Термопары. Обработка экспериментальных данных

Термоэлектрические преобразователи (термопары)

Принцип работы, схемы включения и использования термопары, градуировка, точность измерения. Сплавы для термопар, изготовление.

Принцип работы термопары основан на термоэлектрическом эффекте, который заключается в том, что в замкнутом контуре, состоящем из двух разнородных проводников возникает термо ЭДС (напряжение), если места спаев проводников имеют различные температуры. Если взять замкнутый контур, состоящий из разнородных проводников (термоэлектродов), то на их спаях возникнет термо ЭДС E(t) и E(tо), которые зависят от температур этих спаев t и t 0 . Так как рассмотренные термо ЭДС оказываются включенными встречно, то результирующая термоЭДС, действующая в контуре, будет определяться как E(t) - E(t 0 ).

В случае равенства температуры обоих спаев результирующая термо ЭДС будет равна нулю. На практике один из спаев термопары погружается в термостат (как правило тающий лед) и относительно его определяется разность температур и температура другого спая. Спай, который погружается в контролируемую (исследуемую) среду, называют рабочим концом термопары, а второй спай (в термостате) - свободным.

У любых пар однородных проводников величина результирующей термо ЭДС не зависит от распределения температуры вдоль проводников, а зависит только от природы проводников и от температуры спаев. Если термоэлектрический контур разомкнуть в каком либо месте и включить в него разнородные проводники, то при условии, что все появившиеся при этом места соединений находятся при одинаковой температуре, результирующая термо ЭДС в контуре, не изменится. Это явление используется для измерения величины термоЭДС термопары. Возникающая в термопарах ЭДС невелика: она меньше 8 мВ на каждые 100 ° С и, как правило, не превышает по абсолютной величине 70 мВ.

С помощью термопар можно измерять температуры в интервале от -270 до 2200 ° С. Для измерения температур до 1100 0С используют термопары из

неблагородных металлов, для измерения температуры в пределах 1100 до 1600 ° С - термопары из благородных металлов, а также сплавов платиновой группы. Для измерения еще более высоких температур служат термопары из жаростойких сплавов на основе вольфрама.

В настоящее время наиболее часто для изготовления термопар используют платину, платинородий, хромель, алюмель.

При измерении температуры в широком интервале необходимо учитывать нелинейность функции преобразования термопары. Например, функция преобразования медь - константановых термопар для диапазона температуры от -200 до 300 ° С с погрешностью, примерно, ± 2 мкВ описывается формулой

E = At^2 + Bt + C,

где A, B и C - постоянные, которые определяются путем измерения термо ЭДС при трех температурах, t - температура рабочего спая при ° С.

Постоянная времени (инерционность) термоэлектрических преобразователей зависит от конструкции термопары, качества теплового контакта рабочего спая термопары и исследуемого объекта. Для промышленных термопар постоянная времени находится на уровне нескольких минут. Однако существуют и малоинерционные термопары, у которых постоянная времени лежит в пределах 5 - 20 секунд и даже ниже.

Измерительный прибор подключается к контуру термопары в свободный конец термопары и в один из термоэлектродов.

Как отмечено выше, при измерении температуры свободный конец термопары должны находиться при постоянной температуре. Если длины самой термопары недостаточно, то чтобы отвести этот конец в зону с постоянной температурой, применяют провода, которые состоят из двух жил, изготовленных из материалов (металлов) имеющих одинаковые термоэлектрические свойства с электродами термометра.

Для термопар из неблагородных металлов удлиняющие провода изготавливаются чаще всего из тех же материалов, что и основные термоэлектроды. Для термопар из благородных металлов удлиняющие провода выполняются из других (не дорогих) материалов, развивающих в паре между собой в интервале температур 0 - 150 ° С ту же термо ЭДС, что и электроды термопары. Например, для термопары платина - платинородий удлинительные термоэлектроды делают из меди и специального сплава, которые образуют термопару, идентичную по термо ЭДС термопаре платина-платинородий в интервале 0 - 150 ° С. Для термопары хромель - алюмель удлинительные термоэлектроды изготавливают из меди и константана, а для термопары хромель - копель удлинительными могут быть основные термоэлектроды, выполненные в виде гибких проводов. Если неправильно подключить удлинительные термоэлектроды, то может возникать существенная погрешность.

