Общие сведения и особенности работы термопар

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 °С). Хотя платинородиевые термопары превосходят по точности и стабильности термопары из неблагородных металлов и сплавов, минимальная расширенная неопределенность результата измерения температуры в диапазоне до 1100 °C 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.

В последние годы за рубежом были разработаны и исследованы термопары из чистых металлов: золото-платиновые и платина-палладиевые. По результатам опубликованных исследований можно сделать вывод о лучшей стабильности и точности по сравнению с платинородий-платиновыми термопарами.

Термопары из неблагородных металлов очень широко используются во всех отраслях промышленности. Они дешевы 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. 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. Так, для термопары ПР в качестве компенсационной может использоваться медная проволока. Применение компенсационных проводов может стать доминирующим источником неопределенности измерения температуры в промышленности, если разность температур двух концов провода существенна .

В таблице представлены технические характеристики основных типов термоэлектрических преобразователей (термопар).

Термопары из неблагородных металлов

Тип J (железо-константановая термопара):

• — не рекомендуется использовать ниже 0 °C, т.к. конденсация влаги на железном выводе приводит к образованию ржавчины;
• — наиболее подходящий тип для разряженной атмосферы;
• — максимальная температура применения — 500 °C, 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 °C;
• — может использоваться в атмосфере с небольшим избытком или недостатком кислорода;
• — не рекомендуется использование при температурах выше 400 °C;
• — 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 °C до +1000 °С (рекомендуемый предел, зависящий от диаметра термоэлектрода);
• — в диапазоне от 200 до 500 °C возникает эффект гистерезиса, т. е показания при нагреве и охлаждении могут различаться. Иногда разница достигает 5 °C;
• — 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 °C (зависит от диаметра проволоки);
• — кратковременная работа возможна при 1250 °C;
• — высокая стабильность при температурах от 200 до 500 °C (значительно меньший гистерезис, чем для термопары типа К);
• — считается самой точной термопарой из неблагородных металлов.
• — Общие советы по выбору термопар из неблагородных металлов:
• — ниже нуля — тип Е, Т;
• — комнатные температуры — тип К, Е, Т;
• — до 300 °C — тип К;
• — от 300 до 600 °C — тип N;
• — выше 600 °C — тип К или N [11].

Термопары из благородных металлов

Тип S (платнородий-платиновая термопара):

• — рекомендуемая максимальная рабочая температура 1350 °C;
• — Кратковременное применение возможно при 1600 °C;
• — Загрязняется при температурах выше 900 °C 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 °C и 1,5 мВ (160 °С) при 1600 °C. 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 °C 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 °C, т. к ТЭДС в этой области мала и крайне не линейна.

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 °C (зависит от диаметра проволоки);
• — кратковременное применение возможно до 1750 °C;
• — может загрязняться при температурах выше 900 °C водородом, кремнием, парами меди и железа, но эффект меньше, чем для термопар типа S и R; преобразователь дифференциальный метрологический термопара
• — при температуре выше 1000 °C 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 °C, где ТЭДС очень мала и не линейна.

На рисунке 5 представлена конструкция термопары типа ТХК [9].

Рисунок 5 — Конструкция термопары типа ТХК Рабочий «горячий» спай выполняется скруткой и последующей сваркой двух разнородных материалов — хромеля и копеля. Для защиты такого датчика от механических повреждений при измерении температуры объектов они помещаются в специальный жаропрочный корпус. Рабочий спай (2) изолирован от корпуса фарфоровым наконечником (3); электроды для защиты от замыкания между собой или корпусом изолируются фарфоровыми бусами (4). Концы термоэлектродов через асбестовое уплотнение выводятся на блок зажимов. Для герметизации блок зажимов головки термопары закрывается крышкой с резиновым уплотнением. Такие датчики могут работать под избыточным давлением, для этого на корпусе имеется резьба, с помощью которой осуществляется уплотнение технологического отверстия для измерения температуры.