Какие бывают типы термопар. Как выбрать подходящую термопару для измерения температуры. Каковы характеристики и особенности конструкции различных типов термопар. Где применяются разные виды термопар в промышленности.
Общая характеристика термопар и принцип их работы
Термопары представляют собой широко распространенные датчики для измерения температуры в промышленности и научных исследованиях. Их популярность обусловлена рядом преимуществ:
- Высокая точность измерений (до ±0,01°C)
- Широкий диапазон измеряемых температур (от -270°C до +2500°C)
- Простота конструкции
- Надежность
- Низкая стоимость
Принцип работы термопары основан на термоэлектрическом эффекте — возникновении электродвижущей силы в замкнутой цепи из двух разнородных проводников, места соединения которых находятся при разных температурах. Величина возникающей термоЭДС зависит от разности температур между горячим и холодным спаями термопары.
Основные типы промышленных термопар
Существует несколько стандартных типов термопар, различающихся материалами термоэлектродов, диапазоном измеряемых температур и другими характеристиками. Рассмотрим наиболее распространенные из них:
Термопара хромель-алюмель (тип K)
Это одна из самых популярных термопар в промышленности. Ее основные характеристики:
- Диапазон измерений: от -200°C до +1300°C
- Чувствительность: около 40 мкВ/°C
- Материалы электродов: хромель (сплав Ni-Cr) и алюмель (сплав Ni-Al-Mn-Si)
- Применяется в окислительных и инертных средах
Какие преимущества дает использование термопары хромель-алюмель? Она обладает хорошей линейностью характеристики, высокой чувствительностью и стабильностью показаний. При этом данный тип термопар устойчив к радиационному воздействию, что позволяет применять их в ядерных реакторах.
Термопара хромель-копель (тип L)
Этот тип термопар также широко распространен в промышленности. Основные параметры:
- Диапазон измерений: от -200°C до +800°C
- Чувствительность: более 80 мкВ/°C при температурах выше 200°C
- Материалы электродов: хромель (сплав Ni-Cr) и копель (сплав Cu-Ni)
- Применяется в окислительных и инертных средах
Термопары хромель-копель отличаются наивысшей чувствительностью среди всех промышленных термопар. Они имеют практически линейную градуировочную характеристику и высокую термоэлектрическую стабильность до 600°C.
Высокотемпературные термопары для экстремальных условий
Для измерения очень высоких температур в промышленности применяются специальные типы термопар:
Термопара вольфрам-рений (типы A-1, A-2, A-3)
Это одна из лучших термопар для измерения сверхвысоких температур. Ее характеристики:
- Диапазон измерений: от 1300°C до 3000°C
- Чувствительность: 7-10 мкВ/°C
- Материалы электродов: сплавы вольфрама с 5% и 20% рения
- Применяется в инертных средах, вакууме, водороде
Какие преимущества дают термопары вольфрам-рений? Они обладают отличными механическими свойствами при высоких температурах, устойчивы к термоударам и знакопеременным нагрузкам. Однако их применение ограничено только восстановительными или инертными средами.
Термопара платинородий-платина (типы R и S)
Эти термопары широко применяются для точных измерений высоких температур. Их особенности:
- Диапазон измерений: от 0°C до 1600°C
- Чувствительность: около 10 мкВ/°C
- Материалы электродов: платина и сплав платины с 10% или 13% родия
- Применяются в окислительных и инертных средах
Термопары платинородий-платина отличаются высокой точностью, стабильностью и воспроизводимостью показаний. Они часто используются как эталонные средства измерений. Однако их стоимость значительно выше, чем у термопар из неблагородных металлов.
