Термопара от температуры человека
Термопара – это устройство для измерения температур во всех отраслях науки и техники. Данная статья представляет общий обзор термопар с разбором конструкции и принципом действия устройства. Описаны разновидности термопар с их краткой характеристикой, а также дана оценка термопары как измерительного прибора.
Устройство термопары
Принцип работы термопары. Эффект Зеебека
Работа термопары обусловлена возникновением термоэлектрического эффекта, открытым немецким физиком Томасом Зеебеком (Tomas Seebeck) в 1821 г.
Явление основано на возникновении электричества в замкнутом электрическом контуре при воздействии определенной температуры окружающей среды. Электрический ток возникает при наличии разницы температур между двумя проводниками (термоэлектродами) различного состава (разнородных металлов или сплавов) и поддерживается сохранением места их контактов (спаев). Устройство выводит на экран подсоединенного вторичного прибора значение измеряемой температуры.
Выдаваемое напряжение и температура находятся в линейной зависимости. Это означает, что увеличение измеряемой температуры приводит к большему значению милливольт на свободных концах термопары.
Находящийся в точке измерения температуры спай называется «горячим», а место подключения проводов к преобразователю — «холодным».
Компенсация температуры холодного спая (КХС)
Компенсация холодного спая (КХС) – это компенсация, вносимая в виде поправки в итоговые показания при измерении температуры в точке подсоединения свободных концов термопары. Это связано с расхождениями между реальной температурой холодных концов с вычисленными показаниями градуировочной таблицы для температуры холодного спая при 0°С.
КХС является дифференциальным способом, при котором показания абсолютной температуры находятся из известного значения температуры холодного спая (другое название эталонный спай).
Конструкция термопары
При конструировании термопары учитывают влияние таких факторов, как «агрессивность» внешний среды, агрегатное состояние вещества, диапазон измеряемых температур и другие.
Особенности конструкции термопар:
1) Спаи проводников соединяются между собой скруткой или скруткой с дальнейшей электродуговой сваркой (редко пайкой).
ВАЖНО: Не рекомендуется использовать способ скручивания из-за быстрой потери свойств спая.
2) Термоэлектроды должны быть электрически изолированы по всей длине, кроме точки соприкосновения.
3) Способ изоляции подбирается с учетом верхнего температурного предела.
- До 100-120°С – любая изоляция;
- До 1300°С – фарфоровые трубки или бусы;
- До 1950°С – трубки из Al2O3;
- Свыше 2000°С – трубки из MgO, BeO, ThO2, ZrO2.
4) Защитный чехол.
Материал должен быть термически и химически стойким, с хорошей теплопроводностью (металл, керамика). Использование чехла предотвращает коррозию в определенных средах.
Удлиняющие (компенсационные) провода
Данный вид проводов необходим для удлинения концов термопары до вторичного прибора или барьера. Провода не используются в случае наличия у термопары встроенного преобразователя с унифицированным выходным сигналом. Наиболее широкое применение получил нормирующий преобразователь, размещенный в стандартной клеммной головке датчика с унифицированным сигналом 4-20мА, так называемая «таблетка».
Материал проводов может совпадать с материалом термоэлектродов, но чаще всего заменяется на более дешевый с учетом условий, предотвращающих образования паразитных (наведенных) термо-ЭДС. Применение удлиняющих проводов также позволяет оптимизировать производство.
Лайфхак! Для правильного определения полярности компенсационных проводов и их подключения к термопаре запомните мнемоническое правило ММ — минус магнитится. То есть берём любой магнит и минус у компенсации будет магнитится, в отличии от плюса.
Типы и виды термопар
Многообразие термопар объясняется различными сочетаниями используемых сплавов металлов. Подбор термопары осуществляется в зависимости от отрасли производства и необходимого температурного диапазона.
Термопара хромель-алюмель (ТХА)
Положительный электрод: сплав хромель (90% Ni, 10% Cr).
Отрицательный электрод: сплав алюмель (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).
Изоляционный материал: фарфор, кварц, окиси металлов и т.д.
