Закрыть

Чувствительность термопары: Термопары. Конструкции, типы, характеристики термопар. Метотехника

Содержание

Термопары. Конструкции, типы, характеристики термопар. Метотехника

ПРОДУКЦИЯ


 

Внимание! Если Вы обнаружили ошибку на сайте, то выделите ее и нажмите Ctrl+Enter.

 

(495) 366-00-24
(495) 504-95-54


(495) 366-00-24
(495) 504-95-54
e-mail: [email protected]

Нихром

Продукция

Описание

Цены

Стандарты

Статьи

Фото

Фехраль

Продукция

Описание

Цены

Стандарты

Статьи

Фото

Нихром в изоляции

Продукция

Цены

Стандарты

Статьи

Фото

Титан

Продукция

Описание

Цены

Стандарты

Статьи

Фото

Вольфрам

Продукция

Описание

Цены

Стандарты

Статьи

Фото

Молибден

Продукция

Описание

Цены

Стандарты

Статьи

Фото

Кобальт

Продукция

Описание

Цены

Стандарты

Статьи

Фото

Термопарная проволока

Продукция

Описание

Цены

Стандарты

Статьи

Фото

Провода термопарные

Продукция

Цены

Стандарты

Статьи

Фото

Никель

Продукция

Описание

Цены

Стандарты

Статьи

Фото

Монель

Продукция

Описание

Цены

Стандарты

Статьи

Фото

Константан

Продукция

Описание

Цены

Стандарты

Статьи

Фото

Мельхиор

Продукция

Описание

Цены

Стандарты

Статьи

Фото

Твердые сплавы

Продукция

Описание

Цены

Стандарты

Статьи

Фото

Порошки металлов

Продукция

Цены

Стандарты

Статьи

Фото

Нержавеющая сталь

Продукция

Описание

Цены

Стандарты

Статьи

Фото

Жаропрочные сплавы

Продукция

Описание

Цены

Стандарты

Статьи

Фото

Ферросплавы

Продукция

Описание

Цены

Стандарты

Статьи

Фото

Олово

Продукция

Описание

Цены

Стандарты

Статьи

Фото

Тантал

Продукция

Описание

Цены

Стандарты

Статьи

Фото

Ниобий

Продукция

Описание

Цены

Стандарты

Статьи

Фото

Ванадий

Продукция

Описание

Цены

Стандарты

Статьи

Фото

Хром

Продукция

Описание

Цены

Стандарты

Статьи

Фото

Рений

Продукция

Описание

Цены

Стандарты

Статьи

Фото

Прецизионные сплавы

Продукция

Описание

Магнитомягкие

Магнитотвердые

С заданным ТКЛР

С заданной упругостью

С высоким эл.

сопротивлением

Сверхпроводники

Термобиметаллы

Термопары широко применяются для измерения температур благодаря своим характеристикам. Данные средства дают высокую точность измерений, позволяют проводить их в широком диапазоне температур, а также имеют достаточно простое устройство и достаточно надежны.

Среди большого количества типов термопар стоит выделить термопары хромель-алюмель, хромель-копель, ВР5/ВР20, которые являются наиболее востребованными ввиду своих характеристик.

На странице представлена информация о принципе работы, конструкциях, типах и характеристиках термопар.


Принцип работы и конструкции термопар

В простейшем случае термопара представляет из себя два разнородных проводника, которые образуют замкнутую электрическую цепь. Для получения такой цепи концы проводников соединяют друг с другом с помощью пайки, сварки или скрутки.

Если поместить один конец (спай) термопары в среду с температурой T1, а другой - с температурой T2, то в цепи будет протекать электрический ток, который вызывается термо-ЭДС. Данное явление получило название эффект Зеебека. При этом величина термо-ЭДС зависит только от разности температур спаев и материалов проводников. Таким образом, по изменению величины термо-ЭДС можно определить соответствующее изменение температуры. Проводники принято называть термоэлектродами, а места соединения проводников - спаями.

Схема простейшей термопары. t1 > t2. А - положительный термоэлектрод, В - отрицательный термоэлектрод. Спай с температурой t1 - горячий спай (рабочий конец), с температурой t2 - холодный спай (свободный конец). Стрелками показано направление тока.


На практике температуру измеряют с помощью термоэлектрического термометра, в котором термопара является чувствительным элементом. Помимо нее в такой системе присутствуют и другие компоненты, которые, например, измеряют термо-ЭДС и преобразуют полученные значения в градусы.

Основными факторами, которые определяют конструкцию термопары, являются условия ее эксплуатации. Основные из них: диапазон измеряемых температур и свойства среды, в которой осуществляются измерения. Перечисленные факторы влияют на способ соединения термоэлектродов в рабочем спае, изоляции термоэлектродов, защиты термопары.

Соединение термоэлектродов может проводиться с помощью сварки, спайки или скрутки. В зависимости от диапазона измеряемых температур термоэлектроды могут быть изолированы друг от друга с помощью воздуха или специальных керамических трубок. В зависимости от свойств среды, в которой осуществляются измерения, термопара может иметь защитный чехол.

Конструкция термопары. 1 - защитная гильза, 2 - неподвижный штуцер (существуют варианты исполнения с передвижным штуцером), 3 - головка, 4 - розетка из изоляционного материала с зажимами для присоединения термоэлектродов и удлиняющих проводов, 5 - патрубок с сальниковым уплотнением, 6 - соединительная трубка, 7 - термоэлектроды.

Типы термопар и их характеристики

Наиболее распространенной классификацией термопар является классификация по типу материалов, из которых изготовлены термоэлектроды. Например, благородные металлы, тугоплавкие и другие. Ниже представлены типы термопар, разделенные по указанному принципу.

Термопары из неблагородных металлов

Наиболее широким классом термопар являются термопары, изготовленные из неблагородных металлов. Среди наиболее используемых можно выделить термопары хромель-алюмель, хромель-копель, железо-константан.

Термопара хромель-алюмель (ТХА, тип K)

  • Используется для измерения температур в диапазоне от -200 °С до +1100 (+1300) °С. В скобках указана максимальная температура при кратковременном измерении.
  • В диапазоне температур от 200 до 500 °С может возникнуть эффект гистерезиса, когда показания при нагревании и охлаждении могут различаться. В некоторых случаях разница достигает 5 °С.
  • Работает в нейтральной атмосфере или атмосфере с избытком кислорода.
  • После термического старения показания снижаются.
  • Может произойти изменение термо-ЭДС при использовании в разряженной атмосфере, т.к. хром может выделяться из Ni-Cr вывода (так называемая миграция). При этом термопара показывает заниженную температуру.
  • Атмосфера серы вредна для термопары, т.к. негативно воздействует на оба электрода.
Термопара хромель-копель (ТХК, тип L) и хромель-константан (ТХКн, тип E)
  • Используется для измерения температур в диапазоне от -200 °С до +800 (+1100) °С. В скобках указана максимальная температура при кратковременном измерении.
  • Обладает самой высокой чувствительностью из всех промышленных термопар.
Термопара железо-константан (ТЖК, тип J)
  • Используется для измерения температур в диапазоне от -203 °С до +750 (+1100) °С. В скобках указана максимальная температура при кратковременном измерении.
  • Работает в восстановительной и окислительной средах.
  • Хорошо работает в разряженной атмосфере.
  • При температурах выше 500 °С необходимо наличие газоплотной защиты термопары, если в среде измерения присутствует сера.
  • Обладает высокой чувствительностью.
  • Имеет невысокую стоимость, так как в состав термопары входит железо.
  • На электроде из железа может образоваться ржавчина из-за конденсации влаги.
  • Показания повышаются после термического старения.
Термопара медь-константан (ТМК, тип Т) и медь-копель (ТМК, тип M)
  • Используется для измерения температур в диапазоне от -250 °С до +400 (+600) °С. В скобках указана максимальная температура при кратковременном измерении.
  • Может работать в окислительной или восстановительной атмосфере, а также в вакууме.
  • Наиболее точная термопара для измерения темпераур 0-250 °С.
  • Не рекомендуется использование термопар данного типа при температурах выше 400 °С.
  • Не чувствительна к повышенной влажности.
  • Оба термоэлектрода могут быть отожжены для удаления материалов, вызывающих термоэлекрическую неоднородность.
Термопара нихросил-нисил (ТНН, тип N)
  • Используется для измерения температур до +1200 (+1250) °С. В скобках указана максимальная температура при кратковременном измерении.
  • 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.
  • Высокая стабильность при температурах от 200 до 500 °С (значительно меньший гистерезис, чем для термопары типа К).
  • Считается самой точной термопарой из неблагородных металлов.

Термопары из тугоплавких металлов

К данному классу относятся термопары, предназначенные для измерения высоких температур.

Термопара ВР5-ВР20 (ТВР, тип A)

  • Используется для измерения высоких температур в диапазоне от +1300 °С до +2500 (+3000) °С. В скобках указана максимальная температура при кратковременном измерении.
  • Может работать в инертной атмосфере или вакууме.
  • Обладает хорошими механическими свойствами при высоких температурах.
Термопара вольфрам-молибден (ТВМ)
  • Используется для измерения высоких температур в диапазоне от +1400 °С до +1800 (+2400) °С. В скобках указана максимальная температура при кратковременном измерении.
  • Может работать в инертной среде, среде водорода или вакууме.
  • Имеет невысокую стоимость по сравнению с другими термопарами для измерения высоких температур.
  • Имеет низкую чувствительность.

Термопары из благородных металлов

Данные термопары являются самыми точными и часто применяются в качестве эталонных.

Термопара платинородий-платина (ТПП, тип S, R)

  • Используется для измерения температур в диапазоне от 300 °С до +1400 (+1600) °С. В скобках указана максимальная температура при кратковременном измерении.
  • Может работать в окислительной и инертной атмосфере. При наличии защиты может использоваться в восстановительных средах.
  • Не рекомендуется применение ниже 300 °С, т.к термо-ЭДС в этой области мала и крайне нелинейна.
  • Дает высокую точность измерений.
  • Имеет хорошую воспроизводимость и стабильность термо-ЭДС.
  • Используется в качестве эталонной термопары.
  • Имеет высокую стоимость.
  • Чувствительна к химическим загрязнениям металлическими и неметаллическими примесями.
Термопара платинородий-платинородий (ТПР, тип B)
  • Используется для измерения температур в диапазоне от 600 °С до +1600 (+1800) °С. В скобках указана максимальная температура при кратковременном измерении.
  • Может работать в окислительной и нетральной среде. Возможно использование в вакууме. При наличии защиты может использоваться в восстановительных средах.
  • Не рекомендуется применение при температуре ниже 600 °С, где термо-ЭДС очень мала и нелинейна.
  • Дает высокую точность измерений.
  • Имеет хорошую воспроизводимость и стабильность термо-ЭДС.
  • Используется в качестве эталонной термопары.
  • Имеет высокую стоимость.
  • Чувствительна к химическим загрязнениям металлическими и неметаллическими примесями.

Публикации

"Термоэлектрическая термометрия. Основы, проблемы, развитие".

Ж-л "Мир измерений", № 1, 2002 г. Каржавин А.В., Улановский А.А.

Из теории термоэлектричества

Температура — один из важнейших контролируемых параметров технологических процессов практически во всех отраслях народного хозяйства. Большая часть всех температурных измерений приходится на долю термоэлектрических преобразователей [1, с.8], принцип действия которых основан на явлении Зеебека.

В 1821 году немецкий ученый, уроженец г. Ревеля (ныне Таллин), Т. Й. Зеебек (1770-1831) обнаружил, что если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру, то в цепи протекает электрический ток. Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока.

Этот факт послужил основой для создания устройства, чувствительным элементом которого является термопара — два проводника из разнородных материалов, соединенных между собой на одном (рабочем) конце, другие два (свободные) конца проводников подключаются в измерительную цепь или непосредственно к измерительному прибору, причем температура свободных концов заранее известна. Термопара образует устройство (или его часть), использующее термоэлектрический эффект для измерения температуры. Под термоэлектрическим эффектом понимается генерирование термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), возникающей из-за разности температур между двумя соединениями различных металлов и сплавов (рис. 1), образующих часть одной и той же цепи.

Рис. 1 Идеальная термопара

Для бесконечно малой разности температур спаев термопары, состоящей из проводников А и В, ее термоЭДС определяется зависимостью ЕАВ = еАВ*dТ,где еАВ — дифференциальная термоЭДС пары АВ. Величину еАВ называют также коэффициентом термоЭДС, коэффициентом Зеебека или чувствительностью термопары.

ТермоЭДС термопары обусловлена тремя причинами [2]. Первая заключается в зависимости уровня Ферми энергии электронов в проводнике от температуры, что приводит к неодинаковым скачкам потенциала при переходе из одного металла в другой с спаях термопары, находящихся при разных температурах. Во-вторых, при наличии градиента температуры электроны в области горячего конца проводника приобретают более высокие энергии и подвижность. Вдоль проводника возникнет градиент концентрации электронов с повышенными значениями энергии, что повлечет за собой диффузию более быстрых электронов к холодному концу, а более медленных к горячему. Но диффузионный поток быстрых электронов будет больше. Кроме того, при наличии градиента температуры вдоль проводника возникает дрейф фононов — квантов энергии колебаний кристаллической решетки. Сталкиваясь с электронами, фононы сообщают им направленное движение от более нагретого конца проводника к более холодному. Последние два процесса приводят к избытку электронов вблизи холодного конца и недостатку их вблизи горячего конца. В результате внутри проводника возникает электрическое поле, направленное навстречу градиенту температуры. Таким образом, термоЭДС термопары возникает только из-за наличия продольного градиента температуры в проводниках, составляющих пару.

Дифференциальная термо-ЭДС (чувствительность) термопары eAB представляет собой разность абсолютных удельных коэффициентов термо-ЭДС A и B каждого проводника термопары:

eAB = dEAB / dT = A - B ,

которую можно считать постоянной только в узком диапазоне температур. Абсолютный коэффициент термо-ЭДС данного проводника можно определить по измеренной теплоте Пельтье или Томсона. Явление Пельтье (1834 г.) заключается в том, что при протекании электрического тока через цепь, составленную из разнородных проводников, в месте контакта проводников происходит выделение или поглощение тепла в зависимости от направления тока. Количество выделившегося или поглотившегося в спае тепла QAB пропорционально заряду q, прошедшему через спай: QAB = AB*q = AB*I*t, где: AB — коэффициент Пельтье, В; I — сила тока, А; t —время, с.

