Хромель и его физические свойства, состав и характеристики

Термопары ХА: особенности, назначение и сферы применения

Хромель-алюмелевые термопары (ГОСТ 3044-84) проявляют наиболее близкую к линейной термоэлектрическую характеристику. Это позволяет обеспечить чувствительность около 50 мкВ/°С и, как следствие, наивысшую точность производимых измерений. В конструкции термопар типа хромель-алюмель могут быть задействованы различные изоляционные материалы из керамики, асбеста, стекловолокна, кварца, эмалей, огнеупорных окислов.

К числу важнейших преимуществ, обуславливающих высокую востребованность термопар ХА, относят:

• относительно доступную стоимость;
• широкий спектр измеряемых температур в пределах от –200°С (70°К) до +1220°С (при кратковременном использовании допускается расширение диапазона измеряемых температур до +1350°С);
• малую инерционность, делающую возможным измерение даже незначительной разности температур;
• устойчивость к воздействию окисления, что обеспечивает надежную эксплуатацию в окислительных средах за счет появляющегося на поверхности электродов, по мере их нагрева, тонкого слоя прочной защитной пленки, препятствующей прямому контакту металла с кислородом.

К недостаткам хромель-алюмелевых термопар можно причислить:

• искажение показаний в случае деформирования электродов;
• обратимая нестабильность термо-ЭДС;
• невозможность использования в серосодержащих средах, что объясняется негативным влиянием паров серы как на хромелевый, так и на алюмелевый термоэлектроды, влекущим за собой их охрупчивание и снижение термо-электродвижущего потенциала.

ТХА – один из наиболее распространенных типов термопар – относят к категории датчиков общего применения, обычно имеющих вид различных щупов. Основное предназначение – измерение температур в инертных либо окислительных средах. В частности, допускается использование в среде сухого водорода либо вакуума (кратковременно). Термопары хромель-алюмель, в сравнении с аналогичными устройствами иных типоразновидностей, отличаются наибольшей устойчивостью к радиоактивному облучению при работе в атомных реакторах.

Сфера практического применения ТХА достаточно универсальна: от нагревательного и энергосилового оборудования промышленного назначения до разнообразной научно-экспериментальной аппаратуры и лабораторных приборов.

Погрешность измерений термопарой. Расчёт неопределенности результатов измерения температуры

Основные нормативные документы, касающиеся неопределенности измерений:

Руководство по оцениванию неопределенности в измерении (документ принят Международной Организацией по Стандартизации, Женева, 1993).ГОСТ Р 54500.1-2011 Неопределенность измерения. Часть 1. Введение в руководства по неопределенности измеренияГОСТ Р 54500.3-2011 Неопределенность измерения. Часть 3. Руководство по выражению неопределенности измеренияEA-4/02 Выражение неопределенности измерения при калибровке.

Бюджет неопределенности измерений

На неопределенность результатов измерений температуры термопарами влияют многие факторы, основные из них это:

1. неопределенность измерения термо-ЭДС регистрирующим прибором;
2. класс допуска термопары;
3. неопределенность калибровки термопары, т.е. определения её индивидуальной статистической характеристики (ИСХ);
4. термоэлектрическая характеристика удлинительной линии, соединяющей термопару с регистрирующим прибором;
5. изменение дифференциальной чувствительности (коэффициента Зеебека) термопары во времени (дрейф) и по длине, обусловленное возникновением и развитием термоэлектрической неоднородности (ТЭН).

Характеристики источников неопределенности измерения температуры термоэлектрическим преобразователем представлены в таблице 2. Бюджет неопределенности составлен в соответствии указанными выше нормативными документами. Для пояснения вкладов каждого из источников в суммарную неопределенность полезно привести выдержку из РМГ-43, касающуюся неопределенностей типа B:

Наиболее распространенный способ формализации неполного знания о значении величины заключается в постулировании равномерного закона распределения возможных значений этой величины в указанных (нижней и верхней) границах . При этом стандартную неопределенность, вычисляемую по

типу В – uB(xi), определяют по формуле   ,  а для симметричных границ (±bi) – по формуле  » (где xi – оценка i-й входной величины).»

Таблица 2. Бюджет неопределенности измерений

Источник неопределенности	Обозначение	Тип и вид распределения неопределенности	Вклад в суммарную неопределённость
Случайные эффекты при измерении	uСКО	тип А, нормальное распределение	uСКО
Расширенная неопределенность (k=2, 95%) регистрирующего прибора	uприбора	тип В, равномерное симметричное распределение
Разрешающая способность прибора	uр.с.	тип В, равномерное асимметричное распределение
Расширенная неопределенность (k=2, 95%) компенсации температуры опорных спаев	uопор	тип В, равномерное симметричноераспределение
Нестабильность прибора за межповерочный интервал (МПИ)	uдрейф_приб	тип В, равномерное симметричноераспределение
Расширенная неопределенность (k=2, 95%) влияние температуры окружающей среды на измерительный прибор	uокр_приб	тип В, равномерное симметричноераспределение
Расширенная неопределенность (k=3, 99,7%) класса допуска удлинительных проводов	uпровода	тип В, равномерное симметричноераспределение
Расширенная неопределённость индивидуальной статической характеристики ТП	uДТ	uДТ = uИСХ  в случае индивидуальной градуировки датчикаuДТ = uКД  в случае поверки ТП на соответствие классу допуска
Расширенная неопределенность (k=3, 99,7%) калибровки ТП	uИСХ	тип В, нормальное распределение
Расширенная неопределенность класса допуска ТП	uКД	тип B, равномерное симметричноераспределение
Расширенная неопределенность (k=3, 99,7%) влияние температуры окружающей среды на датчик температура	uокр_ДТ	тип В, равномерное симметричноераспределение
Нестабильность ТП за межповерочный интервал (МПИ)	uдрейф	тип В, равномерное симметричноераспределение
Неоднородность ТП	uТЭН	тип В, равномерное симметричноераспределение
Тепловой контакт со средой	uПЕЧЬ	тип В, равномерное симметричноераспределение
Самонагрев датчиков серии ТС	UНагр	тип В, равномерное асимметричное распределение
Расширенная неопределенность измерения температуры, °C	uТ

Расширенная неопределенность измерения uТ определяется по формулам:

 /1/

при измерении термопарами с индивидуальной градуировкой

или    /2/

при измерении термопарами без индивидуальной градуировки.

Что это и для чего нужно?

Приобретение термопары для газовой плиты – забота о безопасности своей семьи.

По сути – это датчик, регистрирующий температуру. Но только не окружающей среды, а пламени горелки плиты. Впрочем, разработчики не пытались следить за изменением температуры огня, а лишь за его наличием. Горит огонь, датчик нагрет, все работает нормально. Погас огонь, датчик остыл, отключается газ.

Покупка газовой плиты с термопарой не намного дороже, чем без нее, зато гарантирована профилактика утечки газа.

Все просто, эффективно и незатратно. Наличие опции незначительно влияет на цену модели. А безопасность такой плиты повышается.

В общих чертах термодатчик представляет собой небольших размеров цилиндр из спаянных вместе двух металлов. От него идут провода к электромагнитному клапану. Именно он и контролирует подачу газа. Работа системы построена на физических законах, о которых многие забыли сразу после школы.

Повторим физику

Устройство термопары основано на законах физики: закрытый контур из металлических проводников при нагревании производит электрический ток.

Первым эффект, легший в основу термопары, открыл немецкий физик Т. Зеебек. В своих опытах он установил, что закрытый контур из двух проводников различных металлов при нагревании образует электрический ток. При этом, чем больше нагревать спайку проводников, тем больший ток возникает.

Немецкий ученый Т. Зеебек первым обнаружил физическое явление, на котором основано действие термопары.

Один контакт контура нагревается и называется «горячим». Другой, «холодный» должен быть при более низкой температуре. С него и снимается показание температуры. Поскольку зависимость полученного тока от температуры нагревания строго линейна.

Маркировка термопар

Перед приобретением прибора важно разобраться в маркировке изделия, чтобы выбрать подходящий вариант.

Опытным путем были установлены пары металлов, использование которых наиболее эффективно. В зависимости от использованных металлов, прибор имеет свою маркировку. Зная ее и характеристики полученных спаев, можно выбрать подходящий для своих нужд датчик.

