Термопары

Термопары. Что это и как они применяются

1. Устройство термопары или что же такое термопара.

Термопара – это электротехническое изделие, предназначенное для измерения температуры на производстве, в лабораторных и научных исследованиях, а также в бытовых условиях. На сегодняшний день термопары очень распространены и применяются практически везде. Их используют для измерения температуры воды, воздуха, различных газов, для измерения температуры смазочных материалов в механизмах и т.д

Работа любой термопары основывается на термоэлектрическом эффекте, который был открыт Зеебеком в далёком 1821 году. Данный эффект заключается в том, что если последовательно соединить друг с другом два разнородных металлических проводника, образуя таким образом замкнутую электрическую цепь, и в одном месте соединения проводников произвести нагрев, то в цепи возникает электродвижущая сила (ЭДС). Данную электродвижущую силу называют термо-ЭДС. Под действием термо-ЭДС в замкнутой цепи начинает протекать электрический ток.

Место нагрева обычно называют горячим спаем. Место, где нет нагрева – холодный спай.

Если в разрыв цепи подключить гальванометр или микровольтметр, то можно измерить величину термо-ЭДС, которая будет составлять несколько мили- или микровольт. Значение термо-ЭДС будет зависеть от величины нагрева в месте соединения проводников и от величины температуры в месте соединения проводников, где нагрев не происходит. Т.е. значение термо-ЭДС зависит от разности температур между холодным и горячим спаем. Также термо-ЭДС зависит и от рода самих проводников.

Таким образом, если место соединения разнородных проводников термопары нагреть, то между несоединёнными (свободными) концами проводников возникнет разность потенциалов, которую можно измерить электроизмерительным прибором. Благодаря современным преобразователям возникающую разность потенциалов можно преобразовать в определённое цифровое значение, т.е. вполне реально узнать значение температуры нагрева в месте соединения проводников термопары.

Для того чтобы измерения были точными, температура холодного спая должна быть неизменной. Т.к. это не всегда возможно, используются специальные компенсационные схемы для компенсации температуры холодного спая.

Напряжение, измеряемое на холодном спае, зависит от разницы температур горячего и холодного спаев; поэтому, необходимо знать температуру холодного спая, чтобы рассчитать температуру горячего спая. Этот процесс называется «компенсацией холодного спая» (КХС). КХС выполняется управления, устройством аварийных отключений или другим устройством формирования сигнала. В идеале измерение КХС выполняется как можно ближе к точке измерения, потому что длинные провода термопары очень чувствительны к электрическим помехам, и сигнал в них ухудшается.

2. Типы термопар

Существует много типов термопар, в которых используются различные сочетания металлов. Эти сочетания имеют разные выходные характеристики, которые определяют диапазон температур, в котором можно применять ту или иную термопару, и соответствующий выходной сигнал напряжения. См. рисунок и таблицу ниже. Чем больше амплитуда напряжения на выходе, тем выше разрешение измерения, что повышает повторяемость и точность результатов. Существуют соотношения между разрешением измерения и диапазоном температур, которые делают отдельные типы термопар подходящими для определенных диапазонов и применений.

2.1 Термопары типа K, хромель – алюмель

• Хромель (Chromel®) – это сплав, состоящий на 90% из никеля и на 10% из хрома, а Алюмель (Alumel®) – это сплав, содержащий 95% никеля, 2% марганца, 2% алюминия и 1% кремния.
• Термопары типа K – одни из самых распространенных термопар общего назначения, имеющие чувствительность приблизительно 41 мВ/ °C.
• Термоэлектрод из сплава Chromel® имеет положительный потенциал относительно термоэлектрода из сплава Alumel®.
• Это недорогие термопары, их диапазон измеряемых температур составляет от -270°C до +1372°C (от -454°F до +2501°F) и характеристика относительно линейна.
• Содержание никеля делает сплав магнитным и, как и в случае других магнитных металлов, выходной сигнал термопары отклоняется, когда материал достигает своей температуры Кюри, которая составляет примерно 350°C (662°F) для термопар типа K. Температура Кюри – это температура, при которой магнитный материал претерпевает серьезное изменение своих магнитных свойств, что вызывает существенное смещение выходного сигнала.
• Такие термопары можно использовать в постоянно окислительных или нейтральных средах.
• В основном они используются при температурах выше 538°C (1000°F)
• Воздействие серы приводит к преждевременному отказу термопар.
• Эксплуатация при определенных низких концентрациях кислорода вызывает отклонение
в работе, которое называется преимущественным окислением хрома в положительном термоэлектроде, что приводит к состоянию, которое принято называть “зеленой гнилью” и которое вызывает большой отрицательный уход калибровки, наиболее серьезно проявляющийся в диапазоне 816 – 1038 °C (1500 – 1900°F). Это состояние можно предотвратить / уменьшить с помощью вентиляции или инертного уплотнения защитной трубки.
• Не рекомендуется подвергать термопару воздействию температур, циклически меняющихся так, что они становятся выше и ниже 1000 °C (1800 °F), потому что в этом случае выходной сигнал меняется из-за эффектов гистерезиса.

Замечание: Исторически сложилось так, что термопары типа K предлагается использовать всегда, если только нет причин для применения других типов термопар.

2.2 Термопара типа J, железо – константан

• Диапазон измеряемых температур термопар типа J уже, чем у термопар типа К, от -200 до +1200 °C (от 346 до 2193 °F), но у них выше чувствительность, которая составляет порядка 50 мкВ/ °C.
• Они имеют очень близкую к линейной характеристику в диапазоне от 149 до 427 °C (от 300 до 800 °F), а при температуре ниже 0 °C (32 °F) становятся хрупкими
• При температуре Кюри железа, которая составляет 770 °C (1418 °F), происходит резкое и имеющее постоянный характер измерение выходной характеристики, которое определяет практически достижимый верхний предел температуры.
• Железо подвержено окислению при температурах выше 538 °C (1000 °F), что отрицательно влияет на точность термопар. В таких условиях следует использовать только проволоку крупного диаметра.
• Термопары типа J подходят для применения в вакууме, в восстановительной или инертной среде.
• При использовании в окислительной среде срок службы термопар сокращается.
• Оголенные элементы не должны подвергаться воздействию сред, в которых присутствует сера, при температурах выше 538°C (1000°F)

2.3 Термопары типа E, хромель – константан

• Хромель – это сплав, состоящий из 90% никеля и 10% хрома, и из него изготавливается положительный термоэлектрод
• Константан – это сплав, обычно состоящий из 55% меди и 45% никеля
• Термопары типа E имеют диапазон измеряемых температур от -270 до 1000°C (от -454°F до 1832°F)
• Это немагнитные термопары, и они имеют наибольшее изменение выходного напряжения в зависимости от температуры среди всех стандартных типов термопар (68 мкВ/ °C)
• Они также имеют большую тенденцию к дрейфу показаний по сравнению с другими типами.
• Такие термопары рекомендуется использовать в постоянно окислительных или инертных средах.
• Пределы их погрешностей при использовании при температурах ниже нуля не установлены.

2.4 Термопары типа T, медь – константан

• Термопары типа T имеют чувствительность 38 мкВ/°C и диапазон измеряемых температур от -270°C до 400°C (от -454°F до 752°F)
• Их можно использовать в окислительных, восстановительных или инертных средах, а также в вакууме
• Они имеют высокую стойкость к коррозии во влажной среде.
• Такие термопары демонстрируют хорошую линейность характеристики и обычно используются при температурах от очень низких (криогенных) до средних.

