Меню

Измерение высоких температур термопарами



О термопарах: что это такое, принцип действия, подключение, применение

В автоматизации технологических процессов очень часто приходится снимать показатели о температурных изменениях, для их загрузки в системы управления, с целью дальнейшей обработки. Для этого требуются высокоточные, малоинерционные датчики, способные выдерживать большие температурные нагрузки в определённом диапазоне измерений. В качестве термоэлектрического преобразователя широко используются термопары – дифференциальные устройства, преобразующие тепловую энергию в электрическую.

Устройства также являются простым и удобным датчиком температуры для термоэлектрического термометра, предназначенного для осуществления точных измерений в пределах довольно широких температурных диапазонов. В частности, управляющая автоматика газовых котлов и других отопительных систем срабатывает от электрического сигнала, поступающего от сенсора на базе термопары. Конструкции датчика обеспечивают необходимую точность измерений в выбранном диапазоне температур.

Устройство и принцип действия

Термопара конструктивно состоит из двух проволок, каждая из которых изготовлена из разных сплавов. Концы этих проводников образуют контакт (горячий спай) выполненный путём скручивания, с помощью узкого сварочного шва либо сваркой встык. Свободные концы термопары замыкаются с помощью компенсационных проводов на контакты измерительного прибора или соединяются с автоматическим устройством управления. В точках соединения образуется другой, так называемый, холодный спай. Схематически устройство изображено на рисунке 1.

Рис. 1. Схема строения термопары

Красным цветом выделено зону горячего спая, синим – холодный спай.

Электроды состоят из разных металлов (металл А и металл В), которые на схеме окрашены в разные цвета. С целью защиты термоэлектродов от агрессивной горячей среды их помещают в герметичную капсулу, заполненную инертным газом или жидкостью. Иногда на электроды надевают керамические бусы, как показано на рис. 2).

Рис. 2. Термопара с керамическими бусами

Принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте. При замыкании цепи, например милливольтметром (см. рис. 3) в точках спаек возникает термо-ЭДС. Но если контакты электродов находятся при одинаковой температуре, то эти ЭДС компенсируют друг друга и ток не возникает. Однако, стоит нагреть место горячей спайки горелкой, то согласно эффекту Зеебека возникнет разница потенциалов, поддерживающая существование электрического тока в цепи.

Рис. 3. Измерение напряжения на проводах ТП

Примечательно, что напряжение на холодных концах электродов пропорционально зависит от температуры в области горячей спайки. Другими словами, в определённом диапазоне температур мы наблюдаем линейную термоэлектрическую характеристику, отображающую зависимость напряжения от величины разности температур между точками горячей и холодной спайки. Строго говоря, о линейности показателей можно говорить лишь в том случае, когда температура в области холодной спайки постоянна. Это следует учитывать при выполнении градуировок термопар. Если на холодных концах электродов температура будет изменяться, то погрешность измерения может оказаться довольно значительной.

В тех случаях, когда необходимо добиться высокой точности показателей, холодные спайки измерительных преобразователей помещают даже в специальные камеры, в которых температурная среда поддерживается на одном уровне специальными электронными устройствами, использующими данные термометра сопротивления (схема показана на рис. 4). При таком подходе можно добиться точности измерений с погрешностью до ± 0,01 °С. Правда, такая высокая точность нужна лишь в немногих технологических процессах. В ряде случаев требования не такие жёсткие и погрешность может быть на порядок ниже.

Рис. 4. Решение вопроса точности показаний термопар

На погрешность влияют не только перепады температуры в среде, окружающей холодную спайку. Точность показаний зависит от типа конструкции, схемы подключения проводников, и некоторых других параметров.

Типы термопар и их характеристики

Различные сплавы, используемые для изготовления термопар, обладают разными коэффициентами термо-ЭДС. В зависимости от того, из каких металлов изготовлены термоэлектроды, различают следующие основные типы термопар:

  • ТПП13 – платинородий-платиновые (тип R);
  • ТПП10 – платинородий-платиновые (тип S);
  • ТПР – платинородий-платинродиевые (тип B);
  • ТЖК – железо-константановые (тип J);
  • ТМКн – медь-константановые (тип T);
  • ТНН – нихросил-нисиловые (тип N);
  • ТХА – хромель-алюмелевые (тип K);
  • ТХКн – хромель-константановые (тип E);
  • ТХК – хромель-копелевые (тип L);
  • ТМК – медь-копелевые (тип M);
  • ТСС – сильх-силиновые (тип I);
  • ТВР – вольфрамрениевые (типы A-1 – A-3).

Технические требования к термопарам задаются параметрами определёнными ГОСТ 6616-94, а их НСХ (номинальные статические характеристики преобразования), оптимальные диапазоны измерений, установленные классы допуска регулируются стандартами МЭК 62460, и определены ГОСТ Р 8.585-2001. Заметим, также, что НСХ в вольфрам-рениевых термопарах отсутствовали в таблицах МЭК до 2008 г. На сегодняшний день указанными стандартами не определены характеристики термопары хромель-копель, но их параметры по прежнему регулируются ГОСТ Р 8.585-2001. Поэтому импортные термопары типа L не являются полным аналогом отечественного изделия ТХК.

Классификацию термодатчиков можно провести и по другим признакам: по типу спаев, количеству чувствительных элементов.

Типы спаев

В зависимости от назначения термодатчика спаи термопар могут иметь различную конфигурацию. Существуют одноэлементные и двухэлементные спаи. Они могут быть как заземлёнными на корпус колбы, так и незаземленными. Понять схемы таких конструкций можно из рисунка 5.

Рис. 5. Типы спаев

Буквами обозначено:

  • И – один спай, изолированный от корпуса;
  • Н – один соединённый с корпусом спай;
  • ИИ – два изолированных друг от друга и от корпуса спая;
  • 2И – сдвоенный спай, изолированный от корпуса;
  • ИН – два спая, один из которых заземлён;
  • НН – два неизолированных спая, соединённых с корпусом.

Заземление на корпус снижает инерционность термопары, что, в свою очередь, повышает быстродействие датчика и увеличивает точность измерений в режиме реального времени.

С целью уменьшения инерционности в некоторых моделях термоэлектрических преобразователей оставляют горячий спай снаружи защитной колбы.

Многоточечные термопары

Часто требуется измерение температуры в различных точках одновременно. Многоточечные термопары решают эту проблему: они фиксируют данные о температуре вдоль оси преобразователя. Такая необходимость возникает в химических и нефтехимических отраслях, где требуется получать информацию о распределении температуры в реакторах, колоннах фракционирования и в других ёмкостях, предназначенных для переработки жидкостей химическим способом.

Многоточечные измерительные преобразователи температуры повышают экономичность, не требуют сложного обслуживания. Количество точек сбора данных может достигать до 60. При этом используется только одна колба и одна точка ввода в установку.

Таблица сравнения термопар

Выше мы рассмотрели типы термоэлектрических преобразователей. У читателя, скорее всего, резонно возник вопрос: Почему так много типов термопар существует?

Дело в том, что заявленная производителем точность измерений возможна только в определённом интервале температур. Именно в этом диапазоне производитель гарантирует линейную характеристику своего изделия. В других диапазонах зависимость напряжения от температуры может быть нелинейной, а это обязательно отобразится на точности. Следует учитывать, что материалы обладают разной степенью плавкости, поэтому для них существует предельное значение рабочих температур.

Для сравнения термопар составлены таблицы, в которых отображены основные параметры измерительных преобразователей. В качестве примера приводим один из вариантов таблицы для сравнения распространённых термопар.

Тип термопары K J N R S B T E
Материал положительного электрода Cr—Ni Fe Ni—Cr—Si Pt—Rh (13 % Rh) Pt—Rh (10 % Rh) Pt—Rh (30 % Rh) Cu Cr—Ni
Материал отрицательного электрода Ni—Al Cu—Ni Ni—Si—Mg Pt Pt Pt—Rh (6 % Rh Cu—Ni Cu—Ni
Температурный коэффициент 40…41 55.2 68
Рабочий температурный диапазон, ºC 0 до +1100 0 до +700 0 до +1100 0 до +1600 0 до 1600 +200 до +1700 −185 до +300 0 до +800
Значения предельных температур, ºС −180; +1300 −180; +800 −270; +1300 – 50; +1600 −50; +1750 0; +1820 −250; +400 −40; +900
Класс точности 1, в соответствующем диапазоне температур, (°C) ±1,5 от −40 °C до 375 °C ±1,5 от −40 °C до 375 °C ±1,5 от −40 °C до 375 °C ±1,0 от 0 °C до 1100 °C ±1,0 от 0 °C до 1100 °C ±0,5 от −40 °C до 125 °C ±1,5 от −40 °C до 375 °C
±0,004×T от 375 °C до 1000 °C ±0,004×T от 375 °C до 750 °C ±0,004×T от 375 °C до 1000 °C ±[1 + 0,003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °C ±[1 + 0,003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 ° ±0,004×T от 125 °C до 350 °C ±0,004×T от 375 °C до 800 °C
Класс точности 2 в соответствующем диапазоне температур, (°C) ±2,5 от −40 °C до 333 °C ±2,5 от −40 °C до 333 °C ±2,5 от −40 °C до 333 °C ±1,5 от 0 °C до 600 °C ±1,5 от 0 °C до 600 °C ±0,0025×T от 600 °C до 1700 °C ±1,0 от −40 °C до 133 °C ±2,5 от −40 °C до 333 °C
±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C ±0, T от 333 °C до 750 °C ±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C ±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C ±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C ±0,0075×T от 133 °C до 350 °C ±0,0075×T от 333 °C до 900 °C
Цветовая маркировка выводов по МЭК Зелёный — белый Чёрный — белый Сиреневый — белый Оранжевый — белый Оранжевый — белый Отсутствует Коричневый — белый Фиолетовый — белый

Способы подключения

Каждая новая точка соединения проводов из разнородных металлов образует холодный спай, что может повлиять на точность показаний. Поэтому подключения термопары выполняют, по возможности, проводами из того же материала, что и электроды. Обычно производители поставляют изделия с подсоединёнными компенсационными проводами.

