Типы термопар и их характеристики

Типы термопар и варианты их применения

Термопара представляет собой устройство, состоящее из соединения (щупов) двух разнородных металлов, способных в любом месте считывать температурные показатели в диапазоне от -250 до 2000°C. Как пример: что касается производства красок и процессов отверждения порошковых компонентов, то обычно применяют
термопары класса К, у которых одна «нога» выполнена из никель хрома, а вторая «нога» из никель алюминия (“Alumel”). Термопара работает через создание разницы напряжения между двумя этими проводными выводами, что пропорционально температуре всего этого соединения. Это называется эффектом Сибека а честь Томаса Сибек, который открыл этот феномен в 1821 г.

Рис.1. Термопара типа K состоит из базовых открытых «горячих» соединений. Две ноги термопары спаяны вместе для формирования металлической бусины, которая применяется для измерений разницы напряжения.

Тип K термопары популярен благодаря своему широкому температурному диапазону, возможностью применения этой термопары в жёстких условиях промышленного производства и недорогой стоимости. Различные типы термопар Типа К обладают разной точностью генерируемых показаний, потому мы рекомендуем такой тип термопары, который бы обладал специальными ограничениями на ошибки. Это тип К, сертифицированный по стандартам ANSIMC96.1 spec, что позволяет осуществлять измерения с точностью ± 1.98 °F или же ± 0.4% от значения измеряемой температуры, при диапазоне измерений от 32 °F до 2282 °F.

Знать, что измеряете

Термопара работает по принципу контактного измерения температуры. Любые измерения по такому принципу несут в себе риски, связанные с точностью показаний, потому во избегание этого, учитываются 3 важный критерия:

1. Качество контакта между сенсором и объектом измерения – если такой контакт недостаточно осуществлён, то очень вероятно, что вы скорее измеряете температуру окружающей среды, а не объекта или же получаете какие-то усреднённые данные.
2. Воздействие самой термопары на температурные характеристики измеряемого объекта. Помните, что прикрепляя термопару к объекту измерений, вы до определённой степени изменяете его (объекта) физическую термальную массу, тем самым изменяете и характеристики нагрева.
3. Неоднократные переустановки термопары. Возможно ли посредством таких переустановок надёжно поместить сенсор на то же самое место объекта измерений? Помните, что термопара не способна лгать, она измеряет именно ту температуру, что принимает. Сложные объекты измерений имеют участки, на которых температурные показатели существенно отличаются друг от друга из-за вариаций термальных масс.

При выборе и применении термопары необходимо учитывать все перечисленные выше комментарии, чтобы быть уверенным, что в реальности вы измеряете именно то, что надо.

Выбор правильной термопары для качественных измерений

Совершенно очевидно, что точность считываемых показаний чрезвычайно важный фактор, но его надо учитывать совместно с другими вопросами, как то: повторяемость измерений между последовательными тестами, простота и скорость помещения пробников в требуемое место, а также учёт того, что сами измерения будут проходить в суровых промышленных условиях. Например, нет никакого смысла выбирать термопару с прекрасными показателями точности, если процедура установки этой термопары занимает целую минуту, а доступ к объекту измерений на производственной линии (например, между покрасочной камерой и печью) ограничен до 30 сек. Опять же в качестве примера: каждая процедура отверждения краски и тип того или иного продукта в определённой степени отличаются друг от друга, поэтому под каждый технологический процесс необходимо выбирать соответствующий тип термопары. Хотя основной принцип функционирования всех термопар одинаковый, существует множество различных подходов к креплению этих устройств. Под каждую ситуацию не существует идеальной техники крепления термопар, а потому инженеру необходимо принимать компромиссные решения, которые бы принимали в расчёт точность, стабильность и скорость измерений, а также простоту использования тестера в целом. Этот вопрос принимает ещё большую значимость, если сравнивать приводимые ниже 2 технологии, на которых построены термопары.

Рис.2,3 Сравнение работоспособности различных вариантов термопар

Термопара 1: Тонкий патч-зонд – Тонкое соединение термопары крепится к объекту измерений посредством самоклеющегося пластыря с дополнительной высокотемпературной лентой для облегчения натяжения.

Термопара 2: Магнитный поверхностный зонд – контакт сенсора термопары к железному материалу с задействованием магнита и подпружиненного стального установочного рычага

Выбор термопары — Обзор

Приводимая ниже информация (обзор) даёт характеристики различных типов пробников и их характеристики, из чего можно сделать выводы о пригодности термопар для их применений в тех или иных случаях.

