Що таке термопара?

Що таке термопара?

Це часто використовуваний елемент зондування температури в інструментах вимірювання температури. Він безпосередньо вимірює температуру і перетворює температурний сигнал в термоелектричний потенціал, який потім перетворюється електричними інструментами (вторинними інструментами) у температуру вимірюваного середовища. Незважаючи на те, що форми різних термопацій можуть сильно відрізнятися залежно від їх застосування, їх основна структура значною мірою однакова, як правило, складається з термоелектричного елемента, захисної трубки ізоляційного рукава та з'єднувальної коробки. Ці термопари зазвичай використовуються спільно з інструментами дисплея, інструментами запису та електронними регуляторами. Як працює термопала, це залежність широко використовується при практичному вимірюванні температури. Оскільки холодний перехід T0 залишається постійним, термоелектричний потенціал, що утворюється термопарою, змінюється лише зі змінами температури гарячого переходу (вимірювального кінця). Це означає, що конкретний термоелектричний потенціал відповідає конкретній температурі. Використовуючи метод вимірювання термоелектричного потенціалу, ми можемо досягти мети вимірювання температури, основний принцип вимірювання температури термопари полягає в тому, що закритий контур утворюється двома провідниками, виготовленими з різних матеріалів. Коли між двома кінцями є градієнт температури, струм протікає через ланцюг, генеруючи електроружива (ЕМП) між двома кінцями. Це явище відоме як ефект Seebeck. Два провідники, виготовлені з різних матеріалів, - це термолементи, при цьому гарячіший кінець служить робочим кінцем, а кулер - як вільний кінець, який, як правило, підтримується при постійній температурі. Виходячи з взаємозв'язку між ЕМП та температурою, створюється таблиця калібрування термопари. Ця таблиця заснована на умовах, коли вільна кінцева температура становить 0 градусів, а різні термопари мають свої таблиці калібрування. Коли до ланцюга термопари додається третій металевий матеріал, до тих пір, поки температура на обох з'єднаннях цього матеріалу однакові, термоелектричний потенціал, що утворюється термопарою, залишатиметься незмінним, не впливаючи на додавання третього металу. Тому при використанні термопари для вимірювання температури може бути підключений вимірювальний прилад для вимірювання термоелектричного потенціалу, що дозволяє визначити температуру вимірювання середовища. При вимірюванні температури за допомогою термопари важливо, щоб температура на холодному перехресті (кінець, з'єднаний з вимірювальним ланцюгом через проводки) залишалася постійною, оскільки це гарантує, що термоелектричний потенціал пропорційний вимірюваній температурі. Якщо температура на холодному перехресті (навколишнє середовище) змінюється під час вимірювання, це може суттєво вплинути на точність вимірювання. Щоб компенсувати вплив змін температури холодного переходу, на холодному перехресті вживаються заходи, які називають компенсацією холодного переходу. Спеціальні компенсаційні дроти використовуються для підключення до вимірювального приладу.

Загальні типи та характеристики термопацій

Загальні термобочки можна класифікувати на два основні типи: стандартні та не - стандарт. Стандартні термопари - це ті, для яких Національний стандарт визначає їх термоелектричний потенціал - температурне співвідношення, допустима помилка та уніфікована таблиця калібрування. Вони постачаються з відповідними інструментами дисплея для вибору. Немає - Стандартні термопари мають менший діапазон або кількість застосувань порівняно зі стандартними термопарками і, як правило, не мають єдиної таблиці калібрування, що робить їх в основному використовується для вимірювань у спеціальних ситуаціях. Починаючи з 1 січня 1988 року, Китай стандартизував виробництво термопаційних та резистентних термометрів відповідно до міжнародних стандартів IEC, позначаючи сім типів - S, B, E, K, R, J, T - як уніфіковані стандартні термобочки для Китаю.

Теоретично будь -які два різні провідники (або напівпровідники) можна поєднати для формування термопари. Однак, як практичні компоненти вимірювання температури, вони повинні відповідати численним вимогам. Для забезпечення надійності та достатньої точності в інженерних додатках не всі матеріали підходять для термопацій. Як правило, основними вимогами до електродних матеріалів термопари є:

1. У діапазоні вимірювання температури термоелектричні властивості стабільні і не змінюються з часом, і існує достатня фізична та хімічна стабільність, яку нелегко окислювати або корозійно;

2, невеликий коефіцієнт температури опору, високу провідність, невелике питоме тепло;

3. Термоелектричний потенціал, що утворюється при вимірюванні температури, повинен бути великим, а термоелектричний потенціал - це лінійне або майже лінійне співвідношення функцій одного значення з температурою;

4. Матеріал має хорошу відтворюваність,

Як встановити термопару?

У виробництві, завдяки різним тестовим об'єктам, різними умовами навколишнього середовища, різними вимогами до вимірювання та різними методами встановлення теплових резисторів та вжитними заходами, слід враховувати багато проблем. Однак, в принципі, його можна розглядати з трьох аспектів: точність вимірювання температури, безпеки та зручності обслуговування. Щоб запобігти пошкодженню елемента зондування температури, слід забезпечити достатню механічну міцність. Для захисту елемента від зносу слід додати захисний екран або трубку. Для забезпечення безпеки та надійності метод встановлення елемента зондування температури слід визначити на основі конкретних умов, таких як температура та тиск середовища для вимірювання, довжина елемента, його положення встановлення та форми. Нижче наведено кілька прикладів, які привертають увагу:

Усі елементи зондування температури, встановлені для протистояння тиску, повинні забезпечити їх ущільнювач. Для термопацій, що працюють при високих температурах, для запобігання деформації захисної трубки, вони, як правило, повинні бути встановлені вертикально. Якщо горизонтальна установка необхідна, вона не повинна бути занадто довгою, а для захисту термопари слід використовувати кронштейн. Якщо елемент зондування температури встановлений у трубопроводі з високою швидкістю потоку середнього, його слід встановити під кутом. Щоб запобігти надмірній ерозії, найкраще встановити елемент зондування температури на вигинах трубопроводу. Коли середній тиск перевищує 10mpa, до вимірювального елемента необхідно додати захисний втул. Місце встановлення термопацій та термічних резисторів також повинно розглянути достатній простір для розбирання, обслуговування та калібрування. Термопарки та теплові резистори з більш довгими захисними трубами повинні бути легко розібрати та зібрати

Метод вимірювання температури термопари

Час теплової реакції є складним, і різні експериментальні умови можуть призвести до різних результатів вимірювання. Це пояснюється тим, що на час теплової реакції впливає швидкість передачі тепла між термопарою та її навколишньою середовищем; Більш висока швидкість передачі тепла призводить до коротшого часу теплової реакції. Щоб забезпечити порівняний час термічної реакції продуктів термопари, національні стандарти визначають, що час теплової реакції слід вимірювати за допомогою спеціалізованого пристрою випробувань водного потоку. Швидкість потоку води слід підтримувати на рівні 0,4 ± 0,05 м/с, початкова температура становила від 5-45 градусів і температура етапу 40-50 градусів. Під час випробування температура води не повинна змінюватися більш ніж на ± 1% від кроку температури. Термопара повинна бути вставлена ​​на глибину 150 мм або глибину вставки дизайну (залежно від того, що менше), і це слід зазначити у звіті про випробування.

Оскільки пристрій є відносно складним, в даний час лише в декількох одиницях є це обладнання, тому національний стандарт передбачає, що виробник та користувач можуть домовитись про прийняття інших методів випробувань, але наведені дані повинні вказувати на умови тестування.

Оскільки термоелектричний потенціал термопари типу В дуже невеликий поблизу кімнатної температури, час термічної реакції не просто. Отже, національний стандарт передбачає, що термоелектрична електродна складка однакової специфікації термопари типу S може бути використана для заміни власної термоелектричної електрода, а потім випробування може бути здійснено.