Некоторые измерительные приборы содержат схемы корректировки показаний на основе встроенного термистора. К таким приборам просто подключаются провода, соблюдая их полярность (см. рис. 6).

Рис. 6. Компенсационные провода

Часто используют схему подключения «на разрыв». Измерительный прибор, подключают через проводник того же типа что и клеммы (чаще всего медь). Таким образом, в местах соединения отсутствует холодный спай. Он образуется лишь в одном месте: в точке присоединения провода к электроду термопары. На рисунке 7 показана схема такого подключения.

Рис. 7. Схема подключения на разрыв

При подключении термопары следует как можно ближе размещать измерительные системы, чтобы избежать использования слишком длинных проводов. Во всяком проводе возможны помехи, которые усиливаются с увеличением длины проволоки. Если от радиопомех можно избавиться путём экранирования проводки, то бороться с токами наводки гораздо сложнее.

В некоторых схемах используют компенсирующий терморезистор между контактом измерительного прибора и точкой холодного спая. Поскольку внешняя температура одинаково влияет на резистор и на свободный спай, то данный элемент будет корректировать такие воздействия.

И напоследок: подключив термопару к измерительному прибору, необходимо, пользуясь градуировочными таблицами, выполнить процедуру калибровки.

Применение

Термопары используются везде, где требуется измерение температуры в технологической среде. Они применяются в автоматизированных системах управления в качестве датчиков температуры. Термопары типа ТВР, у которых внушительный диаметр термоэлектрода, незаменимы там, где требуется получать данные о слишком высокой температуре, в частности в металлургии.

Газовые котлы, конвекторы, водонагревательные колонки также оборудованы термоэлектрическими преобразователями.

Преимущества

  • высокая точность измерений;
  • достаточно широкий температурный диапазон;
  • высокая надёжность;
  • простота в обслуживании;
  • дешевизна.

Недостатки

Недостатками изделий являются факторы:

  • влияние свободных спаев на показатели приборов;
  • ограничение пределов рабочего диапазона нелинейной зависимостью ТЭДС от степени нагревания, порождающей сложности в разработке вторичных преобразователей сигналов;
  • при длительной эксплуатации в условиях перепадов температур ухудшаются градуировочные характеристики;
  • необходимость в индивидуальной градуировке для получения высокой точности измерений, в пределах погрешности в 0,01 ºC.

Благодаря тому, что проблемы связанные с недостатками решаемы, применение термопар более чем оправдано.

Видео по теме

Источник

Измерение температуры с помощью термопары

В этой статье краткий обзор темы «измерение температуры с помощью термопар», рассказывается о проблемах стандартного характера, возникающие при их использовании, и предлагает два решения для снятия показаний.

В принципе действия термопары лежит эффект Зеебека, иначе говоря термоэлектрический эффект. Поместив спай металлов, с различным термо-ЭДС, в среду с измеряемой температурой, то на электродах будет разность потенциалов прямопропорциональная разности температур.

Трудности измерении температур термопарой

Малый сигнал на выходе

Напряжение крайне мало, и поэтому требуется дополнительное усиление сигнала. Измерительные схемы для термопары очень сложны, потому как требуется сверх точное усиление сигнала. Для таких целей изготовляются специальные микросхемы, с помощью которых можно соорудить достаточно компактный измеритель температуры.

Компенсация эталонного спая

Первые, в своем роде, термопары погружали эталонным спаем в ванну со льдом, что бы температура была постоянной. Но сейчас это не подходит современным системам измерения, хотя поддержание температуры спая все равно необходимо. В данный момент используют технологию компенсации эталонного спая. Для этих целей применяется другой термочувствительный элемент. Например — термисторы, резистивные датчики или удаленные термодиоды.

Нелинейность характеристики

Характеристика напряжения термопары не линейна, и изменяет наклон в зависимости от величины сигнала. Есть такие способы решения проблемы:

  • Аппроксимировать наклон как линейный (особенно хорошо работает для термопар К- и -J типа);
  • Соотнести набор напряжений термопары с ее относительной температурой, путем сохранения характеристики в памяти просмотровой таблицы;
  • Моделировать поведение термопары уравнениями высокого порядка.

В зависимости от используемой пары материалов термопары делят на:

Способы измерения температуры при помощи термопар

При измерениях следует определится, что Вы ставите в приоритет — оптимизацию для простоты или точности и гибкости.

Оптимизация для простоты

Суть в включении в схему измерения усилителя AD8495, специализированного на термопарах типа К. Выбор этого варианта не требует написание программы и имеет простой тракт сигнала.

Источник

Термопары. Типы, характеристики, конструкции, производство

Статья «Термопары. Типы, характеристики, конструкции, производство» с различных сторон рассматривает термопары. Для удобства чтения и изучения данная статья разделена на главы и параграфы, а также содержит графические материалы.

На странице представлена только выдержка из статьи «Термопары. Типы, характеристики, конструкции, производство» .

Введение

Термопара (термоэлектрический преобразователь) — устройство, применяемое для измерения температуры в промышленности, научных исследованиях, медицине, в системах автоматики.

Основное назначение термопар – измерение температуры. Температура — физическая величина, количественно характеризующая меру средней кинетической энергии теплового движения молекул какого-либо тела или вещества. Из анализа определения температуры можно сделать вывод, что данная физическая величина не может быть измерена непосредственно. Судить об изменении температуры какого-либо объекта можно по изменению других физических свойств данного объекта (например, объема, давления, электрического сопротивления, термо-ЭДС, интенсивности излучения и др.).

Для обеспечения единства измерений температуры в качестве международного стандарта в 1968 году была принята Международная Практическая Температурная Шкала МПТШ-68 (в настоящее время стандартом является уточненная в 1990 году версия шкалы — ITS-90 (МТШ -90), использующая в качестве опорных (реперных) точек температуры изменения агрегатного состояния определенных веществ, которые могут быть воспроизведены. Помимо этого, стандарт определяет типы эталонных средств измерения во всем диапазоне температур. Перечень некоторых реперных точек МТШ-90 приведен в таблице Таблица 1.

Таблица 1 Краткий перечень реперных точек МТШ-90

Реперная точка Температура, К Температура, °С
Точка затвердевания золота 1337,33 1064,18
Точка затвердевания серебра 1234,93 961,78
Точка затвердевания цинка 692,677 419,527
Тройная точка воды 273,16 0,01
Тройная точка кислорода 54,3584 –218,7916
Точка плавления галлия 302,9146 29,7646

В зависимости от диапазона измеряемых температур различают две основные группы методов измерения: контактные (собственно термометрия) и бесконтактные (пирометрия или термометрия излучения). Бесконтактные способы применяются, как правило, для измерения очень высоких температур. Измерение температуры с помощью термопар относится к контактному способу измерения.

Принцип действия термопары основан на термоэлектрическом эффекте или эффекте Зеебека. К достоинствам термопар, как средств измерения температуры, можно отнести высокую точность измерения значений температуры, большой температурный диапазон измерения, их простоту устройства и надежность.

Термопары классифицируются по материалам, из которых они изготовлены, а также по классу точности (допуска) (см. Глава 4, §3).

Глава 1 Устройство термопары

§1 Принцип работы термопары. Эффект Зеебека

Принцип работы термопары основан на термоэлектрическом эффекте. Явление термоэлектричества было открыто немецким физиком Т. Зеебеком (T. Seebeck) в 1821 г. и также получило название эффект Зеебека.

Эффект Зеебека состоит в следующем: если соединить два проводника (термоэлектрода) из разнородных металлов или сплавов таким образом, чтобы они образовали замкнутую электрическую цепь (Рисунок 1), и затем поддерживать места контактов (спаи) при различной температуре, то в цепи будет протекать постоянный ток. Цепь, которая состоит только из двух различных проводников (термоэлектродов), называется термоэлементом или термопарой. —>

Электродвижущая сила, вызывающая ток в цепи, называется термо-ЭДС Зеебека и в первом приближении зависит только от материала термоэлектродов и разности температур спаев.