Явление Томсона (1856 г.) заключается в том, что при прохождении электрического тока по однородному проводнику, вдоль которого имеется градиент температуры, в проводнике выделяется или поглощается тепло в зависимости от направления тока. Эта теплота выделяется(поглощается) в дополнение к выделяющейся теплоте Джоуля-Ленца (резистивный нагрев). Теплота Томсона пропорциональна силе тока I и градиенту температуры T:,где — коэффициент Томсона, В/К-1. Теплота Томсона является характеристикой материала проводника подобно удельному электросопротивлению и коэффициенту теплопроводности. Применив к трем указанным термоэлектрическим явлениям законы термодинамики, Томсон вывел следующие соотношения, позволяющие определять коэффициенты Пельтье и Зеебека (коэффициент термо-ЭДС):

Наличие информации об абсолютном коэффициенте термоЭДС хотя бы для материала одного проводника дает возможность определения абсолютных коэффициентов всех проводников по результатам измерений термоЭДС относительно этого проводника. В качестве такого эталона при низких температурах принимается свинец, а при средних и высоких температурах — платина.

Для большинства термопар дифференциальная термо-ЭДС существенно зависит от температуры и зависимость термо-ЭДС от температуры быть представлена в интегральном виде как: , которая, в свою очередь, может быть с заданной точностью аппроксимирована в рабочем диапазоне температур (Т1 … Т2) в виде полинома n-ой степени:

Широкому применению в промышленности термопары обязаны в первую очередь своей простоте, удобству монтажа, возможности измерения локальной температуры. К числу достоинств термопар относятся также широкий диапазон измеряемых температур, малая инерционность, возможность измерения малых разностей температур. Термопары могут обеспечивать высокую точность измерения температуры на уровне ±0.01°С.

Термоэлектрические преобразователи, основные типы и области применения

Согласно ГОСТ 6616-94 в странах СНГ стандартизованы типы термопар, наиболее распространенные из которых представлены в табл. 1.

Таблица 1

Тип термопары Обозначение МЭК Букв. обозн. НСХ Химический состав термоэлектродов, мас. % Пределы измеряемых температур
положительный отрицательный нижний верхний Кратко-
временно
Медь - константановая ТМКн Cu-CuNi T Cu Cu + (40-45)Ni + 1.0Mn + 0.7Fe -200 350 400
Хромель-копелевая ТХК - L Ni + 9. 5 Cr Cu + (42-44)Ni + 0.5Mn + 0.1Fe -200 600 800
Хромель - константановая ТХКн NiCr-CuNi E Ni + 9.5 Cr Cu + (40-45)Ni + 1.0Mn + 0.7Fe -200 700 900
Железо - константановая ТЖК Fe-CuNi J Fe Cu + (40-45)Ni + 1.0Mn + 0.7Fe -200 750 900
Хромель-алюмелевая ТХА NiCr-NiAl K Ni + 9.5 Cr Ni + 1Si + 2Al + 2. 5Mn -200 1200 1300
Нихросил-нисиловая ТНН NiCrSi-NiSi N Ni + 14.2Cr + 1.4Si Ni + 4.4Si + 0.1Mg -270 1200 1300
Платинородий-платиновые ТПП13 - R Pt + 13Rh Pt 0 1300 1600
Платинородий-платиновые ТПП10 - S Pt + 10Rh Pt 0 1300 1600
Платинородий-платинородиевая - B Pt + 30Rh Pt + 6Rh 600 1700 -
Вольфрамрений-вольфрамрениевые (А-1; А-2; А-3) - - W + 5%Re W + 20%Re 0 2200 2500

Примечания:

1. Указанные буквенные обозначения номинальной статической характеристики (НСХ) термопар соответствуют обозначениям стандарта МЭК 584-1, кроме термопары хромель-копель (L), не нормируемой данным стандартом.

2. По стандарту ФРГ DIN 43710 тип L соответствует термопаре Fe-CuNi (железо-медьникель), отрицательный термоэлектрод которой ближе по составу к копелю и термопара развивает немного большую термо-ЭДС, чем термопара железо-константан (J).

3. Термоэлектродные материалы обычно поставляются в соответствии с пределами допускаемых отклонений, нормированных для температур выше -40°С. Для измерения низких температур при заказе термоэлектродных материалов должны быть оговорены требования на допускаемые отклонения, соответствующие, как правило, 3 классу.

4. Рабочий диапазон термопреобразователя может находиться внутри диапазона измеряемых температур.

Верхний предел рабочего диапазона температур считается максимальной температурой длительного применения (1000 ч) термопреобразователя. За этот срок изменение статической характеристики термопары по отношению к номинальной не должно превышать 1%. Кратковременным применением считается работа термопреобразователя длительностью до 100 ч. За это время статическая характеристика термопары также не должна измениться больше, чем на 1% [3, с.83].

В таблице 2 приведены рекомендуемые рабочие атмосферы для применения приведенных выше типов термопар, а также их дифференциальная чувствительность в указанных диапазонах температур [1, с.34].

Из таблицы 2 видно, что универсальными термопарами являются две: медь-константановая и железо-константановая. Первая не нашла широкого применения в промышленности из-за узкого диапазона температур в области выше 0°С. Она используется, в основном, для измерения низких температур. Термопара типа J широко используется на Западе, но в России также не нашла широкого применения, по-видимому, из-за отсутствия производства высокочистого термоэлектродного железа. Кроме того, к недостаткам термопары можно отнести плохую коррозионную стойкость железного электрода и высокую чувствительность к деформации.

Таблица 2

Тип термопары Рабочие атмосферы Чувствительность в диапазоне температур
окислительная восстановительная инертная вакуум диапазон, °С dE/dT, мкВ/°С
ТМКн (Т) ++ + + + 0-400 40-60
ТХК ++ - + + 0-600 64-88
ТХКн (E) ++ - + + 0-600 59-81
ТЖК (J) ++ ++ + + 0-800 50-64
ТХА (K) ++ - + + 0-1300 35-42
ТНН (N) ++ - + + 0-1300 26-36
ТПП (R, S) ++ - + + 600-1600 10-14
ТПР (B) ++ - + + 1000-1800 8-12
ТВР - H2 ++ ++ ++ 1300-2500 14-7

Примечания:

1. ++ рекомендуемая атмосфера; + эксплуатация в данной атмосфере возможна; - не рекомендуемая атмосфера.

2. Под окислительной атмосферой обычно подразумевается воздух (21% об. О2) или смеси газов при избытке кислорода, в которой происходит окисление вещества (потеря атомами и ионами электронов). Присоединение атомами кислорода (образование оксида) — частный случай реакций окисления. Слабоокислительная атмосфера содержит О2 в смеси газов на уровне 2-3%. В восстановительной атмосфере идут химические реакции, в которых атомы и ионы присоединяют электроны. При этом происходит понижение валентности элемента. Примеры восстановительных сред — сухой H2, CO, углеродсодержащие газовые среды, эндогаз, экзогаз, диссоциированный аммиак, выхлопные газы камер сгорания. Инертная атмосфера существует в газах N2, Ar, He.

В качестве основных термопар металлургического производства в диапазоне 1100-1600°С являются платинородий-платиновые термопары ТПП10 и ТПР, модификация ТПП13 широко применяется на Западе. Термопары ТПП10 используются также и в качестве эталонных средств измерения температуры. По совокупности свойств платина и платинородиевые сплавы являются уникальными материалами для термопар. Их основное свойство — хорошее сопротивление газовой коррозии, особенно на воздухе при высоких температурах. Указанное свойство в сочетании с высокой температурой плавления и достаточно большой термо-ЭДС, хорошей совместимостью со многими изолирующими и защитными материалами, а также с хорошей технологичностью и воспроизводимостью метрологических свойств, делает из незаменимыми для изготовления электродов термопар, измеряющих высокие температуры в окислительных средах. Эти сплавы устойчивы в аргоне и гелии, не растворяют азота и водорода и не образуют нитридов и гидридов, не взаимодействуют с СО и СО2. Тем не менее, применять платинородий-платиновые термопары в восстановительных атмосферах не рекомендуется, т.к. в этом случае происходит загрязнение платины и платинородия элементами, восстановленными из защитной или изолирующей керамики (обычно оксидной). До 1200°С платина и ее сплавы с родием практически не взаимодействует с огнеупорными материалами. При более высоких температурах контакт с SiO2 ведет к изменению термоЭДС, который в восстановительной атмосфере уже при температуре выше 1100°С ведет к разрушению платины из-за образования силицидов Pt5Si2 и легкоплавкой (830°С) эвтектики Pt-Pt5Si2, отлагающейся по границам зерен. Эта реакция возможна только в присутствии углерода и серы и осуществляется путем восстановления SiO2 до Si, который в присутствии СО соединяется с серой, образуя газообразный SiS2, последний реагирует с платиной. Таким образом реакция протекает через газовую фазу и не требует обязательного контакта термоэлектродов с кварцем. SiO2 может быть также восстановлен водородом до SiO (газ), который также реагирует с платиной. Вообще, кремний — основная причина охрупчивания и разрушения термопар. Он, как и некоторые другие элементы: Zn, Sn, Sb, Pb, As, Bi, P, В, S — относятся к платиновым ядам [4]. Сера и углерод обычно присутствуют в остатках смазочных масел и охлаждающих эмульсий (использованных при изготовлении металлической защитной арматуры чехла). Пары железа, хрома и марганца также представляют опасность для платиновых термоэлектродов, особенно в вакууме. Взаимодействие с парами металлов приводит к сильному дрейфу термоЭДС и преждевременному разрушению термопары. По этой причине платиновые термопары никогда не устанавливают непосредственно в металлические чехлы. Верхний температурный предел длительного применения термопары ТПП10, равный 1300°С, лимитируется катастрофическим ростом зерна платинового электрода при температурах выше 1400°С. В этом диапазоне используется термопара ТПР, с меньшей дифференциальной чувствительностью, но с верхним пределом рабочих температур до 1600°С. Эта термопара механически более прочна, менее склонна к росту зерна и охрупчиванию, менее чувствительна к загрязнениям. Кроме того, малая чувствительность термопары в диапазоне 0-100°С делает возможным применение термопары с медными удлинительными проводами.

Для устойчивой работы термопар из платины и ее сплавов необходима надежная изоляция термоэлектродов высокочистой оксидной керамикой, а также защита корундовыми (Al2O3) чехлами хорошего качества. Однако газоплотный корундовый чехол с минимальным содержанием примесей имеет сравнительно невысокую термостойкость. Хорошую стойкость к термоударам демонстрирует (скачок температуры не менее 250°С) керамика c невысоким содержанием Al2O3(70-80%) и пористостью 5-10%. Поэтому западные и некоторые российские производители выпускают платиновые термопреобразователи в двойных защитных чехлах: наружный - термостойкий из пористой керамики с содержанием Al2O3 на уровне 80% и внутренний - газоплотный из высокочистой керамики (99,5% Al2O3). При наличии в рабочей среде абразивных частиц наружный чехол может быть выполнен из самосвязанного карбида кремния, также обладающего высокой термостойкостью. Подробная информация по защите термопар при высоких температурах изложена в [5, с. 252-261 и 350-357].

К недостаткам термопар из драгоценных металлов можно отнести уже упоминавшуюся высокую чувствительность термоэлектродов к любым загрязнениям, появившимся при изготовлении, монтаже или эксплуатации термопар, а также их высокая стоимость.

Термопары вольфрам-рениевые ТВР имеют самый высокий предел длительного применения 2200°С, но только в неокислительных средах, т.к. катастрофическое окисление и разрушение термоэлектродов происходит уже при температуре 600°С. Термопара устойчива в аргоне, гелии, сухом водороде и азоте, а также в вакууме. Основной недостаток — плохая воспроизводимость термо-ЭДС, вынуждающая группировать термоэлектродные пары по группам с номинальными статическими характеристиками А-1, А-2, А-3.

Наиболее массовыми типами термопар в промышленности России являются термопара хромель-копель (на Западе применяется похожая термопара хромель-константан, тип Е) с температурой длительного применения до 600°С и термопара хромель-алюмель (тип К) с температурой длительного применения до 1200°С(см. табл. 1).

Термопара хромель-копель обладает наибольшей дифференциальной чувствительностью из всех промышленных термопар, применяется для проведения точных измерений температуры, а также для измерения малых разностей температур. Термопарам свойственна исключительно высокая термоэлектрическая стабильность при температурах до 600°С, обусловленная тем, что изменения термо-ЭДС хромелевого и копелевого термоэлектродов направлены в одну и ту же сторону и компенсируют друг друга. Технический ресурс термопар составляет несколько десятков тысяч часов. Недостаток — высокая чувствительность к деформации.

Термопара хромель-алюмель — самая распространенная в промышленности и научных исследованиях термопара с температурой длительного применения 1200°С. В стандарте РФ ГОСТР 50431-92 и более ранних стандартах указана температура длительной эксплуатации 1000°С. Исходя из многочисленных экспериментальных данных, величина 1200°С представляется несколько завышенной.

Термопары хромель-алюмель и хромель-копель предназначены для измерения температуры в окислительных и инертных средах. Содержание кислорода в окислительной атмосфере должно быть не менее нескольких процентов или его присутствие должно быть практически исключено. В атмосфере, содержащей менее 2-3% (объемн.) кислорода в хромеле резко усиливается селективное окисление хрома, что ведет к существенному уменьшению термоЭДС хромеля, а интеркристаллитный характер коррозии — к охрупчиванию (“зеленая гниль”). Длительное пребывание в вакууме при высоких температурах сильно уменьшает термо-ЭДС хромеля вследствие испарения хрома. В атмосфере, содержащей серу, интеркристаллитная коррозия охрупчивает термоэлектроды, в первую очередь алюмель. Кроме того, SO2 сильно окисляет хромель и является поэтому причиной большого отрицательного дрейфа термоЭДС. Рабочий ресурс термопар ТХА при температуре менее 850°С лимитируется только величиной дрейфа термо-ЭДС, а при 1000-1200°С — жаростойкостью термоэлектродов.

Термопара ТХА имеет широкий диапазон измеряемых температур, но применять ее во всем диапазоне нецелесообразно, т.к. это ухудшает точность измерений. Термопарой, которой пользуются для точного измерения температур до 500°С, не следует измерять более высокие температуры и, наоборот, термопарой, использовавшейся при температурах выше 900°С, нельзя измерять температуры 300-600°С. При высоких температурах в термоэлектродах образуются локальные неоднородности, происходит дрейф термоЭДС. Поэтому нельзя уменьшать глубину погружения термопары в рабочую среду, т.к. возникшие локальные неоднородности могут попасть в зону градиента температур и приведут к дополнительной ошибке измерений. Увеличение глубины погружения не вызывает дополнительной погрешности.

В термопарах ТХА наблюдаются два вида нестабильности термоЭДС: необратимая нестабильность, постепенно накапливающаяся со временем и обратимая циклическая нестабильность. Первый вид нестабильности обусловлен взаимодействием термоэлектродов с окружающей средой. Дрейф термоЭДС в градусах составляет не более 1% от измеряемой температуры на уровне 1000°Сза 1000-4000 часов при диаметре термоэлектродов более 1 мм [1,с.81]. Второй вид нестабильности обусловлен протеканием в хромеле превращений по типу ближнего упорядочения магнитных ячеек структуры сплава в интервале 250-550°С. В результате этих превращений термопары ТХА в состоянии поставки после нагрева при 250-550°С увеличивают термоЭДС относительно номинальных значений. Этот рост исчезает (магнитная структура разупорядочивается) после нагрева при более высоких температурах. Величина обратимого дрейфа термоЭДС зависит от предыдущей истории термоэлектродов, температур градуировки, скорости охлаждения, а также от градиента температурного поля, в котором находится термопара. Дрейф может достигать 3-4°С. Для уменьшения обратимого дрейфа полезно использовать хромель, подвергнутый предварительной термообработке “на упорядочение” при 425-475°Св течение 6 ч [1,с.89], однако исключить его полностью не представляется возможным, если термопарой измеряют температуру в широком диапазоне. Вот почему фирма ABB Automation Products (ФРГ) поставляет свои термоэлектродные материалы для термопар типа К только после дополнительного “отжига на упорядочение”. Магнитная структура хромелевого электрода в этом случае уже упорядочена, и после установки термопары на термометрируемый объект на участке термоэлектродов с градиентом температуры 250-550°С этот процесс уже не проявляется.

Все эти проблемы с термопарой ТХА инициировали разработку и стандартизацию ведущими промышленными странами термопары нихросил-нисил, созданной лабораторией материаловедения министерства обороны Австралии в 60-х годах. Материалы термоэлектродов нихросил и нисил демонстрируют существенно лучшую стабильность термоЭДС по сравнению с термопарой ТХА. Это достигнуто увеличением концентрации хрома и кремния в никеле, а также введением в нисил магния, которые перевели процесс окисления материала термоэлектродов из внутреннего межкристаллитного в поверхностный. При этом на термоэлектродах образуется защитная пленка окислов, подавляющих дальнейшее окисление. Увеличение содержания хрома в нихросиле до 14.2% фактически устранило обратимую нестабильность, характерную для хромеля. Новые сплавы показали также высокую радиационную стойкость, т.к. в них отсутствуют активирующиеся примеси Mn, Co, Fe. Дрейф термопары ТНН с термоэлектродами диаметром 3.2 мм за 1100 ч на воздухе при температуре 1200°С не превышает 100 мкВ, тогда как дрейф такой же термопары ТХА за 300 ч достиг 300 мкВ [6]. Эти данные также свидетельствуют о завышенном значении температуры длительного применения 1200°С для термопары ТХА. В работе [6] делается вывод о существенной необратимой нестабильности термопары ТХА при температурах выше 1050°С. Напротив, термопара ТНН при диаметре термоэлектродов не менее 2.5 мм и температуре до 1200°С демонстрирует дрейф термо-ЭДС, не превышающий дрейф термопар из драгоценных металлов (ТПП, ТПР). Показана перспективность применения термопары ТНН в качестве универсального средства измерения температур в диапазоне температур 0-1230°С, это повысит точность промышленных измерений, качество конечного продукта и, в конечном счете, эффективность всего производства.

Защитные чехлы термопреобразователей

Защитные газоплотные чехлы термопреобразователей существенно расширяют диапазон применения термопар в агрессивных средах и увеличивают их ресурс [5, c 345-349]. Для температур до 800°С применяются чехлы из нержавеющей стали типа Х18Н10Т или 10Х17Н13М2Т (повышенная устойчивость к межкристаллитной коррозии), при более высоких температурах использовалась, в основном, ферритная сталь 15Х25Т с температурой интенсивного окалинообразования 1050°С, которая имеет ограниченную свариваемость и склонна к охрупчиванию в диапазоне 450-850°С [7, c.353]. В настоящее время производятся также термопары ТХА в защитных чехлах из жаростойкой аустенитной стали типа Х23Н18, с такой же жаростойкостью в сочетании с хорошей свариваемостью. Для работы при температурах выше 1000°С потребителю предлагаются термопары ТХА в чехлах из сплавов ХН78Т и ХН45Ю на никелевой и железо-никелевой основах, соответственно. По ГОСТ 5632-72 температура интенсивного окалинообразования сплава ХН78Т составляет 1150°С, рекомендуемая максимальная температура длительного применения сплава ХН45Ю на воздухе 1250-1300°С, т.е. она перекрывает весь диапазон измеряемых температур термопары ТХА. Необходимо только учитывать, что сплав ХН78Т особенно чувствителен к содержанию серы в рабочей среде из-за высокого содержания никеля в сплаве. Образование легкоплавких соединений сернистого никеля приводит к разрушению чехла. Сплав ХН45Ю обладает отличной жаростойкостью, сохраняя хорошую коррозионную стойкость благодаря включению в сплав 3.4% Al, который образует на поверхности сплава тугоплавкую окисную пленку и препятствует развитию коррозионного процесса. Скорости коррозии этих сплавов в 7-10 раз меньше, чем стали 15Х25Т при тех же условиях эксплуатации.

Необходимо отметить, что в России недостаточно производится термопар в защитных чехлах, предназначенных для специальных областей применения. Универсальные чехлы не могут решить проблему защиты термопар во многих агрессивных средах.

Кабельные термоэлектрические преобразователи

В настоящее время широкое распространение в мире, в т.ч. и в России, получили термопарные кабели, представляющие собой пару термоэлектродов помещенную внутрь металлической трубки и изолированную от нее уплотненным плавленым порошком MgO-периклазом (см. рис. 2).

Рис. 2 Заготовка из термопарного кабеля с одной или двумя парами термоэлектродов

В России выпускают термопарный кабель двух типов КТМС-ХА и КТМС-ХК диаметров от 1 до 7.2 ммпо ТУ 16-505.757-75. Оболочка кабеля изготовлена из нержавеющей стали или жаростойкой стали или сплава. Общий вид кабельной термопары представлен на рис. 3. Термоэлектроды термопары со стороны рабочего торца сварены между собой лазерной сваркой, образуя рабочий спай внутри стальной оболочки термопарного кабеля. Рабочий торец заглушен приваренной стальной пробкой. Свободные концы термоэлектродов подключаются к клеммам головки термопреобразователя или компенсационным проводам.

Рис. 3 Общий вид кабельной термопары

Применение кабельных термопреобразователей позволяет достичь существенных преимуществ по сравнению с термопарами традиционного исполнения, таких как:

 

  • повышенные в 2-3 раза термоэлектрическая стабильность и рабочий ресурс при сравнимых рабочих условиях;
  • возможность изгибать, укладывать в труднодоступные места, в кабельные каналы, приваривать, припаивать или просто прижимать к поверхности для измерения ее температуры, при этом монтажная длина может достигать 60-100 метров;
  • малый показатель тепловой инерции, позволяющий применять их при регистрации быстропротекающих процессов;
  • блочно-модульное исполнение термопреобразователей в защитных чехлах, обеспечивающее дополнительную защиту термоэлектродов от воздействия рабочей среды и возможность оперативной замены чувствительного элемента;
  • универсальность применения в различных условиях эксплуатации, хорошая технологичность, малая материалоемкость.

 

Сравнительные испытания термопар показали, что дрейф термо-э.д.с. кабельной термопары КТХА наружным диаметром 3 мм (диаметр термоэлектродов 0.65 мм) при температуре 800°Сза 10 000 часов составляет примерно 100 мкВ, тогда как у обычной термопары ТХА с термоэлектродами диаметром 3.2 мм дрейф достигает 120 мкВ, а при диаметре электродов 0.7 мм он превышает 200-250 мкВ при тех же условиях. Дрейф термоЭДС кабельных термопар в оболочке из высоконикелевых сплавов при 980°С также вдвое меньше, чем дрейф показаний обычной термопары при той же температуре за 5000 ч [1, c. 83-84]. По данным [6] дрейф проволочной термопары ТХА с электродами диаметром 3.2 мм достигает 300 мкВ за 800 ч при температуре 1077°С, а при 1200°С —за 300 ч. Повышенная стабильность кабельных термопар объясняется затруднением окисления термоэлектродов из-за ограниченного количества кислорода внутри кабеля, а также дополнительной защитой термоэлектродов от воздействия рабочей среды с помощью металлической оболочки и оксида магния.

При работе в потоках жидкости или газа, двигающихся с большой скоростью, а также при высоких давлениях и температурах, в агрессивных средах, кабельные термопреобразователи помещаются в защитные чехлы (гильзы), предохраняющие их от изгибов и разрушений, и служат в качестве сменных чувствительных элементов. Защитные чехлы имеют типовые габаритные размеры. Внешний вид преобразователя аналогичен традиционному внешнему виду промышленных термопар (рис.4).

Рис. 4. Кабельный термопреобразователь блочно-модульного исполнения.

При этом термопреобразователи блочно-модульного исполнения, сохраняя все преимущества кабельных, приобретают такие достоинства, как:

 

  • возможность оперативной замены чувствительного элемента без демонтажа защитного чехла с объекта;
  • возможность одновременной поверки большого числа преобразователей вследствие малогабаритности демонтируемых кабельных чувствительных элементов;
  • удешевление последующих поставок, так как, при необходимости, заменять можно только наружный чехол или только чувствительный элемент.

 

Чехлы для термопреобразователей высокотемпературного исполнения для работы при температурах до 1100°С изготавливаются из жаростойких сталей и сплавов. Рабочий ресурс высокотемпературных кабельных термопреобразователей блочно-модульного исполнения также превосходит ресурс термопреобразователей с проволочным чувствительным элементом, хотя диаметр термоэлектродов в кабеле не превышает 1 мм, тогда как проволочные термоэлектроды высокотемпературного исполнения обычно имеют диаметр 3.2 мм. Авторы имеют много положительных отзывов о работе таких термопреобразователей при высоких температурах. Например, кабельные термопреобразователи в жаростойких защитных чехлах из сплава ХН78Т, установленные на кауперах (воздухоподогревателях) доменной печи ОАО “Чусовской металлургический завод”, безотказно работали в течение 14 месяцев (циклическое изменение температуры воздуха в каупере 800-1150 °С), в то время как ресурс проволочных (Ж3.2 мм) термопар в чехлах из стали 15Х25Т не превышал 6-8 месяцев.

Определяющим фактором для обеспечения рабочего ресурса кабельного термопреобразователя блочно-модульного исполнения является полная герметичность и высокая жаростойкость защитного чехла. В этом случае имеющийся внутри чехла кислород “выгорает” в течение первых часов эксплуатации, далее кабельный чувствительный элемент работает в газовой среде, близкой к инертной, что резко тормозит процесс диффузии кислорода через оболочку кабеля к термоэлектродам. Термоэлектроды в этом случае защищены от воздействия рабочей среды двойной оболочкой — кабеля и защитного чехла.

По этому пути производства термопреобразователей пошли ведущие мировые производители: ABB Automation Products (ФРГ), JUMO (ФРГ), Auxitroll (Франция), OMEGA Engineering (США), ARi Industries (США), OKAZAKI Manufacturing (Япония) и др.

Кабельное исполнение термопары хромель-алюмель позволяют уменьшить недостатки присущие электродам этой термопары. Использование же термопары нихросил-нисил в качестве чувствительного элемента кабеля с жаростойкой оболочкой приводит к появлению термопреобразователя с качественно новыми свойствами. В работе [8] приводятся данные по уникальной стабильности кабельной термопары ТНН в оболочке из модифицированного сплава никросил наружным диаметром кабеля 3 ммв течение 2200 ч при температуре 1100°С. Дрейф термоЭДС не превысил 4°С. Авторами настоящей статьи также получены данные [9] о высокой стабильности кабельной термопары ТНН в оболочке из сплава Инконель 600 наружным диаметром 3 мм при термоциклировании в диапазоне температур 20-1100°С. Дрейф термоЭДС не превысил 2,1°Сза 50 термоциклов.

Эти результаты и данные дополнительных исследований позволят действительно рекомендовать кабельную термопару ТНН в качестве эталонного и универсального средства измерений температуры и поддержать уже упоминавшиеся выводы работы [6].

К сожалению, десятилетие известных экономических трудностей задержали развитие термоэлектрической термометрии в России. Мы отстаем в производстве современных и высокоточных термоэлектродных материалов, в обеспечении термоэлектрических термометров надежными защитными материалами, свернуты многие работы по термометрии. Но начавшийся рост промышленного производства позволяет надеяться, что потребности промышленности в повышении точности контроля технологических процессов, заметный рост конкуренции на рынке средств измерений приведут не только к количественному росту, но и к качественно другим конструкциям первичных датчиков, отвечающим современным метрологическим требованиям, а также потребуют новых решений в области термоэлектрической термометрии. Первые результаты в этом направлении уже представлены в материалах Всероссийской конференции “Температура-2001”, состоявшаяся в ноябре 2001 годав г. Подольске. Важнейшее значение для законодательной метрологии, стандартизации средств измерений, несомненно, будет иметь 8-ой международный симпозиум по температуре, проводящийся раз в 10 лет, который состоится в ноябре 2002 годав Чикаго, США.

Список использованной литературы:

  1. И. Л. Рогельберг, В. М. Бейлин. Сплавы для термопар. Справочник, М., Металлургия, 1983.
  2. И. В. Савельев. Курс общей физики, т.3, М., Наука, 1979, с.213.
  3. А. Н. Гордов, О. М. Жагулло, А. Г. Иванова. Основы температурных измерений. М., Энергоатомиздат, 1992, с.69.
  4. Свойства элементов. Справочник под.ред. М. Е. Дрица, книга 2, М., Металлургия, 1997, с.253.
  5. О. А. Геращенко, А. Н. Гордов, А. К. Еремина, В. И. Лах, Я. Т. Луцик и др. Температурные измерения. Справочник, Киев, Наукова Думка, 1989.
  6. N. A. Burley Nicrosil\Nisil type N Thermocouple, Measurements & Control, April 1989, pp.130-133.
  7. С. Б. Масленков, Е. А. Масленкова Стали и сплавы для высоких температур. Справочник, кн.1, М., Металлургия, 1991 .
  8. H. L. Daneman The Choice of sheathing for mineral insulated thermocouples. Measurements&Control, June 1988, pp 242-243.
  9. А. В. Каржавин, С. В. Коломбет, А. А. Улановский Новые методы и средства поверки термоэлектрических термометров в диапазоне температур 300-1100°С. Сборник докладов 1-ой Всероссийской конференции “Температура-2001”,г. Подольск,13-15 ноября 2001 г.

Типы термопар: ТЕРМОЭЛЕМЕНТ

Термопары зависимо от сферы применения, величины измеряемых температур и своего состава делятся на разные типы.

Хромель-алюмель тип К

Это один из самых применяемых типов термопар. На протяжении долгого времени измеряет температуры до 1100 0С, в коротком – до 1300 0С. Измерение пониженных температур возможно до -200 0С. Отлично функционирует в условиях окислительной атмосферы и инертности. Возможно применение в сухом водороде, и недолго в вакууме. Чувствительность – 40 мкВ/ 0С. Это самый стойкий тип термопары способный работать в реактивных условиях.

Минусами является высокая деформация электродов и нестабильная ЭДС.

Хромель-алюмель или термопара типа К не применяется в среде с содержанием О2 более чем 3%. При большем содержании кислорода хром окисляется и снижается термическая ЭДС. Тип К с защитным чехлом можно использовать в переменной окислительно-восстановительной атмосфере.

Для защиты термопары ХА применяется оболочка из фарфорового, асбестового, стекловолоконного, кварцевого, эмалевого материала или высокоогнеупорных окислов.

Чаще всего хромель-алюмель выходит из строя из-за разрушения алюмелевого электрода. Происходит это после нагревания электрода до 650 градусов в серной среде. Предотвратить коррозию алюмели можно лишь исключив попадание серы в рабочую среду термопары.

Хром портится из-за внутреннего окисления, когда в атмосфере содержится водяной пар или повышенная кислотность. Защитой является применение вентилируемой защиты.

Хромель-копель тип L

Это также часто применяемая термопара позволяющая измерять в инертной и окислительной среде. Длительное измерение до 800 0С, короткое – 1100 0С. Нижний предел -253 0С. Длительная работа до 600С. Это самая чувствительная термопара из всех измерительных устройств промышленного типа. Обладает линейной градуировкой. При температуре 600 градусов выделяется термоэлектрической стабильностью. Недостатком является повышенная предрасположенность электродов к деформациям.

Положительным электродом у термопары типа L является хромель, а отрицательным – копель. Рабочая среда – окислительная или с инертно газовой составляющей. Возможно применение в вакууме при повышенной температуре короткое время. Используя хорошую газоплотную защиту ТХК можно использовать в серосодержащей и окислительной среде. В хлорной или фторсодержащей атмосфере возможна эксплуатация, но только до 200 градусов.

Железо-константан тип J

Используется в восстановительной, окислительной, инертной и вакуумной среде. Измерение положительных сред до 1100 0С, отрицательных – до -203 0С. Именно тип J рекомендуется применять в положительной среде с переходом в условия отрицательной температуры. Только в отрицательной среде ТЖК использовать не рекомендуется. На протяжении длительного времени измеряет температуры до 750 0С, в коротком интервале 1100 0С. Минусы: высокочувствительна - 50-65 мкВ/ 0С, поддается деформациям, низкая коррозийная стойкость электрода содержащего железо.

Положительным электродом у термопары типа J есть технически чистое железо, а отрицательным – медно-никелевый сплав константан.

ТЖК устойчива к окислительной и восстановительной среде. Железо при температурах от 770 0С поддается магнитным и ↔- превращениям, влияющим на термоэлектрические свойства. Нахождение термопары в условиях больше 760 0С не способно далее в точности измерять показатели температуры нижеуказанных цифр. В данном случае ее показания не соответствуют градуировочной таблице.

Скоки эксплуатации зависят от поперечного сечения электродов. Диаметр должен соответствовать измеряемым показателям.

В условиях температур выше 500С с содержанием серы в атмосфере рекомендуется применять защитный газоплотный чехол.

Вольфрам-рений тип А-1, А-2, А-3

Отлично измеряет температуры до 1800 градусов. В промышленности используется для измерения показателей около 3000 0С. Нижний предел ограничивается – 1300 0С. Можно эксплуатировать в аргоновой, азотной, гелиевой, сухой водородной и вакуумной средах.

Термо-ЭДС при 2500 0С - 34 мВ для измерительных устройств из сплавов ВР5/20 и ВАР5 /ВР20 и 22 мВ, для термопар из сплава ВР10/20, чувствительность – 7-10 и 4-7 мкВ/ 0С.

ТВР характеризуется механической устойчивостью даже в условиях высокой температуры, справляется со знакопеременными нагрузками и резкими тепловыми сменами. Удобна в установке и практически не теряет свойств при загрязнении.

Минусы: низкая производимость термо-ЭДС; при облучениях нестабильная термо-ЭДС ; падение чувствительности при 2400 0С и более.

Более точные результаты у сплавов ВАР5/ВР20 наблюдаются при длительном измерении, что не так характерно для сплавов ВР5/20.

В ТВР электроды изготавливаются из сплавов ВР5 – положительный и ВР20 – отрицательный; ВАР5 – положительный и ВР20 – отрицательный или ВР10 – положительный и ВР20 – отрицательный электрод.

Незначительное наличие О2 способно вывести термопару вольфрам-рений из строя. В окислительной среде используются лишь в быстротекущем процессе. В условиях сильного окисления моментально выходит из строя.

Иногда эта термопара может использоваться в работе высокотемпературной печи совместно с графитовым нагревательным элементом.

В качестве электродных изоляторов применяют керамику. Оксид бериллия можно применять, как изолятор в том случае, когда воздействующая на него температура не превышает температур плавления. При измерении значений меньше 1600 0С электроды защищают чистым оксидом алюминия или магния. Керамический изолятор должен быть прокален для возможности очистки разных примесей. В условиях повышенного окисления используются чехлы из металла и сплавов Mo- Re, W-Re с покрытиями. Измерительный прибор с защитой из иридия можно кратковременно использовать на воздухе.

Вольфрам-молибден

Эксплуатируется в инертной, водородной и вакуумной сфере. Температуры измерений – 1400 0С -1800 0С, пределы рабочих показателей - 2400 0С. Чувствительность - 6,5 мкВ/ 0С. Обладает высокой механической прочностью. Не нуждается в химической чистоте.

Минусы: низкая термо-ЭДС; инверсия полярности, повышение хрупкости при повышенных температурах.

Рекомендуется применять в водородной, инертногазовой и вакуумной среде. Окисление на воздухе происходит при 400 градусах. При повышении термической подачи окисление ускоряется. ТВМ не вступает в реакцию с Н и инертным газом до температур плавления. Данный тип термопары лучше не использовать без изоляторов, так как она при повышении температуры может вступать в реакцию с окислами. При наличии керамического изолятора возможно кратковременное применение в окислительной среде.

Для измерения термической составляющей жидкого металла изолируется обычно глиноземистой керамикой с применением кварцевого наконечника.

Платинородий-платина типы R, S

Самые распространенные типы термопары для температур до 1600 0С. К данным устройствам относятся платина со сплавом платины и родия 10%-ти или 13%-ным составом. Применяются в инертной и окислительной среде. Длительное использование при 1400С, кратковременное - 1600С. Обладают линейной термоэлектрической особенностью в диапазоне 600-1600 0С. Показатель чувствительности - 10-12 мкВ/ 0С (10% Rh) и 11-14 мкВ/С (13% Rh). Производят высокоточное измерение, обладают высокой воспроизводимостью и стабильностью термо-ЭДС.

Минусы: нестабильность в облучаемой среде, повышенная чувствительность к загрязнениям.

ТПП с хорошим изолятором может применяться в восстановительной среде, и в условиях содержащих мышьяковые пары, серу, свинец, цинк и фосфор.

Практически не используются для измерения отрицательных температур по причине снижения чувствительности. Но, в отдельной сборке возможно измерение значений до -50 градусов. Для значений 300-600 0С применяются в качестве сравнительных показателей. Краткое применение – до 1600 0С, длительное – 1400 0С. С наличие защиты можно длительно эксплуатировать при 1500 0С.

Изоляторами в условиях температуры до 1200 0С применяются кварцевые и фарфоровые материалы или муллит и силлиманит. Образцовые термопары изолируют плавленым кварцем.

При использовании с вырабатываемой температурой в 1400 0С в качестве изолятора лучше применять керамику с окислю Al2O3. При слабоокислительной и восстановительной среде около 1200 0С.

В слабоокислительных и восстановительных условиях с температурой выше 1200 и независимо от условий с температурами выше 1400 0С необходимо в качестве изолятора использовать керамический высокочистый оксид алюминия. В восстановительной среде возможно применение оксида магния.

Обычно внутренний чехол для термопары состоит из того же материала из которого выполнен изолятор. Данные материалы должны быть газоплотными. В условиях разового измерения температур жидкой стали, чтобы защитить рабочий спай измерителя используются кварцевые наконечники.

Вся рабочая длина электродов должна быть заизолирована трубкой из керамики двухканального типа. Места стыка трубки и чехла, электрода и трубки должны иметь зазоры для вентиляции. Электроды должны тщательно очищаться от смазки перед установкой в изолятор. В свою очередь металлический чехол тоже должен быть сухим и чистым. Перед установкой на объект все компоненты термопары должны пройти отжиг. Термоэлектроды не должны выполнять опорную функцию для изолятора. Особенно это важно для вертикальных термопар.

Платинородий-платинородий тип В

Используется в окислительных и нейтральных условиях. Возможна эксплуатация в вакуумной среде. Максимальная температура измерений длительного потока 1600 0С, кратковременная - 1800С. Чувствительность - 10,5-11,5 мкВ/ 0С. Выделяется хорошей стабильностью термического ЭДС. Возможно применение без удлинительных проводов из-за низкой чувствительности в температурном диапазоне от 0 до 100 0С.

Изготавливается из сплава платины и родия ПР30 и ПР6.

В атмосфере восстановительного типа и паров металлического и неметаллического состава необходима надежная защита. В качестве изолятора используется керамическое сырье из чистого Al2O3.

Характеристики эксплуатации и прочностные данные соответствуют термопарам типов R, S. Но, выходят они из строя намного реже по причине низкой подверженности химзагрязнениям и росту зерен.


виды, типы конструкции, классы допуска

Термометрия относится к наиболее простым и эффективным методам измерений. Она основана на том, что физические свойства материала меняются в зависимости от температуры. В частности, измеряя сопротивление металла, сплава или полупроводникового элемента, можно определить его температуру с высокой степенью точности. Датчики такого типа называются термоэлектрическими или термосопротивлениями. Предлагаем рассмотреть различные виды этих устройств, их принцип работы, конструкции и особенности.

Виды термодатчиков

Наиболее распространенными считаются следующие типы термометров сопротивления (далее ТС):

  1. Полупроводниковые датчики. Отличительные особенности этих приборов заключается в высокой точности и стабильной чувствительности, а также в возможности измерения быстротечных процессов. Благодаря низкому измерительному току имеется возможность работы со сверхнизкими температурами (до -270°С). Пример конструкции полупроводникового ТС. Конструкция термистора

Обозначения:

  • А – Выводы измерителя.
  • В – Стеклянная пробка, закрывающая защитную гильзу.
  • С – Защитная гильза, наполненная гелием.
  • D – Электроизоляционная пленка, покрывающая внутреннюю часть гильзы.
  • E – Полупроводниковый чувствительный элемент (далее ЧЭ), в приведенном примере это германий, легированный сурьмой.
  1. Металлические датчики. У таких измерителей в качестве ЧЭ выступает проволочный или пленочный резистор, помещенный в керамический или металлический корпус. Металл, используемый для изготовления чувствительного элемента, должен быть технологичен и устойчив к окислению, а также обладать достаточным температурным коэффициентом. Таким критериям практически идеально отвечает платина. Там, где не столь высокие требования к измерениям, может использоваться никель или медь. В качестве примера можно привести термодатчики: PT1000, PT500, ТСП 100 П, ТСП pt100, ТСП 50П, ТСМ 296, ТСМ 045, ТС 125, Jumbo, ДТС Овен и т.д.

Расшифровка аббревиатур

Чтобы не возникало вопросов, что такое ТСМ, приведем расшифровку этой и других аббревиатур:

  • ТСМ это термометр сопротивления (ТС), в чувствительном элементе (ЧЭ) которого используется медная проволока (М).
  • ТСП, в применяется платиновый (проволока из платины) ЧЭ.
  • КТС б – обозначение комплекта из нескольких платиновых ТС., позволяющих провести многозонные измерения, как правило, монтаж таких устройств производится на вход и выход системы отопления, чтобы установить разность температур.
  • ТПТ – технический (Т) платиновый термометр (ПТ).
  • КТПТР – комплект из ТПТ приборов, буква «Р» в конце указывает, что может производиться не только измерение разницы температур между различными датчиками.
  • ТСПН – «Н» в конце ТСП, обозначает, что датчик низкотемпературный.
  • НСХ – под данным сокращением подразумевается «номинальная статическая характеристика», соответствующая стандартной функции «температура-сопротивление». Достаточно посмотреть таблицу НСХ для pt100 или любого другого датчика (например, pt1000, rtd, ntc и т.д.), чтобы иметь представление о его характеристиках.
  • ЭТС – эталонные приборы, служащие для калибровки датчиков.

Чем отличается термосопротивление от термопары?

Схема термопары, ее конструкция, а также принцип работы существенно отличается от термометра сопротивления, расскажем об этом простыми словами. У устройства pt100, а также других датчиков, принцип действия основан на сопоставимости между изменением температуры металла и его сопротивлением.

Принцип термопары построен на различных свойствах двух металлов собранных в единую биметаллическую конструкцию. Устройство, подключение, назначение термопары, а также описание погрешности этих приборов будет рассмотрено в отдельной статье.

Сейчас достаточно понимать, что термопара и ТСП, например pt100, это совершенно разные приборы, отличающиеся принципом работы.

Платиновые измерители температуры

Учитывая распространенность металлических датчиков, имеет смысл привести краткое описание этих устройств, чтобы наглядно показать сравнительные характеристики различных видов, особенности, а также описать сферу применения.

В соответствии с нормами ГОСТ 6651 2009 и МЭК 60751, у рабочих приборов данного типа значение температурного коэффициента должно быть 0,00385°С-1, эталонных – 0,03925°С-1. Диапазон измеряемой температуры: от-196,0°С до 600,0°С. К несомненным достоинствам следует отнести высокий коэффициент точности, близкую к линей характеристику «Температура-сопротивление», стабильные параметры. Недостаток – наличие драгметаллов увеличивает стоимость конструкции. Необходимо заметить, что современные технологии позволяют минимизировать содержание этого металла, что делает возможным снижение стоимости продукции.

Основная область применения – контроль температуры различных технологических процессов. Например, такой прибор может быть установлен в трубопроводе, в котором плотность рабочей среды сильно зависит от температуры. В этом случае показания вихревой расходометра корректируются информацией о температуре рабочей среды.

Датчик термопреобразователь ТСП 5071 производства Элемер

Никелевые термометры сопротивления

Температурный коэффициент (далее ТК) у данного типа измерительных устройств самый высокий — 0,00617°С-1. Диапазон измеряемых температур также существенно уже, чем у платиновых ЧЭ (от -60,0°С до 180,0°С). Основное достоинство данных приборов – высокий уровень выходного сигнала. В процессе эксплуатации следует учитывать особенность, связанную с приближением температуры нагрева к точке Кюри (352,0°С), вызывающую существенное изменение параметров ввиду непредсказуемого гистерезиса.

Данные устройства практически не используются, поскольку в большинстве случаев их можно заменить приборами с медными чувствительными элементами, которые существенно дешевле и технологичнее (проще в производстве).

Медные датчики (ТСМ)

ТК медных измерительных приборов – 0,00428°С-1, диапазон измеряемых температур немного уже, чем у никелевых аналогов (от -50,0°С до 150°С). К несомненным преимуществам медных измерителей следует отнести их относительно невысокую стоимость и наиболее близкую к линейной характеристику «температура-сопротивление». Но, узкий диапазон измеряемых температур и низкие параметры удельного сопротивления существенно ограничивают сферу применения термопреобразователей ТСМ.

Внешний вид термопреобразователя ТСМ 1088 1

Но, тем не менее, медные датчики рано списывать, есть немало примеров удачных реализаций, например, ТХА Метран 2700, который предназначен как для различных видов промышленности, но также удачно используется в ЖКХ.

Учитывая, что платиновые терморезисторы наиболее востребованы, рассмотрим варианты их конструктивного исполнения.

Типовые конструкции платиновых термосопротивлений

Наиболее распространение получило исполнение ЧЭ в ПТС, называемое «свободной от напряжения спиралью», у зарубежных изготовителей оно проходит под термином «Strain free». Упрощенный вариант такой конструкции представлен ниже.

Конструктивное исполнение «Strain free»

Обозначения:

  • А – Выводы термоэлектрического элемента.
  • В – Защитный корпус.
  • С – Спираль из платиновой проволоки.
  • D – Мелкодисперсный наполнитель.
  • E – Глазурь, герметизирующая ЧЭ.

Как видно из рисунка, четыре спирали из платиновой проволоки, размещают в специальных каналах, которые потом заполняются мелкодисперсным наполнителем. В роли последнего выступает очищенный от примесей оксид алюминия (Al2O3). Наполнитель обеспечивает изоляцию между витками проволоки, а также играет роль амортизатора при вибрациях или когда происходит ее расширение, вследствие нагрева. Для герметизации отверстий в защитном корпусе применяется специальная глазурь.

На практике встречается много вариаций типового исполнения, различия могут быть в дизайне, герметизирующем материале и размерах основных компонентов.

Исполнение Hollow Annulus.

Данный вид конструкции относительно новый, она разрабатывалась для использования в атомной индустрии, а также на объектах особой важности. В других сферах датчики данного типа практически не применяются, основная причина этого высокая стоимость изделий. Отличительные особенности высокая надежность и стабильные характеристики. Приведем пример такой конструкции.

Пример исполнения «Hollow Annulus»

Обозначения:

  • А – Выводы с ЧЭ.
  • В – Изоляция выводов ЧЭ.
  • С – Изолирующий мелкодисперсный наполнитель.
  • D – Защитный корпус датчика.
  • E – Проволока из платины.
  • F – Металлическая трубка.

ЧЭ данной конструкции представляет собой металлическую трубку (полый цилиндр), покрытый слоем изоляции, сверху которой наматывается платиновая проволока. В качестве материала цилиндра используется сплав с температурным коэффициентом близким к платине. Изоляционное покрытие (Al2O3) наносится горячим напылением. Собранный ЧЭ помещается с защитный корпус, после чего его герметизируют.

Для данной конструкции характерна низкая инерционность, она может быть в диапазоне от 350,0 миллисекунд до 11,0 секунд, в зависимости от того используется погружаемый или монтированный ЧЭ.

Пленочное исполнение (Thin film).

Основное отличие от предыдущих видов заключается в том, что платина тонким слоем (толщиной в несколько микрон) напыляется на керамическое или пластиковое основание. На напыление наносится стеклянное, эпоксидное или пластиковое защитное покрытие.

Миниатюрный пленочный датчик

Это наиболее распространенный тип конструкции, основные достоинства которой заключаются в невысокой стоимости и небольших габаритах. Помимо этого пленочные датчики обладают низкой инерционностью и относительно высоким внутренним сопротивлением. Последнее практически полностью нивелирует воздействие сопротивления выводов на показания прибора (таблицы термосопротивлений можно найти в сети).

Что касается стабильности, то она уступает проволочным датчикам, но следует учитывать, что пленочная технология усовершенствуется год от года, и прогресс довольно ощутим.

Стеклянная изоляция спирали.

В некоторых дорогих ТС платиновую проволоку покрывают стеклянной изоляцией. Такое исполнение обеспечивает полную герметизацию ЧЭ и увеличивает влагостойкость, но сужает диапазон измеряемой температуры.

Класс допуска

Согласно действующим нормам допускается определенное отклонение от линейной характеристики «температура-сопротивление». Ниже представлена таблица соответствия класса точности.

Таблица 1. Классы допуска.

Класс точности Нормы допуска

°C |t |

Диапазон измерения температуры
Платиновые датчики Медные Никелевые
Проволочные Пленочные
AA ±0,10+0,0017 -50°C …250°C -50°C …150°C x x
A ±0,15+0,002 -100°C …450°C -30°C …300°C -50°C …120°C x
B ±0,30+0,005 -196°C …660°C -50°C …500°C -50°C …200°C х
С ±0,60+0,01 -196°C …660°C -50°C …600°C -180°C …200°C -60°C …180°C

Приведенная в таблице погрешность отвечает текущим нормам.

Схемы включения ТСМ/ТСП

Существует три варианта подключения:

  • 2-х проводное (см. А на рис. 7), этот наиболее простой способ используется в тех случаях, когда точность результатов не критична. Дополнительную погрешность создает номинальное сопротивление проводников, которыми подключается датчик. Обратим внимание, что для классов точности A и AA данная схема включения неприемлема. Рисунок 7. Двухпроводная, трехпроводная и четырехпроводная схема включения термометра сопротивления
  • 3-х проводное (В). Такой вариант обладает более высокой точностью, чем 2-х проводная схема вариант подключения. Это происходит за счет того, что появляется возможность измерить сопротивление монтажных проводов, чтобы учесть их воздействие.
  • 4-х проводное. Этот вариант позволяет полностью исключить воздействие сопротивления монтажных проводов на результаты измерений.

В измерительных приборах ТС, как правило, включен по мостовой схеме.

Пример подключения по мостовой схеме вторичного прибора (pt100) для измерения температуры воздуха

Обратим внимание, что под rл.с. в электрической схеме подразумевается сопротивление линий связи, то есть проводов, которыми подключен датчик.

Обслуживание

Информация о ТО температурного датчика указана в паспорте прибора или инструкции эксплуатации, там же приводится типовые неисправности и способы их ремонта, рекомендуемая длина кабеля для подключения, а также друга полезная информация.

Термометры сопротивления не требуют специального ТО, в задачу обслуживающего персонала входит:

  • Проверка условий, в которых эксплуатируется датчик.
  • Внешний осмотр на предмет целостности конструкции и кабельных соединений, проверка хода подвижного штуцера (если таковой имеется).
  • Помимо этого проверяется наличие пломб.
  • Проверяется заземление.

Такой осмотр должен проводиться с периодичностью один раз в месяц или чаще.

Помимо этого должна проводиться поверка приборов, с использованием эталонного датчика, например, ЭТС 100.

Платиновый эталонный ПТС (датчик ЭТС 100)

Для градуировки датчиков используются специальные таблицы, в качестве примера приведена одна из них для термосопротивления pt100. Саму методику калибровки мы приводить не будем, ее описание несложно найти в сети.

Градуировочная таблица для терморезистора pt100 (фрагмент, без указания пределов градуировки измерений)

Что касается методики поверки эталонных платиновых датчиков, то она должна производиться на специальных реперных точках.

Термопары-Типы термопар - J, K, E, T, N, B, R, S

Chromel {90% никеля и 10% хрома} Alumel {95% никеля, 2% марганца, 2% алюминия и 1% кремния}


Твитнуть



Термопара типа K

Это наиболее распространенный тип термопар, обеспечивающий самый широкий диапазон рабочих температур. Термопары типа K обычно работают в большинстве случаев, поскольку они сделаны на основе никеля и обладают хорошей коррозионной стойкостью.

• 1. Положительный полюс - немагнитный (желтый) , отрицательный - магнитный (красный).

• 2. Традиционный выбор недрагоценных металлов для высокотемпературных работ.

• 3. Подходит для использования в окислительной или инертной атмосфере при температурах до 1260 ° C (2300 ° F).

• 4. Уязвим к воздействию серы (воздерживаться от воздействия серосодержащих атмосфер).

• 5. Лучше всего работать в чистой окислительной атмосфере.

• 6.Не рекомендуется для использования в условиях частичного окисления в вакууме или при чередовании циклов окисления и восстановления.

Состоит из положительной ветви, состоящей примерно из 90% никеля, 10% хрома и отрицательной ветви, состоящей примерно из 95% никеля, 2% алюминия, 2% марганца и 1% кремния. Термопары типа K являются наиболее распространенными термопарами общего назначения. термопара с чувствительностью приблизительно 41 мкВ / ° C, хромель положительный по отношению к алюмелю. Это недорогое решение, и предлагается широкий выбор датчиков в диапазоне от -200 ° C до + 1260 ° C / от -328 ° F до + 2300 ° F.Тип K был определен в то время, когда металлургия была менее развита, чем сегодня, и, следовательно, характеристики значительно различаются между образцами. Один из составляющих металлов, никель, является магнитным; Характерной чертой термопар, изготовленных из магнитного материала, является то, что они претерпевают ступенчатое изменение выходной мощности, когда магнитный материал достигает точки отверждения (около 354 ° C для термопар типа K).

Термопары типа K (хромель / константан)

Термопары типа K обычно работают в большинстве приложений, поскольку они сделаны на основе никеля и обладают хорошей коррозионной стойкостью.Это наиболее распространенный тип калибровки датчиков, обеспечивающий самый широкий диапазон рабочих температур. Благодаря своей надежности и точности термопара типа K широко используется при температурах до 2300 ° F (1260 ° C). Этот тип термопары должен быть защищен подходящей металлической или керамической защитной трубкой, особенно в восстановительной атмосфере. В окислительной атмосфере, такой как электрические печи, защита труб не всегда необходима, если подходят другие условия; тем не менее, он рекомендуется для обеспечения чистоты и общей механической защиты.Тип K обычно переживет тип J, потому что проволока JP быстро окисляется, особенно при более высоких температурах.

Температурный диапазон:
• Провод класса термопары, от −454 ° до 2300 ° F (от −270 до 1260 ° C)

• Провод класса удлинения, от −32 ° до 392 ° F (от 0 до 200 ° C)

• Точка плавления, 2550 ° F (1400 ° C)

Точность (в зависимости от того, что больше):
• Стандарт: ± 2.2C% или ± 0,75%

• Специальные пределы погрешности: ± 1,1C или 0,4%

Отклонения в сплавах могут повлиять на точность термопар. Для термопар типа K первый класс допуска составляет ± 1,5 K в диапазоне от -40 до 375 ° C. Однако отклонения между термопарами одного производства очень малы, и гораздо более высокая точность может быть достигнута путем индивидуальной калибровки.

Металлургические изменения могут вызвать отклонение калибровки от 1 до 2 ° C за несколько часов, которое со временем увеличится до 5 ° C.Доступен специальный сплав типа K, который может поддерживать особую предельную точность до десяти раз дольше, чем обычный сплав.

Доступные типы термопар

Типы термопар

Тип K - Тип K (хромель {90 процентов никеля и 10 процентов хрома} –алумель) (алюминий, состоящий из 95% никеля, 2% марганца, 2% алюминия и 1% кремния) является наиболее распространенной термопарой общего назначения с чувствительность примерно 41 мкВ / ° C, хромель положительный по отношению к алюмелю.Он недорогой, и доступно большое количество датчиков в диапазоне от -200 ° C до +1350 ° C / от -328 ° F до +2462 ° F. Тип K был определен в то время, когда металлургия была менее развита, чем сегодня, и, следовательно, характеристики значительно различаются между образцами. Никель, один из металлов, является магнитным; Характерной чертой термопар, изготовленных из магнитного материала, является то, что они претерпевают ступенчатое изменение выходной мощности, когда магнитный материал достигает точки Кюри (около 354 ° C для термопар типа K).

Тип E - Тип E (хромель-константан) имеет высокий выход (68 мкВ / ° C), что делает его хорошо подходящим для криогенного использования. Кроме того, он немагнитный.

Тип J - Тип J (железо-константан) имеет более ограниченный диапазон, чем тип K (от -40 до +750 ° C), но более высокую чувствительность, около 55 мкВ / ° C. Точка Кюри чугуна (770 ° C) вызывает резкое изменение характеристики, определяющей верхний предел температуры.

Тип N- Термопары типа N (никросил-нисил) (никель-хром-кремний / никель-кремний) подходят для использования при высоких температурах, превышающих 1200 ° C, благодаря их стабильности и способности противостоять высокотемпературному окислению.Чувствительность составляет около 39 мкВ / ° C при 900 ° C, что немного ниже, чем у типа K. Разработанный как улучшенный тип K, он становится все более популярным.

Платина типов B, R и S

В термопарах

типов B, R и S для каждого проводника используется платина или сплав платины с родием. Это одни из самых стабильных термопар, но их чувствительность ниже, чем у других типов, примерно 10 ° C. Термопары типов B, R и S обычно используются только для высокотемпературных измерений из-за их высокой стоимости и низкой чувствительности.

Тип B - Термопары типа B используют сплав платины с родием для каждого проводника. Один проводник содержит 30% родия, а другой проводник - 6% родия. Эти термопары подходят для использования при температуре до 1800 ° C. Термопары типа B дают одинаковый выход при 0 ° C и 42 ° C, что ограничивает их использование ниже 50 ° C.

Тип R - термопары типа R используют сплав платины с родием, содержащий 13% родия для одного проводника и чистой платины для другого проводника.Термопары типа R используются до 1600 ° C.

T ype S - Термопары типа S сконструированы с использованием одного провода из 90% платины и 10% родия (положительный или «+» провод) и второго провода из 100% платины (отрицательный или «-»). Как и тип R, термопары типа S используются до 1600 ° C. В частности, тип S используется в качестве эталона для калибровки температуры плавления золота (1064,43 ° C).