Диапазон температур от -200°С до 1300°С кратковременного и 1100°С длительного нагрева.
Рабочая среда: инертная, окислительная (O2=2-3% или полностью исключено), сухой водород, кратковременный вакуум. В восстановительной или окислительно-восстановительной атмосфере в присутствии защитного чехла.
Недостатки: легкость в деформировании, обратимая нестабильность термо-ЭДС.
Возможны случаи коррозии и охрупчивания алюмеля в присутствии следов серы в атмосфере и хромеля в слабоокислительной атмосфере («зеленая глинь»).
Термопара хромель-копель (ТХК)
Положительный электрод: сплав хромель (90% Ni, 10% Cr).
Отрицательный электрод: сплав копель (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).
Диапазон температур от -253°С до 800°С длительного и 1100°С кратковременного нагрева.
Рабочая среда: инертная и окислительная, кратковременный вакуум.
Недостатки: деформирование термоэлектрода.
Возможно испарение хрома при длительном вакууме; реагирование с атмосферой, содержащей серу, хром, фтор.
Термопара железо-константан (ТЖК)
Положительный электрод: технически чистое железо (малоуглеродистая сталь).
Отрицательный электрод: сплав константан (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).
Используется для проведения измерений в восстановительных, инертных средах и вакууме. Температура от -203°С до 750°С длительного и 1100°С кратковременного нагрева.
Применение складывается на совместном измерении положительных и отрицательных температур. Невыгодно использовать только для отрицательных температур.
Недостатки: деформирование термоэлектрода, низкая коррозийная стойкость.
Изменение физико-химических свойств железа около 700°С и 900 °С. Взаимодействует с серой и водными парами с образованием коррозии.
Термопара вольфрам-рений (ТВР)
Положительный электрод: сплавы ВР5 (95% W, 5% Rh)/ВАР5 (BP5 с кремнещелочной и алюминиевой присадкой)/ВР10 (90% W, 10% Rh).
Отрицательный электрод: сплавы ВР20 (80% W, 20% Rh).
Изоляция: керамика из химически чистых окислов металлов.
Отмечается механическая прочность, термостойкость, малая чувствительность к загрязнениям, легкость изготовления.
Измерение температур от 1800°С до 3000°С, нижний предел – 1300°С. Измерения проводятся в среде инертного газа, сухого водорода или вакуума. В окислительных средах только для измерения в быстротекущих процессах.
Недостатки: плохая воспроизводимость термо-ЭДС, ее нестабильность при облучении, непостоянная чувствительность в температурном диапазоне.
Термопара вольфрам-молибден (ВМ)
Положительный электрод: вольфрам (технически чистый).
Отрицательный электрод: молибден (технически чистый).
Изоляция: глиноземистая керамика, защита кварцевыми наконечниками.
Инертная, водородная или вакуумная среда. Возможно проведение кратковременных измерений в окислительных средах в присутствии изоляции. Диапазон измеряемых температур составляет 1400-1800°С, предельная рабочая температура порядка 2400°С.
Недостатки: плохая воспроизводимость и чувствительность термо-ЭДС, инверсия полярности, охрупчивание при высоких температурах.
Термопары платинородий-платина (ТПП)
Положительный электрод: платинородий (Pt c 10% или 13% Rh).
Отрицательный электрод: платина.
Изоляция: кварц, фарфор (обычный и огнеупорный). До 1400°С — керамика с повышенным содержанием Al2O3, свыше 1400°С — керамику из химически чистого Al2O3.
Предельная рабочая температура 1400°С длительно, 1600°С кратковременно. Измерение низких температур обычно не производят.
Рабочая среда: окислительная и инертная, восстановительная в присутствии защиты.
Недостатки: высокая стоимость, нестабильность при облучении, высокая чувствительность к загрязнениям (особенно платиновый электрод), рост зерен металла при высоких температурах.
Термопары платинородий-платинородий (ТПР)
Положительный электрод: сплав Pt c 30% Rh.