Стандартная термопара с магнитной поверхностью

Автоматическое помещение сенсора на плоский железный субстрат с фиксированием магнитом. Подпружиненный стальной натяжной рычаг гарантирует, что горячий спай термопары лежит абсолютно плоско на поверхности металла. Во избегание погрешности тепловой массы, магнит помещается на 3.5” (90 mm) в сторону от точки измерений. Такой тип термопары обычно используется при покраски автомобилей для мониторинга качества их лакокрасочного покрытия. Помещение термопар на внутреннюю часть корпуса автомобилей должно обязательно проводиться, поскольку автомобиль постоянно перемещается между покрасочной камерой и входом в печь. До 8 термопар требуется для их помещения на различные участки, при этом время на такую операцию отводится менее 1 мин.

Поверхностная термопара MicroMag

Адаптация стандартной магнитной термопары, в которой сенсор встроен непосредственно в магнит. Уменьшение «отпечатка ноги» термопары может применяться в труднодоступных местах, а также на изогнутых или неровных поверхностях. Во избежание высоких тепловых значений применяется маленький, но очень мощный Самарий Кобальт дисковый магнит, что обеспечивает прочное качество соединений термопар с объектом измерений.

При рассмотрении возможности применения магнитов в качестве фиксаторов, необходимо учитывать температурное воздействие на свойства магнита. Сильный магнит при комнатной температуре не работает также как и при температуре отверждения. Магнит Самарий Кобальт при температуре 1508 °F теряет свои магнитные свойства. Потеря магнитных свойств от воздействия температуры увеличивается через значение Br%°C -0.032. Это означает, что при 482°F магнитная сила составляет на 8% меньше, чем при комнатной температуре. Тем не менее, такая температурная толерантность значительно превосходит аналогичные свойства, что присутствуют у магнитов, выполненных из других материалов.

Термопары на технологии Захват/Зажим

Инженерами также широко применяются термопары, в которых сенсоры помещаются на объекте измерений посредством фиксирующих клещей на основе простой зажимной пружины. Зажимные клещи адаптированы таким образом, что могут открываться и зажиматься на любой толщине (до 1 дюйма) участка объекта измерений. Такой подход идеален для объектов из экструзии алюминия или же аналогов этому, включая плоские узкие секции.

Единственным ограничением для зажимного пробника является то, что ему требуется краеугольный выступ, ограничивающий фиксацию этого пробника относительно краёв плоских секций.

Открытые соединительные зонды

Открытые соединительные зонды, как они и названы, предполагает под собой то, что эти зонды представляют собой простейшую форму конструкции термопары, где сенсор не что иное, как припаянные друг к другу две ноги термопары от провода «горячее соединение». Такого рода пробники очень полезны из-за своей гибкости. Очевидно, что один и тот же пробник может мониторить как температуру окружающей среды, так и температуру объекта через установку его на выверенную точку «горячего соединения». «Горячие соединения» имеют минимальную термальную массу, а потому их характеристики по обратной связи очень быстры, тем самым точность показаний высока, при этом такого рода термопары можно считать самым лёгким измерительным инструментом, выполненным из металла.

Материалы кабеля и способы крепления этого типа пробников сильно зависят от технологического процесса и измеряемых температур. Методы крепления таких термопар довольно затратные по времени, притом, что часто приходится процарапывать покрытые краской участки объекта измерений, а не устанавливать пробники сразу на поверхность.

Термопары с открытым контактом типа PTFE – предпочтительный выбор для измерений низких температур. Рабочий предел материала PTFE составляет 265 °C / 509 °F. Кабель в таком случае должен быть гибким и простым в использовании.

При работе ниже 509 °F крепление должно использоваться совместно с высокотемпературной Каптон лентой, как это показано на рис. 8. Высокотемпературная лента очень гибка, тем самым она может применяться практически на всех сухих и чистых поверхностях. Такой тип крепления порой может быть ненадёжным, когда имеют место множественные движения или натяжения кабеля. Обычно применяется вторичное крепление кабеля на несколько дюймов выше от «горячего крепления».
Для этого применяется либо лента или же, как это показано на рисунке, магнитный пробник, монтируемый так, чтобы снять напряжение и предотвратить отрыв зонда от продукта.