Различают следующие типы:

• K (ТХА/ХА) – никель с хромом или алюмелем. Распространенный, точный и недорогой с точностью +/- 1.10 С и диапазоном от -270 до 12600C.
• L (ТХК) – хромель с копелем. Основная черта – долговечность.
• J – железо с константаном. Второй по популярности с диапазоном от -210 до 7600C, не долговечен.
• T – медь с константаном. Прибор узкой специализации для особо низких температур.
• E – никель или хром с константаном. Высокоточный прибор для средних температур до 8700С.
• N – нихросил. Чрезвычайно точный, но дорогой прибор с диапазоном измерений до 3920C.

В продаже есть сплавы с добавлением усилителей. Они не так популярны, но имеют применение.

Где и как это используют?

В конфорках термопара для газовой плиты работает по простому принципу: есть или нет пламени.

Принцип действия термопары для газовой плиты не сложен, она реагирует на наличие и отсутствие пламени.

В духовке уже требуется контролировать температуру нагревания. Хозяйка устанавливает температуру и, в зависимости от того, насколько близка реальная температура в духовке, датчик регулирует интенсивность подачи газа через электромагнитный клапан.

Термопара для газового духового пара контролирует степень нагрева, а не только наличие пламени.

На том же принципе основана работа термодатчика газовых котлов и колонок. Контролируется температура нагревания воды, что дает возможность экономить потребление газа.

Термопара, установленная на газовый котел и регулирующая нагрев воды, сэкономит семейный бюджет.

Часто встречаются электронные термометры. С их помощью измеряют температуру в помещениях и у человека. Такие приборы гораздо безопаснее ртутных. В свое время они широко использовались в быту.

В промышленности широко применяется такое свойство термопары, как низкая инерционность. Что дает возможность измерять малую разность температур. Высоко ценится и применение датчиков в агрессивных средах и при высоких температурах, порядка 2 000 градусов.

Есть термопары, подходящие для измерения температуры в агрессивной среде. Они обладают устойчивой защитной арматурой.

Основные и преимущественные показатели алюмели

Алюмель характеризуется, удельным сопротивлением, составляющим 0,32 Ом×мм2/м, температурой плавления, которая равна 1440°C, коэффициентом линейного терморасширения 13,7×10−6/°C, плотностью – 8,48 г/см³, температурой отжига в 900-950°C, твердостью от 130 до 300 МПа. Достоинствами сплава являются: хорошая устойчивость к воздействию агрессивных сред и коррозии, высокая жаропрочность.1111111111 Недостатки сплава

Основной из недостатков алюмели – его дороговизна, которая объясняется тем, что основной составляющей сплава является достаточно недешевый никель. Если материал поместить в серистую среду и нагревать до высоких температур, он начнет охрупчиваться и потеряет свою устойчивость к воздействию коррозии. Во избежание таким разрушениям, повышается процентное содержание кремния в алюмели и уменьшается доля алюминия. Такие изменения в составе сплава, позволяют эксплуатировать его при температуре превышающей 1000°C.

Область применения

• Сплав марки НМЦАк 2-2-1поставляется в виде:
• круга, диаметром от 12 до 100 мм;
• проволоки, диаметром от 0,1 до 12 мм;
• ленты, толщина которой может варьироваться от 0,1 до 5 мм, а ширина от 3 до 600 мм.

Основная область применения алюмели – пирометрия. Его используют для изготовления термопар, терморегуляторов и компенсационных проводов.

Компенсационные провода из алюмели подключаются к термопарам, их особенность – снижение погрешности при измерении температуры. Алюмель-хромелевые термодатчики, благодаря своим небольшим размерам и высокой точности показаний при работе, нашли свое применение в области автомобилестроения, авиакосмической техники, а также они используются в физических и химических лабораториях.

Компания Метаторг предлагает алюмелевый металлопрокат в широком ассортименте. Обратившись к сотрудникам фирмы, вы сможете заказать необходимую ленту, проволоку или круг из этого сплава. Условия сотрудничества с Метаторг, в первую очередь, выгодны клиенту. Качество предлагаемой продукции высокое и подтверждено наличием соответствующих сертификатов. 

Выбор наиболее подходящего типа датчика

При выборе типа датчика, наиболее подходящего для конкретного технологического процесса и поставленной задачи, следует предварительно поставить несколько основных вопросов. Ответы на них предоставят ценную информацию.

Каков диапазон измеряемых температур?

При выборе датчика определение правильного температурного диапазона является очень важным. Если температура будет превышать +850 °C, необходимо использовать ТП. При температурах ниже +850 °C можно выбрать как ТС, так и ТП. Кроме того, не стоит забывать, что проволочные ТС обладают более широким диапазоном измерения температур, чем тонкопленочные (рис. 2).

Рис. 2. Диапазоны измерения температур различными типами термодатчиков

Какова требуемая точность измерения датчика?

Определение требуемого уровня точности является еще одним важным фактором при выборе датчика. Как правило, ТС имеют большую точность по сравнению с ТП, а проволочные ТС — по сравнению с тонкопленочными. Если предположить, что на выбор одной из двух технологий не оказывают влияние другие факторы, это правило помогает сделать выбор наиболее точного датчика.

Вызывает ли опасения вибрация, возникающая в ходе процесса обработки?

Уровень вибрации при технологическом процессе также необходимо учитывать при выборе датчика. ТП обладают наиболее высокой вибростойкостью из всех существующих технологий измерения температуры.

Существуют различные типы термопар, определяющиеся сочетанием используемой в них проволоки. ТП большинства типов могут использоваться для измерения более высоких температур, чем ТС.

Если достоверно известно, что в ходе процесса возникает сильная вибрация, использование ТП позволит достичь максимальной надежности измерения температуры. Тонкопленочные ТС также устойчивы к воздействию вибрации; тем не менее они не обладают достаточной прочностью. Использование проволочных ТС в условиях повышенной вибрации исключено.

Основные факторы, влияющие на долговременную стабильность параметров термопар

Старение и загрязнение

• Окислительные процессы в незащищенных термопарах (с «оголенными» проводами) приводят к искажению характеристических кривых.
• Проникновение инородных атомов в состав оригинальных сплавов, приводит к изменению свойств оригинального сплава и искажению характеристических кривых.
• Контакт с водородом приводит к охрупчиванию термопар.

Термопары, выполненные из неблагородных металлов, подвержены старению, что также приводит к изменению их температурных/термоэлектрических кривых.

Термопары из благородных металлов PtRh-Pt типов R и S практически не подвержены старению в диапазоне до 1400 °C. Однако они очень чувствительны к загрязнению. Кремний и фосфор быстро разрушают платину. В присутствии платины кремний может высвобождаться из изолирующих керамических деталей даже в среде со слабо выраженными восстановительными свойствами. Восстановление SiO2 до кремния приводит к загрязнению платинового вывода термопары. Это может стать причиной погрешности в 10 °С и более, если объемное содержание кремния находится в диапазоне нескольких частей на миллион.

По причине лучшего соотношения общего объема материала и поверхности, подверженной загрязнению, термопары из благородных металлов с утолщенным диаметром провода обладают большей долговременной устойчивостью. Именно поэтому мы разработали датчики типов S, R и B с диаметрами проводов термопары Ø 0,35 мм или Ø 0,5 мм (0,015″ или 0,020″). Однако необходимо учесть, что сечение проводов термопар Ø 0,5 мм (0,020″) в два раза превышает сечение проводов Ø 0,35 мм (0,015″) , что объясняет их удвоенную стоимость. Однако эти расходы окупаются, поскольку благодаря большому сроку службы термопары снижаются расходы на техническое обслуживание (простои предприятия).

Никелевый вывод термопары К часто повреждается сернистыми образованиями, присутствующими в отработанных газах. Термопары типов J и T подвержены незначительному старению (выводы из чистого металла окисляются первыми).

В целом, скорость старения увеличивается пропорционально температуре.

Зеленая гниль

При использовании термопар типа К в диапазоне 800 °C / 1050 °C существует риск значительного изменения термоэлектрического напряжения. Это обусловлено уменьшением содержания хрома или его окислением в положительном выводе NiCr. Этому способствуют уменьшенные концентрации кислорода или наличие пара в непосредственной близости к термопаре. Однако такие условия не влияют на никелевый вывод. В результате такого воздействия наблюдается дрейф измеренного значения по причине уменьшения термоэлектрического напряжения. Этот эффект усиливается при недостаточном содержании кислорода (восстановительная среда), поскольку на поверхности термопары перестает формироваться оксидная пленка, защищающая термопару (хром) от дальнейшего окисления.

Этот процесс заканчивается полным разрушением термопары. Название «зеленая гниль» происходит от зеленовато-мерцающей окраски места излома провода.

Термопара типа N (NiCrSi-NiSi) имеет в этом плане преимущество благодаря содержанию кремния. Такой состав обеспечивает образование оксидной пленки даже в вышеописанных условиях.

Особенность термопар типа К

Вывод NiCr термопары типа К при 400 °С характеризуется упорядоченной кристаллической решеткой. При дальнейшем росте температуры в диапазоне 400 °С – 600 °С происходит переход в неупорядоченное состояние. Выше 600 °С упорядоченная кристаллическая решетка восстанавливается. Если термопара при этом остывает слишком быстро (быстрее 100 °С в час), в диапазоне между 600 °С – 400 °С в процессе охлаждения опять наблюдается нарушение кристаллической решетки. Однако характеристическая кривая термопары К предполагает упорядоченное состояние решетки. Это приводит к отрицательному смещению (погрешности) термоэлектрического напряжения в указанном диапазоне примерно на 0,8 мВ (около 5 °С).

Данный эффект обратим и почти полностью устраняется с помощью отжига при температуре выше 700 °C с последующим медленным охлаждением.

Термопары в оболочке малого диаметра особенно чувствительны к такому воздействию. Охлаждение в спокойной воздушной среде уже приводит к уходу в 1 °С.

Литература

• Термопара // Телецкое озеро — Трихофития. — М. : Советская энциклопедия, 1946. — ( :  / гл. ред. О. Ю. Шмидт ; 1926—1947, т. 54).
• Киес Р. Дж., Крузе П. В., Патли Э. Г., Лонг Д., Цвиккер Г. Р., Милтон А. Ф., Тейч М. К. § 3.2. Термопара // Фотоприёмники видимого и ИК диапазонов = Optical and Infrared Detectors / пер. с англ. под ред. В. И. Стафеева. — М.: Радио и связь, 1985. — 328 с.

H. Melloni. Ueber den Durchgang der Wärmestrahlen durch verschiedene Körper (нем.) // Annalen der Physik und Chemie : журнал. — Leipzig: Verlag von Johann Ambrosius Barth, 1833. — Bd. 28. — S. 371—378.

Грунин В. К. § 2.3.4. Термоэлектрические приёмники излучения // Источники и приёмники излучения: учебное пособие. — СПб.: Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2015. — 167 с. — ISBN 978-5-7629-1616-5.

Устройство термопары

Принцип работы термопары. Эффект Зеебека

Работа термопары обусловлена возникновением термоэлектрического эффекта, открытым немецким физиком Томасом Зеебеком (Tomas Seebeck) в 1821 г.

Явление основано на возникновении электричества в замкнутом электрическом контуре при воздействии определенной температуры окружающей среды. Электрический ток возникает при наличии разницы температур между двумя проводниками (термоэлектродами) различного состава (разнородных металлов или сплавов) и поддерживается сохранением места их контактов (спаев). Устройство выводит на экран подсоединенного вторичного прибора значение измеряемой температуры.

Выдаваемое напряжение и температура находятся в линейной зависимости. Это означает, что увеличение измеряемой температуры приводит к большему значению милливольт на свободных концах термопары.

Находящийся в точке измерения температуры спай называется «горячим», а место подключения проводов к преобразователю — «холодным».

Компенсация температуры холодного спая (КХС)

Компенсация холодного спая (КХС) – это компенсация, вносимая в виде поправки в итоговые показания при измерении температуры в точке подсоединения свободных концов термопары. Это связано с расхождениями между реальной температурой холодных концов с вычисленными показаниями градуировочной таблицы для температуры холодного спая при 0°С.

КХС является дифференциальным способом, при котором показания абсолютной температуры находятся из известного значения температуры холодного спая (другое название эталонный спай).

Конструкция термопары

При конструировании термопары учитывают влияние таких факторов, как «агрессивность» внешний среды, агрегатное состояние вещества, диапазон измеряемых температур и другие.

Особенности конструкции термопар:

1) Спаи проводников соединяются между собой скруткой или скруткой с дальнейшей электродуговой сваркой (редко пайкой).

2) Термоэлектроды должны быть электрически изолированы по всей длине, кроме точки соприкосновения.

3) Способ изоляции подбирается с учетом верхнего температурного предела.

• До 100-120°С – любая изоляция;
• До 1300°С – фарфоровые трубки или бусы;
• До 1950°С – трубки из Al₂O₃;
• Свыше 2000°С – трубки из MgO, BeO, ThO₂, ZrO₂.

4) Защитный чехол.

Материал должен быть термически и химически стойким, с хорошей теплопроводностью (металл, керамика). Использование чехла предотвращает коррозию в определенных средах.

Удлиняющие (компенсационные) провода

Данный вид проводов необходим для удлинения концов термопары до вторичного прибора или барьера. Провода не используются в случае наличия у термопары встроенного преобразователя с унифицированным выходным сигналом. Наиболее широкое применение получил нормирующий преобразователь, размещенный в стандартной клеммной головке датчика с унифицированным сигналом 4-20мА, так называемая «таблетка».

Материал проводов может совпадать с материалом термоэлектродов, но чаще всего заменяется на более дешевый с учетом условий, предотвращающих образования паразитных (наведенных) термо-ЭДС. Применение удлиняющих проводов также позволяет оптимизировать производство.

Какие бывают термпопары ?

По количеству чувствительных элементов термосопротивления бывают :

—  с одним элементом (стандартное исполнение);
—  с двумя чувствительными элементами.

Количество чувствительных элементов	Электрическая схема датчика
Один
Два

По исполнению коммутационной головки термопары бывают :

— с пластмассовой головкой (исполнение по умолчанию) ;
— с металлической головкой (при заказе в конце марки датчика добавляется код  МГ) ; 
— с увеличенной пластмассовой головкой (при заказе в марке к модели добавляется код Л ) ;
— с увеличенной металлической головкой (при заказе в марке к модели добавляется код Л и в конце марки датчика добавляется код МГ) .
Увеличенная головка применяется для встраивания в датчик нормирующего преобразователя тока НПТ, что превращает обычную термопару в преобразователь температуры с токовым выходом 0..20 или 4..20 мА. 

Конструктивное  исполнение	Стандартное исполнение	Увеличенное исполнение	Со встроенным НПТ-3
Пластмассовые  головки
Металлические  головки		Для моделей 015-105, 185-215, 265 (поставка по умолчанию)
Для моделей 115-165, 225, 275, 285, 295, 365 (поставка по умолчанию)
Для моделей 115-165, 225 — с защелкой(поставка под заказ)

Способы подключения

Наиболее распространены два способа подключения термопары к измерительным преобразователям: простой и дифференциальный.
В первом случае измерительный преобразователь подключается напрямую к двум термоэлектродам. Во втором случае используются два проводника с разными коэффициентами термо-ЭДС, спаянные в двух концах, а измерительный преобразователь включается в разрыв одного из проводников.

Для дистанционного подключения термопар используются удлинительные или компенсационные провода. Удлинительные провода изготавливаются из того же материала, что и термоэлектроды, но могут иметь другой диаметр. Компенсационные провода используются в основном с термопарами из благородных металлов и имеют состав, отличный от состава термоэлектродов. Требования к проводам для подключения термопар установлены в стандарте МЭК 60584-3.
Следующие основные рекомендации позволяют повысить точность измерительной системы, включающей термопарный датчик:

— Миниатюрную термопару из очень тонкой проволоки следует подключать только с использованием удлинительных проводов большего диаметра;
— Не допускать по возможности механических натяжений и вибраций термопарной проволоки;
— При использовании длинных удлинительных проводов, во избежание наводок, следует соединить экран провода с экраном вольтметра и тщательно перекручивать провода;
— По возможности избегать резких температурных градиентов по длине термопары;
— Материал защитного чехла не должен загрязнять электроды термопары во всем рабочем диапазоне температур и должен обеспечить надежную защиту термопарной проволоки при работе во вредных условиях;
— Использовать удлинительные провода в их рабочем диапазоне и при минимальных градиентах температур;
— Для дополнительного контроля и диагностики измерений температуры применяют специальные термопары с четырьмя термоэлектродами, которые позволяют проводить дополнительные измерения сопротивления цепи для контроля целостности и надежности термопар.