Термоэлектрод, по которому ток идет от горячего спая к холодному, договорились считать положительным, от холодного к горячему – отрицательным. При обозначении термопары, например ТХА (термопара хромель-алюмель), на первом месте в названии указывается материал положительного электрода, на втором – отрицательного.

Таким образом, зная температуру одного спая (обычно ее поддерживают постоянной, например, равной 0 °С) и измеряя ток или напряжение в цепи, можно однозначно определить неизвестную температуру другого спая.

Стоит заметить, что величина термо-ЭДС составляет милливольты при разности температур в 100 К (173,15 °С) и температуре холодного спая в 0 °С (например, пара медь-константан дает 4,25 мВ, платина-платинородий — 0,643 мВ).

§2 Термоэлектрический термометр. Конструкции термопар

Правильнее говорить, что температуру измеряют не с помощью термопары, а с помощью термоэлектрического термометра. Чувствительным элементов такого термометра является термопара; термометрической величиной – термо-ЭДС, возникающая в термопаре; термометрическим свойством – изменение термо-ЭДС с изменением температуры;.

Основными факторами, от которых зависит конструкция термопары, являются условия ее эксплуатации. При конструировании того или иного термоэлектрического преобразователя учитываются такие факторы, как агрегатное состояние вещества, температуру которого требуется измерять, «агрессивность» внешней среды, диапазон измеряемых температур, тепловая инерционность и другие.

Можно выделить следующие особенности конструкции термопар:

  • Концы двух термоэлектродов соединяются между собой в одной точке, образуя рабочий спай. Соединение происходит, как правило, с помощью электродуговой сварки, а термоэлектроды перед сваркой скручивают между собой. В специальных случаях вместо сварки может применяться пайка. Термоэлектроды из тугоплавких металлов, например, в вольфрам-рениевых или вольфрам-молибденовых термопарах, часто соединяют только скруткой без дальнейшей сварки.
  • Термоэлектроды должны быть соединены между собой только в рабочем спае. По всей остальной длине требуется их электрическая изоляция друг от друга.
  • Способ изоляции термоэлектродов зависит от верхнего температурного предела применения термоэлектрического термометра. Если указанный предел не превышает 100-120 °С, то может применяться любая изоляция, в том числе воздушная. При температурах до 1300 °С изоляцию выполняют с помощью фарфоровых одно- и двухканальных трубок или бус. При более высоких температурах электроизоляционные свойства пирометрического фарфора сильно ухудшаются, а сам он размягчается. В связи с этим при более высоких температурах используют трубки из окиси алюминия (до 1950 °С) и из окиси магния, окиси бериллия, двуокиси тория и двуокиси циркония (выше 2000 °С).
  • В зависимости от среды, в которой осуществляется измерение температуры, термопара может иметь наружную защитную трубку-чехол с закрытым концом. Данная трубка может быть металлической, керамической или металлокерамической. Она должна обеспечивать механическую стойкость термоэлектрического термометра, отсутствие механического напряжения термоэлектродов, гидроизоляцию, а в некоторых случаях герметичность термометра. Материал защитной трубки-чехла должен выдерживать длительное пребывание при температуре верхнего предела применения данной конструкции термопары, а также быть химически стойким к среде, в которой осуществляются измерения, обладать хорошей теплопроводностью. Защитная трубка-чехол должна быть газонепроницаемой и нечувствительной к действию резких изменений температуры.

Рисунок 1. Термоэлектрический термометр

Классификация типов конструктивного исполнения термопар
По назначению и условиям эксплуатации:

  • погружаемые;
  • поверхностные.

По наличию и материалу защитного чехла:

  • изготовляемые без чехла;
  • со стальным чехлом (до t ≈ 600 °С);
  • с чехлом из специального жаростойкого сплава (до t ≈ 1000-1100 °С);
  • с фарфоровым чехлом (до t ≈ 1300 °С);
  • с чехлом из тугоплавких сплавов (t ≈ 2000 °С и более).

По конструкции крепления термопары на месте установки:

  • с неподвижным штуцером;
  • с подвижным штуцером;
  • с подвижным фланцем.

По защищенности от внешней среды со стороны выводов:

  • с обыкновенной головкой;
  • с водозащищенной головкой;
  • со специальной заделкой выводных концов (без головки).

По защищенности от измеряемой среды:

  • защищенные от воздействия неагрессивных и агрессивных сред;
  • незащищенные (применяются, когда измеряемая среда не оказывает вредного влияния на термоэлектроды).

По герметичности, рассчитанные на высокое давление измеряемой среды:

  • негерметичные;
  • герметичные, предназначенные для работы при различных условных давлениях и температурах.

По устойчивости к механическим воздействиям:

  • вибротрясоустойчивые;
  • ударопрочные;
  • обыкновенные.

По числу зон, в которых должна контролироваться температура:

  • однозонные;
  • многозонные.

По степени тепловой инерции:

  • с большой инерционностью – до 3,5 минут;
  • со средней инерционностью – до 1 минуты;
  • малоинерционные – до 40 секунд;
  • с ненормированной инерционностью.

Длина рабочей части термопары может быть различной: от 120 до 1580 мм для однозонных термоэлектрических преобразователей, до 20000 мм – для многозонных.

Рисунок 2. Термопары с коммутационными головками, в защитном корпусе

§3 Удлиняющие (компенсационные) провода для термопар

Согласно принципу работы термопары, описанному в Глава 1, §1, свободные концы термопары (холодный спай) должны находиться при постоянной температуре, желательно близкой к 0 °С. К этим концам присоединяют соединительные провода, которые идут к измерительному прибору. Если располагать свободные концы в головке термоэлектрического термометра (см. Рисунок 2), то выполнить данное условие практически невозможно. Головка термометра может находиться при очень высоких температурах, а также эти температуры могут меняться из-за изменения состояния среды, в которой осуществляются измерения. Также не всегда возможно разместить измерительный прибор в непосредственной близости от термопары. Таким образом, возникает необходимость в удалении точек подключения измерительного прибора (свободных концов термопары) от непосредственного места измерения температуры. Данную задачу решают с помощью компенсационных (удлиняющих) проводов.

В простейшем случае компенсационные провода могут быть изготовлены из тех же сплавов, что и термоэлектроды. Но, как правило, провода, выводимые из головки термометра, будут находиться при температурах гораздо более низких, чем термоэлектроды. Этот факт позволяет заменить дорогостоящие термоэлектродные сплавы со специальными свойствами на более дешевые сплавы. Необходимо только обеспечить условия, исключающие возможность образования паразитных (наведенных) термо-ЭДС. О данных условиях будет рассказано далее.

Схема термоэлектрической цепи, которая получается при наличии удлиняющих проводов, представлена на рисунке Рисунок 3. —>

Провода, удовлетворяющие условию EAB(T1; T) = ECD(T1; T), называются удлиняющими (компенсационными). Такие провода, соединенные с термоэлектродами и соединительными проводами, развивают при небольших температурах (не более 100-150 °С) термо-ЭДС, равную термо-ЭДС термопары. Основное назначение компенсационных проводов – отведение свободных концов термопары в зону с известной и постоянной температурой.

В качестве примера можно рассмотреть термопару платинородий-платина (ТПП). Для данной термопары в качестве удлиняющих используются провода, изготовленные из меди и медно-никелевого сплава (0,6% Ni + 99,4% Cu). При T1 = 100 °С и T = 0 °С они развивают такую же термо-ЭДС, как и платинородий с платиной – 0,64 мВ. В данном случае применение удлиняющих проводов позволит использовать меньшее количество дорогостоящих платинородия и платины.

Конструкция компенсационных проводов представлена на рисунке Рисунок 4. —>

§4 Основные источники погрешностей измерений с помощью термопар

Глава 2 Типы термопар и их параметры

§1 Термопара хромель-алюмель (ТХА)

Основные свойства и области применения
Одна из самых распространенных термопар, применяемых в промышленности и научных исследованиях. Позволяет длительно измерять температуры до 1100 °С и кратковременно – до 1300 °С. Также используется для измерения низких температур вплоть до -200 °С (70К). Термопара хромель-алюмель предназначена для работы в инертных и окислительных средах, может использоваться для измерений в сухом водороде и кратковременно в вакууме. Термоэлектрическая характеристика данной термопары практически линейная, чувствительность составляет порядка 40 мкВ/°С. Термопара хромель-алюмель является наиболее устойчивой среди термопар других типов в условиях реакторного облучения.

К недостаткам данной термопары можно отнести высокую чувствительность к деформации термоэлектродов и обратимую нестабильность термо-ЭДС.

Термопара ХА производится в соответствии с ГОСТ 3044-84, термоэлектродная проволока для данной термопары – ГОСТ 1790-77 и рядом технических условий.
Данная термопара применяется для измерения температуры в промышленных печах, нагревательных устройствах, энергосиловом оборудовании, а также в многообразной научной аппаратуре и лабораторных приборах.

Материал термоэлетродов
В термопаре ХА положительным электродом является проволока из никелевого сплава хромель НХ 9,5 (ГОСТ 492-2006), отрицательным – проволока из никелевого сплава алюмель НМцАК 2-2-1 (ГОСТ 492-2006).

Рекомендуемая рабочая среда
Термопара хромель-алюмель предназначена для измерения температуры в окислительных и инертных средах. Содержание кислорода (O2) в окислительной среде должно быть не менее 2-3% или его присутствие должно быть практически исключено. В противном случае в хромеле резко увеличивается селективное окисление хрома, его концентрация уменьшается, что приводит к существенному изменению уменьшению термо-ЭДС данного сплава. Термопара ХА может применяться и в восстановительной или переменной окислительно-восстановительной атмосфере, если имеет надежный защитный чехол (см. Глава 1§2).

Изоляция и защита
В качестве изоляционных материалов для термопары хромель-алюмель могут быть использованы: фарфор, асбест, стекловолокно, кварц, эмали, высокоогнеупорные окислы.

Рекомендации по эксплуатации
Наиболее частыми причинами выхода термопары хромель-алюмель из строя являются: разрушение термоэлектрода из алюмеля вследствие его интеркристаллитной коррозии и охрупчивания; разрушение термоэлектрода из хромеля вследствие его коррозии (коррозия типа «зеленой гнили»).

Интеркристаллитная коррозии и охрупчивание сплава алюмель происходит в результате нагрева термоэлектрода до температуры 650-820 °С в атмосфере, содержащий серу. Источниками появления серы могут являться: топливо печей, остатки масел и эмульсий в защитных чехлах термопары, некоторые сорта асбеста, цемента и других материалов, из которых могут быть изготовлены защитные чехлы. Предотвратить интеркристаллитную коррозию алюмеля можно, только полностью исключив попадание серы в атмосферу, окружающую термоэлектроды.

Коррозия сплава хромель может быть вызвана селективным внутренним окислением хрома (входит в состав данного сплава) вследствие работы термоэлектрода в атмосфере, содержащей пары воды или CO (слабоокислительная атмосфера). Предотвратить коррозию хромеля можно путем применения вентилируемых защитных чехлов большого диаметра или чехлов с помещенными внутри геттерами.

§2 Термопара хромель-копель (ТХК)

Основные свойства и области применения
Одна из самых распространенных термопар, применяемых в промышленности и научных исследованиях. Термопара хромель-копель позволяет проводить измерения температуры в инертных и окислительных средах до 800 °С длительно и до 1100 °С кратковременно. Нижний предел измеряемых температур ограничен -253 °С. В связи с наличием в промышленности термопары хромель-алюмель термопара хромель-копель применяется, как правило, для длительных измерений до 600 °С. Термопары данного типа обладают наибольшей чувствительностью из всех промышленных термопар. Чувствительность термопары ХК превышает 81 мкВ/°С при температурах выше 200 °С. Также данная термопара имеет практически линейную градуировочную характеристику. ТХК свойственна исключительно высокая термоэлектрическая стабильность при температурах до 600 °С. К недостаткам термопар данного типа можно отнести высокую чувствительность к деформации термоэлектрода.

Градуировка термопар хромель-копель осуществляется по градуировочным таблицам в соответствии с ГОСТ 3044-77. Проволока для термоэлектродов поставляется по ГОСТ 1790-77 и ряду технических условий.

Термопары хромель-копель широко распространены в различных областях промышленности и при проведении научных исследований; часто используются для измерения малых разностей температур.

Материал термоэлетродов
В термопаре ХК положительным электродом является проволока из никелевого сплава хромель НХ 9,5 (ГОСТ 492-2006), отрицательным – проволока из медно-никелевого сплава копель МНМц 43-0,5 (ГОСТ 492-2006).

Рекомендуемая рабочая среда
Основной рабочей средой термопары ХК является окислительная среда или содержащая инертные газы. Термопара также может использоваться в вакууме при высокой температуре, но непродолжительное время. Постоянное использование термопары хромель-копель в указанной среде может привести к селективному испарению хрома из положительного электрода.

Для использования данной термопары в атмосфере, содержащей серу, в восстановительной, переменной окислительно-восстановительной, а также в слабокислой атмосфере требуется хорошая (газоплотная) защита. В атмосфере, содержащей хлор или фтор, термопара хромель-копель может работать при температурах до 200 °С.

§3 Термопара железо-константан (ТЖК)

Основные свойства и области применения
Термопары данного типа широко используются в промышленности и научных исследованиях. Термопара железо-константан позволяет проводить измерения в восстановительных, окислительных, а также инертных средах и вакууме. Термопара ЖКн позволяет измерять как положительные температуры (до 1100 °С), так и отрицательные (до -203 °С). Следует отдельно заметить, что именно измерение положительных совместно с отрицательными температурами является рекомендуемым применением термопары данного типа. Использование данных термопар для измерения исключительно отрицательных температур не рекомендуется, так как существуют аналоги с лучшими характеристиками. При длительном применении максимальная рабочая температура составляет 750 °С, при кратковременном – 1100 °С.

Термопары данного типа имеют высокую чувствительность, которая составляет 50-65 мкВ/°С. Также стоит отметить их сравнительно низкую стоимость. К недостаткам термопар данного типа можно отнести высокую чувствительность к деформации термоэлектродов, а также низкую коррозионную стойкость железного термоэлектрода.

Материал термоэлетродов
В термопаре ЖКн положительный электрод выполнен из технически чистого железа (малоуглеродистой стали), отрицательный – из медно-никелевого сплава константан МНМц 40-1,5 (ГОСТ 492-2006). Стоит заметить, что специально для термометрии железную проволоку не изготовляют, используется проволока, предназначенная для других целей.

Рекомендуемая рабочая среда
Термопара железо-константан устойчиво работает в окислительной и восстановительной атмосферах. При температурах около 769 °С и 910 °С железо, из которого изготовлен положительный электрод термопары, претерпевает магнитное и α↔γ-превращения, которые влияют на термоэлектрические свойства. В связи с вышесказанным термопара, находившаяся при температурах выше 760 °С даже в течение короткого временного интервала, не может использоваться для дальнейших точных измерений при температурах ниже 760 °С, так как ее показания могут не соответствовать градуировочной таблице.

Срок службы термопары зависит от поперечного сечения термоэлетродов. Диаметр электродов термопары следует выбирать прямопропорционально измеряемой температуре. В некоторых источниках приводятся следующие рекомендации по выбору диаметра электродов термопар в чехлах для длительного измерения температуры: 760 °С – 3,2 мм; 590 °С – 1,6 мм; 480 °С – 0,8 мм; 370 °С – 0,3-0,5 мм.

При температурах больших 500 °С использование термопары ЖКн в атмосфере, содержащей серу, возможно только при наличии надежной газоплотной защиты.

§4 Термопара вольфрам-рений (ТВР)

Основные свойства и области применения
Термопара вольфрам-рений является одной из лучших среди промышленных термопар для измерения температур выше 1800 °С. Термопара ВР используется для измерения температур до 3000 °С. Нижний предел измеряемых температур, как правило, ограничен 1300 °С. Рабочей атмосферой является аргон, азот, гелий, сухой водород или вакуум. Термо-ЭДС при 2500 °С составляет 34 мВ для термопар из сплавов ВР5/20 и ВАР5 /ВР20 и 22 мВ для термопар из сплава ВР10/20, чувствительность термопар – 7-10 и 4-7 мкВ/°С соответственно.

Термопары вольфрам-рений обладают хорошими механическими свойствами при высоких температурах, могут работать при воздействии больших знакопеременных нагрузках, а также при частых и резких теплосменах. Термопары данного типа неприхотливы при изготовлении и монтаже, так как сравнительно мало чувствительны к загрязнениям.

Среди недостатков термопар ВР можно выделить плохую воспроизводимость термо-ЭДС; нестабильность термо-ЭДС в условиях облучения; значительное падение чувствительности при температурах выше 2400 °С.

Стоит заметить, что термопара из сплавов ВАР5/ВР20 дает более точный результат при длительных измерениях, чем термопара из сплавов ВР5/20.

Градуировка термопар вольфрам-рений осуществляется по градуировочным таблицам в соответствии с ГОСТ 3044-77. Проволока для термоэлектродов из сплавов ВР5, ВАР5 и ВР20 изготовляется по техническим условиям. Термоэлектродная проволока из сплава ВР10 серийно не производится.

Термопары ВР применяют в отраслях промышленности, связанных с высокими температурами. Например, вольфрам-рениевая термопара используется для измерения температуры при производстве тугоплавких металлов, твердых сплавов и керамики, при выплавке и разливке сталей и сплавов, для измерения температуры газовых потоков и низкотемпературной плазмы в газотурбинных двигателях, МГД-генераторах, а также в атомной энергетике.

Материал термоэлетродов
В вольфрам-рениевых термопарах материалами для электродов служат сплавы ВР5 – положительный термоэлектрод и ВР20 – отрицательный; ВАР5 – положительный термоэлектрод и ВР20 – отрицательный или ВР10 – положительный термоэлектрод и ВР20 – отрицательный.

Рекомендуемая рабочая среда
Термопары вольфрам-рений предназначены для длительного измерения температуры в чистых инертных средах, сухом водороде и вакууме. Даже небольшое количество кислорода существенно уменьшает срок службы термопары. В окислительных средах термопары данного типа могут быть использованы только для измерения температуры в быстротекущих процессах. При значениях температуры выше значений, при которых начинается катастрофическое окисление, срок службы термопары исчисляется минутами.