При работе с температурами выше 509 °F требуется применение стекловолоконного кабеля, градуированного до 1300 °F. Высокотемпературная лента может использоваться до 600 °F, но при более высоких температурах рекомендуется более продвинутый метод физического крепления, поскольку крепящий клей теряет свою прочность захвата. Существует один метод физического крепления, который может быть применён в этом случае для термопар с открытыми зондами, это точечная сварка. При такой технологии задействуются токи с высокими значениями для спаивания металлического участка «горячего соединения» термопары с соответствующим участком объекта измерений. Эта методология требует наличия относительно сложного оборудования и навыков со стороны пользователя, но при этом выгода от всего этого очевидна: пробник становится частью объекта измерений, поскольку его стык с объектом надёжно гарантирован.
Менее сложным методом соединения являются гайки/шайбы для крепления кабеля/горячего соединения к поверхности с применением либо болтов, либо саморезов. Опять же обращаем внимание на то, что при такой технологии важно избегать добавления значительного кол-ва термальной массы на подложку посредством дополнительных фиксаторов. Что касается тяжёлых, громоздких объектов измерений, как то отлитые фундаменты/подлоги, то термальная масса горячего соединения термопары не столь уж важна. Учитывая эти допущения, применяется специально изготовленный пробник с шайбой. Как это показано ниже на рисунке, горячее соединение термопары делается в виде укрупнённой шайбы, которая может накручиваться непосредственно на подложку объекта измерений.

При этом объём облицовываемого пластика на термопаре растёт. Важно помнить, что сам пластик, является материалом с низкой термальной массой, поэтому задействуемая для мониторинга этого материала термопара сама должна быть с низкой термальной массой. Идеальным выбором здесь может стать патч-зонд для «легких режимов» эксплуатации. В случае однонитевой термопары, соединение пробника и участка тестирования обеспечивается пластырем. Чувствительные ноги термопары и само горячее соединение лежат плоско на подложке, тем самым быстро реагируя на любые изменения температуры поверхности. Необходимо учитывать тонкий конструктив ножек термопары, потому помните это при их монтаже и демонтаже. Сам пробник должен применяться с большой осторожностью для различного рода тестов, при этом отношение к нему должно быть как к расходному материалу в случае, например, условий массового производства за исключением лабораторий и тому подобного.

При экстремальных температурах или открытого огня, а также иных «враждебных» условий рекомендуется использовать термопару с минеральной изоляцией. Футляр для термопары типа NicrobelTM создаёт очень крепкую конструкцию, которая в отличие от PTFE или стекловолокна устойчива к повреждениям от острых краёв. Сама по себе природа крепкого конструктива означает, что гибкость проводов при этом ограничивается, что привносит проблемы при фиксировании зондов. «Горячее соединение» термопары располагается на кончике проводов. Установление контакта с поверхностью подложки должно осуществляться с осторожностью. Схема на рис. 11 иллюстриует то, как это можно сделать наилучшим образом. Прочность крепления обеспечивается шайбой и гайкой, а пилотная ямочка даёт участок контакта для «горячего соединения».

Пробник для алюминиевых конструкций в автомобилях

Так исторически сложилось, что производители автомобилей предпочитают применять сталь при производстве корпусов своей продукции. По мере развития технологий, использование алюминия стало более перспективным из-за преимуществ, которыми обладает этот материал, а именно соотношение масса/прочность. Очевидно, что помещение пробника в той области печи, где осуществляется температурный мониторинг, является проблемой, если отсутствует магнит для алюминиевого материала. Подпружиненная шпулька была специально разработана для термопары, закреплённой на алюминиевом корпусе автомобиля, который в свою очередь постоянно перемещается по сборочному конвейеру. Шпулька подрезается до любого удобного углубления или выемки на внутренней части корпуса автомобиля. Подпружиненный стальной рычаг в сборе регулируется до того положения, как температурный сенсор не окажется на внешней части корпуса, там, где требуется осуществлять измерения.

ВЫВОДЫ

Совершенно очевидно, что любая работа и усилия по точным измерениям температур сильно зависят от правильного выбора термопары. Выбрав правильную термопару под решения конкретных задач, инженер гарантированно получает точные данные от объекта измерений, что и определяет ход текущих технологических процессов.

Типы термопар

Широкое применение в промышленности получили термоэлектрические преобразователи, или термопары. Они отличаются точностью, простотой и удобством монтажа, возможностью определения локальной температуры, значительным рабочим диапазоном измерения: от -270 до +2500°С.

Термоэлектродные материалы, предназначенные для изготовления термопар, должны быть прочными и обладать жаростойкостью, высокой чувствительностью, стабильностью, термоэлектрической однородностью, химической инертностью. Но в настоящее время не существует такого материала, который удовлетворил бы все требования. Поэтому возникает необходимость подбора пары термоэлектродов из различных сплавов таким образом, чтобы минимизировать отклонения реальной термо-ЭДС, развиваемой термопарой при заданных температурах, от стандартных значений, что и определяет конкретный тип термопары.

