Термопарные сенсоры

Национальный технический  университет Украины 
«Киевский политехнический институт»

Факультет электроники

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат 
По курсу  «Основы сенсорики»

На тему: «Термопарные сенсоры»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  Студента 4-го курса

 Группы ДП-91

Антаманова Ивана 
                                                                                               Проверил: Коваль В.М.

                      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Киев – 2012

План 
1. Введение 
2. Принцип действия (Эффект Зеебека)

3.Объяснение эффекта  
4.Материалы для изготовления термопар

5. Преимущества и недостатки 
6. Формирование спая

7. Применение термопар 
8. Выводы 
9. Список литературы

 

 

1.Введение 
Как известно, термопара – старейший и до сих пор наиболее распространенный в промышленности температурный датчик. Действие термопары основано на эффекте, который впервые был открыт и описан Томасам Зеебеком в 1822 г. Эффект Зеебека – возникновении тока в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при наличии градиента температур между спаями. Термопары широко применяют для измерения температуры различных объектов, а также в автоматизированных системах управления и контроля. Измерение температур с помощью термопар получило широкое распространение из-за надежной конструкции датчика, возможности работать в широком диапазоне температур и дешевизны. Широкому применению термопары обязаны в первую очередь своей простоте, удобству монтажа, возможности измерения локальной температуры. Они гораздо более линейны, чем многие другие датчики, а их нелинейность на сегодняшний день хорошо изучена и описана в специальной литературе. К числу достоинств термопар относятся также малая инерционность, возможность измерения малых разностей температур. 
В этом реферате я постараюсь качественно объяснить принцип работы термопары (эффект Зеебека), из каких материалов можно изготавливать термопарные сенсоры,  преимущества и недостатки, а так же применение и рекомендации к выбору термопары.

 

 

 

 

2. Принцип действия (Эффект Зеебека) 
Данный эффект был открыт в 1821 Т. И. Зеебеком. В 1822 году он опубликовал результаты своих опытов в статье «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур», опубликованной в докладах Прусской академии наук. Эффект заключается в том, что если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру (Т1 не равно Т2), то в цепи протекает электрический ток (рис. 2.1). Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока.

                                    

                                              Рис. 2.1 
Таким образом, термопара может образовывать устройство (или его часть), использующее термоэлектрический эффект для измерения температуры. В сочетании с электроизмерительным прибором термопара образует термоэлектрический термометр. Измерительный прибор или электронную измерительную систему подключают либо к концам термоэлектродов (рис. 2.2,а), либо в разрыв одного из них (рис. 2.2,б).

Рис. 2.2 (а,б) Подключение термопары к измерительному прибору   

В местах подключения проводников  термопары к измерительной системе  возникают дополнительные термоЭДС. В результате их действия на вход измерительной системы фактически поступает сумма сигналов от рабочей термопары и от «термопар», возникших в местах подключения (рис. 2.3).

Рис. 2.3 Принцип работы термопары    

Существуют различные  способы избежать этого эффекта. Самым очевидным из них является поддержание температуры холодного  спая постоянной. На практике при измерении температур широко используется техника «компенсации холодного спая»: температура холодного спая измеряется другим датчиком температуры, а затем величина термоЭДС холодного спая программно или аппаратно вычитается из сигнала термопары (рис. 2.4). Места подключения термопары к измерительной системе должны иметь одинаковую температуру, то есть находиться в изотермальной зоне. Кроме того, в схеме с компенсацией холодного спая в этой же зоне должен находиться и датчик температуры холодного спая. Разработчик должен учитывать эти требования при конструировании измерительной системы.

Рис. 2.4 Техника компенсации холодного спая

Само термоэдс можно считать пропорциональной разности температур (в небольшом интервале) :

 где   — термоэлектрическая способность пары (или коэффициент термоэдс).

В простейшем случае коэффициент  термоэдс определяется только материалами  проводников, однако, строго говоря, он зависит и от температуры, и в  некоторых случаях с изменением температуры   меняет знак.Более корректное выражение для термоэдс:

 

 3.Объяснение эффекта.  
Возникновение эффекта Зеебека вызвано несколькими составляющими:  
-Различная зависимость средней энергии электронов от температуры в различных веществах 
Если вдоль проводника существует градиент температур, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном; в полупроводниках в дополнение к этому концентрация электронов проводимости растет с температурой. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному и на холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остаётся нескомпенсированный положительный заряд. Процесс накопления заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет поток электронов в обратном направлении, равный первичному, благодаря чему установится равновесие. 
ЭДС, возникновение которой описывается данным механизмом, называется  объёмной ЭДС.

-Различная зависимость от температуры контактной разности потенциалов

Контактная разность потенциалов  вызвана отличием энергий Ферми у контактирующих различных проводников. При создании контакта химические потенциалы электронов становятся одинаковыми, и возникает контактная разность потенциалов, равная

, где   — энергия Ферми,   — заряд электрона.

На контакте тем самым  существует электрическое поле, локализованное в тонком приконтактном слое. Если составить замкнутую цепь из двух металлов, то U возникает на обоих  контактах. Электрическое поле будет  направлено одинаковым образом в  обоих контактах — от большего F к меньшему. Это значит, что если совершить обход по замкнутому контуру, то в одном контакте обход будет происходить по полю, а в другом — против поля. Циркуляция вектора Е тем самым будет равна нулю.

Если температура одного из контактов изменится на dT, то, поскольку энергия Ферми зависит  от температуры, U также изменится. Но если изменилась внутренняя контактная разность потенциалов, то изменилось электрическое  поле в одном из контактов, и поэтому  циркуляция вектора Е будет отлична от нуля, то есть появляется ЭДС в замкнутой цепи. Данная ЭДС называется  контактная ЭДС. Если оба контакта термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то и контактная, и объёмная термоэдс исчезают.

-Фононное увлечение

Если в твёрдом теле существует градиент температуры, то число фононов, движущихся от горячего конца к холодному, будет больше, чем в обратном направлении. В результате столкновений с электронами фононы могут увлекать за собой последние и на холодном конце образца будет накапливаться отрицательный заряд (на горячем — положительный) до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не уравновесит эффект увлечения. Эта разность потенциалов и представляет собой 3-ю составляющую термоэдс, которая при низких температурах может быть в десятки и сотни раз больше рассмотренных выше. В магнетиках наблюдается дополнительная составляющая термоэдс, обусловленная эффектом увлечения электронов магнонами.

4.Материалы для  изготовления термопар 
Термопары из неблагородных металлов 
 
Тип J (железо-константановая термопара) 
• Не рекомендуется использовать ниже 0 °С, т.к. конденсация влаги на железном выводе приводит к образованию ржавчины; 
• Наиболее подходящий тип для разряженной атмосферы; 
• Максимальная температура применения – 500 °С, т.к выше этой температуры происходит быстрое окисление выводов. Оба вывода быстро разрушаются в атмосфере серы. 
• Показания повышаются после термического старения. 
• Преимуществом является также невысокая стоимость. 
 
Тип Е (хромель-константановая термопара) 
• Преимуществом является высокая чувствительность. 
• Термоэлектрическая однородность материалов электродов. 
• Подходит для использования при низких температурах. 
 
s Тип Т (медь-константановая термопара) 
• Может использоваться ниже 0 °С; 
• Может использоваться в атмосфере с небольшим избытком или недостатком кислорода; 
• Не рекомендуется использование при температурах выше 400 °С; 
• Не чувствительна к повышенной влажности; 
• Оба вывода могут быть отожжены для удаления материалов, вызывающих термоэлекрическую неоднородность. 
 
Тип К (хромель-алюмелевая термопара) 
• Широко используются в различных областях от – 100 °С до +1000 °С (рекомендуемый предел, зависящий от диаметра термоэлектрода); 
• В диапазоне от 200 до 500 °С возникает эффект гистерезиса, т.е показания при нагреве и охлаждении могут различаться. Иногда разница достигает 5 °С; 
• Используется в нейтральной атмосфере или атмосфере с избытком кислорода; 
• После термического старения показания снижаются; 
• Не рекомендуется использовать в разряженной атмосфере, т.к. хром может выделяться из Ni-Cr вывода (так называемая миграция), термопара при этом изменяет ТЭДС и показывает заниженную температуру;  
• Атмосфера серы вредна для термопары, т.к. воздействует на оба электрода. 
 
Тип N (нихросил-нисиловая термопара) 
• Это относительно новый тип термопары, разработанный на основе термопары типа К. Термопара типа К может легко загрязняться примесями при высоких температурах. Сплавляя оба электрода с кремнием, можно тем самым загрязнить термопару заранее, и таким образом снизить риск дальнейшего загрязнения во время работы. 
• Рекомендуемая рабочая температура до 1200 °С (зависит от диаметра проволоки). 
• Кратковременная работа возможна при 1250 °С; 
• Высокая стабильность при температурах от 200 до 500 °С (значительно меньший гистерезис, чем для термопары типа К); 
• Считается самой точной термопарой из неблагородных металлов. 
 
Общие советы по выбору термопар из неблагородных металлов 
 
ниже нуля – тип Е, Т 
комнатные температуры – тип К, Е, Т 
до 300 °С – тип К 
от 300 до 600°С – тип N 
выше 600 °С – тип К или N  

 
Термопары из благородных  металлов 
 
Тип S (платнородий-платиновая термопара) 
• Рекомендуемая максимальная рабочая температура 1350 °С; 
• Кратковременное применение возможно при 1600 °С; 
• Загрязняется при температурах выше 900 °С водородом, углеродом, металлическими примесями из меди и железа. При содержании железа в платиновом электроде на уровне 0,1%, ТЭДС изменяется более, чем на 1 мВ (100°С) при 1200 °С и 1,5 мВ (160 °С) при 1600 °С. Такая же картина наблюдается при загрязнении медью. Таким образом, термопары нельзя армировать стальной трубкой, или следует изолировать электроды от трубки газонепроницаемой керамикой. 
• Может применяться в окислительной атмосфере. 
• При температуре выше 1000 °С термопара может загрязняться кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных керамических материалов. Важно использовать керамические трубки, состоящие из высокочистого оксида алюминия. 
• Не рекомендуется применять ниже 400 °С, т.к ТЭДС в этой области мала и крайне не линейна. 
 
Тип R (платнородий-платиновая термопара)  
• Свойства те же, что и у термопар типа S. 
 
Тип В (платнородий-платинородиевая термопара) 
• Рекомендуемая максимальная температура рабочего диапазона 1500 °С (зависит от диаметра проволоки); 
• Кратковременное применение возможно до 1750 °С; 
• Может загрязняться при температурах выше 900 °С водородом, кремнием, парами меди и железа, но эффект меньше, чем для термопар типа S и R; 
• При температуре выше 1000 °С термопара может загрязняться кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных керамических материалов. Важно использовать керамические трубки, состоящие из высокочистого оксида алюминия. 
• Может использоваться в окислительной среде; 
• Не рекомендуется применение при температуре ниже 600 °С, где ТЭДС очень мала и не линейна.  
 
На рис. 4.1 представлены зависимости ЭДС от температуры наиболее распространенных типов термопар, у которых температура холодного спая поддерживается равной 0°С. Из него видно, что термопары типа Е наиболее чувствительны и развивают наибольшее выходное напряжение при одном и том же изменении температуры, чем другие. С другой стороны, термопары типа S являются наименее чувствительными. К сожалению, у большинства термопар эти зависимости в некоторых диапазонах температур носит нелинейный характер.

Рис. 4.1 Зависимости ЭДС от температуры наиболее распространенных типов термопар   

При выборе термопары  для производства замеров температуры  в некотором диапазоне следует  выбирать ту термопару, коэффициент  линейности которой изменяется менее  других в рамках этого диапазона. Для достижения высокой точности измерений термопарного термометра во всем диапазоне рабочих температур необходима его калибровка.

 

5. Преимущества  и недостатки 
Главные преимущества термопар: 
- широкий диапазон рабочих температур, это самый высокотемпературный из контактных датчиков. 
- спай термопары может быть непосредственно заземлен или приведен в прямой контакт с измеряемым объектом. 
- простота изготовления, надежность и прочность конструкции.  
 
Недостатки термопар: 
- необходимость контроля температуры холодных спаев. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового сенсора и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС. 
- возникновение термоэлектрической неоднородности в проводниках и, как следствие, изменение градуировочной характеристики из-за изменения состава сплава в результате коррозии и других химических процессов.  
- материал электродов не является химически инертным и, при недостаточной герметичности корпуса термопары, может подвергаться влиянию агрессивных сред, атмосферы и т.д. 
- на большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей. 
- зависимость ТЭДС от температуры существенно не линейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала. 
- когда жесткие требования выдвигаются к времени термической инерции термопары, и необходимо заземлять рабочий спай, следует обеспечить электрическую изоляцию преобразователя сигнала для устранения опасности возникновения утечек через землю. 
 
 
6. Формирование спая 
Существует много способов формирования рабочего спая термопары: механическое скручивание, пайка, сварка и т.д. При сварке в спай добавляется третий метал, но т.к. температуры проводников, исходящих из спая одинаковы, это не может привести к какой-либо погрешности. Проблема заключается в том, что третий метал, как правило, имеет более низкую температуру плавления и при высоких температурах спай может разорваться. Более того, может происходить загрязнение электродов чужеродным испаряющимся металлом. Поэтому рекомендуется производить сварку рабочего спая. Однако процесс сварки тоже требует особого внимания, т.к. перегрев может повредить термопарную проволоку и газ, используемый для сварки, может диффундировать в проволоку. Дефектная сварка может привести в разрыву спая при эксплуатации. В программном обеспечении, используемом для считывания и обработки сигнала термопары всегда есть специальный тест на разрыв спая. 

 
7. Применение и виды термопар 
В зависимости от конструкции и назначения различают термопары погружаемые и поверхностные; с обыкновенной, взрывобезопасной, влагонепроницаемой или иной оболочкой (герметичной или негерметичной), а также без оболочки; обыкновенные, вибротряскоустойчивые и ударопрочные; стационарные и переносные и т.д. Внешний вид некоторых конструкций термопар представлен на рис. 7.1.Отечественная промышленность выпускает электронные термометры для измерения температуры контактным способом. Так, например, одно из отечественных предприятий наладило производство серии измерителей температуры, каждый из которых состоит из электронного блока и набора сменных датчиков температуры, представляющих собой стандартные хромель-алюмелевые термопары (тип К) в различных конструктивных исполнениях. Серия состоит из трех приборов: ETI-2OO1, ETI-2OO2 и ETI-2OO3 (табл. 3). Прибор ETI-2001 имеет 2 диапазона температур, переключение между которыми выполняется кнопками на лицевой панели. Узкий диапазон температур характеризуется более высоким разрешением и точностью. Приборы ETI-2OO2 и ETI-2OO3 имеют только по одному диапазону. Приборы имеют кнопку HOLD, с помощью которой можно зафиксировать измеренное значение температуры на индикаторе.