cu—Ni	Ni—Si—Mg	Pt	Pt	Pt—Rh (6 % Rh	Cu—Ni	Cu—Ni
Температурный коэффициент	40…41	55.2	68
Рабочий температурный диапазон, ºC	0 до +1100	0 до +700	0 до +1100	0 до +1600	0 до 1600	+200 до +1700	−185 до +300	0 до +800
Значения предельных температур, ºС	−180; +1300	−180; +800	−270; +1300	– 50; +1600	−50; +1750	0; +1820	−250; +400	−40; +900
Класс точности 1, в соответствующем диапазоне температур, (°C)	±1,5 от −40 °C до 375 °C	±1,5 от −40 °C до 375 °C	±1,5 от −40 °C до 375 °C	±1,0 от 0 °C до 1100 °C	±1,0 от 0 °C до 1100 °C	±0,5 от −40 °C до 125 °C	±1,5 от −40 °C до 375 °C
	±0,004×T от 375 °C до 1000 °C	±0,004×T от 375 °C до 750 °C	±0,004×T от 375 °C до 1000 °C	±[1 + 0,003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °C	±[1 + 0,003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °	±0,004×T от 125 °C до 350 °C	±0,004×T от 375 °C до 800 °C
Класс точности 2 в соответствующем диапазоне температур, (°C)	±2,5 от −40 °C до 333 °C	±2,5 от −40 °C до 333 °C	±2,5 от −40 °C до 333 °C	±1,5 от 0 °C до 600 °C	±1,5 от 0 °C до 600 °C	±0,0025×T от 600 °C до 1700 °C	±1,0 от −40 °C до 133 °C	±2,5 от −40 °C до 333 °C
	±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C	±0, T от 333 °C до 750 °C	±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C	±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C	±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C	±0,0075×T от 133 °C до 350 °C	±0,0075×T от 333 °C до 900 °C
Цветовая маркировка выводов по МЭК	Зелёный — белый	Чёрный — белый	Сиреневый — белый	Оранжевый — белый	Оранжевый — белый	Отсутствует	Коричневый — белый	Фиолетовый — белый

Способы подключения

Каждая новая точка соединения проводов из разнородных металлов образует холодный спай, что может повлиять на точность показаний. Поэтому подключения термопары выполняют, по возможности, проводами из того же материала, что и электроды. Обычно производители поставляют изделия с подсоединёнными компенсационными проводами.

Некоторые измерительные приборы содержат схемы корректировки показаний на основе встроенного термистора. К таким приборам просто подключаются провода, соблюдая их полярность (см. рис. 6).

Рис. 6. Компенсационные провода

Часто используют схему подключения «на разрыв». Измерительный прибор, подключают через проводник того же типа что и клеммы (чаще всего медь). Таким образом, в местах соединения отсутствует холодный спай. Он образуется лишь в одном месте: в точке присоединения провода к электроду термопары. На рисунке 7 показана схема такого подключения.

Читать еще: Что стереть номер двигателя

Рис. 7. Схема подключения на разрыв

При подключении термопары следует как можно ближе размещать измерительные системы, чтобы избежать использования слишком длинных проводов. Во всяком проводе возможны помехи, которые усиливаются с увеличением длины проволоки. Если от радиопомех можно избавиться путём экранирования проводки, то бороться с токами наводки гораздо сложнее.

В некоторых схемах используют компенсирующий терморезистор между контактом измерительного прибора и точкой холодного спая. Поскольку внешняя температура одинаково влияет на резистор и на свободный спай, то данный элемент будет корректировать такие воздействия.

И напоследок: подключив термопару к измерительному прибору, необходимо, пользуясь градуировочными таблицами, выполнить процедуру калибровки.

Применение

Термопары используются везде, где требуется измерение температуры в технологической среде. Они применяются в автоматизированных системах управления в качестве датчиков температуры. Термопары типа ТВР, у которых внушительный диаметр термоэлектрода, незаменимы там, где требуется получать данные о слишком высокой температуре, в частности в металлургии.

Газовые котлы, конвекторы, водонагревательные колонки также оборудованы термоэлектрическими преобразователями.

Преимущества

высокая точность измерений;
достаточно широкий температурный диапазон;
высокая надёжность;
простота в обслуживании;
дешевизна.

Недостатки

Недостатками изделий являются факторы:

влияние свободных спаев на показатели приборов;
ограничение пределов рабочего диапазона нелинейной зависимостью ТЭДС от степени нагревания, порождающей сложности в разработке вторичных преобразователей сигналов;
при длительной эксплуатации в условиях перепадов температур ухудшаются градуировочные характеристики;
необходимость в индивидуальной градуировке для получения высокой точности измерений, в пределах погрешности в 0,01 ºC.

Благодаря тому, что проблемы связанные с недостатками решаемы, применение термопар более чем оправдано.