Выбор типа термопары для конкретных применений
При выборе подходящего типа термопары необходимо учитывать следующие факторы:
- Диапазон измеряемых температур
- Агрессивность рабочей среды
- Требуемую точность измерений
- Стабильность показаний во времени
- Механические нагрузки
- Стоимость
Как правильно выбрать термопару для конкретной задачи? Рассмотрим несколько примеров:
- Для измерения температуры в печах до 1100°C в окислительной среде оптимальным выбором будет термопара хромель-алюмель (тип K)
- При необходимости измерять температуру до 1600°C с высокой точностью подойдет термопара платинородий-платина (тип S)
- Для измерений в агрессивных средах при температурах до 800°C можно использовать термопару железо-константан (тип J) с защитным чехлом
Конструктивные особенности промышленных термопар
Конструкция промышленной термопары обычно включает следующие основные элементы:
- Термоэлектроды из соответствующих материалов
- Изоляторы для разделения электродов
- Защитный чехол или арматуру
- Клеммную головку для подключения
Какие материалы используются для защиты термопар? Для низких температур применяются металлические чехлы из нержавеющей стали. При высоких температурах используются керамические защитные трубки из оксида алюминия, карбида кремния или других огнеупорных материалов.
Области применения различных типов термопар
Разные типы термопар находят применение в различных отраслях промышленности:
- Металлургия: термопары вольфрам-рений для измерения температуры расплавов металлов
- Энергетика: хромель-алюмелевые термопары для контроля температуры в котлах и турбинах
- Химическая промышленность: платинородий-платиновые термопары для точных измерений в реакторах
- Пищевая промышленность: термопары железо-константан для контроля температуры в печах
Где еще применяются термопары? Они широко используются в системах автоматического регулирования температуры, при проведении научных исследований, в лабораторном оборудовании.
Преимущества и недостатки термопар по сравнению с другими датчиками температуры
Термопары имеют ряд преимуществ по сравнению с другими средствами измерения температуры:
- Широкий диапазон измерений
- Высокая точность
- Быстрый отклик
- Простота и надежность конструкции
- Низкая стоимость
Однако у термопар есть и некоторые недостатки:
- Нелинейность характеристики
- Необходимость компенсации температуры холодного спая
- Возможное изменение характеристик со временем
- Чувствительность к электромагнитным помехам
Какие альтернативы существуют термопарам? В некоторых применениях их могут заменить термометры сопротивления, пирометры или инфракрасные датчики температуры. Выбор зависит от конкретных условий измерений.
Перспективы развития термопарных датчиков
Несмотря на то, что термопары известны уже более 200 лет, они продолжают совершенствоваться. Основные направления развития:
- Создание новых термоэлектродных материалов для расширения диапазона измерений
- Разработка миниатюрных термопар для локальных измерений
- Совершенствование защитных покрытий для повышения стойкости
- Интеграция термопар с микроэлектронными устройствами
Какие инновации ожидаются в области термопар? Ведутся работы по созданию «интеллектуальных» термопар с встроенной электроникой для линеаризации, компенсации дрейфа и самодиагностики.
Типы термопар. Статьи. Поддержка. ТД Эталон
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.
Тип термопары | Обозначение градуировки | Материал термоэлектродов | Пределы измерения температур, °С | Примечания | ||||
РФ | МЭК* | положительного | отрицательного | нижний | верхний | кратков-ременно | ||
Хромель-алюмелевая | ХА | К | Хромель Ni+9,5 Cr | Алюмель Ni+Isi+2Al+2,5Mn | -200 | +1200 | +1300 | Термопара ХА обладает широким диапазоном температур и высокой чувствительностью. |
Хромель-копелевае | ХК | L | Хромель Ni+9,5 Cr | Копель Cu+(42-44)Ni+0,5Mn+0,1Fe | -200 | +600 | +800 | 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. |
Хромель-константовая | ХКн | E | Хромель Ni+9,5 Cr | Констант Cu+(40-45)Ni+1,0Mn+0,7Fe | -200 | +700 | +900 | Преимуществами ТХКн является высокая чувствительность, термоэлектрическая однородность материалов электродов, возможность использования при низких температурах. |
Медь-копелевая | МК | M | Медь Cu | Копель Cu+(42-44)Ni+0,5Mn+0,1Fe | -200 | +100 | — | 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. |
Медь-константовая | МКн | T | Медь Cu | Констант Cu+(40-45)Ni+1,0Mn+0,7Fe | -200 | +350 | +400 | Термопара МКн может использоваться в атмосфере с небольшим избытком или недостатком кислорода, не чувствительна к повышенной влажности. |