2.5 Термопары типа N, нихросил – нисил

• Нихросил – это никелевый сплав, содержащий 14,4% хрома, 1,4% кремния и 0,1% магния, и являющийся положительным плечом в термопаре
• Нисил – это сплав никеля и 4,4% кремния
• Термопара типа N – это самая новая конструкция, одобренная международными стандартами, и ее применение во всем мире растет.
• Эти сплавы позволяют термопарам типа N достигать значительно более высокой термоэлектрической стабильности, чем у термопар из основных металлов типа E, J, K и T.
• Термопары типа N имеют чувствительность 39 мкВ/°C и возможный диапазон температур от -270°C до 1300Т(от -454 °F до 2372 °F)
• Термопары типа N надежно эксплуатировались в течение продолжительного времени при температурах по крайней мере до 1200 °C (2192 °F)
• Некоторые исследования показали, что в окислительных средах термоэлектрическая стабильность термопар типа N примерно такая же, как у термопар из благородных металлов типа R и S при температурах примерно до 1200 °С (2192 °F)
• Термопары типа N не следует использовать в вакууме или восстановительных средах, или в средах которые меняются с восстановительных на окислительные.

2.6 Термопары типов R и S, платинородий-платина

• Термопары типа R (платина-13% родия / платина) и типа S (платина-10% родия / платина) имеют возможный температурный диапазон от -50 до 1768°C (от 58°F до 3214°F)
• Оба эти типа имеют чувствительность порядка 10 мкВ/ °C и таким образом не подходят для применения при низких температурах, где лучше использовать другие типы.
• Поскольку они изготавливаются из платинового сплава, они достаточно дорогие и обычно используются при очень высоких температурах, где другие термопары работают плохо.
• Благодаря высокой стабильности, термопары типа S используются для определения Международной температурной шкалы между точкой замерзания сурьмы (630,5°C / 1166,9°F) и точкой плавления золота (1064,43°C (1945,4°F))
• Для правильной установки требуется, чтобы термопара была защищена неметаллической защитной трубкой и керамическими изоляторами.
• Длительное воздействие высоких температур вызывает рост зерен металла и может привести к механическому отказу и отрицательному уходу показаний из-за диффузии родия в термоэлектрод из чистой платины, а также из-за улетучивания родия.
• Вообще термопары типа R используются в промышленности, а термопары типа S в основном используются в лабораториях.

2.7 Термопары типа B, платинородий – платинородий

• Термопары типа B (платина-30% родия / платина-6% родия) имеют возможный диапазон температур примерно от 0 °C до 1820 °C (от 32 °F до 3308 °F).
• Термопары типа B обычно размещаются в чистом воздухе / окислительных средах, но не должны подвергаться воздействию восстановительных сред.
• Повышенное содержание родия в термопарах типа B помогает уменьшить рост зерна, позволяя несколько увеличить температурный диапазон по сравнению с термопарами типа R и S..

3. Удлиняющие (компенсационные) провода

Данный вид проводов необходим для удлинения концов термопары для подключения к вторичному прибору.
При подключении термопар, в отличии от термосопротивлений, нельзя использовать любые провода (медные, аллюминиевые и т.д.). Нужно использовать только провода, изготовленные из того же материала, что и материал термопары. Например для подключения термопары Хромель-Алюмель (ХА) нужно использовать компенсационные провода также с маркировкой ХА.
Компенсационные провода не используются только в случае наличия у термопары встроенного преобразователя с унифицированным выходным сигналом. Наиболее широкое применение получил нормирующий преобразователь, размещенный в стандартной клеммной головке датчика с унифицированным сигналом 4-20мА, так называемая «таблетка».

4. Преимущества и недостатки термопар

Как и любые датчики температуры, термопары имеют ряд преимуществ и недостатков.

Достоинства:

• Большой температурный диапазон измерений;
• Высокая точность;
• Надёжность;
• Невысокая стоимость (хотя зависит от дополнительных элементов, таких как соединительные провода, защита в виде зонда, дополнительные разъёмы)
• Простота и надежность.

Недостатки:

• Обязательное использование специальных компенсационных проводов при подключении;
• Погрешность измерений из-за воздействия электромагнитных волн, как следствие низкая помехозащищенность.
• Нелинейность.