Видео по теме

Сравнение различных видов датчиков температуры

Датчики температуры используются везде, где рабочие параметры системы так или иначе зависят от температурных факторов. Сегодня выпускаются различные виды датчиков температуры: термопары, термисторы, терморезистивные датчики с линейной зависимостью выходного сигнала, а также полупроводниковые датчики с цифровым выходом.

Терморезистивные датчики (RTDs — Resistance Temperature Devices) работают при пропускании через них электрического тока и применяются в мостовых схемах. Термисторы с положительным и отрицательным температурным коэффициентом имеют высокую чувствительность к измеряемой температуре, что нельзя сказать о линейности выходного сигнала.

Полупроводниковые датчики работают в широком диапазоне температур и имеют высокую точность. Кроме того, такие датчики имеют встроенную схему усиления сигнала, позволяющую устанавливать требуемую температурную зависимость.

Термопары предлагают идеальное решение для измерений температуры в максимальном диапазоне (до +2300°С). Кроме того, устройства имеют высокую воспроизводимость и точность. Следует отметить, что термопары требуют схем усиления сигнала для его последующей обработки.

Также, датчики температуры различаются по материалу исполнения чувствительного элемента и типу корпусирования: датчики с полупроводниковым чувствительным элементом, датчики с платиновым чувствительным элементом, корпусированные датчики. Измеряемая температура преобразовывается в сопротивление со стабильной линейной зависимостью. Датчики гарантируют стабильный линейный выходной сигнал (сопротивление или напряжение) с малым временем отклика.

Датчики измеряют температуру, изменения которой пропорциональны изменениям выходного сопротивления или напряжения. Датчики удобны для приложений, требующих небольших габаритных размеров, точности и линейного выходного сигнала. Датчики Honeywell могут быть взаимозаменяемы без дополнительной калибровки.

Область применения

системы контроля окружающей среды (комнатные помещения, вентиляционные короба, холодильное оборудование)
двигатели, защита от перегрузки
электронные установки термоконтроля и термокомпенсации
системы управления технологическими процессами – регулировка температуры
автомобильная электроника: температура воздуха и масла
бытовые приложения: контроль нагрева и охлаждения

Сравнение датчиков температуры

Способность выдерживать высокие температурные нагрузки, отличная устойчивость к химическим воздействиям, биологическая инертность и высокая стабильность делают платину уникальным материалом для терморезистивных измерительных элементов, нагревателей и электродов. В связи с особыми свойствами платины, температурные резисторы 1, 2 и 10 кОм имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными полупроводниковыми датчиками (KTY) и термисторами (NTC).

высокая точность
низкий дрейф
долгий срок службы
высокая линейность выходных характеристик
стандартизация характеристик гарантирует взаимозаменяемость датчиков
малое время отклика
высокая стойкость к температурным перегрузкам
широкий диапазон измеряемых температур (-196…+1000°С)

Электрическое сопротивление платиновых терморезисторов зависит от длины токопроводящей дорожки. Выпускается два типа датчиков: базовые элементы и специализированные датчики по спецификации заказчика.

Конвертор единиц измерения
( скачать, 548 кБ)

Датчики температуры

Температурные датчики одни из самых важных атрибутов измерительной системы управления. Датчики температуры необходимы для контроля множества жизненно важных и критичных процессов.

Области применения датчиков температуры

контролируемая среда: сточные воды

Применяются датчики температуры практически везде. Любая сфера или производство, где температура объекта влияет на качество работы и итоговой продукции, требует пристального температурного контроля. Например:

Нефтегазовая, топливная индустрия, энергетика
Химия, строительство, образование
Металлургическая промышленность (литейное, прокатное производство, производство металлических изделий, металлообработка)
Транспортная индустрия, автомобили, спецтехника
Пищевая промышленность, фармацевтика
Машиностроение
Сельское хозяйство (зерно, комбикорма)

Назначение датчиков температуры

Датчиков температуры существует множество типов, каждый из которых характеризуется своими особенностями и предназначением. Но главной задачей остается:

Измерение температур требуемых объектов с необходимыми точностью, быстродействием и передача информационного либо управляющего сигнала далее в систему
Реализация обратных связей в АСУТП, предупреждение выхода из строя оборудования
Отдельные приборы могут служить источниками энергии (основанные на термопарах)

Читать еще: Японское масло для двигателя хорошее

Виды датчиков температуры

Температурные датчики представлены широким разнообразием приборов, каждый из которых адаптирован к той или иной сфере деятельности. Ниже дано краткое описание, а более полно с ними можно ознакомиться на соответствующих страницах.

Важный момент: датчики делятся на первичные преобразователи и реализованные на их основе сложные электронные устройства с адаптацией к тому или иному эксплуатационному профилю. Вторые имеют стандартизированные выходные сигналы и легко встраиваются в промышленные АСУ.

Термосопротивления. Первичный преобразователь. Основаны на изменении электрического сопротивления материалов под воздействием температуры.

Термопары. Первичный преобразователь. Использует эффект возникновения термо-ЭДС в зависимости от разности температур «холодного» и «горячего» спаев.