Железо-константовая | ЖК | J | Железо Fe | Констант Cu+(40-45)Ni+1,0Mn+0,7Fe | -200 | +750 | +900 | ТЖК работает с окислительными, восстановительными, инертными средами и вакуумом. Особенностью является возможность измерения положительных температур совместно с отрицательными. |
Нихросил-нисиловая | НН | N | Нихросил Ni+14,2Cr+1,4Si | Нисил Ni+4,4Si+0,1Mg | -270 | +1200 | +1300 | ТНН считается самой точной термопарой из неблагородных металлов. |
Сильх-силиновая | СС | I | Сильх Ni+9Cr+0,9Si | Силин Ni+(2-2,8)Si | 0 | +800 | — |
|
Платинородий-платиновая | ПП13 ПП10 | R S | Платина-родий Pt+13Rh Pt+10Rh | Платина Pt Pt | 0 | +1300 | +1600 | 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. |
Платинородий-платинородиевая | ПР | В | Платина-родий Pt+30Rh | Платина-родий Pt+6Rh | +600 | +1700 | — | 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. |
Вольфрамрений-вольфрамрениевая | ВР | A-1; A-2; A-3 | Вольфрам-рений W+5%Re | Вольфрам-рений W+20Re | 0 | +2200 | +2500 | Термопары ВР предназначены для длительного измерения температуры в чистых инертных средах, сухом водороде и вакууме. |
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).
Оба вывода могут быть отожжены для удаления материалов, вызывающих термоэлекрическую неоднородность.
Отличается высокой стабильностью при температурах от +200 до +500°С.
К недостаткам – повышенную чувствительность к химическим загрязнениям отрицательного платинового электрода.
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.
Типы термопар, их параметры. Предъявляемые требования- Elektrolife
Трудно недооценить все преимущества использования термопар. Это и высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01 °С), и большой температурный диапазон измерения: от −250 °C до +2500 °C, простота, дешевизна, надёжность. Чтобы не заблудиться во всем многообразии рассмотрим основные типы термопар и их параметры.
Термопара хромель-алюмель (тип К)
Основные свойства и области примененияОдна 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.
Данная термопара применяется для измерения температуры в промышленных печах, нагревательных устройствах, энергосиловом оборудовании, а также в многообразной научной аппаратуре и лабораторных приборах.
Материал термоэлектродовВ 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 средаТермопара 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 уменьшению термо-ЭДС данного сплава. Термопара ХА может применяться и в восстановительной или переменной окислительно-восстановительной атмосфере, если имеет надежный защитный чехол. Удлиняющие проводаТаблица 1. Удлиняющие провода к термопаре хромель-алюмель
Изоляция и защитаВ 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»).
Термопара хромель-копель (тип L)
Интеркристаллитная коррозии и охрупчивание сплава алюмель про¬исходит 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 (газопоглотителями, веществами, поглощающими и прочно удерживающими газы (кроме инертных)).
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 термо-электрическая 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 3044-84.
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 термоэлектродов
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.Удлиняющие проводаТаблица 2. Удлиняющие провода к термопаре хромель-копель
Термопара железо-константан (тип J)
Основные свойства и области примененияТермопары 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 ЖК 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 термоэлектродов
В термопаре ЖК 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 термоэлектродов. 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.
Термопара вольфрам-рений (тип А-1, А-2, А-3)
Основные свойства и области примененияТермопара 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 (сплав вольфрама с рением, содержащий 5% рения, кремнещелочную и алюминиевую присадки; остальное – вольфрам)/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 малочувствительны 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.
(Воспроизводимость — характеристика результатов измерений, определяемая взаимной близостью результатов повторных измерений. В случае термопар необходимо, чтобы при проведении повторных измерений од¬ной и той же температуры полученные значения термо-ЭДС были близки к первоначальным)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 3044-84. 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 термоэлектродов 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.Удлиняющие проводаТаблица 3. Удлиняющие провода к термопаре вольфрам-рений
Изоляция и защитаДля 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 термоэлектродами. 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).