В качестве термоэлектродных материалов для изготовления термоэлектрических преобразователей применяются, главным образом, чистые металлы и их сплавы, такие как платина, платина-родий, хромель, алюмель, медь, железо и др.

Основные параметры термоэлектрических преобразователей и требования к типам термопар нормализованы в Межгосударственном стандарте ГОСТ 6616694 «Преобразователи термоэлектрические. Общие технические условия». Согласно стандарту определено двенадцать типов термопар.

Основные типы термопар и их параметры

Пределы измерения температур, °С

Термопара ХА обладает широким диапазоном температур и высокой чувствительностью. Основной проблемой хромель-алюмелевых термопар являются коррозия и охрупчивание термоэлектрода. Для защиты от коррозии используют вентилируемые защитные чехлы большого диаметра или чехлы с помещенными внутри газопоглотителями (геттерами).

ТХК является самой распространенной в промышленности термопарой, часто применяется при измерении малых разностей температур. Характеризуется наибольшей чувствительностью и стабильностью, но восприимчива к деформации термоэлектрода. Рабочая среда окислительная или содержащая инертные газы.

Преимуществами ТХКн является высокая чувствительность, термоэлектрическая однородность материалов электродов, возможность использования при низких температурах.

ТМК может работать в окислительной или восстановительной атмосфере, а также в вакууме. Не чувствительна к повышенной влажности.

Оба термоэлектрода могут быть отожжены для удаления материалов, вызывающих термоэлекрическую неоднородность.

Термопара МКн может использоваться в атмосфере с небольшим избытком или недостатком кислорода, не чувствительна к повышенной влажности. Оба вывода могут быть отожжены для удаления материалов, вызывающих термоэлекрическую неоднородность.

ТЖК работает с окислительными, восстановительными, инертными средами и вакуумом.

Особенностью является возможность измерения положительных температур совместно с отрицательными.

ТНН считается самой точной термопарой из неблагородных металлов. Отличается высокой стабильностью при температурах от +200 до +500°С.

Термопары ПП самые распространённые для измерения очень высоких температур в окислительных и инертных средах. К достоинствам можно отнести точность измерений, хорошую воспроизводимость и стабильность термо-ЭДС. К недостаткам – повышенную чувствительность к химическим загрязнениям отрицательного платинового электрода.

ТПР применяются в окислительных и инертных средах, а также в вакууме. В сравнении с ПП, термопары ПР обладают немного меньшей термо-ЭДС, но большей механической прочностью и стабильностью, меньшей чувствительностью к загрязнениям, способностью измерять более высокие температуры.

Термопары ВР 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.

*МЭК — международный электротехнический комитет.

В заключение отметим, что выбирая конкретный тип термопары, учитывать нужно, главным образом, диапазон измеряемых температур и контролируемую среду, так как значительные температурные колебания или же присутствие агрессивных к материалам термопары элементов существенно уменьшает срок службы. Точность и стабильность измерений также важны — наиболее точными являются термопары из благородных металлов, именно их используют в качестве эталонных термоэлектрических преобразователей, но высокая стоимость является главным недостатком термопар типа ПП и ПР. Термопары из неблагородных металлов дешевы и просты в обращении, устойчивы к вибрациям, могут выпускаться во взрывозащищенном исполнении, но имеют ограничения по характеристикам. Если возникнут сложности с выбором термопары, наши специалисты всегда помогут вам подобрать термоэлектрический преобразователь под вашу задачу.

Термопары: принцип действия, разновидности и помощь в выборе

Термопара – старейший и до сих пор наиболее распространенный в промышленности температурный датчик. Действие термопары основано на эффекте, который впервые был открыт и описан Томасом Зеебеком в 1821 г. – возникновении тока в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при наличии градиента температур между спаями. Поскольку генерирование Термо-ЭДС происходит по длине термоэлектрода, то показания термопары зависят от состояния термоэлектродов в зоне максимального температурного градиента. Поэтому поверку термопар следует проводить при той же глубине погружения в среду, что и на рабочем объекте. Учёт термоэлектрической неоднородности особенно важен для рабочих термопар из неблагородных металлов.

Главные преимущества термопар:

• Широкий диапазон рабочих температур, они являются самыми высокотемпературными из контактных датчиков.
• Спай термопары может быть непосредственно заземлён или приведён в прямой контакт с измеряемым объектом.
• Простота изготовления, надёжность и прочность конструкции.

Недостатки термопар:

• Необходимость контроля температуры холодных спаев. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового сенсора и автоматическое введение поправки к измеренной Термо-ЭДС.
• Возникновение термоэлектрической неоднородности в проводниках и, как следствие, изменение градуировочной характеристики из-за изменения состава сплава в результате коррозии и других химических процессов.
• Материал электродов не является химически инертным и, при недостаточной герметичности корпуса термопары, может подвергаться влиянию агрессивных сред, атмосферы и т.д.
• На большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.
• Зависимость Термо-ЭДС от температуры существенно не линейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.
• Когда жесткие требования выдвигаются ко времени термической инерции термопары и необходимо заземлять рабочий спай, то следует обеспечить электрическую изоляцию преобразователя сигнала для устранения опасности возникновения утечек через землю.

В зависимости от материалов термоэлектродов различают термопары из благородных и неблагородных металлов. К первым относятся термопреобразователи платиновой группы (ТПП, ТПР). К неблагородным – ТВР, ТХА, ТХК, ТМК, ТНН, ТЖК и др. из серийно выпускаемых.

Наиболее точные термопары – с термоэлектродами из благородных металлов: платинородий-платиновые ПП (тип S (Pt-10%Rh/Pt), тип R (Pt-13%Rh/Pt)), платинородий-платинородиевые ПР (тип В (Pt-30%Rh/Pt-6%Rh)). Преимуществом является значительно меньшая термоэлектрическая неоднородность, чем у термопар из неблагородных металлов, устойчивость к окислению, вследствие чего высокая стабильность. Преимуществом термопары типа ПР также является практически нулевой выходной сигнал при температурах вплоть до 50°C, таким образом устраняется необходимость термостатирования холодных спаев. Недостатком является высокая стоимость и малая чувствительность (около 10 мкВ/К при 1000°C). Хотя платинородиевые термопары превосходят по точности и стабильности термопары из неблагородных металлов и сплавов, минимальная расширенная неопределенность результата измерения температуры в диапазоне до 1100°С составляет 0,2-0,3°С. Причины нестабильности термопар связаны с загрязнением, окислением и испарением материалов термоэлектродов. При температурах 500-900°С формируется стабильный окисел родия. Недостаток родия изменяет состав платино-родиевого термоэлектрода, что приводит к изменению зависимости ЭДС от температуры и к возникновению термоэлектрических неоднородностей.

Термопары из неблагородных металлов очень широко используются во всех отраслях промышленности. К ним относятся ТХА, ТХК, ТМК, ТНН, ТЖК, ТВР и некоторые другие серийно выпускаемые. Они дешёвы и просты в обращении, устойчивы к вибрациям, могут выпускаться во взрывозащищенном исполнении. Особенно удобны в обращении кабельные термопары, электроды которых заключены в специальный герметичный гибкий кабель с минеральной изоляцией. Такая конструкция позволяет расположить термопару в самых сложных конструктивных узлах объекта. Преимуществом термопар также является высокая чувствительность. Существенным недостатком является образование термоэлектрической неоднородности в зоне максимального градиента температур, что может привести к ошибке в градуировке более 5°C. Этот недостаток делает очень сомнительной саму возможность периодической поверки термопар в лабораторных условиях и диктует необходимость поверять термопары из неблагородных металлов на месте их рабочего монтажа. Наименьшая термоэлектрическая неоднородность характерна для термопары нихросил/нисил (тип N). Одной из существенных составляющих неопределенности измерений термопарами является учет температуры холодных спаев или точность компенсации спаев в цифровых преобразователях.

Для измерения высоких температур до 2500°C используют вольфрам-рениевые термопары (ТВР). Особенностью их использования является необходимость устранения окислительной атмосферы, разрушающей проволоку. Для вольфрам-рениевых термопар используют специальные герметичные конструкции чехлов, заполненные инертным газом, а также танталовые и молибденовые чехлы с неорганической изоляцией из оксида бериллия и оксида магния. Одно из важных применений вольфрам-рениевых термопар состоит в измерении температур в ядерной энергетике в присутствии потока нейтронов.

Особенностью работы с термопарами является применение стандартных удлинительных и компенсационных проводов. Провода позволяют передавать сигнал с термопары на сотни метров к измерительному прибору, внося минимальную потерю точности. Удлинительные провода изготавливаются из того же материала, что и термоэлектроды термопары, но с более низкими требованиями по качеству материалов. Компенсационные провода изготавливаются из совершенно других материалов, чем термоэлектроды и применяются для термопар из благородных металлов. Подробнее об удлинительных проводах смотрите в этой статье .

Особенности применения наиболее распространённых термопар
Термопары из неблагородных металлов
Тип J (железо-константановая термопара)

• Не рекомендуется использовать ниже 0°С, т.к. конденсация влаги на железном выводе приводит к образованию ржавчины.
• Наиболее подходящий тип для разряженной атмосферы.
• Максимальная температура применения – 500°С, т.к. выше этой температуры происходит быстрое окисление выводов. Оба вывода быстро разрушаются в атмосфере серы.
• Показания повышаются после термического старения.
• Преимуществом является также невысокая стоимость.