Отрицательный электрод: сплав Pt c 6% Rh.
Среда: окислительная, нейтральная и вакуум. Использование в восстановительных и содержащих пары металлов или неметаллов средах в присутствии защиты.
Максимальная рабочая температура 1600°С длительно, 1800°С кратковременно.
Изоляция: керамика из Al2O3 высокой чистоты.
Менее подвержены химическим загрязнениям и росту зерна, чем термопара платинородий-платина.
Схема подключения термопары
- Подключение потенциометра или гальванометра непосредственно к проводникам.
- Подключение с помощью компенсационных проводов;
- Подключение обычными медными проводами к термопаре, имеющей унифицированный выход.
Стандарты на цвета проводников термопар
Цветная изоляция проводников помогает отличить термоэлектроды друг от друга для правильного подключения к клеммам. Стандарты отличаются по странам, нет конкретных цветовых обозначений для проводников.
ВАЖНО: Необходимо узнать используемый стандарт на предприятии для предотвращения ошибок.
Точность измерения
Точность зависит от вида термопары, диапазона измеряемых температур, чистоты материала, электрических шумов, коррозии, свойств спая и процесса изготовления.
Термопарам присуждается класс допуска (стандартный или специальный), устанавливающий доверительный интервал измерений.
ВАЖНО: Характеристики на момент изготовления меняются в период эксплуатации.
Быстродействие измерения
Быстродействие обуславливается способностью первичного преобразователя быстро реагировать на скачки температуры и следующим за ними потоком входных сигналов измерительного прибора.
Факторы, увеличивающие быстродействие:
- Правильная установка и расчет длины первичного преобразователя;
- При использовании преобразователя с защитной гильзой необходимо уменьшить массу узла, подобрав меньший диаметр гильз;
- Сведение к минимуму воздушного зазора между первичным преобразователем и защитной гильзой;
- Использование подпружиненного первичного преобразователя и заполнения пустот в гильзе теплопроводящим наполнителем;
- Быстро движущаяся среда или среда с большей плотностью (жидкость).
Проверка работоспособности термопары
Для проверки работоспособности подключают специальный измерительный прибор (тестер, гальванометр или потенциометр) или измеряют напряжение на выходе милливольтметром. При наличии колебаний стрелки или цифрового индикатора термопара является исправной, в противном случае устройство подлежит замене.
Причины выхода из строя термопары:
- Неиспользование защитного экранирующего устройства;
- Изменение химического состава электродов;
- Окислительные процессы, развивающиеся при высоких температурах;
- Поломка контрольно-измерительного прибора и т.д.
Преимущества и недостатки использования термопар
Достоинствами использования данного устройства можно назвать:
- Большой температурный диапазон измерений;
- Высокая точность;
- Простота и надежность.
К недостаткам следует отнести:
- Осуществление постоянного контроля холодного спая, поверки и калибровки контрольной аппаратуры;
- Структурные изменения металлов при изготовлении прибора;
- Зависимость от состава атмосферы, затраты на герметизацию;
- Погрешность измерений из-за воздействия электромагнитных волн.
Источник
Термопары применяются для измерения температуры давно и пользуются заслуженной популярностью. Оно просты внешне, но не так просты в применении. В любительской практике термопары используют относительно редко. В основном при необходимости измерения высоких температур. Тем не менее, термопары достойны более внимательного рассмотрения.
Примеры термопар, которые могут встретиться в любительской практике.
Как работает термопара. Эффект Зеебека
В начале 19 века Томас Зеебек проводил опыты по тепловому воздействию на гальванические элементы. Как это не редко случается с полезными и интересными открытиями, он случайно соединил два отрезка проволоки, висмут и медь. Так и появилась первая термопара.
Первая термопара в опытах Зеебека. Иллюстрация моя
Что происходит что то необычное стало видно по отклонению стрелки лежащего рядом компаса. Зеебек продолжил эксперименты с разными металлами и разными температурами. Правда он не признал электрическую природу явления (о чем говорил Эрстед) поэтому опубликованная статья называлась “Магнитная поляризация металлов и руд из-за разницы температур”.