Термопара вольфрам-молибден (ВМ)
Основные свойства и области примененияТермопара предназначена для измерения высоких температур. Измерения с помощью термопары вольфрам-молибден (ВМ) могут проводиться в инертных средах, среде водорода или вакууме. Диапазон измеряемых температур составляет 1400-1800 °С, предельная рабочая температура ~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 и платинородий-платинородий 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 термоэлектродов 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.Удлиняющие провода
Таблица 4. Удлиняющие провода к термопаре вольфрам-молибден
Изоляция и защитаТермоэлектроды термопар вольфрам-молибден для разовых измерений температуры жидкой стали изолируют глиноземистой керамикой (Al2O3) и защищают кварцевыми наконечниками.
Термопары платинородий-платина (ПП13 — тип R, ПП10 — тип S)
Основные свойства и области примененияТермопары 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 ПП (10% Rh) осуществляется по ГОСТ 3044-84, термоэлектродная проволока изготовляется по ГОСТ 10821-75. Термоэлектродная проволока для термопар ПП (13% Rh) изготовляется по техническим условиям.Материал термоэлектродов
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.Удлиняющие провода
Таблица 5.
Удлиняющие провода к термопаре вольфрам-ренийИзоляция 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 (способность материала сопротивляться проникновению сквозь него газов под давлением).
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.
Термоэлектроды 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.
Термопары платинородий-платинородий (тип B)
Основные свойства и области примененияТермопара 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 3044-84, термоэлектродная проволока изготовляется по ГОСТ 10821-75.Материал термоэлектродов
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 3044-84 и ГОСТ 6616- 94 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.Удлиняющие провода
Таблица 6. Удлиняющие провода к термопаре платинородий-платинородий
Изоляция и защитаДля 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 схожих 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.
Требования, предъявляемые к термоэлектродным сплавам
Термопары применяются для измерения широкого диапазона температур в различных средах. При этом измерительные приборы должны обеспечивать надлежащую точность и иметь приемлемые сроки службы. В связи с перечисленными выше особенностями к материалам, применяемым для производства термопар, предъявляются специальные требования:
1.
Термо-ЭДС термоэлектродных сплавов, образующих термопару, должна быть достаточно большой для того, чтобы ее можно было измерить с необходимой точностью. Желательно, чтобы величина термо-ЭДС линейно зависела от величины температуры. 2. Температура плавления термоэлектродных сплавов должна быть выше максимальной рабочей температуры термопары. Разница между указанными температурами должна составлять не менее 50 °С.
3. Термоэлектродные сплавы должны обладать коррозионной стойкостью в рабочей среде термопары. Данное требование не всегда может быть выполнено, поэтому в таких случаях термоэлектроды защищают от воздействия среды с помощью защитного чехла.
4. Термоэлектродные сплавы должны отличаться воспроизводимыми и однородными свойствами при производстве их в промышленных масштабах.
5. Сплавы для термопар должны сохранять свою термоэлектрическую характеристику неизменной в процессе градуировки и эксплуатации.
6. Сплавы для термопар должны обладать хорошей пластичностью и прочностью.
Источник: «МЕТОТЕХНИКА»
Смотрите также:
Примеры термопар на площадках АлиЭкспресс
Датчик термопары типа K, рабочая температура: от -50 до 350 градусов по Цельсию, длина кабеля: прибл. 100 см Термопара типа К (Pt100), диапазон измерения: -50 ~ 450 °C. Длина кабеля 2 метра, диаметр зонда: 5 мм, материал зонда: нержавеющая сталь Датчик термопары типа K, рабочая температура: от 0 до 1300 градусов по Цельсию, керамическая трубка Датчик термопары типа S, рабочая температура от 0 до 1300 градусов по Цельсию Измеритель температуры 0-800 C, термопара типа К, защита от помех Измеритель температуры TM902C (-50C до 1300C) с термопарой K типаТипы термопар и материалы конструкции
Датчики температуры бывают разных форм, поэтому выбор датчика температуры для конкретного применения требует определенных размышлений. Однако, сказав, что для большинства промышленных применений выбор, как правило, делается между использованием RTD или термопары.
Что такое термопара?
Термопара — это датчик, используемый для измерения температуры. Термопара состоит из двух разнородных металлов, соединенных между собой одним концом, которые при нагревании (или охлаждении) создают небольшое напряжение. Это напряжение измеряется и используется для определения температуры нагретых металлов. Напряжение для любой температуры уникально для комбинации используемых металлов.
Термопары обычно выбирают из-за их низкой стоимости, высоких пределов температуры, широкого диапазона температур и долговечности.
Существуют ли стандарты, регламентирующие типы термопар?
Спецификация британских стандартов, BS 1041, Измерение температуры содержит руководство по выбору и использованию устройств для измерения температуры.
BS EN 60584-1: Термопары BS EN 60584-1 — это международный стандарт, который относится к электродвижущей силе (ЭДС), создаваемой определенными типами термопар, к температуре на основе Международной температурной шкалы 1990 (ИТС-90).
Стандарт ASTM E230 содержит спецификации для обычных промышленных марок, включая буквенные обозначения, используемые для каждого типа термопары.
Почему существуют разные типы термопар?
Термопары изготавливаются из различных комбинаций металлов, обычно обозначаемых буквами, напр. J, K и т. д., что приводит к появлению терминов термопара типа J, термопара типа K и т. д. Каждая комбинация имеет свой температурный диапазон и поэтому больше подходит для одних применений, чем для других. Хотя стоит отметить, что максимальная температура зависит от диаметра провода, используемого в термопаре. Различные типы подробно описаны в таблице ниже.
Таблица типов термопар
Термопары типа B
Термопары типа B можно использовать до 1600 °С с кратковременными отклонениями до 1800°С. Они имеют низкую электрическую мощность, поэтому редко используются при температурах ниже 600°C. На самом деле выход практически незначителен до 50°C, поэтому для этого типа компенсация холодного спая обычно не требуется.
Термопары типа E
Термопары типа E часто называют хромель-константановыми термопарами. Они считаются более стабильными, чем тип K, поэтому часто используются там, где требуется более высокая степень точности.
Примечание. Константан представляет собой медно-никелевый сплав.
Термопары типа J
Термопары типа J быстро разлагаются в окислительной атмосфере при температуре выше 550°C. Их максимальная непрерывная рабочая температура составляет около 750°C, хотя они могут выдерживать кратковременные колебания до 1000°C. Как правило, они не используются при температуре ниже температуры окружающей среды из-за образования конденсата на проводах, что приводит к ржавлению железа.
Примечание. Константан представляет собой медно-никелевый сплав.
Термопары типа K
Термопары типа K являются наиболее широко используемыми термопарами в нефтегазовой и нефтеперерабатывающей промышленности благодаря их широкому ассортименту и низкой стоимости.
Их иногда называют хромель-алюмелевыми термопарами. Обратите внимание, что окисление выше примерно 750°C приводит к дрейфу и необходимости повторной калибровки.
Термопары типа N
Термопары типа N могут выдерживать более высокие температуры, чем термопары типа K, и обеспечивают лучшую воспроизводимость в диапазоне от 300 до 500°C. Они предлагают много преимуществ по сравнению с типом R & S за одну десятую стоимости, поэтому становятся популярными альтернативами.
Термопары типа R
Термопары типа R предназначены для тех же применений, что и тип S, но обеспечивают улучшенную стабильность и незначительное увеличение диапазона. Следовательно, тип R предпочтительнее, чем тип S.
Термопары типа S
Термопары типа S можно постоянно использовать при температурах до 1450°C. Они могут выдерживать кратковременные отклонения до 1650°C. Они нуждаются в защите от высокотемпературной атмосферы, чтобы предотвратить попадание паров металла на наконечник, что приводит к снижению генерируемой ЭДС.