Использование термопар ВР не рекомендуется в атмосфере влажного водорода и углеродсодержащих восстановительных средах. Реакция вольфрам-рениевых сплавов с парами углеводородов начинается уже при 1000 °С. Взаимодействие с углеродом может привести к охрупчиванию термоэлектродов и существенному увеличению нестабильности термопары. Возникновение хрупкости наблюдается уже при 1700 °С. Контакт с углеродом понижает предельную измеряемую температуру до 2500 °С. Однако, существуют случаи использования термопары вольфрам-рений в высокотемпературных печах с графитовыми нагревателями. Общий вывод можно сформулировать следующим образом: срок службы термопары зависит в большой степени от характера атмосферы, материала изоляции и рабочей температуры.

Изоляция и защита
Для изоляции термоэлектродов используют керамику из BeO, HfO2, ThO2, Y2O3. Окись бериллия может использоваться при температурах, не превышающих температуру плавления данного материала (

2570 °С). BeO является самым часто употребляемым изолятором для термопар ВР. Следует отметить, что необходимо использовать BeO чистотой не менее 99,9%.

Для измерения температур ниже 1600 °С электроды термопары изолируют окисью Al2O3 чистотой 99,5% или MgO. При этом керамика должна быть прокалена для удаления органических и неорганических примесей.

При очень высоких температурах используют термопары с неизолированными теромэлектродами. В окислительных средах для защиты термопары используют главным образом металлические чехлы из Nb, Ta, Mo и сплавов Mo- Re, W-Re с покрытиями. Термопара с термоэлектродами, покрытыми иридием, может кратковременно эксплуатироваться на воздухе (30-40 часов при температуре 2000-2400 °С).

§5 Термопара вольфрам-молибден (ВМ)

2400 °С. Термопара ВМ имеет чувствительность 6,5 мкВ/°С в указанном диапазоне температур. Термоэлектроды имеют высокую механическую прочность. При изготовлении, монтаже и эксплуатации термопары не предъявляются жесткие требования к соблюдению химической чистоты. Термопара вольфрам-молибден является самой дешевой в изготовлении среди прочих термопар пригодных для измерения высоких температур.

Среди недостатков термопары ВМ можно выделить плохую воспроизводимость термо-ЭДС; небольшую величину термо-ЭДС и чувствительности; инверсию полярности; охрупчивание после нагрева при высоких температурах.

Основная область применения термопары ВМ – кратковременные измерения температуры жидких сталей, сплавов и шлаков в различного рода печах, конверторах и ковшах. Стоит заметить, что с появлением термопар вольфрам-рений (см. Глава 2§4) и платинородий-платинородий (см. Глава 2§7) термопара вольфрам-молибден стала использоваться для измерения температур в процессах выплавки и разливки только неответственных сплавов.

Проволока для изготовления термоэлектродов из вольфрама и молибдена поставляется по техническим условиям.

Материал термоэлетродов
Для изготовления термоэлектродов термопар ВМ используются металлы технической чистоты. Металлы высокой чистоты, как правило, не применяются, так как значительно увеличивают стоимость термопары и предъявляют повышенные требования к отсутствию загрязнения. Положительный электрод в термопаре вольфрам-молибден сделан из вольфрама, отрицательный – из молибдена (по причине инверсии полярности данное утверждение справедливо для температур выше 1400 °С). Для изготовления вольфрамовой проволоки используют штабики марки ВРН, для изготовления молибденовой проволоки – штабики марки МЧ.

Рекомендуемая рабочая среда Термопара вольфрам-молибден служит для измерения температуры в среде водорода, инертных газов или вакууме. Вольфрам и молибден начинают окисляться на воздухе при температуре около 400 °С. С ростом температуры процесс окисления усиливается. Указанные металлы не вступают в реакцию с водородом вплоть до температуры плавления и инертными газами. При этом ни водород, ни инертные газы не должны содержать окисляющих примесей. Обычный диапазон рабочих температур термопары ВМ в условиях промышленной эксплуатации составляет 1400-1800 °С. В специальных случаях данный диапазон может быть расширен до 2100 °С. При этом рекомендуется использовать термопару без изоляции, так как при температурах больше 2000 °С молибден и вольфрам начинают взаимодействовать со многими окислами, из которых обычно изготовляют изоляцию.

Если электроды защищены с помощью керамики и термопара имеет защитный колпачок, то с ее помощью можно проводить кратковременные измерения температуры в окислительных средах и расплавленных металлах.

Изоляция и защита
Термоэлектроды термопар вольфрам-молибден для разовых измерений температуры жидкой стали изолируют глиноземистой керамикой (Al2O3) и защищают кварцевыми наконечниками.

§6 Термопары платинородий-платина (ТПП)

Основные свойства и области применения
Термопары платинородий-платина являются одними из самых распространенных для измерения температур до 1600 °С. К данному типу относятся термопары, изготовленные из платины и сплава платины c родием (10% Rh), и из платины и сплава платины с родием (13% Rh). Термопары ПП предназначены для выполнения измерений температуры в окислительных и инертных средах. Предельная рабочая температура при длительных измерениях составляет 1400 °С, при кратковременных – 1600 °С. Термопары платинородий-платина имеют практически линейную термоэлектрическую характеристику в области температур 600-1600 °С, чувствительность 10-12 мкВ/°С (10% Rh) и 11-14 мкВ/°С (13% Rh). Другими достоинствами данных термопар являются высокая точность измерений, хорошая воспроизводимость и стабильность термо-ЭДС. Стоит заметить, что термопары данного типа выступают в качестве эталонных приборов для воспроизведения Международной практической температурной шкалы (МПТШ) в области температур от 630,74 до 1064,43 °С.

К недостаткам термопар ПП можно отнести высокую стоимость, нестабильность работы в условиях облучения, высокую чувствительность к загрязнениям металлическими и неметаллическими примесями при изготовлении, монтаже и эксплуатации.

Термопары платинородий-платина используются в различных отраслях промышленности и науки, где требуется высокая точность и надежность измерений.

Градуировка термопары ПР (10% Rh) осуществляется по ГОСТ 3044-77, термоэлектродная проволока изготовляется по ГОСТ 10821-75. Термоэлектродная проволока для термопар ПР (13% Rh) изготовляется по техническим условиям.

Материал термоэлетродов
Для изготовления термопары ПП используются сплавы платины с родием ПР10 или ПР13, содержащие 10% и 13% родия (Rh) соответственно и чистая платина.

Положительным является термоэлектрод, изготовленный из платинородия, отрицательным – из платины.

Рекомендуемая рабочая среда
Термопара платинородий-платина предназначена для измерения температуры в окислительных и инертных средах. При наличии защиты термопары данного типа могут быть использованы для измерений в восстановительных средах и средах, содержащих пары мышьяка, серы, свинца, цинка, фосфора.

На практике термопары ПП редко применяются для измерения температур ниже 0 °С. Дело в том, что чувствительность термопары данного типа падает при понижении температуры и становится равной нулю при -138 °С. Тем не менее, в некоторых стандартах термо-ЭДС термопар нормируется при температурах до -50 °С. Термопары платинородий-платина не используются для измерения температур в диапазоне 0-300 °С, а для температур 300-600 °С применяются только для получения сравнительных данных.

Верхний температурный предел кратковременного применения термопары ПП ограничивается 1600 °С, долговременного применения – 1400 °С. При температурах больших 1400 °С происходит стремительный рост зерен платинового термоэлектрода. При наличии хорошей защиты термопару можно использовать для длительных измерений при температурах до 1500 °С.

Изоляция и защита
Изоляцией для термоэлектродов рабочих термопар вплоть до температуры 1200 °С могут служить кварц, фарфор, муллит, силлиманит, огнеупорный фарфор. Термоэлектроды образцовых термопар изолируют плавленым кварцем. Если термопара используется для измерения температур до 1400 °С, то в качестве изоляции применяется керамика с повышенным содержанием Al2O3. В слабоокислительной и восстановительной атмосфере при температурах больше 1200 °С, а также во всех случаях применения термопар при температурах больше 1400 °С следует использовать керамику из высокочистой окиси алюминия. При работе в восстановительной атмосфере иногда в качестве изоляции применяют окись магния.

Внутренние чехлы для термопар, как правило, изготовляют из тех же материалов, из которых сделана изоляционная керамика. Обязательным условием является газоплотность таких материалов.

Для защиты рабочих спаев термопар, предназначенных для разовых измерений температуры жидких сталей и сплавов, применяются кварцевые наконечники.

Рекомендации по эксплуатации
Термопары ПП очень чувствительны к различного рода химическим загрязнениям, которые могут быть причиной охрупчивания и снижения прочности, а также возникновения сильного дрейфа показаний термопары. Особенно чувствителен к загрязнениям платиновый электрод. Источниками загрязнения могут стать материалы, из которых изготовлена изоляция и защитный чехол, нагревательное устройство и его атмосфера, предметы, находящиеся в непосредственной близости от термопары.

Рекомендации для предотвращения загрязнения термоэлектродов. Термоэлетроды должны быть изолированы одной двухканальной керамической трубкой по всей рабочей длине. Между изолирующей трубкой и керамическим защитным чехлом, так же как между термоэлектродами и трубкой, должны быть достаточные, хорошо вентилируемые зазоры. Следует тщательно очистить термоэлектроды от следов смазки и жира перед их помещением в изолирующую и защитную керамику. Металлические чехлы должны быть также очищены от грязи, остатков смазки, стружки и др. Перед монтажом все компоненты термопары – электроды, изолирующую и защитную керамику и чехлы – необходимо отжечь при высокой температуре. Конструкция термопары должна быть такой, чтобы термоэлектроды не служили опорой для изолирующей керамики. Данная рекомендация особенно важна для термопар, устанавливаемых вертикально.

§7 Термопары платинородий-платинародий (ТПР)

Основные свойства и области применения
Термопара ПР предназначена для измерения температуры в окислительных и нейтральных средах. Также возможно ее использование в вакууме. Максимальная рабочая температура при длительных измерениях составляет 1600 °С, при кратковременных – 1800 °С. При температурах выше 1200 °С термопара платинородий-платинородий имеет линейную термоэлектрическую характеристику, чувствительность 10,5-11,5 мкВ/°С и хорошую стабильность термо-ЭДС. Термопара ПР может применяться без удлиняющих проводов благодаря низкой чувствительности в области температур 0-100 °С.

В сравнении с термопарами платинородий-платина термопара платинородий-платинородий имеет немного меньшую термо-ЭДС, при этом с ее помощью можно измерять более высокие температуры. Термопара ПР имеет большую механическую прочность, большую стабильность при высоких температурах, меньшую склонность к росту зерна и охрупчиванию, а также меньшую чувствительность к загрязнению.

Термопара ПР активно используется в областях, где необходимо длительное измерение температуры выше 1400 °С. К таким областям относятся металлургия, стеклоплавильная, цементная промышленность, производство огнеупоров. Также термопары данного типа применяются в образцовых термометрах.

Градуировка термопары платинородий-платинородий осуществляется по ГОСТ 3044-77, термоэлектродная проволока изготовляется по ГОСТ 10821-75.

Материал термоэлетродов
Для изготовления термопары ПР используются сплавы платины с родием ПР30 и ПР6, содержащие 30% и 6% родия (Rh) соответственно. Чистота платины и родия, которые используются в производстве сплавов, должна быть больше или равна 99,95%.

Положительным является термоэлектрод, изготовленный из платинородия ПР30, отрицательным – из платинородия ПР6.

Рекомендуемая рабочая среда
Термопары платинородий-платинородий используются в окислительных и нейтральных средах, а также в вакууме. Максимальная рабочая температура термопары ПР определяется температурой плавления отрицательного термоэлектрода, изготовленного из сплава ПР6 (1820 °С) и составляет 1800 °С (по ГОСТ 3044-77 и ГОСТ 6616-74 при кратковременных измерениях). При длительных измерениях рабочая температура ограничивается значением 1600 °С.

Без надежной защиты нельзя использовать термопары данного типа в восстановительных атмосферах и атмосферах, содержащих пары металлов и неметаллов.

Изоляция и защита
Для изоляции и защиты термопар ПР применяют керамику из Al2O3 высокой чистоты.

Рекомендации по эксплуатации
Причины выхода термопар платинородий-платинородий из строя вследствие охрупчивания, снижения механической прочности или исключительно большого дрейфа термо-ЭДС, как правило, совпадают с причинами аналогичных проблем, возникающих у термопар платинородий-платина. Но выход из строя термопар ПР происходит значительно реже по сравнению с термопарами ПП, так как сплавы платины с родием менее подвержены химическим загрязнениям и росту зерна, чем чистая платина, из которой изготовляют отрицательный электрод термопары ПП.

§8 Сводная таблица типов термопар

Таблица 8 Сводная таблица типов термопар

Тип термопары Материалы термоэлектродов Диапазон рабочих температур, °С Цветовая кодировка
положительного отрицательного
ТПП (S)
Глава 2, §6
Платинородий (10% Rh) Платина 0 – 1300 (1600)
ТПП (R)
Глава 2, §6
Платинородий (13% Rh) Платина 0 – 1300 (1600)
ТПР (B)
Глава 2, §7
Платинородий (30% Rh) Платинородий (6% Rh) 600 – 1700
ТХК (L)
Глава 2, §2
Хромель Копель -200 – 700 (900)
ТХА (K)
Глава 2, §1
Хромель Алюмель -200 – 1200 (1300)
ТЖК (J)
Глава 2, §3
Железо Константан -200 – 750 (900)
ТВР (A)
Глава 2, §4
Вольфрам-рений (5% Re) Вольфрам-рений (20% Re) 0 – 2200 (2500)

Глава 3 Материалы для термопар

§1 Требования, предъявляемые к термоэлектродным сплавам

§2 Никелевые и медно-никелевые сплавы

Никелевые и медно-никелевые сплавы нашли широкое применение в изготовлении термоэлектродов термопар и компенсационных проводов. Наиболее востребованными при производстве термопар являются никелевые сплавы алюмель и хромель, медно-никелевые – копель и константан.

Алюмель
Никелевый сплав, предназначенный для производства термоэлектродов термопар и компенсационных проводов. Используется в термопарах ХА (хромель-алюмель) в качестве отрицательного электрода (см. Глава 2§1). Марка данного сплава имеет следующее обозначение: НМцАК 2-2-1.

Химический состав
Основным химическим элементом, входящим в состав сплава алюмель, является никель (Ni). Помимо никеля сплав НМцАК 2-2-1 содержит 0,6-1,2% кобальта (Co); 1,6-2,4% алюминия (Al); 1,8-2,7% марганца (Mn); 0,85-1,50% кремния (Si). Сумма примесей, в состав которых входят мышьяк (As), углерод (C), железо (Fe), фосфор (P), свинец (Pb), сера (S) и некоторые другие вещества, составляет 0,7%.

Физические свойства

Таблица 9 Физические свойства сплава алюмель

Свойство Значение
Температура плавления, °С 1400
Плотность, кг/м3 8670
Удельное электрическое сопротивление, Ом·м·10 8 33±5
Средний температурный коэффициент электросопротивления (20-100 °С), °С -1 ·10 4 23,9
Средний температурный коэффициент термического расширения (20-100 °С), °С -1 ·10 6 12,0
Магнитные свойства Слабо ферромагнитен
Температура Кюри, °С 170

Механические свойства

Таблица 11 Механические свойства сплава алюмель

Свойство Значение
Предел прочности, МПа 550-660
Предел текучести, МПа 190-230
Относительное удлинение, % 28-38
Поперечное сужение, % 68-78
Твердость по Бринеллю 120-130

Хромель
Никелевый сплав, предназначенный для производства термоэлектродов термопар и компенсационных проводов. Используется в термопарах ХА (хромель-алюмель), ХК (хромель-копель) в качестве материала положительного электрода (см. Глава 2§2). Марка данного сплава имеет следующее обозначение: НХ 9,5.

Химический состав
Основным химическим элементом, входящим в состав сплава хромель, является никель (Ni). Помимо никеля сплав НХ 9,5 содержит 0,6-1,2% кобальта (Co) и 9,0-10,0% хрома (Cr). Сумма примесей, в состав которых входят мышьяк (As), углерод (C), железо (Fe), фосфор (P), свинец (Pb), сера (S) и некоторые другие вещества, составляет 1,4%.

Физические свойства

Таблица 12 Физические свойства сплава хромель

Свойство Значение
Температура плавления, °С 1430
Плотность, кг/м 3 8730
Удельное электрическое сопротивление, Ом·м·10 8 68±5
Средний температурный коэффициент электросопротивления (20-100 °С), °С -1 ·10 4 4,1
Средний температурный коэффициент термического расширения (20-100 °С), °С -1 ·10 6 13,1
Магнитные свойства Парамагнитен
Температура Кюри, °С -120

Механические свойства

Таблица 14 Механические свойства сплава хромель

Свойство Значение
Предел прочности, МПа 620-720
Предел текучести, МПа 210-240
Относительное удлинение, % 24-34
Поперечное сужение, % 67-77
Твердость по Бринеллю 140-150

Копель
Медно-никелевый сплав, предназначенный для производства термоэлектродов термопар и компенсационных проводов. Используется в термопарах ХК (хромель-копель) в качестве материала отрицательного электрода (см. Глава 2§2). Марка данного сплава имеет следующее обозначение: МНМц 43-0,5.

Химический состав
Основными химическими элементами, входящими в состав сплава копель, являются никель (Ni), кобальт (Co) и медь (Cu). Содержание никель + кобальт (Ni + Co) составляет 42,5-44,0%, остальное – медь (Cu). Помимо никеля сплав МНМц 43-0,5 содержит 0,1-1,0% марганца (Mn). Сумма примесей, в состав которых входят мышьяк (As), углерод (C), железо (Fe), фосфор (P), свинец (Pb), сера (S) и некоторые другие вещества, составляет 0,6%.

Физические свойства

Таблица 15 Физические свойства сплава копель

Свойство Значение
Температура плавления, °С 1220
Плотность, кг/м 3 8920
Удельное электрическое сопротивление, Ом·м·10 8 48
Средний температурный коэффициент электросопротивления (20-100 °С), °С -1 ·10 4 -0,1
Средний температурный коэффициент термического расширения (20-100 °С), °С -1 ·10 6 14,9
Теплопроводность при 100 °С, Вт/м·К 21
Удельная теплоемкость при 20 °С, кДж/кг·К 0,40

Механические свойства

Таблица 17 Механические свойства сплава копель

Свойство Значение
Предел прочности, МПа 450
Относительное удлинение, % 40
Поперечное сужение, % 75
Твердость по Бринеллю 90

Константан
Медно-никелевый сплав, предназначенный для производства термоэлектродов термопар и компенсационных проводов. Используется в термопарах ЖКн (железо-константан) в качестве материала отрицательного термоэлектрода (см. Глава 2§3). Марка данного сплава имеет следующее обозначение: МНМц 40-1,5.

Химический состав
Основными химическими элементами, входящими в состав сплава константан, являются никель (Ni), кобальт (Co) и медь (Cu). Содержание никель + кобальт (Ni + Co) составляет 39,0-41,0%, остальное – медь (Cu). Помимо никеля сплав МНМц 40-1,5 содержит 1,0-2,0% марганца (Mn). Сумма примесей, в состав которых входят мышьяк (As), углерод (C), железо (Fe), фосфор (P), свинец (Pb), сера (S) и некоторые другие вещества, составляет 0,9%.

Физические свойства

Таблица 18 Физические свойства сплава константан

Свойство Значение
Температура плавления, °С 1220
Плотность, кг/м 3 8920
Удельное электрическое сопротивление, Ом·м·10 8 48
Средний температурный коэффициент электросопротивления (20-100 °С), °С -1 ·10 4 -0,1
Средний температурный коэффициент термического расширения (20-100 °С), °С -1 ·10 6 14,9
Теплопроводность при 100 °С, Вт/м·К 21
Удельная теплоемкость при 20 °С, кДж/кг·К 0,40

Механические свойства

Таблица 20 Механические свойства сплава алюмель

Свойство Значение
Предел прочности, МПа 450
Относительное удлинение, % 40
Поперечное сужение, % 75
Твердость по Бринеллю 90

§3 Тугоплавкие металлы и сплавы

Тугоплавкие металлы и сплавы нашли широкое применение в изготовлении термоэлектродов термопар для измерения высоких температур. Наиболее востребованными при производстве термопар являются вольфрам-рениевые сплавы ВР, тугоплавкие металлы вольфрам и молибден.

Сплавы вольфрам-рений
Наиболее распространенными вольфрам-рениевыми сплавами для производства термопар являются сплавы ВР5 и ВР20. Данные сплавы служат для изготовления термоэлектродов для термопар ВР (вольфрам-рений – вольфрам-рений) (см. Глава 2§4).

Химический состав
Основным компонентом, входящим в состав сплавов ВР является вольфрам (W). В зависимости от марки каждый сплав содержит разное количество рения (Re). Так сплав ВР5 содержит 5±0,5% рения (Re), ВР20 — 20±0,5% рения (Re). Содержание примесей и присадок в данных сплавах не должно превышать 0,1%.

Вольфрам
Тугоплавкий металл вольфрам нашел применение при производстве высокотемпературных термопар. Для указанных целей используют вольфрам технической чистоты марки ВРН. Данный тугоплавкий металл применяется для изготовления положительных электродов термопары ВМ (вольфрам-молибден) (см. Глава 2§5).

Химический состав
Вольфрам марки ВРН содержит не менее 99,85% вольфрама (W) и не более 0,040% молибдена (Mo), 0,005% кремния (Si), 0,011% кальция (Ca), 0,005% никеля (Ni), 0,013% железа + алюминия (Fe + Al).

Молибден
Тугоплавкий металл молибден нашел применение при производстве высокотемпературных термопар. Для указанных целей используют молибден технической чистоты марки МЧ. Данный тугоплавкий металл применяется для изготовления отрицательных электродов термопары ВМ (вольфрам-молибден) (см. Глава 2§5).

Химический состав
Молибден марки МЧ содержит не менее 99,85% вольфрама (W) и не более 0,040% молибдена (Mo), 0,005% кремния (Si), 0,011% кальция (Ca), 0,005% никеля (Ni), 0,013% железа + алюминия (Fe + Al).

§4 Благородные металлы и сплавы

Платина
Благородный металл платина используется для производства термопар, обладающих высокой точностью измерений. Для данных целей применяется чистая платина марки ПлТ. Из платины изготовляют отрицательные термоэлектроды в термопарах ПП (платинородий-платина).

Химический состав
Для изготовления термоэлекродов термопар применяется чистая платина (100% Pt), у которой величина R100/R0 должна быть не менее 1,3910. Таблица 9 Физические свойства сплава алюмель

— —

Механические свойства

Таблица 11 Механические свойства сплава алюмель

—>

Платинородий
Сплав платины и родия, используемый для производства электродов термопар. Наиболее широкое распространение в данной области получили сплавы платины с родием марок ПР10, ПР13, ПР6, ПР30. Сплавы ПР10, ПР13 используются в термопарах ПП (платинородий-платина). Из данных сплавов изготовляют положительные термоэлектроды. Сплавы ПР30 и ПР6 используются в термопарах ПР (платинородий-платинородий). Из данных сплавов изготовляют положительные и отрицательные термоэлектроды соответсвенно.

Химический состав
Основным химическим элементом в сплавах платины с родием является платина. Процентное соотношение платины и родия меняется в зависимости от марки сплава. Содержание примесей не нормируется, но ограничивается использованием для изготовления сплавов платины и родия чистотой большей или равной 99,95%. Сплав ПР6 – 94% платина (Pt), 6% родий (Rh); ПР10 – 90% платина (Pt), 10% родий (Rh); ПР13 – 87% платина (Pt), 13% родий (Rh); ПР30 – 70% платина (Pt), 30% родий (Rh). Таблица 9 Физические свойства сплава алюмель

— —

Механические свойства

Таблица 11 Механические свойства сплава алюмель

—>

Глава 4 Производство термопар

§1 Производство термоэлектродной проволоки

Термоэлектродная проволока служит для изготовления электродов термопар. Данная проволока изготовляется в соответствии с требованиями государственных стандартов или технических условий в зависимости от типа термопары. Стандарты и технические условия регламентируют химический состав, физические свойства сплавов, из которых изготовляется проволока, а также ее механические свойства, размеры и предельные отклонения по ним.

Например, проволока для термопар хромель-алюмель должна соответствовать требованиям ГОСТ 1790-77. В соответствии с указанным стандартом для изготовления термоэлектродов используется проволока следующих диаметров 0,2; 0,3; 0,5; 0,7; 1,2; 1,5; 3,2; 5 мм. Также данный стандарт регламентирует диаметры проволоки для термоэлектродов термопар хромель-копель, хромель-константан. ГОСТ 1791-67 определяет диаметры проволоки, из которой изготавливаются удлиняющие провода к термопарам хромель-копель, хромель-алюмель и платинородий-платина. Согласно указанному стандарту проволока может иметь диаметр 0,20; 0,30; 0,40; … 1,00; … 2,50 мм. ТУ 11-75 регламентирует размеры проволоки для изготовления электродов термопар вольфрам-рений. Выпускается проволока диаметром 0,10; 0,20; 0,35 и 0,50 мм.

Термоэлектродную проволоку заданного диаметра получают при выполнении технологической операции протяжки. В зависимости от требуемого диаметра проволоки в качестве заготовки используется либо пруток, либо проволока большего диаметра, чем тот, который требуется изготовить. Протяжка может осуществляться в несколько этапов. В зависимости от материала, из которого изготовлена проволока, процесс протяжки может осуществляться совместно с подогревом, а также при наличии смазки. После протяжки проволока может подвергаться дополнительной термической или химической обработке для удаления смазки и улучшения свойств. Например, термопарную проволоку для электродов и удлиняющих проводов термопар ХА, ХК отжигают. Более подробно ознакомиться с процессом изготовления термопарной проволоки из вольфрама и молибдена можно в статьях [8] и [9].

§2 Подбор пары

В процессе изготовления термопары возникает необходимость подбирать пару термоэлектродов, изготовленных из разных сплавов, таким образом, чтобы минимизировать отклонения реальной термо-ЭДС, развиваемой термопарой при заданных температурах, от стандартных значений. В настоящее время существует ряд методик, позволяющих выполнять такой подбор.

Для обеспечения подбора электродов, образующих пару, необходимо знать их термоэлектрические свойства при работе с одним и тем же эталонным термоэлектродом. В качестве эталонного термоэлектрода используется электрод, изготовленный из чистой платины.

Выбор платины в качестве материала эталонного термоэлектрода обусловлен следующими причинами:

  • данный металл обладает высокой химической инертностью;
  • данный металл имеет хорошо изученные физические свойства;
  • данный металл имеет достаточно высокую температуру плавления.

Ниже приводится описание метода подбора термоэлектродов на примере термопары хромель-алюмель. Осуществляется заготовка термоэлектродов из сплава хромель необходимой длины. Каждый термоэлектрод соединяется в пару с платиновым, и измеряется термо-ЭДС. Далее электроды из хромеля сортируют на 4 группы: в первую входят термоэлектроды, которые в паре с платиновым показали максимальную термо-ЭДС, во вторую – несколько меньшую термо-ЭДС, в третью – еще более меньшую, в четвертую – минимальную термо-ЭДС. Такие же действия выполняют и с термоэлектродами из сплава алюмель. После сортировки электродов по группам осуществляется их объединение в пары. Хромелевые электроды из первой группы свариваются с алюмелевыми электродами из четвертой группы, второй – с третьей, третьей – со второй, четвертой – с первой.

§3 Градуировка и поверка термопар

Основным назначением термопары является измерение температуры. Изменение температуры приводит к возникновению термо-ЭДС в электрической цепи, в которую входят электроды термопары. Таким образом, измерительный прибор, также входящий в электрическую цепь, определяет изменение термо-ЭДС (см. Глава 1§1). Но конечная цель – определить температуру. Соответственно, необходимо сопоставить конкретные значения термо-ЭДС конкретным значениям температуры. Шкала термоэлектрического термометра должна отображать градусы.

Термопары можно условно разделить на две группы:

  • с номинальными статическими характеристиками преобразования (стандартные градуировки );
  • с индивидуальными градуировками (нестандартные градуировки).

Для термопар, входящих в первую группу, определена стандартная зависимость термо-ЭДС от температуры. Данная зависимость регламентируется стандартом ГОСТ Р 8.585-2001 «Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования». В стандартах данная зависимость представлена как номинальные статические характеристики преобразования (НСХ) значения термо-ЭДС, развиваемой термопарой, в соответсвующее значение температуры. НСХ определяется экспериментально по результатам измерений в лаборатории, полученным для большого количества термопар. Измерения осуществляются при температуре свободных концов термопары, равной 0 °С. Термопары каждого типа обозначаются соответствующей буквой латинского алфавита. В зависимости от допускаемых отклонений термо-ЭДС, развиваемой термопарой при определенных температурах, выделяют классы точности (допуска) термопар. Таблица 31 Пределы допускаемых отклонений термо-ЭДС от НСХ преобразования, выраженные в температурном эквиваленте для разных типов термопар в зависимости от диапазона рабочих температур

— —

—>

Для термопар с индивидуальными градуировками не существует зависимости термо-ЭДС от температуры, определяемой государственными стандартами. Для каждой термопары из данной группы необходимо проводить градуировку. Методы градуировки таких термопар совпадают с методами градуировки стандартных термопар. Примерами таких термоэлектрических преобразователей являются термопары вольфрам-молибден, вольфрам-тантал, карбид титана-графит и некоторые другие.

В силу различных факторов показания конкретной термопары могут отличаться от показаний, регламентированных стандартом (причины возникновения погрешностей измерений описаны в Глава 1§4). В связи с этим необходимо выполнять поверку термопар. Данная операция выполняется для новых термопар стандартных типов с целью определения их класса точности и с заданной периодичность для всех термопар в процессе эксплуатации для контроля точности измерений. Для термопар стандартных типов поверка осуществляется в соответствии с требованиями стандарта ГОСТ 8.338-2002 «Преобразователи термоэлектрические. Методики поверки».

Выделяют четыре основных метода поверки термопар:

Метод непосредственного сличения [13]
В соответствии с методом непосредственного сличения температура в нагревательном устройстве, в котором находятся рабочие спаи эталонной и поверяемых термопар, определяется с помощью эталонной термопары, после чего измеряется термо-ЭДС, развиваемая поверяемыми термопарами. Нагрев печи должен происходить до заданной температуры с допускаемым отклонением не более ±10 °С. Во время измерения термо-ЭДС поверяемых термопар температура рабочего спая (в печи) не должна меняться более, чем на 0,4 °С/мин. Данный метод применяется для поверки рабочих (технических) термопар.

Разностный (дифференциальный) метод [13]
Разностный метод дает более высокую точность по сравнению с методом непосредственного сличения. В данном методе измеряется разность термо-ЭДС между эталонной и поверяемой термопарами. Термо-ЭДС поверяемой термопары получается расчетным путем на основе измеренной разности термо-ЭДС и термо-ЭДС эталонной термопары. Данный метод применяется в том числе и для поверки эталонных термопар.

Метод поэлектродного сличения [14]
Метод поэлектродного сличения заключается в том, что при определенных температурах, устанавливаемых в нагревателе по показаниям эталонной термопары, измеряются термо-ЭДС между одноименными электродами эталонной и поверяемой термопар. На основе полученных значений термо-ЭДС вычисляют термо-ЭДС поверяемой термопары. Данный метод применяется в том числе и для поверки эталонных термопар.

Метод поверки в реперных точках [14]
Данный метод предусматривает поверку термопар в точках плавления (затвердевания) чистых металлов и применяется для поверки эталонных термопар высших разрядов.

В качестве реперных точек выбраны следующие точки:

Соответствующий металл в твердом состоянии содержится в специальной ампуле. Ампула нагревается до температуры, на 10 °С превышающей температуру затвердевания металла. Через некоторое время после завершения нагрева, когда расплавленный металл начинает затвердевать, в ампулу вводят поверяемую термопару и осуществляют измерения термо-ЭДС. В каждой реперной точке проводят несколько измерений одной и той же поверямой термопарой. Затем рассчитывают средние арифметические значения термо-ЭДС в каждой реперной точке. Если значения термо-ЭДС поверяемой термопары не соответствуют эталонным, то термопару отбраковывают или переводят в класс рабочих.

Эталонные значения термо-ЭДС термопреобразователей (термопар) в соответствующих реперных точках:

Методы, применяемые для поверки эталонных термопар, обладают более высокой точностью по сравнению с методами, применяемыми для поверки рабочих термопар. Как правило, методы непосредственного сличения и разностный метод используют при поверке рабочих термопар, а методы поэлектродного сличения и в реперных точках – при поверке эталонных термопар.

В случае невыполнения требований поверки термопара отбраковывается или переводится в более низкий класс точности. Межповерочные интервалы (частота поверки) регламентируются нормативными документами (стандартами, техническими условиями и другими) для соответствующих типов термопар.

Заключение

В данной статье рассмотрены различные аспекты, связанные с термопарами – назначение, принцип работы, типы, производство.

Термоэлектрические термометры, в основе которых лежат термопары, в настоящее время являются одними из самых распространенных средств измерения температуры. Об этом свидетельствует большое количество типов термопар, а также конструкций термоэлектрических термометров, описанных в данной статье.

Наличие локальных и международных стандартов, регламентирующих требования к термопарам, существенно упрощает их выбор и эксплуатацию.

Описание принципа работы термопары и процесса ее производства позволяет получить базовый набор знаний, полезный при непосредственной работе с термоэлектрическими термометрами.

Авторы надеются, что приведенный в статье материал будет интересен и полезен читателям. Свои замечания и предложения читатели могут присылать на адрес info@metotech.ru.

Список литературы

книги/БСЭ/Термометрия/ — Термометрия

  • Преображенский В.П. – Теплотехнические измерения и приборы…
  • Зимин Г.Ф. – Поверка и калибровка термоэлектрических преобразователей…
  • https://ru.wikipedia.org/wiki/Геттер_(газопоглотитель) — Геттер (газопоглотитель)
  • http://metallurgicheskiy.academic.ru/2094/Газоплотность – Газоплотность
  • Никонов Н.В. – Вольфрам. Свойства, применение, производство, продукция (http://www.metotech.ru/articles/art_volfram_1.pdf)
  • Никонов Н.В. – Термопары. Типы, характеристики, конструкции, производство (http://www.metotech.ru/articles/art_molibden_1_web.pdf)
  • https://ru.wikipedia.org/wiki/Градуировка — Градуировка
  • http://temperatures.ru/pages/graduirovochnye_tablicy — Градуировочные таблицы для термопар (НСХ)
  • ГОСТ Р 8.585-2001 «Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования»
  • ГОСТ 8.338-2002 «Преобразователи термоэлектрические. Методики поверки»
  • ГОСТ Р 8.611-2005 «Преобразователи термоэлектрические платинородий-платиновые эталонные 1, 2 и 3-го разрядов. Методика поверки»
  • https://ru.wikipedia.org/wiki/Температурный_коэффициент_электрического_сопротивления — Температурный коэффициент электрического сопротивления
  • https://ru.wikipedia.org/wiki/Коэффициент_теплового_расширения — Коэффициент теплового расширения
  • https://ru.wikipedia.org/wiki/Ферромагнетизм — Ферромагнетизм
  • https://ru.wikipedia.org/wiki/Парамагнетики — Парамагнетики
  • телефоны:
    8 (800) 200-52-75
    (495) 366-00-24
    (495) 504-95-54
    (495) 642-41-95

    Источник

    Читайте также:  Как измерить площадь фасада