Тип T - Термопары типа T (медь – константан) подходят для измерений в диапазоне от –200 до 350 ° C.Часто используется в качестве дифференциального измерения, так как только медный провод касается датчиков. Поскольку оба проводника немагнитны, точка Кюри отсутствует и, следовательно, нет резкого изменения характеристик. Термопары типа T имеют чувствительность около 43 ° C.

Тип C - Термопары типа C (вольфрам 5% рения - вольфрам 26% рений) подходят для измерений в диапазоне от 0 ° C до 2320 ° C. Эта термопара хорошо подходит для вакуумных печей при чрезвычайно высоких температурах.Запрещается использовать его в присутствии кислорода при температуре выше 260 ° C.

Тип M - Термопары типа M используют никелевый сплав для каждой проволоки. Положительный провод содержит 18% молибендума, а отрицательный провод содержит 0,8% кобальта. Эти термопары используются в вакуумных печах по тем же причинам, что и для типа C. Верхняя температура ограничена 1400 ° C. Он используется реже, чем другие типы.

Хромель-золото / железо - В термопарах хромель-золото / железо положительный провод выполнен из хромеля, а отрицательный провод - из золота с небольшой долей (0.03–0,15 ат.%) Железа. Его можно использовать в криогенных приложениях (1,2–300 К и даже до 600 К). И чувствительность, и диапазон температур зависят от концентрации железа. Чувствительность обычно составляет около 15 мкВ / К при низких температурах, а самая низкая используемая температура колеблется от 1,2 до 4,2 К.


[email protected]

Термопары

Одним из наиболее распространенных промышленных термометров является термопара.Он был открыт Томасом Зеебеком в 1822 году. Он заметил, что при нагревании проволоки на одном конце возникает разница в напряжении. Независимо от температуры, если оба конца были при одинаковой температуре, разницы напряжений не было. Если бы цепь была сделана с помощью провода из того же материала, ток не протекал.

Термопара состоит из двух разнородных металлов, соединенных вместе на одном конце и создающих небольшое уникальное напряжение при заданной температуре. Это напряжение измеряется и интерпретируется термометром термопары.

Термоэлектрическое напряжение, возникающее в результате разницы температур от одного конца провода к другому, фактически является суммой всех разностей напряжений вдоль провода от конца до конца.

Термопары могут быть изготовлены из различных металлов и покрывать диапазон температур от 200 o C до 2600 o C . Сравнение термопар с другими типами датчиков должно производиться с учетом допуска, указанного в ASTM E 230.

Термопары из недрагоценных металлов

* Не используется ниже 1250 o C .

Преимущества термопар

  • Возможность использования для прямого измерения температуры до 2600 o C .
  • Спай термопары можно заземлить и привести в прямой контакт с измеряемым материалом.

Недостатки термопар

  • Для измерения температуры с помощью термопары необходимо измерить две температуры: соединение на рабочем конце (горячий спай) и соединение, где провода встречаются с медными проводами КИП (холодный спай).Чтобы избежать ошибок, температура холодного спая обычно компенсируется в электронных приборах путем измерения температуры на клеммной колодке с помощью полупроводника, термистора или RTD.
  • Термопары относительно сложны в эксплуатации с потенциальными источниками ошибок. Материалы, из которых изготовлены провода термопары, не являются инертными, и на термоэлектрическое напряжение, развиваемое по длине провода термопары, может влиять коррозия и т. Д.
  • Связь между температурой процесса и сигналом термопары (милливольт) не является линейной.
  • Калибровку термопары следует проводить путем сравнения ее с ближайшей термопарой. Если термопару снимают и помещают в калибровочную ванну, выходной сигнал, интегрированный по длине, не воспроизводится точно, поскольку разница температур от одного конца провода к другому является суммой всех разностей напряжений вдоль провода от конца до конца.

Типы термопар

Термопары доступны в различных комбинациях металлов или калибровок.Четыре наиболее распространенных калибровки - это J, K, T и E. Каждая калибровка имеет свой диапазон температур и среду, хотя максимальная температура зависит от диаметра провода, используемого в термопаре.

Некоторые типы термопар стандартизированы с помощью калибровочных таблиц, цветовых кодов и присвоенных буквенных обозначений. Стандарт ASTM E230 предоставляет все спецификации для большинства общепромышленных марок, включая буквенные обозначения, цветовые коды (только для США), рекомендуемые пределы использования и полные таблицы зависимости напряжения от температуры для холодных спаев, поддерживаемых на уровне 32 o F и 0 o C.

Существует четыре «класса» термопар:

  • класс домашнего корпуса (называемый основным металлом),
  • класс верхней корки (называемый редким или драгоценным металлом),
  • класс разреженного (тугоплавкие металлы) и ,
  • класс экзотики (эталоны и разработки).

Домашние тела - это типы E, J, K, N и T. Верхняя кора - это типы B, S и R, платина - все в разном процентном соотношении. Экзотический класс включает несколько термопар из вольфрамового сплава, обычно обозначаемых как тип W (что-то).

Преобразование температуры

  • o F = (1,8 x o C) + 32
  • o C = ( o F - 32) x 0,555
  • Кельвин = o C + 273.2
  • o Rankin = o F + 459.67

Стандарты ASTM, относящиеся к термопарам

  • E 207-00 ... Метод испытания материалов отдельных термоэлементов на ЭДС путем сравнения с вторичным эталоном аналогичных характеристик ЭМП-температуры
  • E 220-02 Стандартный метод испытаний для калибровки термопар методами сравнения
  • E 230-98e1..Таблицы температурной электродвижущей силы (ЭДС) для стандартизованных термопар
  • E 235-88 (1996) e1..Технические требования для термопар в оболочке типа K для ядерных или других высоконадежных приложений
  • E 452-02..Метод испытаний для калибровки термопар из тугоплавкого металла с использованием радиационного термометра
  • E 574-00..Технические условия для дуплексного провода термопары из недрагоценных металлов с изоляцией из стекловолокна или кремнеземного волокна
  • E 585 / E 585M-01a ​​.. Стандартные технические условия для уплотненного минерала -Изолированный кабель термопары из недрагоценных металлов в металлической оболочке
  • E 601-81 (1997)..Метод испытаний для сравнения стабильности ЭДС материалов одноэлементных термопар из недрагоценных металлов в воздухе
  • E 608 / E 608M-00. Стандартные технические условия на термопары из недрагоценных металлов с минеральной изоляцией и металлической оболочкой
  • E 696-00 Стандартные технические условия на провод для термопар из вольфрам-рениевого сплава
  • E 710-86 (1997) Стандартный метод испытаний для сравнения стабильности ЭДС термопары из недрагоценных металлов элементы в воздухе с использованием двойных, одновременных индикаторов термо-ЭДС
  • E 780-92 (1998) Стандартный метод испытаний для измерения сопротивления изоляции материала термопары с оболочкой при комнатной температуре
  • E 839-96 Стандартный метод испытаний термопар с оболочкой и с оболочкой Материал термопары
  • E 988-96 (2002) Таблицы стандартной температуры и электродвижущей силы (ЭДС) для вольфрам-рениевых термопар
  • E1129 / E1129M-98 Стандартные технические условия для разъемов термопар
  • E 1159-98 Стандартные технические условия для материалов термопар -Родиевые сплавы и платина
  • E 1350-97 (2001) Стандартные методы испытаний для испытания термопар в оболочке до, Во время и после установки
  • E 1652-00 Стандартные спецификации для оксида магния и порошка оксида алюминия и измельчаемых изоляторов, используемых при производстве платиновых термометров сопротивления в металлической оболочке, термопар из недрагоценных металлов и термопар из благородных металлов
  • E 1684-00 Стандартная спецификация для миниатюрных соединителей для термопар
  • E 1751-00 Стандартное руководство по температуре Таблицы электродвижущей силы (ЭДС) для комбинаций термопар без буквенного обозначения
  • E 2181 / E 2181M-01 Стандартные технические условия для благородных металлов с уплотненной минеральной изоляцией и металлической оболочкой Термопары и кабель термопары

Датчик термопары: что это такое, типы и руководство по покупке

Термопара - это устройство, известное для измерения температуры, которое состоит из датчиков различных типов, из которых потребители могут выбирать.От термопары типа K до типа J, типа T и т. Д., Понимание их различий и покупка термопары, подходящей для вашего следующего проекта Arduino, может оказаться непростой задачей!

Не бойтесь, в этом руководстве я помогу вам, объяснив:

  • Что такое термопара?
  • Как работает термопара?
  • Какой тип термопары?
  • Как выбрать термопару?
  • Как использовать термопару с Arduino?

Что такое термопара? Определение

Термопара типа K

Термопара - это датчик, сделанный из двух металлических частей, используемый для измерения температуры.Эти два куска металла свариваются на одном конце, образуя стык, на котором измеряется температура.

На изображении выше изображена термопара типа K, которую можно приобрести в Seeed! Вы можете нажать здесь, чтобы узнать больше!

Как работают термопары?

Принцип работы термопар

Термопара работает по принципу эффекта Зеебека (также известного как термоэлектрический эффект), принципа, открытого немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком еще в 18 веке.

Эффект Зеебека утверждает, что когда два разных металла соединяются вместе на двух стыках, создается электродвижущая сила (ЭДС).

Чтобы лучше понять этот принцип работы, мы рассмотрим схему термопары!

Описание схемы термопары

На схеме ниже показана электрическая цепь, которая обычно встречается в термопарах. Вот как работают термопары на этой иллюстрации:

  • Два куска металла свариваются на одном конце, образуя соединение
  • Горячий спай - это источник тепла, который генерирует температуру
  • При изменении температуры на металлах возникает перепад напряжения
  • Термопара справочные таблицы затем используются для интерпретации напряжения для рассчитываемой температуры

Для чего используются термопары?

Теперь, когда мы поняли, как работают термопары, мы рассмотрим их применение.

Термопары используются не только в промышленности, но и в повседневных бытовых приборах:

  • Промышленное применение:
    • Измерение температуры металлов
    • Измерение температуры печей, двигателей, технологических процессов
    • Пищевая промышленность; пастеризация молока и криогенная
  • Повседневные применения:
    • Термопарная печь
    • Печи
    • Тостеры

В целом термопары являются широко используемым типом датчиков температуры, хотя они и являются широко используемым типом датчиков температуры содержит различия по сравнению с другими типами датчиков температуры, такими как RTD и термостат.О различиях мы поговорим позже.

В чем разница между термопарой, RTD, термистором?

Термопару можно сравнить с RTD и термисторами, поскольку все они являются распространенными типами датчиков для измерения температуры.

Примечание. Следующая таблица предназначена только для сравнения, где пригодность каждого датчика зависит от того, что вы пытаетесь с ним сделать.

RTD Термизистор Термопара
Как измеряется температура Использует металлические резисторы и измеряет температуру путем изменения сопротивления Использует керамический / полимерный резистор и измеряет температуру путем изменения сопротивления Использует два металлических провода и измеряет температуру через перепад напряжения в соединениях
Типичный диапазон температур от -200 до 650 ° C от -100 до 325 ° C от 200 до 1750 ° C
Стоимость Самые дорогие От низкой стоимости до умеренной Самый низкий
Чувствительность обнаружения Низкая чувствительность, общее время отклика от 1 до 50 с Достойная чувствительность с общим временем отклика Хорошая чувствительность при общем времени отклика 0.От 10 до 10 с
Линейность Довольно линейный Экспоненциальная Нелинейный
Тепловое возбуждение Обязательно, текущий источник Обязательно, источник напряжения Не требуется
Долговременная стабильность Стабильный, 0,05 ° C стабильный, 0,2 ° C Переменная
Лучше всего подходит для Более стабильные показания с типичной точностью ± 0.1 ° С Постоянные показания с типичной точностью ± 0,1 ° C Более высокий температурный диапазон с типичной точностью ± 0,5 ° C

Помимо приведенного выше сравнения термопар, термопар и термисторов, также часто говорят о различиях между термопарами и термобатареями.

Чтобы вам было проще понять, есть только одно главное отличие, которое вы должны принять к сведению:

  • Термопара - это датчик, сделанный из двух металлических частей, используемый для измерения температуры.
  • Термобатарея - это устройство, преобразующее тепловую энергию в электрическую

Какие бывают типы термопар?

Теперь, когда вы поняли, что такое термопары и как они работают, мы теперь более подробно рассмотрим, какие типы термопар?

Существует 8 типов термопар, классифицируемых как «недрагоценный металл» и «благородный металл», а именно:

  • Тип термопары, изготовленный из основного металла:
    • Тип K
    • Тип J
    • Тип T
    • Тип E
    • Тип N
  • Тип термопары, сделанный из благородного металла:

Тип термопары K Самый популярный)

Несомненно, наиболее популярным типом термопар является термопара типа K.Он известен своим широким диапазоном температур и долговечностью, поэтому многие считают его!

Вот все о термопаре типа К:

Использованный свинец:

  • Никель-хром (+), алюминий (-)

Код цвета:

  • ANSI (Америка): желтый (+), красный (-)
  • IEC: зеленый (+), белый (-)

Диапазон температур:

  • от -200 ° C до 1250 ° C
  • по Фаренгейту: от -328 до 2,282F

Точность

  • Стандарт: +/- 2.2 ° C или +/- 0,75%
  • Специальные пределы погрешности: +/- 1,1 ° C или +/- 0,4%

Термопара типа J (менее мощный вариант, чем K)

Во-вторых, в списке основных металлов стоит термопара J-типа. Несмотря на меньший диапазон температур и меньшую чувствительность при более высоких температурах, это все еще распространенный вариант!

Вот все о термопарах типа J:

Использованный свинец:

Цветовой код:

  • ANSI (Америка): белый (+), красный (-)
  • IEC: черный (+), белый (-)

Диапазон температур:

  • от -210 до 760 ° C
  • по Фаренгейту: от –346 до 1,400F

Точность:

  • Стандарт: +/- 2.2 ° C или +/- 0,75%
  • Специальные пределы погрешности: +/- 1,1 ° C или +/- 0,4%

Термопара типа T (низкотемпературная опция)

В-третьих, термопары типа T. Обычно используется в пищевой промышленности, где требуются чрезвычайно низкие температуры, например, в криогенике, и обеспечивает более низкие показания температуры, несмотря на меньший диапазон температур.

