Помогнете на развитието на сайта, споделяйки статията с приятели!

При автоматизацията на технологичните процеси често е необходимо да се вземат индикатори за температурни промени, за тяхното зареждане в контролни системи, с цел по-нататъшна обработка. Това изисква много точни сензори с ниска инерция, способни да издържат на високи температурни натоварвания в определен диапазон на измерване. Като термоелектрически конвертор, термодвойките са широко използвани - диференциални устройства, които преобразуват топлинната енергия в електрическа енергия.

Устройствата са също прост и удобен температурен сензор за термоелектричен термометър, проектиран да извършва точни измервания в доста широки температурни диапазони. По-специално, автоматизацията на управлението на газовите котли и другите отоплителни системи се задейства от електрически сигнал от сензор, базиран на термодвойки. Конструкциите на сензорите осигуряват необходимата точност на измерване в избран температурен диапазон.

Устройство и принцип на работа

Термопара структурно се състои от две жици, всяка от които е направена от различни сплави. Краищата на тези проводници образуват контакт (горещо съединение), направен чрез усукване, използвайки тесен заваръчен шев или челно заваряване. Свободните краища на термодвойката се затварят с помощта на компенсационни проводници към контактите на измервателното устройство или се свързват към устройство за автоматично управление. В точките на съединяване, се образуват други така наречени студени кръстовища. Устройството е показано схематично на фигура 1.

Фиг. 1. Схема на структурата на термодвойките

Зоната на горещото свързване е маркирана в червено, студеното съединение е в синьо.

Електродите се състоят от различни метали (метал А и метал В), които са рисувани в различни цветове на диаграмата. За да се предпазят термоелектродите от агресивна гореща среда, те се поставят в запечатана капсула, напълнена с инертен газ или течност. Понякога керамичните топчета се поставят върху електродите, както е показано на фиг. 2).

Фиг. 2. Термодвойка с керамични мъниста

Принципът на действие се основава на термоелектрически ефект. Когато веригата е затворена, например с един миливолтметър (виж фиг. 3), термо-ЕДС се появява в точките на сраствания. Но ако контактите на електродите са при една и съща температура, тогава тези ЕДС компенсират взаимно и токът не се появява. Въпреки това, ако е необходимо да се загрее мястото на горещото запояване с горелка, то според ефекта на Seebeck ще има потенциална разлика, подкрепяща съществуването на електрически ток във веригата.

Фиг. 3. Измерване на напрежение на проводници ТР

Трябва да се отбележи, че напрежението в студените краища на електродите е пропорционално на температурата в областта на горещото запояване. С други думи, в определен температурен диапазон се наблюдава линейна термоелектрическа характеристика, показваща зависимостта на напрежението от величината на температурната разлика между точките на горещо и студено запояване. Строго погледнато, линейността на индикаторите може да се говори само за това, когато температурата в зоната на студената комиссура е постоянна. Това трябва да се има предвид при извършване на градуиране на термодвойките. Ако температурата в студените краища на електродите се промени, грешката при измерването може да бъде доста значителна.

В случаите, когато е необходимо да се постигне висока точност на индикаторите, студените шипове на измервателните преобразуватели се поставят дори в специални камери, в които температурната среда се поддържа на същото ниво чрез специални електронни устройства, използващи данни от термометър за съпротивление (диаграмата е показана на фиг. 4). С този подход можете да постигнете точност на измерване с точност до ± 0.01 ° C. Такава висока точност обаче е необходима само в няколко технологични процеса. В някои случаи изискванията не са толкова строги и грешката може да бъде много по-ниска.

Фиг. 4. Решаване на въпроса за точността на отчитанията на термодвойките.

Грешката се влияе не само от температурните капки в околната среда около студеното запояване. Точността на показанията зависи от вида на конструкцията, окабеляването на проводниците и някои други параметри.

Видове термодвойки и техните характеристики

Различните сплави, използвани за производството на термодвойки, имат различни коефициенти на термо-ЕРС. В зависимост от това от кого са изработени термоелектродите, се разграничават следните основни видове термодвойки:

  • ТРР13 - платина-платина (тип R);
  • TPP10 - платина-платина (тип S);
  • TPR - платина-родий-платина-родий (тип В);
  • TLC - железен константан (тип J);
  • TMKn - меден константан (тип T);
  • TNN - нихросил-низилови (тип N);
  • TXA - хромел-алумел (тип К);
  • TCHKn - хромел-константан (тип Е);
  • TLC - хромел-копел (тип L);
  • ТМК - меден копел (тип М);
  • TCC - silh-silin (тип I);
  • TVR - волфрам (типове А-1 - А-3).

Техническите изисквания за термодвойките се задават по параметри, определени от ГОСТ 6616-94, а техните НСХ (номинални статични конверсионни характеристики), оптималните диапазони на измерване, установените класове на толеранс се регулират от стандартите IEC 62460 и са определени от ГОСТ 8.585-2001. Забележете също, че NSH в волфрамов рениеви термодвойки липсваха в IEC таблиците до 2008 г. Досега тези стандарти не определят характеристиките на хромел-копелната термодвойка, но техните параметри все още се регулират от ГОСТ 8.585-2001. Ето защо вносните термодвойки от тип L не са пълен аналог на вътрешния продукт TCC.

Термичните сензори могат да се класифицират според други признаци: от вида на кръстовищата, броя на чувствителните елементи.

Видове връзки

В зависимост от предназначението на термичния сензор, термодвойките съединения могат да имат различна конфигурация. Има едноелементни и двуелементни връзки. Те могат да бъдат или заземени към тялото на колбата или незаземени. Можете да разберете схемите на такива структури от Фигура 5.

Фиг. 5. Видове кръстовища

Буквите са маркирани:

  • И - едно съединение, изолирано от тялото;
  • H - едно съединение, свързано към корпуса;
  • AI - две изолирани една от друга и от тялото на кръстовището;
  • 2I - двойно съединение, изолирано от тялото;
  • IN - два възела, единият от които е заземен;
  • NN - две неизолирани съединения, свързани към корпуса.

Заземяването на корпуса намалява инерцията на термодвойката, което от своя страна увеличава производителността на сензора и увеличава точността на измерванията в реално време.

За да се намали инерцията в някои модели на термоелектрическите преобразуватели се оставя горещ възел извън защитната крушка.

Многоточкови термодвойки

Често се изисква измерване на температурата в различни точки по едно и също време. Многоточковите термодвойки решават този проблем: те улавят данни за температурата по оста на преобразувателя. Такава необходимост възниква в химическата и нефтохимическата промишленост, където е необходимо да се получи информация за разпределението на температурата в реактори, колони за фракциониране и в други резервоари, предназначени за обработка на течности с химически средства.

Многоточковите измервателни преобразуватели за температура подобряват ефективността, не изискват сложна поддръжка. Броят на точките за събиране на данни може да достигне до 60. В този случай се използват само една колба и една точка на вмъкване в инсталацията.

Таблица за сравнение на термодвойките

По-горе се разглеждат видовете термоелектрически преобразуватели. Най-вероятно читателят има разумен въпрос: Защо има толкова много видове термодвойки?

Факт е, че точността на декларираните от производителя измервания е възможна само в определен температурен диапазон. В този диапазон производителят гарантира линейната характеристика на продукта. В други обхвати зависимостта на напрежението от температурата може да бъде нелинейна и това непременно ще бъде отразено в точността. Трябва да се има предвид, че материалите имат различна степен на разтопяемост, така че за тях съществува ограничаваща стойност на работните температури.

За сравнение на термодвойките се изготвят таблици, в които се показват основните параметри на измервателните преобразуватели. Като пример представяме един от вариантите на таблицата за сравняване на общи термодвойки.

Таблица 1.