Последующие исследования подтвердили фундаментальный характер явления и его электрическую природу. А сам эффект получил название эффекта Зеебека. Давайте физику возникновения термо-ЭДС оставим в стороне и займемся вопросами практического применения термопар.
А для этого еще раз посмотрим на иллюстрацию, приведенную выше. Но на компас внимания обращать уже не будем. Итак, у нас есть два отрезка проволоки (в данном случае), которые соединены между собой с обоих концов. Точки соединения обычно называются спаями (junction), они показаны черными точками на иллюстрации. Если теперь температура спаев будет различной, то в цепи потечет ток, сила которого будет зависеть от разницы температур и сопротивления цепи.
Все так просто? Не совсем… Но сначала давайте посмотрим, на еще одну иллюстрацию
Измерение разности температур спаев с помощью измерения разности термо-ЭДС возникающих в спаях.
На самом деле, каждый из спаев будет источником термо-ЭДС, которая будет зависеть от температуры. На иллюстрации показана температура каждого спая (Т1 и Т2) и термо-ЭДС (u1 и u2). Причем термо-ЭДС имеет знак.
Если мы разрежем один из наших проводников и подключим в разрыв вольтметр, то он покажет некоторое напряжение U=u1-u2. И тут сразу возникает вопрос, а зачем нам следовать схеме экспериментов Зеебка, почему просто не измерять термо-ЭДС одного спая?
Дело в том, что напряжение выдаваемое спаем имеет несколько составляющих. И термо-ЭДС лишь одна из составляющих. Другой составляющей является, например, контактная разность потенциалов материалов термопары. Кроме того, влияние оказывает и разность температур между концами каждого из проводов термопары. А они, как мы помним выполнены из разных материалов.
В общем, влияющих на измеряемое напряжение факторов достаточно. Кроме того, температура в формулах для определения термо-ЭДС будет абсолютной. То есть, относительно абсолютного нуля, который принят в шкале Кельвина. А это не всегда бывает удобным.
Второй спай помогает, пусть и не полностью, решить эти затруднения. При этом спаи часто называют не горячим и холодным, а измерительным и опорным. Опорный спай позволяет и задать “точку отсчета”, и компенсировать влияние контактной разности потенциалов. Последнее не полностью скомпенсированно, так как зависит от температуры, а она у спаев разная.
То есть, мы фактически измеряем температуру “дифференциально”. И как дифференциальный способ измерения напряжения помогает минимизировать влияние синфазных помех, так и “дифференциальный” способ измерения температуры позволяет минимизировать влияние вторичных факторов.
Чувствительность термопар. Нормирующие усилители
Термопары изготавливаются из различных материалов. Вообще говоря, термопара может быть изготовлена даже из одно и того же материала, но с разной технологической обработкой. Например, термопарой будет и соединение проволоки после волочения и проволоки после волочения и отжига.
Разумеется, величина термо-ЭДС будет зависеть от материалов, из которых она изготовлена. Не смотря на то, что для себя вы можете и сами изготовить термопару из любых материалов, есть несколько стандартных термопар, выпускаемых промышленно.
Без сомнения, наиболее известной является термопара типа К (хромель-алюмель), которая входит в комплект многих мультиметров. Ее чувствительность равна примерно 40 мкВ/С. Да, именно так, 40 микровольт на градус Цельсия. Почему примерно? Потому что чувствительность зависит и от температуры.
Немного более чувствительной является термопара типа T (медь-константан), 45 мкВ/С. Другие термопары, которые могут встретиться в любительской практике, это тип E (хромель-константан), 75 мкВ/С, и тип J (железо-константан), 55 мкВ/С. Термопары с вольфрамом или платиной вам встретятся вряд ли.
То есть, термопары обладают весьма малой чувствительностью, а значит, нуждаются в усилителях. Причем это усилители постоянного напряжения, которые не только должны обеспечивать требуемый коэффициент усиления, но и иметь малый дрейф и малое напряжение смещения. А вот высокого быстродействия от них не требуется.