Схема подключений

Для того, чтобы узнать значение сопротивления его надо измерить. Сделать это можно с помощью включения его в измерительную цепь. Для этого используют 3 типа схем, которые отличаются между собой количеством проводов и достигаемой точностью измерений:

• 2-проводная цепь. Содержит минимальное количество проводов, а значит, самый дешевый вариант. Однако, при выборе данной схемы достичь оптимальной точности измерений не получится — к сопротивлению термометра будет прибавляться сопротивление используемых проводов, которые и будут вносить погрешность, зависимую от длины проводов. В промышленности такая схема применяется редко. Используется лишь для измерений, где не важна особая точность, а датчик находится в непосредственной близости от вторичного преобразователя. 2-проводная схема изображена на левом рисунке.
• 3-проводная цепь. В отличии от предыдущего варианта здесь добавляется дополнительный провод, накоротко соединённый с одним из двух других измерительных. Его основная цель — возможность получить сопротивление подключенных проводов и вычесть это значение (компенсировать) из измеренного значения от датчика. Вторичный прибор, кроме основного измерения, дополнительно измеряет сопротивление между замкнутыми проводами, получая тем самым значение сопротивления проводов подключения от датчика до барьера или вторичника. Так как провода замкнуты, то это значение должно быть равно нулю, но по факту из-за большой длины проводов, это значение может достигать нескольких Ом. Далее эта погрешность вычитается из измеренного значения, получая более точные показания, за счёт компенсации сопротивления проводов. Такое подключение применяется в большинстве случаев, поскольку является компромиссом между необходимой точностью и приемлемой ценой. 3-х проводная схема изображена на центральном рисунке.
• 4-проводная цепь. Цель такая же, что и при использовании трехпроводной схемы, но компенсация погрешности идёт обоих измерительных проводов. В трехпроводной схеме значение сопротивления обоих измерительных проводов принимается за одинаковое значение, но по факту оно может незначительно отличаться. За счет добавления ещё одного четвёртого провода в четырехпроводной схеме (закороченного со вторым измерительным проводом), удается получить отдельно его значение сопротивления и почти полностью компенсировать всё сопротивление от проводов. Однако, данная цепь является более дорогой, так как требуется четвёртый проводник и поэтому реализуется или на предприятиях с достаточным финансированием, или при измерении параметров, где нужна большая точность. 4-х проводную схему подключений вы можете увидеть на правом рисунке.

Устройство термоэлектрического датчика пламени

Термопара – это элемент безопасности газового котла, вырабатывающий напряжение при нагреве и поддерживающий клапан подачи топлива в открытом состоянии, пока горит запальник. Изображенный на фото датчик действует автономно, без подключения внешнего источника электропитания. Сфера применения термопар – газоиспользующие энергонезависимые установки: печи, кухонные домашние плиты и водонагреватели.

Поясним принцип работы термопары для котла, основанный на эффекте Зеебека. Если спаять или сварить концы 2 проводников из разных металлов, то при нагреве этой точки в цепи вырабатывается электродвижущая сила (ЭДС). Разница потенциалов зависит от температуры спая и материала проводников, обычно лежит в пределах 20…50 милливольт (на бытовой технике).

Датчик состоит из следующих деталей (устройство показано ниже на схеме):

• термоэлектрод с «горячим» спаем из двух разнородных сплавов, прикрученный гайкой к монтажной пластине рядом с пилотной горелкой котла;
• удлинитель – проводник, заключенный внутрь медной трубки, одновременно играющей роль минусового контакта;
• плюсовая клемма с диэлектрической шайбой, вставляемая в гнездо автоматического газового клапана и фиксируемая гайкой;
• существуют разновидности термопар, подсоединяемые к автоматике с помощью обычных винтовых клемм.

В данной модели нагреваемый электрод крепится к пластине котла без гайки — вставляется в специальный паз

Для изготовления электродов, вырабатывающих ЭДС, используются специальные металлические сплавы. Самые распространенные термические пары:

• хромель – алюмель (тип K по европейской классификации, обозначение – ТХА);
• хромель – копель (тип L, аббревиатура – ТХК);
• хромель – константан (тип E, обозначается ТХКн).

Принцип действия термической пары из двух различных сплавов

Применение сплавов в конструкции термопар обусловлено лучшей генерацией тока. Если сделать термическую пару из чистых металлов, напряжение на выходе будет слишком малым. В большинстве теплогенераторов, эксплуатируемых в частных домах, установлены датчики ТХА (хромель – алюмель). Больше об устройстве термопар смотрите на видео:

Watch this video on YouTube