Тип термодвойкаKJNRSBTE
Положителен електроден материалCr - NiFeNi - Cr - SiPt - Rh (13% Rh)Pt - Rh (10% Rh)Pt - Rh (30% Rh)CuCr - Ni
Материал на отрицателен електродNi - AlCu - NiNi - Si - MgPtPtPt - Rh (6% RhCu - NiCu - Ni
Температурен коефициент40 … 4155.268
Работен температурен диапазон, ºC0 до +11000 до +7000 до +11000 до +16000 до 1600+200 до +1700−185 до +3000 до +800
Гранични температури, ºС-180; 1300-180; 800-270; 1300- 50; 1600-50; 17500; 1820-250; 400-40; 900
Клас на точност 1, в подходящия температурен диапазон, (° C)± 1.5 от -40 ° С до 375 ° С± 1.5 от -40 ° С до 375 ° С± 1.5 от -40 ° С до 375 ° С± 1.0 от 0 ° С до 1100 ° С± 1.0 от 0 ° С до 1100 ° С± 0.5 от -40 ° С до 125 ° С± 1.5 от -40 ° С до 375 ° С
± 0, 004 × Т от 375 ° С до 1000 ° С± 0, 004 × Т от 375 ° С до 750 ° С± 0, 004 × Т от 375 ° С до 1000 ° С± 1 + 0.003 × (Т - 1100)] от 1100 ° С до 1600 ° С± 1 + 0.003 × (Т - 1100)] от 1100 ° С до 1600 °± 0, 004 × Т от 125 ° С до 350 ° С± 0, 004 × Т от 375 ° С до 800 ° С
Клас на точност 2 в подходящия температурен диапазон, (° C)± 2.5 от -40 ° С до 333 ° С± 2.5 от -40 ° С до 333 ° С± 2.5 от -40 ° С до 333 ° С± 1.5 от 0 ° С до 600 ° С± 1.5 от 0 ° С до 600 ° С± 0, 0025 × T от 600 ° C до 1700 ° C± 1.0 от -40 ° С до 133 ° С± 2.5 от -40 ° С до 333 ° С
± 0, 0075 × Т от 333 ° С до 1200 ° С± 0, Т от 333 ° С до 750 ° С± 0, 0075 × Т от 333 ° С до 1200 ° С± 0, 0025 × T от 600 ° C до 1600 ° C± 0, 0025 × T от 600 ° C до 1600 ° C± 0, 0075 × Т от 133 ° С до 350 ° С± 0, 0075 × Т от 333 ° С до 900 ° С
IEC цветни маркировкиЗелено - бялоЧерно - бялоЛюляк - бялОранжево - бялоОранжево - бялонеКафяво - бялоЛилаво - бяло

Методи на свързване

Всяка нова точка на свързване на проводник от различни метали образува студен контакт, който може да повлияе на точността на показанията. Поради това, ако е възможно, се осъществяват връзки с термодвойки чрез проводници от същия материал като електродите. Производителите обикновено доставят продукти с свързани кабели за компенсация.

Някои метри съдържат показания, базирани на вграден термистор. Проводниците са просто свързани към такива устройства, спазвайки тяхната полярност (виж фиг. 6).

Фиг. 6. Компенсационни проводници

Често използвайте схемата за свързване "за прекъсване". Измервателното устройство е свързано чрез проводник от същия тип като терминалите (най-често мед). По този начин в кръстовищата няма студено кръстовище. Образува се само на едно място: в точката на свързване на проводника с електрода на термодвойката. Фигура 7 показва диаграма на такава връзка.

Фиг. 7. Разстояние между проводниците

Когато свързвате термодвойка, измервателните системи трябва да се поставят възможно най-близо, за да се избегне използването на твърде дълги кабели. При всяко тел е възможно интерференция, която се увеличава с увеличаване на дължината на жицата. Ако е възможно да се отървете от радио интерференция чрез екраниране на кабелите, тогава е много по-трудно да се справите с токовете на пикапа.

В някои вериги се използва компенсиращ термистор между контакта на измервателния уред и точката на студената връзка. Тъй като външната температура влияе еднакво на резистора и свободния възел, този елемент ще коригира такива ефекти.

И накрая: свързвайки термодвойката с измервателното устройство, е необходимо с помощта на таблици за калибриране да се извърши процедурата за калибриране.

приложение

Термодвойките се използват там, където се изисква измерване на температурата в технологична среда. Използват се в автоматизирани системи за управление като температурни сензори. Термодвойките от типа TVR, в които впечатляващият диаметър на термоелектрода е, са незаменими, когато е необходимо да се получат данни за твърде високи температури, по-специално в металургията.

Газови котли, конвектори, бойлери също са оборудвани с термоелектрически преобразуватели.

предимства

  • висока точност на измерване;
  • доста широк температурен диапазон;
  • висока надеждност;
  • лесна поддръжка;
  • евтинията.

недостатъци

Недостатъците на продуктите са фактори:

  • ефекта на свободните възли върху работата на инструмента;
  • ограничаване на границите на работния обхват на нелинейната зависимост на TEDS от степента на нагряване, което създава трудности при разработването на вторични преобразуватели на сигнали;
  • по време на продължителна експлоатация в условия на температурни спадания, характеристиките на калибриране се влошават;
  • необходимостта от индивидуално калибриране, за да се получи висока точност на измерване, в рамките на грешката от 0, 01 ºC.

Поради факта, че проблемите, свързани с недостатъци, могат да бъдат решени, използването на термодвойки е повече от оправдано.

Свързани видеоклипове

Помогнете на развитието на сайта, споделяйки статията с приятели!

Категория: