Представлены корректные рассуждения, приводящие к правильному ответу, но ответ явно не сформулирован.

Ответ на вопрос неверен, независимо от того, что рассуждения правильны или неверны, или отсутствуют.

Источник

Что такое термопара и как она работает?

Какая связь между электричеством и теплом?

Между тем, как металл проводит тепло, и тем, как он проводит электричество, существует прямая связь.

Томас Зеебек и термоэлектрический эффект

Предположим, вы воткнете железный пруток в огонь. Вы поймете, что нужно отпустить его довольно быстро, потому что тепло будет подниматься по металлу от огня к вашим пальцам. Но знаете ли вы, что электричество тоже идет по нагретому прутку? Первым, кто правильно подхватил эту идею, был немецкий физик Томас Зеебек (1770–1831), который обнаружил, что если два конца металла будут иметь разную температуру, через них будет протекать электрический ток. Это один из способов обозначить то, что сейчас известно как эффект Зеебека или термоэлектрический эффект. По мере дальнейшего исследования Зеебек обнаружил, что все еще интереснее. Если он соединял два конца металла вместе, ток не протекал; аналогично, если два конца металла имели одинаковую температуру, ток не протекал.

Основная идея термопары: два разнородных металла (серые кривые) соединены на двух концах. Если один конец термопары поместить на что-то горячее (горячий спай), а другой конец на что-то холодное (холодный спай), возникает напряжение (разность потенциалов). Вы можете измерить его, поместив вольтметр (V) через два соединения.

Зеебек повторил эксперимент с другими металлами, а затем попытался использовать вместе два разных металла. Теперь, если способ протекания электричества или тепла через металл зависит от внутренней структуры материала, вы, вероятно, можете увидеть, что два разных металла будут производить разное количество электричества, когда они нагреваются до одной температуры. Так что, если вы возьмете полосу одинаковой длины из двух разных металлов и соедините их вместе двумя концами, чтобы получилась петля. Затем окуните один конец (одно из двух стыков) во что-нибудь горячее (например, стакан с кипящей водой), а другой конец (другой стык) во что-то холодное. Тогда вы обнаружите, что электрический ток течет через петлю (которая фактически представляет собой электрическую цепь), и величина этого тока напрямую связана с разницей в температуре между двумя переходами.

Ключевой момент, который следует помнить об эффекте Зеебека, заключается в том, что величина создаваемого напряжения или тока зависит только от типа металла (или металлов), а также от разницы температур. Для создания эффекта Зеебека не нужно соединение между разными металлами: только разница температур. Однако на практике в термопарах используются металлические переходы.

Почему возникает эффект Зеебека?

Измерение температуры с помощью термопары

Просто поместите один из металлических концов в ванну со льдом (или что-нибудь еще с точно известной температурой). Поместите другой металлический стык на предмет, температуру которого вы хотите узнать. Теперь измерьте происходящее изменение напряжения и, используя формулу, которую вы вычислили ранее, вы можете точно рассчитать температуру вашего объекта. Гениально! У нас есть пара металлов, которые соединены для измерения тепла (что по-гречески называлось «термос»). Вот почему это называется термопарой.

Что такое термопары на практике?

Для чего используются термопары?

Термопары широко используются в науке и промышленности, потому что они, как правило, очень точны и могут работать в огромном диапазоне действительно высоких и низких температур. Поскольку они генерируют электрические токи, они также полезны для автоматизированных измерений: гораздо проще получить электронную схему или компьютер для измерения температуры термопары через определенные промежутки времени, чем делать это самостоятельно с помощью термометра. Поскольку в них нет ничего особенного, кроме пары металлических полос, термопары также относительно недороги и (при условии, что используемые металлы имеют достаточно высокую температуру плавления) достаточно долговечны, чтобы работать в довольно суровых условиях.

Для нагревательных систем термопары являются незаменимым инструментом, который позволяет измерять показатели температуры системы, нагревательных элементов, обрабатываемых материалов. К примеру, на экструзионных линиях термопары устанавливаются на каждый кольцевой нагреватель, греющий цилиндр экструдера, в каждую зону нагрева для измерения температуры расплава, в фильеру для определения температуры на выходе.

Источник

Измерение температуры поверхностей с помощью термопар

Не существует единого типа термопары, предназначенной для измерения температуры поверхности твердых тел (поверхностных термопар). Обилие существующих конструкций поверхностных термопар объясняется прежде всего многообразием условий измерений и свойств поверхностей, температуры которых подлежат измерению.

В промышленной практике возникает необходимость измерения температур поверхностей различных геометрических форм, неподвижных и вращающихся тел, электропроводных тел и изоляторов, тел с высокой и низкой теплопроводностью, гладких и шероховатых. Поэтому поверхностные термопары, пригодные для использования в одних условиях, оказываются непригодными в других.

Измерение температуры металлической поверхности приваркой термопары

Довольно часто для измерения температур нагретых тонких металлических пластин или массивных тел к контролируемой поверхности непосредственно припаивают или приваривают спай термопары. Такой способ измерения температуры можно считать допустимым только при соблюдении некоторых предосторожностей.

Теплообмен между поверхностью пластины и шариком спая термопары осуществляется главный образом тепловым потоком, проходящим через поверхность их соприкосновения, составляющую часть поверхности спая и примыкающих к спаю термоэлектродов. В некоторой степени теплообмен осуществляется излучением между пластинкой и неконтактирующей с ней частью поверхности спая с термоэлектродами.

С другой стороны, контактирующая с пластиной часть поверхности спая и термоэлектроды термопары теряют тепловую энергию вследствие излучения к более холодным телам, окружающим пластину, и конвективной теплоотдачи к омывающим спай потокам воздуха.

Таким образом, спаем и прилегающими к нему термоэлектродами термопары рассеивается значительная часть тепловой энергии, непрерывно поступающей в спай через поверхность соприкосновения с пластиной.

В результате равновесия температура спая и примыкающей к нему части поверхности пластины оказывается гораздо ниже, чем температура частей пластины, удаленных от спая (при измерении высоких температур тонких пластин эта систематическая погрешность измерения может достигать сотен градусов).

Эту погрешность снижают, уменьшая величину теплового потока, рассеиваемого спаем и термоэлектродами термопары. С этой целью полезно применять термопары из возможно более тонких термоэлектродов.

Сами термоэлектроды не следует сразу отводить от пластины, а лучше сначала проложить их в тепловом контакте с пластиной на расстоянии, равном по крайней мере 50 диаметрам термоэлектродов.

При этом следует иметь в виду, что если пластина и поверхность термоэлектродов не окислены, то они могут замкнуться пластиной и измеренная термо э. д. с. термопары будет соответствовать температуре не спая термопары, а температуре точки соприкосновения термопары с поверхностью.

В этом случае между термоэлектродами и пластиной необходимо проложить тонкий слой электрической изоляции, например тонкую пластину слюды. Целесообразно также всю поверхность спая и участка термоэлектродов покрыть слоем тепловой изоляции, например огнеупорной обмазкой, для уменьшения потерь вследствие излучения и конвективной теплоотдачи.

При соблюдении этих предосторожностей можно обеспечить измерение температуры поверхности металлических деталей с погрешностью, не превышающей нескольких градусов.

Иногда к поверхности металлической пластины приваривают не спай термопары, а ее термоэлектроды на некотором расстоянии один от другого.

Такой способ измерения температуры металлической поверхности можно считать приемлемым только в том случае, если есть уверенность в равенстве температур пластины в обеих точках приварки термоэлектродов. В противном случае в цепи термопары возникнет паразитная термо э. д. с, развиваемая материалами термоэлектродов с материалом пластины.

Ниже дано описание таких термопар, как лучковые, пятачковые и штыковые. Их используют для измерения температур поверхностей неподвижных тел.

Лучковая (ленточная) термопара

Лучковая термопара снабжена чувствительным элементом, изготовленным в виде ленты из двух металлов или сплавов (например, из хромеля и алюмеля) длиной 300 мм, шириной 10 — 15 мм, спаянных или сваренных в стык и прокатанных до толщины 0,1 — 0,2 мм.

Концы ленты со спаем посредине закрепляют на изоляторах по концам пружинящей рукоятки в форме лука так, чтобы лента была все время натянутой. От концов ее к зажимам измерительного прибора (милливольтметра) проходят проводники, изготовленные из тех же материалов, что и обе половинки ленты.

Для измерения температуры выпуклой поверхности лучковая термопара прижимается к этой поверхности средней частью так, чтобы поверхность охватывалась лентой, по крайней мере, на участках по 30 мм по обе стороны от спая.

В сквозные отверстия красномедного диска впаивают термоэлектроды, образующие термопару. Для обеспечения механической прочности конструкции применяют термоэлектроды диаметром 2 — 3 мм. Нижней поверхности диска («пятачка») придают форму той поверхности, для измерения температуры которой предназначена термопара.

Термоэлектродвижущая сила пятачковой термопары образуется в результате замыкания термоэлектродов металлом пятачка. При хорошей пайке это замыкание происходит по всей поверхности отрезков термоэлектродов, утопленных внутрь пятачка. Но электрическая цепь с наименьшим сопротивлением образуется главным образом верхним поверхностным слоем пятачка и температуру этого слоя в основном определяет термо э. д. с. термопары.

Уравнения теплового баланса пятачковой термопары составляют аналогично тому, как это было сделано выше для ленточной термопары, с той разницей, что помимо теплового потока, рассеиваемого в результате конвективной и лучистой теплоотдачи с внешней поверхности пятачка, большое значение приобретает учет части рассеиваемого теплового потока, отсасываемой от пятачка термоэлектродами вследствие их теплопроводности.

Необходимо учесть следующее обстоятельство. Термоэлектроды изготовлены из различных металлов или сплавов с разными значениями коэффициента теплопроводности. Так, например, платинородиевый термоэлектрод термопары типа ПП характеризуется коэффициентом теплопроводности, вдвое меньшим, чем второй термоэлектрод — платиновый.

Если диаметры термоэлектродов одинаковы, то различие значений коэффициентов теплопроводности термоэлектродов приведет к тому, что в местах электрического контакта термоэлектродов с пятачком образуется разность температур, которая послужит причиной возникновения в цепи термопары паразитной термо э. д. с.

Термопары этого типа применяют главным образом для измерения температур поверхности сравнительно мягких металлов и сплавов. Для штыковой термопары применяют термоэлектроды из достаточно твердых сплавов, например из хромеля и алюмеля диаметром 3 — 5 мм.

Один из термоэлектродов термопары закреплен на головке неподвижно, а второй может перемещаться вдоль своей оси, и в нерабочем состоянии конец его выдвигается пружиной ниже конца первого термоэлектрода. Концы обоих термоэлектродов заострены.

При подведении термопары к объекту значительных размеров поверхности объекта касается сначала острие подвижного термоэлектрода. При дальнейшем нажиме на головку термоэлектрод входит в нее до тех пор, пока острие термоэлектрода не встретит поверхности объекта. Тогда оба острия прокалывают поверхностную пленку окисла на поверхности объекта, и этот металл замыкает электрическую цепь термопары.

При хорошей заточке концов термоэлектродов термопара дает надежные результаты измерений температур поверхностей цветных металлов, обладающих мягкой, легко прокалываемой пленкой окислов.

Применение штыковой термопары с затупленными остриями приводит к тому, что поверхности соприкосновения обоих термоэлектродов с объектом становятся сравнительно большими, в результате чего охлаждаются участки поверхности объектов в местах касания концов термоэлектродов и термопара дает явно заниженные показания температур. Однако уже через 20 — 30 секунд тепло, поступающее из окрестных областей объекта, нагревают охлажденный участок, а с ним и концы термоэлектродов.

Таким образом штыковая термопара с затупленными концами в момент контакта дает заниженные показания температуры объекта, затем в течение нескольких десятков секунд ее показания растут, асимптотически приближаясь к устойчивому значению. Это устойчивое значение тем сильнее отличается от действительного значения температуры поверхности объекта, чем больше поверхность соприкосновения затупленных концов термоэлектродов с объектом.

Градуировка поверхностных термопар

Температура, которую принимает в установившемся состоянии поверхностная термопара, оказывается ниже измеряемой температуры поверхности, с которой контактирует термопара. Этот перепад температур в значительной степени может быть учтен благодаря градуировке поверхностной термопары в условиях теплоотдачи с ее наружной поверхности, приближающихся к условиям эксплуатации.

Из этого положения вытекает, что градуировочная характеристика поверхностей термопары может сильно отличаться от характеристики термопары, образованной из тех же термоэлектродов, но градуированной методом сравнения с образцовой при их совместном погружении в термостатируемое пространство.

Следовательно, поверхностные термопары нельзя градуировать погружением в термостаты (жидкостные лабораторные нагревающие термостаты для градуировки термопар). К ним должна быть применена другая методика градуировки.

Поверхностные термопары градуируют, прикладывая их с требуемым прижатием к наружной металлической поверхности тонкостенного жидкостного термостата. Нагретая жидкость внутри термостата хорошо перемешивается, и ее температура измеряется каким-либо образцовым прибором.

Наружная поверхность термостата покрывается слоем тепловой изоляции. Тепловой изоляцией не покрывается только небольшой участок наружной поверхности, находящийся приблизительно на половине высоты термостата, к которому и приложена термопара.

При такой конструкции температуру металлической поверхности термостата под поверхностной термопарой с погрешностью, не превышающей несколько десятых градуса, можно считать равной температуре жидкости в термостате.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Источник

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.

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:

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.

Буквами обозначено:

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.

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.

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

Недостатки

Недостатками изделий являются факторы:

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

Источник

• ← Почему термин социальные животные считается условным в чем состоит
• Почему термос не держит тепло и что делать →