Преобразователи температуры и влажности (датчики температуры воздуха). Электронные приборы с аналоговыми/цифровыми выходами (+ дисплей), сочетающие в себе функции датчика влажности и температуры. Лучшее применение находят в системах вентиляции и кондиционирования, в помещениях разных типов.

Многоточечные преобразователи температуры. Предназначены для температурного контроля по всему объему в больших резервуарах. Лучшее применение находят в пищевой промышленности и с/х, где используются в силосах с зерном и подобным продуктом.

Бесконтактные датчики температуры. Используются с удаленными/труднодоступными объектами в широком диапазоне t °C, в опасных для человека условиях. К ним также относятся:

Датчики горячего металла. Разновидность бесконтактных датчиков для соответствующих отраслей производства.
Дистанционные датчики температуры.
Инфракрасные датчики температуры.

Датчики температуры с аналоговым выходом. Обширный класс приборов, объединяемых способом передачи информации. Включает в себя, например, гигиеничные датчики TER8 и общепромышленные датчики серий Кл и DIN.

Датчик температуры термопары типа K, датчики для измерения воды и масла двигателя

Товар больше не продаётся, посмотрите похожие

Цена снизилась на 15.1 ₽

Продавец надежный – 89%

Выше среднего, можно покупать, YIDA Eletrical

На площадке более 5 лет
Высокий общий рейтинг (198481)
Покупатели довольны общением
Товары соответствуют описанию
Быстро отправляет товары
2.3% покупателей остались недовольны за последние 3 месяца

Цены у других продавцов от 184.92 ₽

Найдено 32 похожих товаров

Провод температура тесты k-типа tp-02 сенсорный датчик термопары тесты er линии для tm-902c tes-1310 md-6801

3 метра кабель из нержавеющей стали зонд k тип датчики высокой температуры термопласт

Зонд термопары типа k, 2 м, 50 мм/100 мм/150 мм/200 мм, термопары из нержавеющей стали, датчик температуры 0-400 градусов

Высокотемпературный датчик термопары k для керамической печи 2372 ℃ 1300 ℃

Промышленный цифровой дисплей, измеритель температуры k тип термопара

Универсальный новые 3 метра высотой температура-100

1250 c термопары k тип 50 мм датчиках зонда

1 метр регулятор температуры с термопарным k тип кабель датчиках зонда с мини-разъем

Промышленная термопара типа k, термопара 5 метров, датчик температуры с клеммой

0-400 c k тип термопары зонд 100 мм датчики 1,8 м кабель датчик температуры

5 шт. 100 см длина провода k-образный термоэлектродный сенсор температура зонд тефлона линии

Термопара типа k, терморегулятор из нержавеющей стали, датчик 1,5 мм, зонд 2 м

Новая одежда для маленькой девочки 2 м 6,6 ‘регулятор температуры с термопарным k тип кабель датчиках зонда с мини-разъем

Чехол с терморегулятором и переключателем термостата, 12 в, 24 в постоянного тока,-30

1 м pt100 термопары зонд 5 мм x 50 мм 3-провод m8 резьба 3.3фт датчик температуры

Egt k тип термопары регулятор температуры инструменты 0-1250 c датчик температуры выхлопных газов зонд соединитель с открытым наконечником

Термоэлемент термопары max31855 k для arduino

Датчик термопары 0-400 градусов типа k, датчики 100 мм, датчик температуры кабеля 1,8 м

0-400 c k тип зонда термопары, 100 мм датчик с кабелем 1,8 м датчик температуры

2m k тип зонда термопары, 50 мм/100 мм/150 мм/200 мм термопара из нержавеющей стали 0-400 датчик температуры по цельсию l29k

0-600 градусов цельсия k тип термопары зонд 20 мм датчики, диаметр зонда 2 мм, 1 м кабель датчик температуры

Универсальный новые 3 метра высотой температура-100

1250 c термопары k тип 100 мм датчиках зонда

3-метровый кабель из нержавеющей стали, зонд 100 мм, датчики типа k, термопара, горячая распродажа

Термопара с датчиком температуры 145 мм, длинный зонд 50 мм, длинный провод с керамическими изоляторами

Водонепроницаемый сенсорный датчик термопары, из нержавеющей стали, 1/2 м, 50/100/150/200 мм

1/2 npt водонепроницаемый сенсорный датчик термопары из нержавеющей стали 50 мм 100 мм 150 мм 200 мм для пид-контроллера температуры провод 2 м

Высокотемпературный датчик термопары типа k для керамической печи, температура 1300

Цифровой температурный контроллер-60

500c k-type m6 датчик термопары встроенный термостат

Датчик температуры k термопары 1 м

Термопара газовая, 700 градусов, 90 см, зонд типа k, датчики температуры для бойлера горячей воды, чайной урны, газовой плиты с 5 фиксированными частями

1 м длина k тип термопары датчик температуры кабель с 50 мм датчик зонда для промышленного температурного контроллера

Термопара типа k диаметром 6 мм, зонд для поверхностной термопары для регулятора температуры pid