Вот все о термопреобразователях типа T:

Использованный свинец:

  • Медь (+), константан (-)

Цветовой код:

  • ANSI (Америка): синий (+), красный (-)
  • IEC: коричневый (+), белый (-)

Диапазон температур:

  • от -270 до 370 ° C
  • по Фаренгейту: от –454 до 700F

Точность:

  • Стандарт: +/- 1.0 ° C или +/- 0,75%
    Специальные пределы погрешности: +/- 0,5 ° C или 0,4%

Термопара типа E (точность выше, чем у K&J)

Прежде чем вы прочитаете заголовок и решите, тип E - лучший тип термопары, потому что он имеет более высокую точность, чем популярные, подождите!

Термопара типа

E обеспечивает более высокую точность и более сильный сигнал, чем тип K&J, но только при умеренных диапазонах температур и ниже!

Вот и все о термопаре типа Е!

Использованный свинец:

  • Никель-хром (+), константан (-)

Цветовой код:

  • ANSI (Америка): фиолетовый (+), красный (-)
  • IEC: фиолетовый (+), белый (-)

Диапазон температур:

  • от -200 до 900 ° C
  • по Фаренгейту: от -328 до 1652F

Точность:

  • Стандарт: +/- 1.7 ° C или +/- 0,5%
  • Специальные пределы погрешности: +/- 1,0 C или 0,4%

Термопара типа N (дорогая версия типа K)

Термопара типа N имеет аналогичные характеристики с популярным типом K с точки зрения предела температуры и точности, но стоит дороже.

Вот все о термопаре типа N:

Использованный свинец:

Цветовой код:

  • ANSI (Америка): оранжевый (+), красный (-)
  • IEC: розовый (+), белый (-)

Диапазон температур:

  • от -270 до 392 ° C
  • по Фаренгейту: от -454 до 2300F

Точность:

  • Стандарт: +/- 2.2 ° C или +/- 0,75%
  • Специальные пределы погрешности: +/- 1,1 ° C или 0,4%

Термопара типа S (высокотемпературная термопара)

Первая из трех термопар из благородных металлов - это тип S. Разработанный с возможностью измерения высоких температур, он обычно используется в условиях, которые этого требуют. Такими условиями являются фармацевтическая промышленность, биотехнологии и т. Д.

Вот все о термопаре типа S:

Использованный свинец:

  • Платина Родий (+), Платина (-)

Код цвета:

  • ANSI (Америка): черный (+), красный (-)
  • IEC: оранжевый (+), белый (-)

Диапазон температур:

  • от 0 до 1450 ° C
  • по Фаренгейту: от 32 до 2642F

Точность:

  • Стандарт: +/- 1.5 ° C или +/- 0,25%
  • Специальные пределы погрешности: +/- 0,6 ° C или 0,1%

Термопара типа R (аналогична, но дороже, чем тип S)

Во-вторых, три термопары из благородных металлов относятся к типу R. Подобно типу S, он разработан с возможностью измерения высоких температур. Однако тип R дороже, чем тип S, поскольку он состоит с более высоким процентным содержанием родия.

Вот все о термопарах типа R:

Использованный свинец:

  • Платина Родий (+), Платина (-)

Цветовой код:

  • ANSI (Америка): черный (+), красный (-)
  • IEC: оранжевый (+), белый (-)

Диапазон температур:

  • от 0 до 1450 ° C
  • по Фаренгейту: от 32 до 2642F

Точность:

  • Стандарт: +/- 1.5 ° C или +/- 0,25%
  • Специальные пределы погрешности: +/- 0,6 ° C или 0,1%

Термопара типа B (верхний предел температуры)

Последней в этом списке находится термопара типа B. Думали, что у Type R и Type S есть предел высокой температуры? Тип B улучшает это, имея более высокий предел температуры среди всех перечисленных!

Он не только предлагает самый высокий температурный предел, но также поддерживает точность и стабильность при таких высоких температурах!

Вот все о термопаре типа B:

Использованный свинец:

  • Платина родий (+), платина родий (-)

Код цвета:

  • ANSI (Америка): черный (+), красный (-)
  • IEC: оранжевый (+), белый (-)

Диапазон температур:

  • от 0 до 1700 ° C
  • по Фаренгейту: от 32 до 3100F

Точность:

  • Стандарт: +/- 0.5%
  • Специальные пределы погрешности: +/- 0,25%

Каковы различия между всеми термопарами типа

Вот сводная сравнительная таблица между всеми типами термопар. Вы можете обратиться к этому при принятии решения о выборе термопары

.
Используемый свинец Цветовой код Диапазон температур Точность
Тип К Никель-Хром (+)
Алюмель (-)
ANSI (Америка): желтый (+), красный (-)

IEC: зеленый (+), белый (-)

от 200 ° C до 1250 ° C

по Фаренгейту: от –328 до 2,282F

Стандарт: +/- 2.2 ° C или +/- 0,75%

Специальный: +/- 1,1 ° C или +/- 0,4%

Тип J Железо (+)
Константин (-)
ANSI (Америка): белый (+), красный (-)

IEC: черный (+), белый (-)

от -210 до 760 ° C

по Фаренгейту: от –346 до 1,400F

Стандартный: +/- 2,2 ° C или +/- 0,75%

Специальный: +/- 1,1 ° C или +/- 0,4%

Тип Т Медь (+)
Константин (-)
ANSI (Америка): синий (+), красный (-)

IEC: коричневый (+), белый (-)

-270 ДО 370 ° C

Фаренгейта: от -454 до 700F

Стандарт: +/- 1.0 ° C или +/- 0,75%

Специальный: +/- 0,5 ° C или 0,4%

Тип E Никель-хром (+)
Константин (-)
ANSI (Америка): фиолетовый (+), красный (-)

IEC: фиолетовый (+), белый (-)

от -200 до 900 ° C

по Фаренгейту: от -454 до 1600F

Стандартный: +/- 1,7 ° C или +/- 0,5%

Специальный: +/- 1,0C или 0,4%

Тип N Никросил (+)
Нисил (-)
ANSI (Америка): оранжевый (+), красный (-)

IEC: розовый (+), белый (-)

270 до 392 ° C

по Фаренгейту: от -454 до 2300F

Стандарт: +/- 2.2 ° C или +/- 0,75%

Специальный: +/- 1,1 ° C или 0,4%

Тип S Платина Родий (+)
Платина (-)
ANSI (Америка): черный (+), красный (-)

IEC: оранжевый (+), белый (-)

от 0 до 1450 ° C

по Фаренгейту: от -32 до 2642F

Стандартный: +/- 1,5 ° C или +/- 0,25%

Специальный: +/- 0,6 ° C или 0,1%

Тип R Платина Родий (+)
Платина (-)

Более высокое процентное содержание родия

ANSI (Америка): черный (+), красный (-)

IEC: оранжевый (+), белый (-)

от 0 до 1450 ° C

по Фаренгейту: от -32 до 2642F

Стандарт: +/- 1.5 ° C или +/- 0,25%

Специальный: +/- 0,6 ° C или 0,1%

Тип B Платина Родий (+)

Платина Родий (-)

ANSI (Америка): черный (+), красный (-)

IEC: оранжевый (+), белый (-)

от 0 до 1700 ° C

по Фаренгейту: от 32 до 3100F

Стандартный: +/- 0,5%

Специальный: +/- 0,25%

Как выбрать датчик термопары?

Выбор термопары в конечном итоге сводится к тому, для чего вы планируете ее использовать.Вы можете сначала обратиться к таблице из приведенного выше раздела, чтобы получить общее представление обо всех типах термопар, прежде чем принимать во внимание следующие факторы:

Диапазон температур:
  • Для самого широкого диапазона температур: выберите термопару типа k
  • Для стабильности при высоких температурах: выберите термопару типа N
  • Для использования при низких температурах: выберите термопару типа T
Среда, в которой вы ее используете в:
  • Для использования в безопасной среде без химикатов и истирания; выберите незаземленную термопару, так как она обеспечивает более быстрое время отклика
    • Незаземленная термопара - это оголенные провода термопары, которые не касаются оболочки
  • Для использования в среде, подверженной химическим воздействиям или истиранию, заземленная термопара работает лучше всего

Как сделать использовать термопару с Arduino?

Независимо от того, решились ли вы, какой тип термопары покупать или нет, одной только термопары
недостаточно для использования с Arduino.

Следовательно, в этом разделе будут представлены рекомендации по продуктам, которые можно использовать с термопарой с Arduino!

Grove - Датчик высокой температуры

В датчике Grove - High Temperature Sensor используется датчик температуры термопары типа K с термистором для определения температуры окружающей среды в качестве компенсации температуры.

Благодаря нашей системе Grove и выделенному порту Grove на этом датчике вы можете подключить его к Arduino через plug-and-play, что делает термопары Arduino простой реальностью!

Хотите узнать больше? Вы можете перейти на страницу нашего продукта здесь! Мы также предоставляем руководство по термопарам Arduino вместе с ним!

Усилители термопар

Еще один вариант, который вы можете рассмотреть для сопряжения термопары с Arduino, - это наши усилители термопар!

Примечание. Все усилители термопар в нашем ассортименте имеют компенсацию холодного спая и встроенный преобразователь термопары в цифровой.

Grove - усилитель для термопар 1-Wire (MAX31850K)

Вы, наверное, слышали об усилителях термопар MAX31855, но этот усилитель термопар, основанный на MAX31850, предлагает такое же разрешение при сравнении.

Специально разработанный для термопар типа k, он имеет 64-битное ПЗУ и однопроводный интерфейс, что позволяет использовать несколько термопар с одним микроконтроллером!

Хотите узнать больше о его функциях, характеристиках и приложениях? Вы можете перейти на страницу нашего продукта здесь! Мы также предоставляем руководство по Arduino вместе с ним!

Grove - усилитель термопары I2C (MCP9600)

Другой вариант - это усилитель термопары, основанный на MCP9600.По сравнению с MAX31855 эта опция предлагает более высокое разрешение, несмотря на использование того же интерфейса I2C.

Подобно предыдущему варианту усилителя термопары, этот модуль также разработан для использования вместе с термопарой k-типа!

Хотите узнать больше о его функциях, характеристиках и приложениях? Вы можете перейти на страницу нашего продукта здесь! Мы также предоставляем руководство по Arduino вместе с ним!

Сводка

На сегодня на сегодня все о термопарах и руководстве по их выбору.Я надеюсь, что в этом блоге вы узнали больше о термопарах, типах и о том, как выбрать подходящую для вашего следующего проекта термопары Arduino!

Для получения дополнительной информации о термопарах типа k, которые мы предлагаем, вы можете посетить нашу страницу продукта!

Для получения дополнительной информации об усилении термопар и сравнении max31855, вы можете ознакомиться с этой статьей!

Следите за нами и ставьте лайки:

Теги: хромель, термопара для фурнитуры, GROVE, как использовать термопару, термопара типа j, термопара k, термопара типа k, MAX31855, термопара типа t, датчик температуры, термопара, усилитель термопары, термопара Arduino, руководство по термопаре, датчик термопары, типы термопар , что такое термопара

Продолжить чтение

Термопара

Термопара - это датчик температуры, в котором два разнородных металла соединяются в двух местах.Напряжение, создаваемое, когда металлы подвергаются температурному градиенту, используется для расчета температуры. Существует много различных типов термопар, каждая из которых предназначена для определенного диапазона температуры и чувствительности.

Как работают термопары

Термоэлектрический эффект, также называемый эффектом Зеебека, был открыт в 1821 году немецким физиком Томасом Зеебеком. Он обнаружил, что металлический стержень создает небольшую разность потенциалов между концами, когда они имеют разные температуры.Разница температур заставляет электроны двигаться от ядра к холодному концу, что приводит к разнице потенциалов между концами. Коэффициент Зеебека - это мера термоэлектрической чувствительности материала и его способности индуцировать напряжение при воздействии теплового градиента. Термопара измеряет разницу между неизвестной температурой на кончике зонда и известной температурой на холодном спайе, которая обычно моделируется диодом или термистором.

Типы термопар

В термопарах

используется широкий спектр металлов, таких как железо, никель, платина, медь и вольфрам.Они также используют металлические сплавы, такие как хромель, константан и никросил. Термопары обозначаются прописной буквой на них. Тип K используется для общего использования, тип E используется для криогеники, а тип C используется в высокотемпературных печах. Есть много других типов, каждый из которых назван в честь заглавной буквы.

Применение термопар

Термопары

используются в газовых нагревателях для контроля пилотного пламени, поэтому, если пламя гаснет, в термопаре возникает падение напряжения, которое приводит к закрытию электрического газа.Термопары используются в литейном производстве для измерения высоких температур расплавленных металлов, которые было бы трудно измерить другими способами. Они используются для измерения температуры компьютерных микросхем, особенно процессора, который может быть разрушен, если его перегреть. Термопары также используются в кондиционерах и холодильниках.

Измерение температуры термопар - Dataforth

Преамбула

Теория поведения термопар обсуждается в документе Dataforth Application Note AN106, Introduction to Thermocouples.Читателю рекомендуется изучить это руководство по применению, чтобы получить сведения о термопарах и основные положения. Для получения дополнительных сведений о интерфейсных продуктах для термопар читатель должен посетить предложение этого веб-сайта по формированию сигналов термопар.

Существует множество дополнительной информации о термопарах из различных источников. Заинтересованным читателям рекомендуется посетить ссылки, перечисленные в конце данного документа.

Типы термопар

Термопары стали стандартом в отрасли как экономичный метод измерения температуры.С момента их открытия Томасом Иоганном Зеебеком в 1821 году термоэлектрические свойства многих различных материалов были исследованы для использования в качестве термопар. Сообщество стандартов вместе с современной металлургией разработало специальные пары материалов специально для использования в качестве термопар.

В таблице 1 показаны восемь популярных стандартных термопар и их типовые характеристики. Буквенный тип определяет конкретное соотношение температуры и напряжения, а не конкретный химический состав.Производители могут изготавливать термопары данного типа с различными составами; тем не менее, результирующая зависимость температуры от напряжения должна соответствовать стандартам термоэлектрического напряжения, связанным с конкретным типом термопары.

Полные наборы таблиц зависимости температуры от напряжения, относящиеся к нулю ° C и включающие математические модели для всех популярных промышленных стандартных термопар, доступны в NIST, Национальном институте стандартов и испытаний, и могут быть бесплатно загружены с их веб-сайта Ссылка 1.Читателю предлагается изучить этот сайт для получения дополнительной информации.

Таблица 1: Стандартные типы термопар

* Определения материалов:

  • Константан, сплав никель (Ni) - медь (Cu)
  • Хромель, сплав никель (Ni) - хром (Cr)
  • Алюмель, сплав никеля (Ni) и алюминия (Al)
  • Магний (Mg), базовый элемент
  • Платина (Pt), базовый элемент
  • Никель (Ni) базовый элемент
  • Кремний (Si), базовый элемент
  • Хром (Cr), базовый элемент
  • Железо (Fe), базовый элемент
  • Родий (Rh), базовый элемент

Примечания :
  1. Термопары типа L и U определены стандартом DIN 43710; однако они не так часто используются в новых установках, как более популярные стандарты термопар типа T и J.
  2. Термопара типа U аналогична популярному стандарту T типа
  3. .
  4. Термопара типа L аналогична популярному стандарту типа J
  5. .

Три дополнительных типа термопар, используемых для высокотемпературных измерений, - это термопары типов C, D и G. Буквы их обозначений (C, D, G) не признаются стандартами ANSI; тем не менее, они есть. Их проволочные составы:

  • G Тип: W против W-26% Re
  • C Тип W-5% Re против W-26% Re
  • D Тип W-5% Re против W-25% Re
Где; "W" - вольфрам, "Re" - рений.

С помощью термопар можно измерить практически все диапазоны температур; даже несмотря на то, что их выходное полномасштабное напряжение составляет всего милливольты с чувствительностью в микровольтах на градус диапазона, и их реакция нелинейна.На рисунках 3 и 4 в конце данной инструкции по применению показаны типичные вольт-температурные характеристики вышеуказанных термопар. Эти кривые обеспечивают визуальную индикацию диапазонов термопар, масштабных коэффициентов, чувствительности и линейности.

Dataforth предлагает модули ввода для термопар, которые взаимодействуют со всеми вышеперечисленными типами. Для получения дополнительной информации об этих и других современных модулях посетите веб-сайт Dataforths, Ссылка 2.

Аналитическая модель термопары

Для каждого типа термопар были разработаны стандартные математические модели степенных рядов.В этих моделях силового ряда используются уникальные наборы коэффициентов, которые различны для разных температурных сегментов в пределах данного типа термопары. Если не указано иное, все стандартные модели и таблицы термопар относятся к нулю градусов по Цельсию, 0 ° C. Читателю отсылаем к руководству Dataforths Application Note AN106, Введение в термопары для основ термопар, Ссылка 8.

Ссылка на следующие примеры и соответствующие данные - это NIST, Национальный институт стандартов и тестирования; сайт, Ссылка 1.Уравнение 1 иллюстрирует модель силового ряда, используемую для всех термопар, за исключением типа K, который проиллюстрирован уравнением. 3


Где T в градусах C

Набор коэффициентов, используемых в уравнении. 1 к модели E Тип термопары показан для 3 значащих цифр в таблице 2.

Таблица 2: Коэффициенты C i для термопары типа E

Эти уравнения с различными наборами коэффициентов трудно использовать для прямого определения фактических температуры, когда измеряется только напряжение термопары [VTC] известен.Поэтому обратные модели были разработан для определения температуры по измеренным напряжения термопары. Уравнение 2 представляет эту обратную модель.


Где VTC в милливольтах

Пример набора обратных коэффициентов для типа E термопары показаны для 6 значащих цифр в таблице 3.

Таблица 3: Обратные коэффициенты для термопары типа E

Здесь стоит отметить, что K Type V1 = S * (Tx-Tc) Eqn.4 термопары требуют немного другой серии мощности модель. Уравнение 3 представляет собой стандартный математический модель серии power для термопар типа K.

Экспоненциальный член в уравнении. 3 это добавлен учет спецэффектов. Подробнее об этом тип модели термопары доступны в сети NIST сайт, Ссылка 1.

Метод компенсации холодного спая (CJC)

Стандартные справочные таблицы и модели термопар: относительно нуля ° C; тогда как измерение поля топологии сделаны с термопарой, подключенной к коннектор, температура которого не равна нулю ° C; следовательно, фактическое измеренное напряжение необходимо отрегулировать так, чтобы оно выглядело как относительно нуля ° C.

Современные модули преобразования сигналов имеют электронное разрешили эту ситуацию и, кроме того, линеаризовали напряжения термопары. Эти модули кондиционирования предоставить конечному пользователю линейный выходной сигнал, масштабированный до либо вольт на ° C (° F), либо амперы на ° C (° F). Концепт измерений термопар с электронной привязкой до нуля ° C показано на рисунке 1. Этот метод известен как «компенсация холодного спая» или CJC.


Рисунок 1: Концепция компенсации холодного спая

На рисунке 1 напряжение V1 - это термопара Зеебека. напряжение, создаваемое разницей между неизвестными температура (Tx) и температура соединителя (Tc), как показано в уравнении 4.Температура разъема (Tc) равна измеряется нетермопарным датчиком (диод, RTD, и т. д.) и соответствующее напряжение датчика (V2) равно электронно масштабируется для представления того же Зеебека напряжение термопары (относительно 0 ° C), которое термопара будет читать, если использовать для измерения Tc как указано в уравнении. 5. Это «масштабирование V2» согласовано с термопара того же типа, что и для измерения Tx.

Для ознакомления см. Ссылку 8, Dataforth's. Примечание по применению AN106 для получения этих выражения.

Уравнение 4 можно математически преобразовать, чтобы включить температура точки льда (Tice).

Уравнение 6 показывает, что напряжение термопары (V1) имеет два части, обе из которых ссылаются на Tice. Напряжение термин, S * (Tx-Tice), является стандартным значением справочной таблицы необходим для определения неизвестной температуры (Tx). Член S * (Tc-Tice) - это напряжение, получаемое, если температура разъема (Tc) была измерена с тем же тип термопары, используемой для измерения Tx.Напомним, что V2 был масштабирован электронным способом, так что V2 равняется этому напряжение, V2 = S * (Tc-Tice). На рисунке 1, если G = 1, то;

Можно ввести выходное напряжение (Vout) в уравнении 7. непосредственно в ссылку на термопару соответствующего типа таблица для определения измеренной температуры.

Линеаризация

Требуется сигнал для точных измерений термопар модули кондиционирования с выходами, которые линейно масштабируется по температуре.Выходные напряжения модуля, которые иметь линейные масштабные коэффициенты в вольтах на градус или амперах на степень исключает необходимость в справочных таблицах или мощности расширение серии с момента перехода от термопары вольт к температуре встроен в линеаризованный выход масштаб. Такое преобразование сигнала термопары модули, включая изоляцию и CJC, доступны от Dataforth.

На рис. 3 показаны кривые напряжение-температура для восьми из самых распространенных термопар.Эти кривые представлены здесь, чтобы показать визуальную индикацию стандартных диапазоны термопар, величины выходных напряжений, нелинейность и чувствительность (мВ / ° C). Хотя диапазоны рабочих температур, в которых термопары могут использоваться довольно большие, их чувствительность мала; в микровольт на диапазон ° C. Кроме того, на Рисунке 3 показано что при отрицательных температурах реакция термопар очень нелинейный; однако эти кривые выглядят почти линейными для определенных диапазонов положительных температур.Тем не менее, факт остается фактом: термопары нелинейны.

В качестве примера нелинейности на рисунке 2 показано нелинейность термопары путем построения разницы между идеальным линейным откликом и откликом Термопара типа J в диапазоне от 0 до 150 ° C.


Рисунок 2: Разница выходного напряжения между идеальным линейным датчиком и термопарой типа J

Чувствительность термопары типа J составляет приблизительно 54 мкВ / ° C.Из рисунка 2 очевидно, что в предположении линейный отклик термопар типа J может привести к почти две степени ошибки.

Очевидно, что линеаризация необходима для обеспечения точной измерения температуры с помощью термопар. Dataforth разработал запатентованные схемы, которые обеспечивают точную линеаризацию для их преобразования сигналов модули. Хотя современные ПК или другие встроенные микропроцессоры могут линеаризовать термопары, используя программные методы, аппаратная линеаризация обеспечивает более быстрые результаты и не обременяют ценный компьютер Ресурсы.

Для достижения линейности коэффициент усиления (G) на рисунке 1 и Уравнение 7 внутренне запрограммировано на выборочное масштабирование функция напряжения S * (Tx-Tice) должна быть линейной функцией температуры с единицами измерения вольт на ° C (° F) или миллиампер на ° C (° F). Для получения более подробной информации изучите AN505. «Аппаратная линеаризация нелинейных сигналов» на Раздел примечаний к применению на веб-сайте Dataforth, ссылка 9. Находясь на этом веб-сайте, уделите несколько минут, чтобы изучить все полной линейки сигналов термопар Dataforth модули кондиционирования.

На рисунке 5 этого приложения показана функциональная блок-схема. с типичными характеристиками Dataforth модуль формирования сигнала термопары.

Практические рекомендации

Ниже приводится список некоторых "бегунов ума" для учитывать при измерении температуры с помощью термопары.
  1. Всегда проверяйте производителей термопар спецификации на соответствие стандартам, указанным диапазоны температур и взаимозаменяемость.

  2. Воспроизводимость и взаимозаменяемость между следует изучить марки термопар. Ошибки из-за замены термопары должны быть избегали.

  3. Используйте изолированные модули преобразования сигналов, чтобы избежать контуры заземления.

  4. Всегда используйте преобразование сигнала термопары модули с соответствующей входной фильтрацией. Это могло избежать серьезных «шумовых» ошибок.

  5. Каждый провод термопары подключен к датчику модуль должен иметь одинаковую температуру.Модуль разъемы не должны иметь температурных градиентов по отдельные соединения.

  6. Поведение термопары зависит от материалов молекулярная структура. Условия окружающей среды, такие как стресс, химическая коррозия, радиация и т. д., которые влияют на молекулярная структура в любом месте по длине Проволока термопары может создавать ошибки. Например, термопары с составом железа подлежат ржавчина, которая может вызвать ошибки.

  7. Используйте удлинители витой пары и сигнальные модули кондиционирования с соответствующей фильтрацией, чтобы помочь Избегайте ошибок EMI и RFI.

  8. Следите за тем, чтобы провода термопары были короткими.

  9. Используйте удлинители, рекомендованные производителем, если необходимы длинные провода термопары.

  10. Всегда соблюдайте полярность цветового кода. Примечание: некоторые Европейские производители используют противоположный цвет для положительная и отрицательная полярность, чем в Северной Америке производители.

  11. Избегайте «тепловых шунтов» при установке термопар. Любой теплопроводящий материал, например, большие свинцовые провода, может отводить тепло от термопары, создавая ошибка

  12. Враждебные коррозионные среды в сочетании с влага и тепло могут вызвать коррозию, которая может стимулируют гальваническое действие и создают электрохимические ошибки напряжения.

  13. Напомним, что время отклика измерения температуры подвергается значительному воздействию термопары инкапсуляция пакетов. Например, термопары в «термальном колодце» имеют медленное время отклика, что может вызвать нежелательные колебания в контуре управления.

  14. Кожухи для термопар доступны с термопары, подключенные к корпусу. Эти «заземленные термопары» и могут вызвать заземление проблемы с петлей. Учитывая использование изолированных модулей для избежать таких проблем.

  15. Убедитесь, что модули преобразования сигналов с электронные методы CJC используют измерение температуры устройства, которые имеют время теплового отклика эквивалентно измерительным термопарам.

На рисунке 3 показан спектр вольт-амперных характеристик наиболее популярных стандартных термопар.


Рисунок 3: Напряжение-температура термопар типов B, E, J, K, N, R, S и T

На рисунке 4 показан спектр вольт-температурных характеристик высокотемпературных термопар, не классифицированных ANSI.


Рисунок 4: Температурные характеристики термопар G, D, C

На рис. 5 показан пример модуля изолированной линеаризованной термопары Dataforth SCM5B47. Dataforth предлагает полная линейка модулей для всех типов термопар. Эти модули предлагают отличную изоляцию, превосходную точность и линейность. См. Сайт Dataforth http://www.dataforth.com.

Рисунок 5: Изолированный линеаризованный модуль термопары Dataforth SCM5B47

Каждый модуль ввода термопары SCM5B47 обеспечивает единственный канал входа термопары, который фильтруется, изолирован, усиливается, линеаризуется и преобразуется в аналоговое выходное напряжение высокого уровня (Рисунок 5).Этот выход напряжения является логическим переключателем управляемые, что позволяет этим модулям совместно использовать общую аналоговую шину без необходимости использования внешних мультиплексоров.

Модули SCM5B спроектированы с полностью изолированной боковой цепью компьютера, которая может быть плавно подведена до ± 50 В от Общий вывод питания, контакт 16. Эта полная изоляция означает, что соединение между общим входом / выходом и питанием не требуется. Общее для правильной работы выходного переключателя. При желании выходной переключатель можно включить постоянно, просто соединяющий контакт 22, контакт разрешения чтения, с общим входом / выходом, контакт 19.

SCM5B47 может взаимодействовать с восемью стандартными типами термопар: J, K, T, E, R, S, N и B. выходной сигнал работает в диапазоне от 0 В до + 5 В. Каждый модуль имеет компенсацию холодного спая для устранения паразитных термопары, образованные проводом термопары и винтовыми клеммами на монтажной задней панели. Высококлассный открытый Обнаружение термопары обеспечивается внутренним подтягивающим резистором. Индикация уменьшения масштаба может быть реализована путем установки внешний резистор 47 МВт, допуск ± 20%, между винтовыми клеммами 1 и 3 на задней панели SCMPB01 / 02/03/04/05/06/07.

Фильтрация сигналов осуществляется с помощью шестиполюсного фильтра, который обеспечивает 95 дБ подавления нормального режима при 60 Гц и 90 дБ при 50 Гц. Два полюса этого фильтра находятся со стороны поля изоляционного барьера, а четыре других - со стороны компьютера.

После первоначальной фильтрации на стороне поля входной сигнал прерывается специальной схемой прерывателя. Изоляция обеспечивается трансформаторная связь, опять же с использованием запатентованной технологии для подавления передачи синфазных пиков или выбросов.В модуль запитан от + 5В постоянного тока, ± 5%.

Специальная входная цепь на модулях SCM5B47 обеспечивает защиту от случайного включения напряжения в сети. до 240 В переменного тока.

Список литературы

  1. NIST, Национальный институт стандартов и тестирования
  2. Dataforth Corp.
  3. Rosemount
  4. Омега
    а. http://www.omega.com/tempera/Z/zsection.asp
    б. http://www.omega.com/tempera/Z/pdf/z246.pdf
  5. ASTM, Американское общество испытаний и материалов
  6. IEC, Международная электротехническая комиссия
  7. ANSI, Американский национальный институт стандартов
  8. Dataforth Application Note AN106, Введение в термопары
  9. Указание по применению Dataforth AN505, Аппаратная линеаризация нелинейных сигналов

Стандарты, относящиеся к термопарам

  • DIN 43722
  • DIN 43714
  • DIN 43760
  • DIN 43710
  • IEC 304
  • МЭК 751
  • DIN IEC 548
  • ANSI MC 96-1-82
  • JIS C 1602-1981
.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *