1. Принцип дії та будова термопари

Як працюють термопари? Термопари працюють завдяки різниці в термоелектричних властивостях різних металів, що дозволяє вимірювати температуру на основі змін напруги. Ці вимірювальні прилади складаються з двох металевих проводів, з'єднаних на одному кінці, кожен з яких має різні термоелектричні властивості. Коли температура з'єднання підвищується, носії заряду прискорюються і переміщуються в бік холоднішого кінця. Цей рух генерує напругу, яка зростає із підвищенням температури та провідності використовуваних металів. Це термоелектричне явище, відоме як ефект Зеебека, спричиняє різну провідність у кожному з металів, що призводить до виникнення різних напруг на обох «ніжках». Різниця між цими напругами (позначена як UT1) дозволяє вимірювати температуру в точці з'єднання або безпосередньо в точці вимірювання.

На другому кінці, де термопара з'єднується з вимірювальним приладом, виникають дві часткові напруги (UT2a і UT2b). Їхня сума, яка також виникла б у разі короткого замикання термопари при заданій температурі, відображає температуру в точці з'єднання, яка називається холодним з'єднанням. Ця виміряна напруга дозволяє визначити різницю температур – різницю між гарячою точкою вимірювання та холоднішим холодним з'єднанням.

2. Компенсаційні кабелі та з'єднувачі, вільні від термоелектричної напруги

Друга напруга (UT2) при холодному з'єднанні:

У термопарах виникає напруга, коли два різних метали з'єднуються і піддаються впливу різних температур. Одна з цих напруг, яка називається UT2, виникає в місці, де термопара з'єднується з проводами (це місце називається холодним з'єднанням).

Компенсаційні кабелі:

Термопари часто використовуються з компенсаційними проводами. Ці проводи виготовляються з матеріалів, які мають схожі термоелектричні властивості з тими, що використовуються в термопарах. Завдяки цьому їх можна подовжувати аж до вимірювального приладу без спотворення вимірювань температури.

З'єднувачі, вільні від термоелектричної напруги:

З'єднувачі, які не генерують додаткової термоелектричної напруги, є дуже важливими. Чому? Якщо з'єднувачі генерували б додаткову напругу, це могло б порушити точність вимірювань температури. Використання таких спеціальних з'єднувачів допомагає отримати більш точні та надійні результати вимірювань.

3. Внутрішня компенсація температури термоелектричного датчика

Польовий пристрій обчислює різницю температур, використовуючи різницю напруг між UT1 і UT2. Як вимірюється температура холодного з'єднання (T2)? Температура холодного з'єднання, позначена як T2, вимірюється додатковим датчиком температури, що є ключовим для точності вимірювання. Чому це важливо? Ця температура (T2) потім додається назад до обчисленої різниці температур (T1 - T2 + T2), що дає нам кінцеве значення температури в місці вимірювання, позначене як T1.

Що таке внутрішня компенсація температури? Це процес, який забезпечує точне і надійне визначення температури в точці вимірювання. Ключовим елементом цього методу є температура відліку, яка дозволяє проводити точні розрахунки і компенсувати можливі розбіжності.

4. Розгляд коротких замикань в системах з термопарами

Що відбувається, коли в компенсаційному кабелі виникає коротке замикання? Коротке замикання в компенсаційному кабелі призводить до утворення додаткової термопари, яка працює паралельно з оригінальною. Іншими словами, в місці замикання утворюється новий, небажаний термоелемент. Це призводить до того, що вимірювана температура стає середнім значенням температури в місці фактичного вимірювання та температури в місці замикання.

Наприклад, якщо фактична температура в точці вимірювання становить 200 °C, а температура в місці замикання становить 100 °C, прилад може показувати температуру близько 150 °C. Це означає, що результат вимірювання є спотвореним і не відповідає реальним умовам.

На жаль, польовий прилад (тобто прилад, який обробляє сигнал від термопари) не здатний виявити такого типу коротке замикання. Чому так відбувається? Ці пристрої призначені для зчитування напружених сигналів, що генеруються термопарами, і не мають діагностичних функцій, які могли б вказати на те, що в результаті замикання утворилася додаткова термопара.

В результаті, вимірювання температури в системах з термопарами можуть бути ненадійними, якщо в компенсаційних проводах виникнуть замикання. Тому важливо регулярно перевіряти стан компенсаційних проводів і переконуватися, що вони не мають замикань, щоб отримати точні і надійні вимірювання температури.

5. Гальванічна ізоляція в вимірювальному колі термопари

У системах з термопарами можуть виникати короткі замикання, тобто небажане електричне з'єднання між проводами термопари та масою установки. Що таке маса установки? Це точка відліку в електричних системах, яка з'єднана із землею для гарантування безпеки та правильної роботи пристроїв. Таке коротке замикання може виникнути в декількох випадках. Наприклад, коротке замикання може виникнути між з'єднанням роз'єму та захисною трубкою. Таке з'єднання іноді використовується навмисно, щоб отримати швидшу реакцію на зміни температури. Іншим випадком є зменшення опору керамічних труб, що може статися при високих температурах вимірювання. Зменшений опір означає, що електричний струм легше протікає через ці труби, що збільшує ризик короткого замикання.

Щоб запобігти таким коротким замиканням і пов'язаним з ними проблемам, слід застосовувати гальванічну ізоляцію. Гальванічна ізоляція відокремлює вимірювальний контур термопари від решти електричної системи, запобігаючи небажаним струмовим потокам, які можуть порушувати вимірювання.

Як можна досягти гальванічної ізоляції? Існує кілька методів:

• Передавач: Використання передавача, який передає вимірювальний сигнал без прямого електричного з'єднання.
• Ізолятор живлення: Пристрій, який подає енергію до вимірювального кола, одночасно ізолюючи його від решти системи.
• Аналітичний блок: Деякі сучасні вимірювальні блоки мають вбудовану гальванічну ізоляцію, що усуває необхідність використання додаткових пристроїв.

Застосування гальванічної ізоляції є ключовим для забезпечення точних і надійних вимірювань температури, особливо в складних промислових умовах, де ризик короткого замикання є високим. Завдяки гальванічній ізоляції вимірювальний контур захищений від небажаних перешкод, що дозволяє отримати точні результати.

6. Стандартизація термопар

Термопари стандартизовані відповідно до міжнародного стандарту DIN EN 60584-1, що забезпечує їх відповідність з точки зору електричних характеристик.  Залежно від використовуваних матеріалів, термопара  може вимірювати температуру в діапазоні від –200 °C до навіть 2500 °C. Найпопулярнішими типами термопар є J, K і N, які не містять дорогоцінних металів. На відміну від них, типи S і B виготовляються з дорогих дорогоцінних металів і призначені для роботи при дуже високих температурах. Термопара типу B дозволяє вимірювати найвищі температури, при цьому стандарт визначає максимальне значення в 1700 °C. Після вибору відповідного типу термопари польові прилади автоматично перераховують виміряне значення у відповідну шкалу температур.

7. Довгострокова робота термопар

Рекомендовані максимальні робочі температури для термопар, визначені в стандартах, призначені для типових застосувань у чистому повітрі. Це означає, що термопари працюють найефективніше та найточніше в контрольованих умовах, де повітря не містить забруднень та вологи. Однак, якщо термопари експлуатуються при температурах, вищих за рекомендовані, це може призвести до збільшення дрейфу сигналу. Дрейф сигналу означає поступове відхилення показаної температури від фактичного значення, що впливає на точність вимірювань.

Крім того, вихідний сигнал термопар може змінюватися, коли в їх структуру проникає чужорідна речовина. Це може статися, наприклад, коли термопари використовуються в атмосфері промислових печей, де вони можуть піддаватися впливу різних газів і забруднень, або в захисних трубах, які з часом можуть пропускати чужорідні речовини. Ці сторонні матеріали можуть вступати в реакцію з металами термопари, змінюючи її властивості та спричиняючи помилкові показання температури.

З цієї причини дуже важливо регулярно калібрувати термопари та відповідно налаштовувати польові пристрої, які обробляють сигнали від термопар. Калібрування полягає у перевірці та коригуванні показань термопари, щоб переконатися, що вона продовжує точно вимірювати температуру. Частота калібрування та технічного обслуговування повинна визначатися користувачем на основі специфіки застосування та умов роботи.

Зрештою, саме користувач повинен прийняти рішення, як довго даний вимірювальний прилад може ефективно використовуватися в даній установці. Регулярний моніторинг, калібрування та технічне обслуговування термопар є необхідними для забезпечення точності та надійності вимірювань температури протягом усього терміну експлуатації пристрою. Це дозволяє уникнути дорогих помилок і підтримувати високу якість промислових процесів.

Точність вимірювання за допомогою термопар – підсумок

Підсумовуючи, термопари є ключовими інструментами для вимірювання температури, які використовуються в багатьох галузях промисловості завдяки широкому діапазону вимірювання та високій точності. Вони працюють за принципом ефекту Зеебека, генеруючи напругу у відповідь на різницю температур між двома різними металами. Ключовим для точності вимірювань є правильне підключення термопари та використання компенсаційних проводів, які мінімізують перешкоди. Внутрішня компенсація температури холодного з'єднання необхідна для точних показань, а гальванічна ізоляція допомагає уникнути проблем із замиканням. Стандартизація відповідно до норми DIN EN 60584-1 забезпечує узгодженість вимірювань, а регулярне калібрування необхідне для підтримки точності та надійності термопар протягом тривалого періоду часу.

Перегляньте інші наші публікації в блозі, зокрема про типи термопар, включаючи термопари типу K і термопари типу J.

Про авторку

Мене звуть Евеліна Шміт, і я вже кілька років займаюся контент-маркетингом, поєднуючи свої професійні навички з пристрастю до написання текстів. Я переконана, що навіть найбільш технічні теми можна подати цікаво і доступно для всіх. Поза роботою я реалізую свої творчі здібності, створюючи колажі з газетних вирізок. Вільний час люблю проводити активно, вигулюючи собаку або займаючись бігом.

Коментарі

Ми закликаємо вас залишати коментарі через форму нижче. Вони будуть опубліковані онлайн після затвердження в межах нашого процесу перевірки.