Під час експерименту записуйте час t0.5, коли вихід термопари змінюється до 50% зміни температури. Якщо необхідно, також запишіть 10% часу теплової відповіді T0,1 та 90% час теплової реакції T0,9. Зафіксовані часи теплової реакції повинні бути середнім не менше трьох тестів, причому кожне вимірювання відхиляється від середнього на ± 10%. Крім того, час, необхідний для зміни температурного кроку, не повинен перевищувати одного - десятої частини T0.5 випробуваної термопари. Час відповіді інструменту запису або лічильника також не повинен перевищувати одного - десятої частини T0.5 випробуваної термопари.

Основні типи термопацій

1. Класифікація за типом фіксаційного пристрою як основного засобу вимірювання температури, термопала має широкий спектр використання, тому існує багато вимог до фіксації пристроїв та технічних показників. Отже, пристрої для фіксації термопари поділяються на шість типів: відсутність фіксаційного типу пристрою, різьбовий тип, фіксований тип фланця, тип рухомого фланця, тип рухомого кута фланця, конічний тип захисної трубки.

2. Класифікація відповідно до складання та структури відповідно до продуктивності та структури термопацій, їх можна розділити на: знімні термопари, вибух - термопари, бронетанкові термопари та термопарики спеціального призначення, такі як фіксовані термопарики.

На які вимоги слід звернути увагу при встановленні термопари?

Для встановлення термопаційних та резистентних термометрів слід звернути увагу на точність вимірювання температури, безпеки та надійності та зручного обслуговування, а не впливає на експлуатацію обладнання та виробничих операцій. Щоб задовольнити вищезазначені вимоги, при виборі деталей встановлення та глибини вставки термопацій та термометрів опору зверніть увагу на наступні моменти:

1. Для того, щоб забезпечити достатній теплообмін між вимірювальним кінцем термопари та термометром опору та вимірюваним середовищем, точку вимірювання слід обрати, а термопари або термометр опору слід встановити якомога далі від клапанів, ліктів та мертвих куточків трубопроводів та обладнання.

2. Термопарки та термістори із захисними рукавами мають перевезення тепла та розсіювання тепла. Для зменшення помилок вимірювання термопари та термістори повинні мати достатню глибину введення:

(1) Для термопари, що вимірює температуру рідини в центрі трубопроводу, вона, як правило, повинна вставлятися в центр трубопроводу (вертикальна установка або похила установка). Якщо діаметр трубопроводу становить 200 мм, глибина введення термопари або резистентність повинна бути обрана на 100 мм;

(2) для вимірювання температури високої температури -, високий тиск - та високий - швидкість рідини (наприклад, основна температура пари), щоб знизити опір захисного втулки до рідини та запобігання руйнуванню під тиском рідини, мілководного методу вставки. Глибина захисного втулки для неглибокої термопари вставки не повинна бути менше 75 мм, коли вставляється в основну парову трубу; Стандартна глибина вставки для термопари термічного рукава становить 100 мм;

(3) Якщо необхідно виміряти температуру димового газу в димосі, хоча діаметр димочного віку становить 4м, глибина введення термопари або опір становить 1 м;

(4) Коли глибина вставки вимірювального оригіналу перевищує 1м, її слід встановити вертикально, наскільки це можливо, або слід додати опорну раму та захисну трубу.

Наступні моменти повинні звернути увагу на те, щоб правильно використовувати термопари, щоб уникнути помилок

Правильне використання термопари може не лише точно отримати значення температури, забезпечити кваліфікацію продукту, але й заощадити споживання матеріалів термопари, обидва економлять гроші та забезпечують якість продукту. Неправильна установка, теплопровідність та помилки відставання в часі, вони є основними помилками у використанні термопари.

1. Помилки, що вводяться через неправильну установку, якщо положення встановлення та глибина введення термопари не точно відображають фактичну температуру печі, наприклад, термопара не повинна розміщуватися занадто близько до дверей або нагрівальних ділянок, а її глибина вставки повинна бути щонайменше 8 до 10 разів діаметром захисної трубки. Розрив між захисним рукавом термопари та стінкою печі не наповнена ізоляційним матеріалом, що може спричинити вторгнення тепла або холодного повітря, щоб вторгнутись у піч. Тому зазор між захисним рукавом термопари та стінкою печі повинен бути запечатаний вогнетривкою глинистою або азбестовою мотузкою, щоб запобігти конвекції гарячого та холодного повітря, що може вплинути на точність вимірювання температури. Якщо холодний кінець термопари занадто близький до корпусу печі, температура може перевищувати 100 градусів. Установка термопари повинна максимально уникати сильних магнітних полів та електричних полів, тому її не слід встановлювати в тому ж трубопроводі, що і кабелі живлення, щоб запобігти перешкодам, які можуть спричинити помилки. Термопару не слід встановлювати в районах, де виміряне середовище протікає дуже мало. При вимірюванні температури газу всередині труби за допомогою термопари термопара повинна бути встановлена ​​у напрямку, протилежного швидкості потоку, і повинна мати достатній контакт з газом.

2. Помилка, введена шляхом погіршення ізоляції Якщо термопала ізолюється, занадто багато залишків бруду або солі на захисній трубці та тягнутої пластини спричиняє погану ізоляцію між полюсами термопари та стінкою печі, що є більш серйозним при високій температурі. Це не тільки спричинить втрату термоелектричного потенціалу, але й введе перешкоди, а похибка, спричинена цим, іноді може досягти сотень ступенів.

3. Помилка, введена термічною інерцією, теплова інерція термопацій призводить до того, що читання інструменту відставає від фактичних змін температури, що особливо помітно під час швидких вимірювань. Тому доцільно використовувати термопари з більш тонкими термолементами та меншими діаметром захисної трубки. Коли дозволяє вимірювання, захисну трубку можна видалити. Через відставання вимірювання амплітуда температурних коливань, виявлених термопаційними, менша, ніж у температури печі. Чим більше відставання вимірювання, тим менша амплітуда коливань термопари, і тим більша різниця від фактичної температури печі. Використовуючи термопари з великою постійною часовою константою для вимірювання або контролю температури, прилад може показувати мінімальні коливання температури, але фактична температура печі може суттєво відрізнятися. Для забезпечення точного вимірювання температури слід вибирати термопари з невеликою постійною часовою константою. Константа часу обернено пропорційна коефіцієнту передачі тепла і безпосередньо пропорційна діаметру гарячого кінця термопари, щільності матеріалу та його специфічним теплом. Для зменшення постійної часу, крім збільшення коефіцієнта передачі тепла, найбільш ефективним методом є мінімізація розміру гарячого кінця. На практиці матеріали з хорошою теплопровідністю, тонкими стінками трубки та невеликими внутрішніми діаметром зазвичай використовуються для захисних рукавів. Для більш точних вимірювань температури використовуються голі дротяні термопари без захисних рукавів, але вони можуть бути легко пошкоджені і вимагають своєчасної калібрування або заміни.

. У цей час індикація температури нижча, ніж справжнє значення вимірюваної температури. Тому для зменшення помилки слід підтримувати зовнішню чистоту захисної трубки термопари.

Основні переваги термопацій

1. Висока точність вимірювання. Оскільки він безпосередньо контактує з вимірюваним об'єктом, на нього не впливає проміжне середовище.

2. Широкий діапазон вимірювання. Поширені термопари можна безперервно вимірювати від-50 градусів--1600 градусів, а деякі спеціальні термопари можна виміряти як низький рівень AS-269 градусів (наприклад, хрому золотого заліза) і до 2800 градусів (наприклад, вольфраму, ривм).

3. Проста структура та проста у використанні. Термопарки зазвичай складаються з двох різних металевих проводів і не обмежуються розміром і початком. Зовні вони мають захисний рукав, що робить їх дуже зручними для використання.

Які майбутні тенденції та поля застосування термопари?

