Energy
education

сайт для тех, кто хочет изучать энергетику

Метрология и автоматизация

Microsoft Excel

Измерение температуры

Температура — скалярная физическая величина, примерно характеризующая приходящуюся на одну степень свободы среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия.

4. Термопары

Термопара представляет собой два провода, изготовленные из различных металлов. Эти два провода скреплены или сварены вместе и образуют спай. Когда на этот спай оказывают воздействие изменения температуры, то термопара реагирует на них генерируя напряжение, пропорциональное по величине изменениям температуры.

Термопара мультиметра.
Термопара мультиметра.

Если термопара подсоединена к электрической цепи, то величина генерируемого напряжения будет отображаться на шкале измерительного прибора. Затем показания прибора могут быть преобразованы в температурные показания с помощью таблицы. На некоторых приборах шкала откалибрована непосредственно в градусах.

В конструкции большинства термопар предусмотрен только один спай. Однако, когда термопара подсоединяется к электрической цепи, то в точках ее подсоединения может образовываться еще один спай.

Цепь, показанная на рисунке, состоит из трех проводов, помеченных как А, В и С. Провода скручены между собой и помечены как D и Е. Спай представляет собой дополнительный спай, который образуется когда термопара подсоединяется к цепи. Этот спай называется свободным (холодным) спаем термопары. Спай Е - это рабочий (горячий) спай. В цепи находится измерительный прибор, который измеряет разницу величин напряжения на двух спаях.

Цепь термопары.
Цепь термопары.

Два спая соединены таким образом, что их напряжение противодействует друг другу. таким образом на обоих спаях генерируется одна и та же величина напряжения и показания прибора будут равны 0. Так как существует прямо пропорциональная зависимость между температурой и величиной напряжения, генерируемой спаем термопары, то два спая будут генерировать одни и те же величины напряжения, когда температура на них будет одинаковой.

Когда спай термопары нагревается, то величина напряжения нем повышается прямо пропорционально. Поток электронов от нагретого спая протекает через другой спай, через измерительный прибор и возвращается обратно на горячий спай. Прибор показывает разницу напряжения между двумя спаями. Разность напряжения, показываемая прибором, преобразуется в температурные показания либо с помощью таблицы, либо прямо отображается на шкале, которая откалибрована в градусах.

Воздействие нагрева одного спая термопары.
Воздействие нагрева одного спая термопары.

Термины "холодный" и " рабочий" спай имеют специфическое значение в цепи термопары. Рабочий спай - это спай, который подвержен воздействию технологического процесса, чья температура измеряется. Холодный спай часто представляет собой точку, где свободные концы проводов термопары подсоединяются к измерительному прибору. На рисунке изображен только один холодный спай, хотя имеется две точки соединения. Холодный спай в данном примере представляет место соединения, где два разнородных металла сцепляются вместе.

Рабочий спай и холодный спай.
Рабочий спай и холодный спай.

Ввиду того, что напряжение, генерируемое термопарой прямо пропорционально ее температуре, то при нагревании рабочего спая, он генерирует больше напряжения, а при охлаждении - меньше. В силу того, что измерительный прибор в цепи термопары в действительности измеряет разность напряжения между двумя спаями, то напряжение холодного спая должно поддерживаться на неизменном уровне, насколько это возможно. Поддерживая напряжение на холодном спае на неизменном уровне мы тем самым гарантируем, что отклонение в показаниях измерительного прибора свидетельствует о изменении температуры на рабочем спае.

Если температура вокруг холодного спая меняется, то величина напряжения на холодном спае также изменится. В результате изменится напряжение на холодном спае. И как следствие разница в напржении на двух спаях тоже изменится, что в конечном итоге приведет к неточным показаниям температуры.

Для того, чтобы сохранить температуру на холодном спае на неизменном уровне во многих термопарах используются компенсирующие резисторы.

Цепь термопары с компенсирующим резистором.
Цепь термопары с компенсирующим резистором.

Параметры компенсирующего резистора в цепи термопары определяются при конструировании всей системы. Резистор находится в том же месте, что и холодный спай, так что температура воздействует на спай и резистор одновременно. По мере увеличения температуры холодный спай начинает генерировать большее напряжение, однако повышение температуры в свою очередь вызывает повышение сопротивления компенсирующего резистора. Это повышение сопротивления реально компенсирует повышение генерируемого холодным спаем напряжения в ответ на увеличение температуры.

Другим способом поддерживать величину напряжения на холодном спае на неизменном уровне является способ поддержания температуры окружающего воздуха на неизменном уровне. Это достигается путем размещения холодного спая в помещении, где регулируется температура, например в операторной или другом кондиционируемом помещении.

Термопары конструируются с учетом диапазона измеряемых температур. Термопары могут изготавливаться из комбинаций различных металлов. Комбинация используемых металлов определяет диапазон температур, измеряемых термопарой. По этой причине была разработана маркировка с помощью букв для обозначения различных типов термопар, и это буквенное обозначение указывает на комбинацию используемых металлов в данной термопаре.

Наибольшее распространение получили термопары:

  • хромель-алюмелиевые (ХА, K);
  • хромель-копелевые (ХК, L);
  • железо-константановые (ЖК, J);
  • платинородиево-платиновые (ПП, S (Pt-10%Rh/Pt) и R (Pt-13%Rh/Pt)).
Серия термопар с металлической коммутационной головкой.
Серия термопар с металлической коммутационной головкой.

Термопара - пара проводников из различных материалов, соединенных на одном конце и формирующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект Зеебека для измерения температуры.