Для достижения высокой точности необходимо применять прецизионные усилители. Оптимальным вариантом будет использование специализированных микросхем. О некоторых из них мы немного поговорим чуть позже. Но усилитель можно собрать и на прецизионном ОУ или инструментальном усилителе. Но прецизионными должны быть все компоненты используемые в усилителе, а не только ОУ. И стабильными.
Кроме того, поскольку выходной сигнал термопары очень мал, порядка 8 мВ при 200 градусах Цельсия для термопары типа К, не стоит использовать усилители с однополярным питанием (включая rail to rail), так как они все таки имеют заметную нелинейность при работе с сигналами сравнимыми с уровнем земли.
Лучше всего использовать двухполярное питание. В крайнем случае, возможно подключение отрицательного вывода термопары к стабильному потенциалу выше уровня земли, для вывода усилителя на линейный участок передаточной характеристики.
В любительских конструкциях в усилителе встречается и использование LM358, причем с однополярным питанием, и без компенсации опорного спая (об этом далее), например, “Подключаем термопару к микроконтроллеру” (статья не моя!). Для простого знакомства с термопарами такое может быть допустимым. Но для реального использования нет!
Осталось сказать, почему усилитель называют нормирующим. Просто он “приводит в норму” сигнал с термопары для его дальнейшего использования. Например, для АЦП может потребоваться привести сигнал с термопары к диапазону 0-2 В. Мы еще вернемся к теме усилителей сегодня.
Компенсация опорного (холодного) спая
Давайте еще раз нарисуем схему измерения температуры с помощью термопары, но с учетом всего, что рассмотренного ранее
Измерение температуры с помощью термопары с использованием опорного спая и нормирующего усилителя. Иллюстрация моя
Здесь мы заменили вольтметр на усилитель с двухполярным питанием. И задали функционал каждого спая. Тизм это спай имеющий измеряемую температуру, а Топ это опорный спай, который имеет температуру 0 градусов Цельсия. Встает вопрос, как обеспечивать постоянство температуры опорного спая?
Выглядит разумным, на первый взгляд, использовать емкость с водой и льдом. Ведь известно, что именно так и определен 0 градусов в шкале Цельсия (в оригинальном варианте). Однако, это неудобно даже в лаборатории, так как нужно постоянно следить, что бы лед не растаял. А в условиях цеха, например, это вообще не применимо.
Поэтому вместо опорного спая используют электронную компенсацию. Действительно, ведь сигнал с опорной термопары можно представить в виде опорного же напряжения. Однако, как всегда, на сцене появляется дьявол усердно прячущийся в деталях.
Что бы понять в чем дело, давайте добавим в нашу схему точки соединения термопары и усилителя
Уточнение схемы измерения температуры с помощью термопары добавлением точек подключения термопары к усилителю. Иллюстрация моя
Точки подключения термопары здесь обозначены как клеммы К1 и К2. Это могут быть и винтовые клеммы, и пайка, и любой иной способ. Проблема в том, что эти точки подключения тоже являются термопарами! И термо-ЭДС этих паразитных термопар зависит от температуры усилителя (точек подключения).
Если материалы паразитных термопар идентичны, а температура одинакова, то они скомпенсируют друг друга. Выровнять температуру можно обеспечив тепловой контакт между клеммами. А вот с материалами сложнее.
Смотрите, если у нас используется реальный опорный спай, то подходящие к клеммам проводники от термопар будут из одного материала. Вспомните иллюстрацию, где мы разрезали один из проводников. Пусть это будет хромель. А если мы заменяем опорный спай на его электронный аналог, то к одной клемме будет по прежнему подключаться хромель, а вот к второй уже алюмель. И тут уже напряжения паразитных термопар будут разными, даже при одинаковой температуре!
А значит, мы не можем использовать постоянное опорное напряжение. Нам нужно изменять его в зависимости от температуры точек подключения термопары. Сделать это можно с помощью ИОН, напряжение которого корректируется датчиком температуры. Этот дополнительный датчик может быть терморезистором или полупроводниковым аналоговым датчиком. Даже обычным диодом. Вот один из примеров
Использование датчика температуры (ТМР35) для компенсации холодного спая термопары. Из “МЕТОДЫ практического конструирования при
нормировании сигналов c датчиков” (По материалам семинара «Practical design techniques for sensor signal conditioning» Перевод выполнен фирмой Автэкс. Автор перевода: Горшков Б.Л. Редактор перевода: Силантьев В.И.)
Здесь изотермический блок это просто конструктивная особенность клемм подключения термопары, которая обеспечивает надежный тепловой контакт между клеммами и термодатчиком.
Вместо термодатчика, если нужна высокая точность измерения, лучше использовать специализированные микросхемы, например, LT1025. Это специализированная микросхема для компенсации опорного спая, которая может работать с различными типами термопар.
Схема измерения температуры с помощью термопары и специализированной микросхемы компенсации опорного спая. Thermocouple Measurement, Jim Williams (Application Note 28, Lenear Technology)
Кроме специализированной микросхемы компенсации здесь используется и прецизионный усилитель LT1001. Разумеется, может быть использован и другой прецизионный ОУ. Да и микросхема компенсации может быть иная. Это просто иллюстрация одного из возможных вариантов.
Лианеризация термопар
Если помните, я приводил лишь примерную чувствительность термопар. И сказал, что она сама зависит от температуры. Действительно вот графики для некоторых типов термопар
Зависимость чувствительности термопар (коэффициента Зеебека) от температуры. По материалам analog.com
Эта нелинейность дает ошибку измерения зависящую от температуры. Вот пример для некоторых типов термопар
Ошибка измерения для некоторых типов термопар в зависимости от измеряемой температуры. Thermocouple Measurement, Jim Williams (Application Note 28, Lenear Technology)
Как видно, одна из самых распространенных в любительских конструкциях термопар (типа К) дает ошибку измерения не превышающую одного градуса в диапазоне от 0 до 170 градусов. И ошибку не превышающую 2.5 градусов в диапазоне от 0 до 400 градусов.
Если требуется высокая точность измерения, эту нелинейность характеристик нужно учитывать. Если измерение температуры осуществляется устройством с микроконтроллером, то калибровочную таблицу можно разместить в памяти устройства и обрабатывать программно. А если микроконтроллера нет? Тогда остаются схемотехнические способы лианеризации.
Например, вот такая кусочная лианеризация по нескольким точкам. Я ее приведу только для примера.
Лианеризация термопары типа Е по нескольким опорным точкам. Thermocouple Measurement, Jim Williams (Application Note 28, Lenear Technology)
Существуют и специализированные микросхемы аналоговых вычислителей, например, AD538. И вот пример его использования
Использование аналогового вычислителя для лианеризации термопары типа Е. Thermocouple Measurement, Jim Williams (Application Note 28, Lenear Technology)
Обратите внимание, насколько эта схема проще приведенной ранее схемы кусочной лианеризации для того же самого типа термопар.
К счастью, термопара типа К при положительных температурах может считаться достаточно линейной. Если не нужна очень высокая точность измерения. А значит, самая сложная часть в применении термопар, лианеризация, может и не потребоваться.
Заключение
Пожалуй, на сегодня достаточно. Такая простая, на первый взгляд, термопара оказалась не так и проста. При этом одна из самых популярных у любителей термопар (тип К) не требует особых усилий при ее использовании. И именно поэтому она столь популярна.
Для нее достаточно усилителя с малым дрифтом нуля и коэффициента усиления. Причем для любительских конструкций периодическая подстройка нуля и коэффициента усиления (калибровка по двум точкам, по сути) вполне допустима.
Но в целом, в любительских конструкциях имеет смысл применять термопары лишь при необходимости измерения высоких температур.
В следующий раз мы познакомимся с термометрами (термопреобразователями) сопротивления.
До новых встреч!
Источник