Тип Е (хромель-константановая термопара)

• Преимуществом является высокая чувствительность.
• Термоэлектрическая однородность материалов электродов.
• Подходит для использования при низких температурах.

Тип Т (медь-константановая термопара)

• Может использоваться ниже 0°С.
• Может использоваться в атмосфере с небольшим избытком или недостатком кислорода.
• Не рекомендуется использование при температурах выше 400°С.
• Не чувствительна к повышенной влажности.
• Оба вывода могут быть отожжены для удаления материалов, вызывающих термоэлекрическую неоднородность.

Тип К (хромель-алюмелевая термопара)

• Широко используются в различных областях от -100°С до +1000°С (рекомендуемый предел, зависящий от диаметра термоэлектрода).
• В диапазоне от 200 до 500°С возникает эффект гистерезиса, т.е показания при нагреве и охлаждении могут различаться. Иногда разница достигает 5°С.
• Используется в нейтральной атмосфере или атмосфере с избытком кислорода.
• После термического старения показания снижаются.
• Не рекомендуется использовать в разряженной атмосфере, т.к. хром может выделяться из Ni-Cr вывода (так называемая миграция), термопара при этом изменяет ТЭДС и показывает заниженную температуру.
• Атмосфера серы вредна для термопары, т.к. воздействует на оба электрода.

Тип N (нихросил-нисиловая термопара)

• Это относительно новый тип термопары, разработанный на основе термопары типа К. Термопара типа К может легко загрязняться примесями при высоких температурах. Сплавляя оба электрода с кремнием, можно тем самым загрязнить термопару заранее, и таким образом снизить риск дальнейшего загрязнения во время работы.
• Рекомендуемая рабочая температура до 1200°С (зависит от диаметра проволоки).
• Кратковременная работа возможна при 1250°С.
• Высокая стабильность при температурах от 200 до 500°С (значительно меньший гистерезис, чем для термопары типа К).
• Считается самой точной термопарой из неблагородных металлов.

Общие советы по выбору термопар из неблагородных металлов

• Температура применения ниже нуля – тип Е, Т
• Комнатные температуры применения – тип К, Е, Т
• Температура применения до 300°С – тип К
• Температура применения от 300 до 600°С – тип N
• Температура применения выше 600°С – тип К или N

Термопары из благородных металлов
Тип S (платнородий-платиновая термопара)

• Рекомендуемая максимальная рабочая температура 1350°С.
• Кратковременное применение возможно при 1600°С.
• Загрязняется при температурах выше 900°С водородом, углеродом, металлическими примесями из меди и железа. При содержании железа в платиновом электроде на уровне 0,1%, ТЭДС изменяется более, чем на 1 мВ (100°С) при 1200°С и 1,5 мВ (160°С) при 1600°С. Такая же картина наблюдается при загрязнении медью. Таким образом, термопары нельзя армировать стальной трубкой, или следует изолировать электроды от трубки газонепроницаемой керамикой.
• Может применяться в окислительной атмосфере.
• При температуре выше 1000°С термопара может загрязняться кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных керамических материалов. Важно использовать керамические трубки, состоящие из высокочистого оксида алюминия.
• Не рекомендуется применять ниже 400°С, т.к ТЭДС в этой области мала и крайне нелинейна.

Тип R (платнородий-платиновая термопара)

• Свойства те же, что и у термопар типа S.

Тип В (платнородий-платинородиевая термопара)

• Рекомендуемая максимальная температура рабочего диапазона 1500°С (зависит от диаметра проволоки).
• Кратковременное применение возможно до 1750°С.
• Может загрязняться при температурах выше 900°С водородом, кремнием, парами меди и железа, но эффект меньше, чем для термопар типа S и R.
• При температуре выше 1000°С термопара может загрязняться кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных керамических материалов. Важно использовать керамические трубки, состоящие из высокочистого оксида алюминия.
• Может использоваться в окислительной среде.
• Не рекомендуется применение при температуре ниже 600°С, где ТЭДС очень мала и нелинейна.

Источники погрешности термопар

Принцип действия термопар и особенности преобразования и передачи сигнала приводят к следующим возможным проблемам при их эксплуатации, вызывающим ошибку в определении температуры:

1. Дефекты формирования рабочего спая термопары.
2. Возникновение термоэлектрической неоднородности по длине термоэлектродов и изменение градуировочной характеристики термопары.
3. Электрическое шунтирование проводников изоляцией и возможное возникновение гальванического эффекта.
4. Тепловое шунтирование.
5. Электрические шумы и утечки.

Формирование спая

Существует много способов формирования рабочего спая термопары: механическое скручивание, пайка, сварка и т.д. При сварке в спай добавляется третий метал, но т.к. температуры проводников, исходящих из спая одинаковы, это не может привести к какой-либо погрешности. Проблема заключается в том, что третий метал, как правило, имеет более низкую температуру плавления и при высоких температурах спай может разорваться. Более того, может происходить загрязнение электродов чужеродным испаряющимся металлом. Поэтому рекомендуется производить сварку рабочего спая. Однако процесс сварки тоже требует особого внимания, т.к. перегрев может повредить термопарную проволоку и газ, используемый для сварки, может диффундировать в проволоку. Дефектная сварка может привести в разрыву спая при эксплуатации. В программном обеспечении, используемом для считывания и обработки сигнала термопары всегда есть специальный тест на разрыв спая.

Образование термоэлектрической неоднородности. Искажение градуировочной характеристики термопары

Это наиболее серьёзный и труднодиагностируемый источник погрешности, т.к. результат отсчета ТЭДС может показаться вполне приемлемым и в то же время быть ошибочным. Термоэлектрическая неоднородность может быть результатом диффузии примесей из окружающей атмосферы при высоких температурах, высокотемпературным отжигом или механической обработкой электродов. Она может образоваться в результате протягивания электродов, неосторожного обращения, ударов и вибраций, вызывающих напряжения в проволоке. Изменение состава сплава может наблюдаться на отдельном участке проволоки, находящейся длительное время в зоне резкого температурного градиента. Однако неоднородность влияет на изменение градуировочной характеристики только в том случае, если она попадает в зону температурного градиента при измерении. Чем больше градиент температуры, тем больше погрешность, возникающая из-за неоднородности. Один из способов уменьшения данной погрешности – сделать более плавным изменение температуры на длине термоэлектрода, например, используя металлические рукава и чехлы. Подробнее о защитной арматуре для термопар смотрите в этой статье.

Сопротивление изоляции термопары

Сопротивление изоляции термоэлектродов уменьшается с повышением температуры по экспоненциальному закону. При высокой температуре, в отдельных случаях, этот эффект может привести к образованию так называемого «виртуального» спая, т.е. фактического замыкания электродов в средней точке термопары. Таким образом, термопара будет измерять температуру не в области рабочего спая, а температуру в средней области. При высоких температурах следует также очень тщательно подбирать материал для изоляции, т.к. примеси и химические вещества изоляции могут проникнуть в электроды и изменить их свойства.

Гальванический эффект

Красящие вещества, применяемые в некоторых видах изоляции, могут вызвать образование электролита при попадании воды. Это может привести к гальваническому эффекту, который по силе превышает эффект Зеебека. Необходимо принимать меры для защиты термопарной проволоки от вредной атмосферы, проникновения воды и других жидкостей.

Тепловое шунтирование

Необходимо помнить, что термопара, как и любой другой контактный датчик, при введении в объект измерения меняет его температуру. Поэтому, если объект мал, термопара тоже должна иметь малые размеры. Однако термопара, изготовленная из тонкой проволоки, более подвержена эффектам загрязнения, отжига, возникновения напряжений, электрическому шунтированию. Чтобы минимизировать эти эффекты применяют удлинительные провода, которые соединяют термоэлектроды термопары с измерительным вольтметром и имеют коэффициент Зеебека близкий к коэффициенту термопары данного типа. Обычно удлинительный провод имеет больший диаметр, его сопротивление, включенное последовательно с термоэлектродом, не вызывает потерь при передаче сигнала на длинные расстояния. Кроме того, удлинительный провод проще протянуть через подводящий измерительный канал, чем тонкую термопарную проволоку. Поскольку требования к допускам удлинительных проводов установлены только в узком интервале температур и сам провод может быть подвержен механическим повреждениям и натяжению, следует обеспечить минимальный температурный градиент вдоль провода.

Электрические шумы

Широкополосный шум может быть подавлен аналоговым фильтром. Единственный тип шума, который не может подавить система считывания и обработки сигнала – сдвиг, обусловленный утечкой постоянного тока в системе. Хотя обычно такие утечки не вызывают больших погрешностей, возможность их возникновения должна всегда приниматься во внимание и, по возможности, предотвращаться, особенно если термоэлектроды очень малы и их сопротивление велико.

При технических измерениях выбор термопары в значительной степени определяется верхним пределом измеряемой температуры, т.к. эксплуатация термопар вблизи верхнего температурного предела приводит, спустя некоторое время, к изменению термоэлектрических характеристик. Поэтому для длительной эксплуатации целесообразно принимать верхний температурный предел на 200-300°C ниже максимально допустимой для данной термопары температуры.

При измерении низких температур необходимо учитывать, что влияние неоднородности электродов особенно значительно сказывается на показаниях низкотемпературных термопар. При низких температурах чувствительность термопреобразователя уменьшается, а доля паразитной Термо-ЭДС, вызванной неоднородностью, растёт.

Рекомендации по работе с термопарами

Целостность и точность измерительной системы, включающей термопарный датчик, может быть повышена с помощью следующих мер:

• Использовать проволоки большого диаметра, которая, однако, не будет изменять температуру объекта измерения.
• Если необходимо использовать миниатюрную термопару из очень тонкой проволоки, следует использовать ее только в месте измерения, вне объекта следует использовать удлинительные провода.
• Избегать механических натяжений и вибраций термопарной проволоки.
• Если необходимо использовать очень длинные термопары и удлинительные провода следует соединить экран повода с экраном вольтметра и тщательно перекручивать выводы.
• По-возможности избегать резких температурных градиентов по длине термопары.
• Использовать термопару только в пределах рабочих температур, желательно с запасом.
• Использовать подходящий материал защитного чехла при работе во вредных условиях, чтобы обеспечить надежную защиты термопарной проволоки.
• Использовать удлинительные провода в их рабочем диапазоне и при минимальных градиентах температур.
• Вести электронную запись (ссылка на Параграф) всех событий и непрерывно контролировать сопротивление термоэлектродов.
• Для дополнительного контроля и диагностики измерений температуры применяют специальные термопары с четырьмя термоэлектродами, которые позволяют проводить дополнительные измерения температуры, электрических помех, напряжения и сопротивления для контроля целостности и надежности термопар

Конструктивные исполнения термопар
Термопары конструктивно различаются:

• По способу контакта с измеряемой средой: погружные, поверхностные.
• По условиям эксплуатации: стационарные, переносные; разового, многократного и кратковременного применений.
• По защищённости от воздействий окружающей среды: обыкновенные, водозащищённые, защищённые от агрессивной среды, взрывозащищённые (в т.ч. искробезопасные).
• По герметичности к измеряемой среде: герметичные, негерметичные.
• По инерционности – показатель тепловой инерции не более 10 с; средней – не более 60 с; большой – более 60 с; ненормируемой инерционности (НИ).
• По устойчивости к механическим воздействиям: обыкновенные; виброустойчивые.
• По числу термопар для измерения температуры в одной зоне: одинарные; двойные; тройные.
• По числу зон: однозонные; многозонные.
• По наличию контакта «горячего» спая с металлической частью защитной арматуры: с неизолированным спаем, с изолированным спаем.

Материал подготовлен на основе:

1. Информационный портал temperatures.ru
2. Е.М. Шлеймович, И.Ю. Медведев. «Температура и методы её измерения». Учебное пособие. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2003 г.

Информация

• Информация о доставке
• Контакты и схема проезда
• Способы оплаты
• Инструкция по оформлению заказа
• Техническая документация
• Задать вопрос
• О нас
• Пользовательское соглашение
• Информация о возврате товара
• Реквизиты

Типы термопар

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 0 С, в коротком – до 1300 0 С. Измерение пониженных температур возможно до -200 0 С. Отлично функционирует в условиях окислительной атмосферы и инертности. Возможно применение в сухом водороде, и недолго в вакууме. Чувствительность – 40 мкВ/ 0 С. 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 0 С. Нижний предел ограничивается – 1300 0 С. Можно эксплуатировать в аргоновой, азотной, гелиевой, сухой водородной и вакуумной средах.

Термо-ЭДС при 2500 0 С — 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/ 0 С.

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 0 С 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 0 С -1800 0 С, пределы рабочих показателей — 2400 0 С. Чувствительность — 6,5 мкВ/ 0 С. 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 0 С. 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 0 С. Показатель чувствительности — 10-12 мкВ/ 0 С (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 0 С применяются в качестве сравнительных показателей. Краткое применение – до 1600 0 С, длительное – 1400 0 С. С наличие защиты можно длительно эксплуатировать при 1500 0 С.

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

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

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 0 С, кратковременная — 1800С. Чувствительность — 10,5-11,5 мкВ/ 0 С. Выделяется хорошей стабильностью термического ЭДС. Возможно применение без удлинительных проводов из-за низкой чувствительности в температурном диапазоне от 0 до 100 0 С.

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.