I. Future development trend Material innovation and performance improvement New thermoelectric materials: develop materials with higher sensitivity and wider temperature range (such as oxide thermocouples, nanocomposites) to replace traditional metal alloys (such as K-type, J-type) Flexible thermocouples: The demand for wearable devices and curved temperature measurement scenarios is driving the development of flexible, Тонка - плівкова термоуле (наприклад, надрукована електроніка). Надпровідні матеріали високої температури: вивчення стабільних схем вимірювання температури в екстремальних умовах (таких як аерокосмічні та ядерні реактори). Інтелектуальна та інтегрована вбудована обробка сигналу: інтегрований мініатюрний підсилювач та цифрова схема компенсації, прямий вихід цифрового сигналу, зменшення зовнішніх перешкод. IoT Fusion: Віддалений моніторинг через бездротову передачу (наприклад, Lora, NB - IoT) для підтримки індустрії 4.0 та програмних програм City. Self - Система живлення: Використання ефекту Seebeck термоулів до живлення низько - пристроїв живлення (наприклад, бездротові вузли датчиків). Оптимізація технології калібрування AI та надійності AI: завдяки машинному навчанню динамічно компенсувати нелінійну помилку та дрейф старіння, продовжуйте термін служби. Multi - Датчик синтезу: у поєднанні з інфрачервоним, RTD тощо, щоб підвищити надійність вимірювання у складному середовищі. Процес низької вартості та стандартизації MEMS: Велика - Виробництво мікроелектромеханічних систем знижує вартість мікро -термопаунів та розширює споживчі програми. Міжнародне стандартне об'єднання: адаптується до глобальної ланцюга поставок, спростить процес вибору та обслуговування.

2, нові поля застосування нової енергетичної та вуглецевої нейтральності фотоелектрики та зберігання енергії: монітор температури сонячної панелі (для запобігання ефекту гарячої плями) та теплового управління системами зберігання енергії. Енергія водню: вироблення водню високого тиску та моніторинг температури паливних елементів. Ядерне синтез: екстремальні вимірювання високої температури для майбутніх реакторів (таких як термопари з вольфраму та ринію). Високий - Виробництво кінцевого виробництва та автоматизації напівпровідникові виробництва: точний контроль температури обробки вафель та офортного обладнання (необхідна реакція мілісекунд). Виробництво добавок: реальна - Зворотній зв'язок часу температури плавання в процесі 3D -друку для оптимізації якості формування. Робот: Захист спільного перегріву роботів. БІОМедичні та Мінімально інвазивні хірургічні операції: Ультратонкі термопаки інтегруються в катетер або ендоскоп для контролю температури тканин у режимі реального часу. Носимі пристрої: Постійний моніторинг змін температури тіла (наприклад, потреби в галузі охорони здоров'я після епідемії). Терапія з низькою температурою: точний контроль температури під час кріотерапії рідкої азоту. Аерокосмічні та захисні суперзвукові літаки: поверхневий аеродинамічний моніторинг опалення (матеріали, стійкі до більш ніж 2000 c, необхідні). Супутниковий тепловий контроль: поліпшення надійності в екстремальному температурному середовищі простору. Управління здоров'ям двигуна: моніторинг розподілу температури леза турбіни. Розумний будинок та побутова електроніка розумна прилади для дому: точний контроль температури печей, кавових машин та інших домашніх приладів. Пристрої AR/VR: запобігання перегріву процесора впливати на досвід користувачів. Навколишнє середовище та сільське господарство розумне сільське господарство: моніторинг парникових та ґрунтових температури. Геотермальне дослідження: глибоке вимірювання температури свердловини для сприяння розвитку енергії.

узагальнювати

Майбутнє термоулів буде зосереджено на трьох ключових областях: високі - матеріали продуктивності, інтелект та перехресний інтеграція домену. Вони продовжуватимуть проникати високо - кінцевими секторами, такими як нова енергетика, охорона здоров'я та аерокосмічна галузь, та виходити на споживчий ринок у міру зменшення витрат. Їх основні переваги - проста структура, без потреби живлення та тепловідповідач - забезпечують їх незрозумілості, але вони також повинні розвиватися в тандемі з новими датчиками.