В лабораторных условиях температура свободного конца термопары поддерживается равной 0 ° С путем помещения его в сосуд Дьюара, наполненный истолченным льдом с водой. В промышленных условиях температура свободных концов термопары обычно отличается от 0 ° С и как правило равна комнатной температуре(температуре в помещении). Так как градуировка термопар осуществляется при температуре свободных концов 0 ° С и таблицы градуировки приводятся относительно 0 ° С, то это отличие может явиться источником существенной погрешности; для уменьшения указанной погрешности, как правило, вводят поправку в показания термометра. При выборе поправки учитываются как температура свободных концов термопары, так и значение измеряемой температуры (это связано с тем, что функция преобразования термопары нелинейна); это затрудняет точную коррекцию погрешности.

Для устранения погрешности широко применяется автоматическое введение поправки на температуру свободных концов термопары. Для этого в цепь термопары и милливольтметра включается мост, одним из плеч которого является медный терморезистор, а остальные плечи образованы манганиновыми терморезисторами. При температуре свободных концов термопары, равной 0 ° С, мост находится в равновесии; при отклонении температуры свободных концов термопары от 0 ° С напряжение на выходе моста не равно нулю и складывается с термо ЭДС термопары, при этом внося поправку в показания прибора (значение поправки можно регулировать специальным резистором). Вследствие нелинейности функции преобразования термопары полной компенсации погрешности не удается добиться, но указанная погрешность существенно уменьшается.

На практике при использовании термопары чаще всего применяются следующие схемы подключения (в зависимости от необходимой точности). Для примера взята термопара медь (М) - константан (К):

Что такое ЭДС (электродвижущая сила) в физике? Электрический ток понятен далеко не каждому. Как космическая даль, только под самым носом. Вообще, он и ученым понятен не до конца. Достаточно вспомнить Николу Тесла с его знаменитыми экспериментами, на века опередившими свое время и даже в наши дни остающимися в ореоле тайны. Сегодня мы не разгадываем больших тайн, но пытаемся разобраться в том, что такое ЭДС в физике .

Определение ЭДС в физике

ЭДС – электродвижущая сила. Обозначается буквой E или маленькой греческой буквой эпсилон.

Электродвижущая сила - скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних сил (сил неэлектрического происхождения ), действующих в электрических цепях переменного и постоянного тока.

ЭДС , как и напряжени е, измеряется в вольтах. Однако ЭДС и напряжение – явления разные.

Напряжение (между точками А и Б) – физическая величина, равная работе эффективного электрического поля, совершаемой при переносе единичного пробного заряда из одной точки в другую.

Объясняем суть ЭДС "на пальцах"

Чтобы разобраться в том, что есть что, можно привести пример-аналогию. Представим, что у нас есть водонапорная башня, полностью заполненная водой. Сравним эту башню с батарейкой.

Вода оказывает максимальное давление на дно башни, когда башня заполнена полностью. Соответственно, чем меньше воды в башне, тем слабее давление и напор вытекающей из крана воды. Если открыть кран, вода будет постепенно вытекать сначала под сильным напором, а потом все медленнее, пока напор не ослабнет совсем. Здесь напряжение – это то давление, которое вода оказывает на дно. За уровень нулевого напряжения примем само дно башни.

То же самое и с батарейкой. Сначала мы включаем наш источник тока (батарейку) в цепь, замыкая ее. Пусть это будут часы или фонарик. Пока уровень напряжения достаточный и батарейка не разрядилась, фонарик светит ярко, затем постепенно гаснет, пока не потухнет совсем.

Но как сделать так, чтобы напор не иссякал? Иными словами, как поддерживать в башне постоянный уровень воды, а на полюсах источника тока – постоянную разность потенциалов. По примеру башни ЭДС представляется как бы насосом, который обеспечивает приток в башню новой воды.

