Автоматизация производства, технологических процессов, работа бытовых и прочих приборов часто связаны с мониторингом температурных изменений, там применяют высокоточные датчики с малой инерционностью — термопары (ТП). Отличия от других измерителей температуры, например, от терморезисторов: принцип основывается на возникновения тока при нагревании спаянных электродов, температурный диапазон намного шире. Есть и минусы: потребность в усилителях, преобразователях, иногда нужны определенные условия для уменьшения погрешностей. С мультиметром ТП применяется для исследования нагрева электроники и прочих объектов. Рассмотрим что такое термопара, достоинства и недостатки, особенности, типы. Опишем, где термоэлектрические преобразователи более уместные, как их собрать самому.
Понятие термопары
Термопары (преобразователи термоэлектрические, ТП) — это сенсоры для измерения t°, базирующиеся на принципе трансформации тепла в электропроцессы.
Сама по себе термоэлектрический преобразователь не обрабатывает показания, а передает их на отдельный узел для этого, на микросхему приложения (обслуживаемого или специального измерительного оборудования).
Датчик-термопреобразователь обладает достаточной точностью, малой инерционностью. Диапазон рабочих температур шире, чем у сенсоров-термисторов, а также лучшая стойкость к механическим и прочим нагрузкам (это главные плюсы).
Где используются термопары
ТП чаще, чем другие датчики применяют для оборудования, связанного с высокими плюсовыми температурами: топливные котлы и плиты, иное оснащение с горелками, бойлеры, паяльники, пирометры, печи, металлургия.
Термин «термоэлектрический преобразователь» отображает природу сенсора — дифференциальный измеритель, который делает замеры, преобразовывая тепло в электричество.
Термопары — это простые и эффективные сенсоры для высокоточных термоэлектрических термометров, работающих в повышенных температурных рамках.
Яркий пример применения: в составах автоматики топливных котлов и отопления. Сработка оснащения инициируется электросигналом от сенсорного узла с ТП.
Термопары наряду с NTC и PTC термисторами — самые популярные измерители температуры для оборудования, последние имеют свои достоинства (считаются более точными в своих диапазонах), но не охватывают настолько широкие температурные рамки, как ТП.
Что такое термопара, ее устройство
ТП регламентируются ГОСТами 6616, Р 8.585 и МЭК 62460, 60584. Пункт 2.2 последнего дает определение сенсора: пара разносплавных проводников с соединением (спайкой) на одном конце для инициирования термоэлектрического эффекта для замеров t° этим сегментом. ТП измеряет точкой соединения (головкой) своих электродов, так называемой «горячей спайкой».
Надо понимать, что устройство термопары может представлять собой неприглядные отрезки спаянных на одном их окончании тоненьких проводков, но, несмотря на это, сенсор чрезвычайно эффективный. Часто содержит драгметаллы.
Устройство:
- два проводника, с одного конца спаянные, реже — скрученные. Это горячий спай, чувствительный сегмент, проводящий замеры;
- другие концы — место, где нет нагрева, соединения с удлиняющими проводками, холодный спай. Они подсоединяются на приемник показателей.
Создается замкнутая цепь, если в ее разрыв подсоединить гальванометр, микровольтметр, мультиметр, то они покажут возникшую там термоЭДС в несколько мили-, микровольт. Значение зависит от степени нагрева на соединении проволоки и от показателя температуры, на сегменте, где такового нет.
То есть величина ЭДС зависит от разности t° между спаями — холодным и горячим и от термоэлектросвойств сплавов самих проводников.
Если горячую точку соединения подогреть, то между их несоединенными (холодными) концами появится разность потенциалов.
Далее, преобразователь отдельный или на блоке контроля обслуживаемого приборе исчисляет температуру, так как сила ЭДС и она взаимозависимые, затем переводит полученные данные в цифры и/или в команды для управления.
Что такое КХС
Для особой точности замеров температура на холодном сегменте должна быть неизменной, но этого достичь в обычных условиях сложно, поэтому применяют спецсхемы компенсации. Напряжение, фиксируемое на указанном участке ТП зависит от разницы t° на нем же и на горячем сегменте. Поэтому надо знать уровень нагрева первого для исчисления такового на втором. Такие расчеты именуются компенсацией холодного спая — КХС и он часто применяется для аварийных отключений или для управления другими узлами формирования импульсов.
КХС всегда стремятся измерять (исчислять) ближе к точке предполагаемых замеров термопарой, так как удлиненные провода сенситивные к электропомехам (ухудшается сигнал). Данное обстоятельство значимо для производителей при конструировании термодатчиков.
Принцип действия
Если кратко, то ТП состоит из проводков из 2 разных сплавов со своими электрохарактеристиками при термических влияниях: создается определенная разность потенциалов и слабый ток, что фиксирует приемник таких показаний.
Но если углубиться в изучение термопары, то надо сказать о значительных особых нюансах как она работает.
Принцип работы термопары использует термоэлектрическое реагирование, впервые описанной ученым Т. Зеебеком. Соединенные проводники имеют контактную разность потенциалов. Конструктивно сенсор состоит из 2 жил из разных сплавов.
Концы образуют головку — контакт, так называемый горячий спай (красный на схеме ниже), созданный скручиванием, а чаще сваркой (швом, встык). Свободные окончания идут на обрабатывающие данные, управляющие узлы обслуживаемого оснащения, они замкнутые компенсационными проводками на контакты таких приборов, а в точках соединения с ТП находится холодный спай (синий на рис. ниже).
Электроды из разных металлов, условно А и B, на чертеже выше тоже изображены разными оттенками. Они защищены герметичной капсулой (может быть с инертным газом, жидкостью), керамическими цилиндриками (на изобр. ниже).
Объяснение из Википедии:
Действие основывается на эффекте с термоэлектрическими свойствами (назван на честь ученого Т. Зеебека). Если цепь замыкается, например, милливольтметром, на точках спаек появляется термо-ЭДС (электродвижущая сила). Если применить электроды с одних и тех же сплавов, то они бы нагревались одинаково (равнозначно), ЭДС взаимно бы компенсировалась, ток бы не возник.
Термопара, как она работает, что это такое простым языком: разные же проводники нагреваются по-разному, их спаи обладают неидентичными температурами, поэтому между ними возникает разность потенциалов, инициирующая термо ЭДС, которая и поддерживает слабый ток на такой цепи. Величина пропорциональная разности t° спаев. Надо акцентировать, что принимать во внимание надо именно ее, а не другие показатели.
Еще одно простое объяснение, как работает термопара: если соединить 2 разных металлических проводника, создав замкнутую электроцепь, и нагреть точку данного соединения, то появится электродвижущая сила (термоЭДС) и малый электроток. ТП передает эти данные на микросхему обслуживаемого или измерительного прибора, который и обрабатывает их, вычисляя t°.
Особенности, нюансы по точности
Напряжение на холодных кончиках пропорционально зависимое от t° в районе горячей спайки. В определенном температурном диапазоне наблюдается линейное термоэлектрическое свойство, показывающее собой зависимость напряжения от уровня разности t° между точками теплым и холодным элементом ТП. Линейность условная — о ней можно говорить, лишь когда t° на последнем постоянная. Данный нюанс надо учитывать, если делается градуировка: при изменении нагрева на холодных окончаниях есть вероятность значительной погрешности
Когда требуется высокая точность замеров, холодные концы помещают в специальные капсулы, где стабильность одного выбранного уровня температуры поддерживается специальными электронными приборами, обрабатывающими показатели термометра сопротивления. При таком подходе добиваются точности до ±0.01. Но это затребовано лишь для немногих технологических процессов. В большинстве случаев, например, при работе термопары в холодильниках, водонагревателях и прочих бытовых приборах требования менее жесткие, допускают отклонения на порядок ниже.
Отличия термопар от терморезисторов (NTC PTC)
Отличия термоэлектрических преобразователей от термисторов (датчиков сопротивления):
- принцип работы. На термопаре возникает малый ток, меняющийся при разном нагреве ее головки, а терморезистор (полупроводниковый) реагирует на такие процессы изменением своего сопротивления;
- конструктивные. Конструкция термопары: два спаянных проводника (ток идет от них) из разных сплавов в защитном кожухе и с компенсационными проводами, термистор — цельный кусок полупроводника с жилами (ток идет на него), сопротивление которого чувствительное к температуре.
Термопара имеет такие преимущества:
- диапазон раб. t° намного выше: типичный достигает +600…+800° C, у термисторов стандартный максимальный плюсовой предел около +200…+600° C. Есть термопары из особых сплавов, которые работают при +2500° C, что для них нельзя назвать чем-то выдающимся, это, в общем, обычные параметры. Но и у термических датчиков есть специальные семейства высокотемпературных моделей. Но это более особенные приборы, и все же их диапазон меньший;
- термисторы более точные, но с некоторыми оговорками. При высоких температурах, погрешности, а также деградация, раскалибровка у них может быть выше, чем у ТП. То есть при особо значительных температурах термопары могут быть точнее. Данный минус для них также нивелируется, если есть преобразователь, исчисляющий погрешности;
- часто требуется нормирующий усилитель, который нужен для термопары, чтобы повысить чувствительность, чтобы ее сигнал был сильнее для лучшей работы приемника, обрабатывающего информацию, чтобы он «увидел» ее;
- термистор дешевый из-за того что не требует указанных дополнительных узлов. Для ТП такие устройства зачастую требуются, поэтому в итоге стоимость их использования выше;
- стойкость к механическим влияниям, вибрациям у термопар лучше, они имеют надежные защитные кожухи;
- скорость реакции у ТП выше, чем у термисторов;
- при работе с повышенными температурами термисторы больше подвержены износу и раскалибровке. Но этот минус относительный — такой сенсор часто просто выбрасывают и покупают новый, так как изделие дешевое;
- термисторы со временем деградируют быстрее. Обычно производители дают гарантию всего 1000 часов для таких детекторов. Термопары более живучие.
Итак, измерение температуры терморезистором и термопарой отличается основательно, хоть и в обоих случаях базируется на электропараметрах: вторая создает и меняет ЭДС, первый — свое сопротивление.
Есть правило: если t° выше +300° C, то следует применять термопару. На более простых и дешевых приборах чаще встречается терморезисторы. На дорогом и сложном оборудовании — термопары, они же более распространенные при работе с высокими температурами. У термисторов в таких условиях погрешности могут быть такие же, как у ТП, но в типичных диапазонах (−50…+300° C) они имеют превосходство по точности.
Если говорить о специальных узконаправленных сферах — лаборатории, специсследования, промышленность — то там чаще используют ТП.
Подытожим:
- преимущества термопары: диапазон рабочих температур намного шире, реакция быстрее, срок эксплуатации намного превышает таковой у термисторов, ТП меньше подвержены раскалибровке, деградации, механическим повреждениям. При диапазоне t° от +300° C именно термопары часто незаменимые;
- минусы: особенности применения ТП повышают затраты (частично нивелируется живучестью), а также принято считать, что точность термопар немного хуже, чем у терморезисторов.
Отдельно выделим безусловный плюс: только термопары используются как измерители температуры исследуемых объектов (радиодеталей и пр.) вместе с мультиметром. Также надо сказать, что неподходящие диапазоны t° всегда повышают погрешности и вероятность отказа, но ТП стойче к таким условиям.
Разновидности преобразователей термоэлектрического типа
Виды термопар чрезвычайно обширные. Есть два основных фактора разделения: по разновидности сплавов и по варианту спайки. А также отдельным типом являются многоточечные ТП.
Тип электропар в зависимости от сплавов проводников
Термопара создает ЭДС, принцип всегда аналогичный, но сплавы нагреваются по-разному, поэтому рабочие диапазоны, скорость срабатывания, погрешности могут колебаться.
Разные сочетания металлов обладают своими параметрами, определяющими выходной импульс напряжения, но главное — температурный диапазон, в котором допускается использовать ту или иную разновидность сенсора
При росте амплитуды выходного напряжения улучшается разрешение измерений. Растет повторяемость, соответственно, и точность.
Есть разные соотношения разрешения и диапазона t° у конкретных типов ТП, что делает их подходящими для определенных условий.
Есть 9 типов термопар по составу сплавов проводников:
Разновидности обозначаются буквами. (J, K, T, E, N, R, S, B, C).
Для нас важна термопара типа К (другое обозначение — ТХА): она наиболее распространенная, подходит для применения в бытовых, других приборах и для задач, не имеющих каких-либо особых требований.
Традиционно ТХА рекомендована всегда, если только нет обоснований для использования иных видов. Ниже приведем описание термопары типа К из узкопрофилированного сайта по электронике:
Варианты спаев
Спаи создаются с разными определёнными конфигурациями под конкретные назначения термопар. Есть 1 и 2-элементные варианты, с заземлением на корпус защитной капсулы или без такового.
Заземление на корпус (не всегда оно есть) уменьшает инерционность термопары, а это улучшает быстродействие сенсора и точность в реальном времени. Также для достижения лучшей эффективности некоторые модели имеют горячий спай снаружи защитной колбы (кожуха, корпуса).
Многоточечные термоэлектрические преобразователи
Иногда требуется замерить t° на разных точках одновременно. Решает данную проблему многоточечный тип термопары. Такие сенсоры фиксируют данные вдоль оси преобразователя. Для стандартных, бытовых задач подобные изделия редкость — они применяются в химической, нефтехимической отраслях, где надо исследовать, как распределена температура в емкостях, реакторах и пр. Количество точек может достигать 60. Такая термопара не требует сложного обслуживания, используется одна капсула и один ввод в установку.
Другие варианты по конструкции
Разные конструктивные решения отображены ниже:
Ниже несколько вариантов термопреобразователей с кабельными выводами:
Роль удлиняющих (компенсационных) проводов
Удлиняющий, он же компенсационный провод или кабель для термопары нужен, чтобы она могла соединяться с отдаленными микросхемами оборудования, с вторичным или обслуживаемым прибором, приемником, обрабатывающим данные, а также для исследования удаленных областей.
Любые провода для удлинения не используют (исключение укажем ниже). Это еще одно отличие от термисторов. Надо применять тот же материал, что и в термопаре. Например, для сенсора типа К с жилами из хромель-алюмеля берут такие же проводки с маркировкой ХА.
Компенсационный кабель можно не применять, только когда у ТП есть преобразователь, который вычисляет и удаляет погрешность. Наиболее распространенная форма такового — «таблетка» внутри клеммного сегмента детектора с сигналом 4–20 мА унифицированного типа.
Как подключаются термоэлектрические преобразователи
На каждой новой отметке соединения разносплавных жил образуется холодный спай, а это, как мы уж описали, влияет на корректность замеров. Подключение желательно делать проводами по составу аналогичными с электродами.
Как правило, производители изначально комплектуют сенсоры такими компенсационными кабелями, их также можно докупить в спецмагазинах. Но, как мы отметили выше, это не актуально, если есть нормирующий преобразователь, схема корректировки, базирующаяся на термисторе. Провода ТП просто втыкаются в гнезда таких узлов согласно полярности.
Измерительные системы желательно размещать ближе при подключении ТП, чтобы длину кабеля сократить до самого возможного минимума. На любом проводе есть риск возникновения помех, а чем он длиннее, тем значительнее отклонения. Если радиопомехи можно устранить экранированием, наводки нивелировать сложнее.
Схема подключения термопары может включать терморезистор компенсации между контактами приемника и точкой холодного сегмента. Внешняя t° на эти элементы влияет аналогично, поэтому такая деталь будет исправлять погрешности:
Подключив ТП к измерителю, надо выполнить градуировку, в сети есть специальные таблицы.
Обозначение термопар на схемах:
Обозначения из ГОСТов:
Пример:
Изготовление термопары для мультиметра самостоятельно
Термопара, созданная своими руками, это сенсор в своей основе конструктивно аналогичный заводскому: два спаянные разные по составу электроды.
Перечень материалов, инструментов:
- константин. Есть в старых советских низкоомных керамических резисторах ПЭВ-10 или подобных им;
- проволока, медь;
- зажигалки: турбо («печка») и обычная.
Приемником данных может быть любой цифровой или аналоговый тестер. С помощью такой ТП для мультиметра можно замерять температуру исследуемых объектов.
Где взять проволоку
Чем меньше сечение проволоки, тем ниже погрешности ТП, поскольку понижается само влияние массива жил на теплообмен.
В нашем примере взяты 2 проводка из таких сплавов:
- константиновый. Берем из старого керамического резистора ПЭВ-10. Сплав также содержит зарубежный аналог 1R00JSMT и подобные типы радиодеталей. Некоторые такие радиодетали с нихромом — он не подойдет;
- медный проводок: из обмотки б/у трансформаторов от бытовых приборов, из кабелей, например, витой пары.
Скрутка, сварка
Делаем скрутку из 2 проводков. Затем свариваем этот конец: так как жилы тонкие, то подойдет зажигалка турбо, в народе «печка». Должна получиться круглая головка-капелька. Оставшиеся витки затем надо раскрутить, чтобы не было замыкания.
Принцип работы мы уже описали: при нагревании в месте горячего спая, то есть головки-капельки возникает разница потенциалов, инициирующая малый ток, который будет течь по проводкам к приемнику (мультиметру). Значения такого электричества будут характеризовать определенную температуру.
Другие способы сварки
Спаять проводки можно и кустарной сваркой, например, применив лабораторные автотрансформаторы, автомобильный аккумулятор. К одному полюсу («+») такого источника подсоединяем оба конца термопары, скрученные или соединенные механически проволокой. К другому подключаем вывод («−»), присоединенный к куску графита. Возникнет электродуга, произойдет сварка.
Напряжение для сварки подбирают экспериментально: начинают с малых значений 3–5 В и постепенно увеличивают до нужного результата. Оптимальное значение зависит от металла проволоки, ее сечения, длины — оно обычно не превышает 40–50 В. Соблюдают безопасность: не касаются к оголенным участкам, не подают слишком большое напряжение. Для удобства опасные сегменты изолируют изолентой, кембриком, керамическими трубками.
Хорошее соединение получают, разогревая проводки дуговым разрядом, зажигая его между ними и крепким (ропа) раствором поваренной соли.
Другие сплавы для электродов
Выше мы показали пример с электродами константин-медь. Термопара для измерения температуры своими руками может быть создана и с проволоки с иных материалов (сплавы см. выше в табл.). Такие материалы продаются на узкоспециализированных торговых площадках, но все-таки достать их сложнее, наиболее доступный из них хромель и алюмель.
Проверка самодельной термопары для мультиметра
Электроды собранного датчика подсоединяем к мультиметру аналогично как щупы. Затем измеряете среду: нагреваете головку зажигалкой, наблюдаете табло тестера. В нашем случае мультиметр показал напряжение 50 мВ и ток в 5 мкА, это максимальное значение для данной самоделки.
Калибровка
Откалибровать самодельную термопару и создать базу данных какое значение какой температуре соответствует, можно, опуская ТП в жидкость с заранее известной температурой (надо будет значительно ее нагреть). Останется сопоставить t° с показаниями мультиметра и записать цифровые соответствия.
Другие самоделки
Нами описан способ создания «голого» датчика, обрабатывающее устройство было уже готово — мультиметр. Своими руками для такой термопары можно создать и иные приемники на микроконтроллерах Arduino, ATmega, а также, и усилители на подобных микросхемах — они потребуются, так как ЭДС очень низкая.
Для самоделок популярный усилитель микроконтроллер для термопары LM358P/LM358D для диапазона 0…+70° C.
В сети есть много чертежей, как сделать термопару для различных задач с микроконтроллерами Arduino, ATmega и с цифровым дисплеем.
Проверка, ремонт и замена термопары
Рассмотрим неисправности на примере термопары датчика газового котла, в таких приборах она также называется сенсором пламени. По ходу раскроем некоторые нюансы по эксплуатации термоэлектрических детекторов, как они устроены, из чего состоит такой прибор.
Признаки поломки:
- затухание фитиля, в момент, когда одновременно отпускают кнопку зажигания;
- огонек остается, но после розжига главной горелки подача топлива снова перекрывается, котел гаснет вообще.
Причины:
- электроды, горячий спай покрылись сажей, прогреваются не достаточно. Поэтому напряжение на цепи падает ниже критического минимума, нужного для сработки прибора;
- прогар защитной капсулы ТП;
- нарушены контакты на точке спаев, обрыв проволоки;
- отошли крепежные гайки;
- перекос рабочего стержня и, как следствие, плохой прогрев запальником;
- сломался датчик тяги или его электроцепь оборвана.
Починка, восстановление
Термопары чувствительные к любым повреждениям и загрязнениям: эти факторы могут уменьшить выдаваемое датчиком напряжение ниже критической границы. Характерная частая причина плохой работы — нагар, сажа на рабочем (нагреваемом) сегменте. Для восстановления достаточно произвести чистку мягкой щеткой, ваткой со спиртом. Важно не допустить царапин, механических повреждений. После очистки надо провести проверку мультиметром.
Часто причиной неисправностей являются окислившиеся контакты, их можно зачистить мелкозернистой (нулевкой) наждачкой, но без чрезмерных усилий
Таким образом, если есть нагар, сажа, окисления, отошедшие или оборванные контакты, крепежи и подобное, то ТП возможно отремонтировать. Но если обнаружены глубокие черные вмятины, прогары (дыры), то такой элемент обычно не восстанавливается. Теоретически можно соорудить новый защитный кожух, попробовать наново спаять концы, если они разошлись, но нет гарантии, что такая починка будет качественная. А от неэффективной работы есть риск значительного ухудшения ресурса обслуживаемого прибора, вероятность аварийных ситуаций увеличивается. Почти всегда сенсоры с такими критическими перечисленными поломками заменяют на новые без раздумий.
Запасные элементы продаются в спецмагазинах, точках сервисного обслуживания. Подобрать не составит труда — достаточно выбрать аналогичный или подходящий по параметрам детектор для конкретной модели оборудования. Замена элементарная — отщелкнуть старую ТП и подключить (воткнуть) в посадочные места новую.
Сложность может быть лишь в том, что прибор придется разбирать, снимать крышки, узлы с горелками и так далее.
Какой термометр выбрать: с термопарой или с терморезистором
Устройство и принцип действия термопары в термоэлектрическом измерителе и терморезистора в термометре сопротивления:
Нельзя однозначно для всех ситуаций рекомендовать, какие детекторы лучшие: термометр с термопарой или с термистором (ТС, он же термометр сопротивления), так как надо учитывать среду и сопоставлять со свойствами этих типов термодатчиков — каждый имеет свои плюсы и минусы. Подробно мы их рассмотрели. Теперь опишем пример выбора.
Первым делом сравнивают характеристики, сопоставляют:
- с требуемой точностью. Для не особо требовательных целей отклонение на 1–2 градуса не будет критичным. Но для приборов требовательных к точности данный параметр важен. В большинстве случаев корректнее термисторы, но также данный параметр у разных моделей сенсоров может быть равным, что мы видим в таблице;
- с рабочим температурным диапазоном. Тут ТП, безусловно, лучше, охватывает рамки t° намного шире;
- скорость реакции лучше у термопар, но это общее правило. Данный параметр может также сравниваться (см. табл.);
- термоэлектрический преобразователь лучше выдерживают вибрации, механические нагрузки, агрессивные среды.
Определить лучший вариант прибора надо с учетом всех нюансов и поставленных целей. Опишем это в примере:
- обслуживаемая зона — сегмент трубопровода с изменяющимися постоянно условиями, с вибрациями. Температура −200…+300° C;
- цель — максимальная точность, и это самое важное условие;
- можно подобрать термодатчики обоих типов. На первый взгляд ТП более подходящая, так как устойчивее к нагрузкам, вибрации;
- в итоге выбран термисторный прибор, так как цель — точность, а у этого типа сенсоров она выше. Кроме того, применили именно тонкопленочный термистор, этот вариант сенсора более стойкий к вибрациям нагрузкам.
Второй пример:
- среда — реактор, +550…+900° C, уровень вибрации низкий;
- цель — точность ±5° C;
- ТС выдают стабильно точные измерения, особенно при невысоких вибрациях, но не надо забывать о диапазоне t°. Термисторы не стоит применять при выше + 850° C. Поскольку наша среда имеет от +900, выбран термометр с термопарой.
Загрузка...