Природа ЭДС

Причина возникновения ЭДС в разных источниках тока разная. По природе возникновения различают следующие типы:

Химическая ЭДС. Возникает в батарейках и аккумуляторах вследствие химических реакций.
Термо ЭДС. Возникает, когда находящиеся при разных температурах контакты разнородных проводников соединены.
ЭДС индукции. Возникает в генераторе при помещении вращающегося проводника в магнитное поле. ЭДС будет наводиться в проводнике, когда проводник пересекает силовые линии постоянного магнитного поля или когда магнитное поле изменяется по величине.
Фотоэлектрическая ЭДС. Возникновению этой ЭДС способствует явление внешнего или внутреннего фотоэффекта.
Пьезоэлектрическая ЭДС. ЭДС возникает при растяжении или сдавливании веществ.

Дорогие друзья, сегодня мы рассмотрели тему «ЭДС для чайников». Как видим, ЭДС – сила неэлектрического происхождения , которая поддерживает протекание электрического тока в цепи. Если Вы хотите узнать, как решаются задачи с ЭДС, советуем обратиться к нашим авторам – скрупулезно отобранным и проверенным специалистам, которые быстро и доходчиво разъяснят ход решения любой тематической задачи. И по традиции в конце предлагаем Вам посмотреть обучающее видео. Приятного просмотра и успехов в учебе!

Термопара (термоэлектрический преобразователь) - устройство, применяемое для измерения температуры в промышленности, научных исследованиях, медицине, в системах автоматики.

Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Между соединёнными проводниками имеется контактная разность потенциалов; если стыки связанных в кольцо проводников находятся при одинаковой температуре, сумма таких разностей потенциалов равна нулю. Когда же стыки находятся при разных температурах, разность потенциалов между ними зависит от разности температур. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными от нуля коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой Т 1 , мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т 2 , которое будет пропорционально разности температур Т 1 и Т 2 .

Преимущества термопар

Высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01 °С).
Большой температурный диапазон измерения: от −250 °C до +2500 °C.
Простота.
Дешевизна.
Надёжность

Для получения высокой точности измерения температуры (до ±0,01 °С) требуется индивидуальная градуировка термопары.
На показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового датчика и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.
Эффект Пельтье (в момент снятия показаний необходимо исключить протекание тока через термопару, так как ток, протекающий через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный).
Зависимость ТЭДС от температуры существенно нелинейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.
Возникновение термоэлектрической неоднородности в результате резких перепадов температур, механических напряжений, коррозии и химических процессов в проводниках приводит к изменению градуировочной характеристики и погрешностям до 5 К.
На большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.

Технические требования к термопарам определяются ГОСТ 6616-94. Стандартные таблицы для термоэлектрических термометров (НСХ), классы допуска и диапазоны измерений приведены в стандарте МЭК 60584-1,2 и в ГОСТ Р 8.585-2001.

платинородий-платиновые - ТПП13 - Тип R
платинородий-платиновые - ТПП10 - Тип S
платинородий-платинородиевые - ТПР - Тип B
железо-константановые (железо-медьникелевые) ТЖК - Тип J
медь-константановые (медь-медьникелевые) ТМКн - Тип Т
нихросил-нисиловые (никельхромникель-никелькремниевые) ТНН - Тип N.
хромель-алюмелевые - ТХА - Тип K
хромель-константановые ТХКн - Тип E
хромель-копелевые - ТХК - Тип L
медь-копелевые - ТМК - Тип М
сильх-силиновые - ТСС - Тип I
вольфрам и рений - вольфрамрениевые - ТВР - Тип А-1, А-2, А-3

Для использования онлайн калькулятора в поле «Термо-ЭДС (мВ)» необходимо ввести значение термо-ЭДС термопары, так же следует учитывать, что температура будет отображаться без учета температуры окружающей среды. Для удобства пользования онлайн калькулятором в поле «Температура окруж. среды» необходимо ввести температуру окружающей среды в °С и все показания будут с утечем температуры окружающей среды.

Онлайн калькулятор перевода термо-ЭДС в температуру (°С) для термопары типа хромель-алюмель — ТХА — Тип K.

Онлайн калькулятор

типа хромель-алюмель — ТХА — Тип K.

Онлайн калькулятор перевода термо-ЭДС в температуру (°С) для термопары типа

хромель-копель — ТХK — Тип L.