Обычно предлагаемая защита представляет собой оболочку из рекристаллизованного оксида алюминия высокой чистоты. В большинстве промышленных применений термопары размещаются в защитной гильзе.
Термопары типа T
Термопары типа T редко используются в промышленности и больше подходят для использования в лабораторных условиях.
Техническая библиотека
Следующие страницы на сайте Control and Instrumentation.com содержат более подробную информацию о методах, используемых для измерения температуры:
Частота пробуждения защитной гильзы
Поделитесь этой страницей с коллегами
Магазин технических книг
Для тех, кто хочет глубже погрузиться в мир термопар и измерения температуры, будут интересны следующие книги с Amazon:
Практическая термопарная термометрия 9000 3
Руководство по использованию термопар для измерения температуры
Справочник по температуре
Функции, типы, выбор и применение
Термопары — это датчики, измеряющие температуру.
Диапазон их применения варьируется от промышленного производства и экспериментальных установок до термометра для мяса, которым вы пользуетесь дома. Они часто используются везде, где важно иметь возможность надежно отслеживать или записывать данные о температуре. Я написал этот блог, чтобы дать вам представление о функциях, типах, выборе и применении термопар.
В этом посте мы рассмотрим:
- Физические основы их работы, какие существуют типы термопар и когда их использовать
- Различные свойства измерительного спая и их применение
- Как правильно выбрать термопару для вашего проекта и где ее можно купить
Мы завершим кратким описанием выбора, установки и использования термопар в условиях инженерной лаборатории.
Для тех, кто хочет быстро приступить к делу, вот три основных шага по настройке системы мониторинга температуры:
Что такое термопара?
Как они работают? Сердечник термопары общего термоэлемента состоит из двух разнородных металлов, соединенных в одной точке.
Когда эта точка подвергается изменению температуры ( ΔT ), между двумя разнородными металлами внутри точки создается температурный градиент. Из-за термоэлектрического эффекта , также известного как эффект Пельтье-Зеебака , электрического потенциала V формируется поперек этого температурного градиента. Калибровка между этим электрическим потенциалом и известными температурами позволяет определить неизвестные температуры на конце термопары. Схема стандартной термопары типа К показана ниже на Рис. 1 .
Рисунок 1: Основная компоновка термопары K-типа ( Источник )
Это поведение может быть описано следующим упрощенным термоэлектрическим уравнением . Дополнительную информацию об этом можно найти здесь.
Типы термопарных датчиков и их соответствующие свойства
Так же, как существует множество различных применений термопар, существует множество типов термопар, соответствующих им.
Здесь мы обсудим два наиболее распространенных типа термопар, используемых в промышленности: зондовые термопары и термопары для поверхностного монтажа. В конце этого раздела вы можете найти ссылки на подробные ресурсы.
Термопары зонда используются в любое время, когда вам необходимо контролировать или регистрировать температуру жидкости или газа внутри замкнутого объема, трубы или сосуда высокого давления. Пример термопары зонда показан ниже на 9.0129 Рисунок 2 .
Рис. 2. Обычная термопара зондового типа с удлинителем и разъемом (Источник)
Термопарные датчики зондового типа бывают различных типов, наиболее распространенными из которых являются термоэлементные датчики (из разнородного металла), описанные выше, а затем платиновыми датчиками сопротивления, в которых используется резистор с обмоткой из платиновой проволоки или плоский пленочный резистор, а также датчиками термисторного типа, в которых используется керамика (оксиды металлов).
Последние два типа, хотя и более дорогие, обычно имеют точность от 0,1°C до 1,5°C, что значительно выше, чем у традиционных термоэлементных датчиков, точность которых находится в диапазоне от 0,5°C до 5,0°C. Прежняя термопара термоэлементного типа, хотя и менее точная, часто подходит для большинства приложений общего назначения. Полная таблица сходств и различий представлена ниже в Таблице 1.
Таблица 1: Типы термопарных датчиков и их соответствующие свойства (Источник)
Следует отметить, что при использовании датчиков зондового типа в среде, где оболочка и наконечник зонда погружены в жидкость, некоторая ошибка может возникнуть из-за теплопроводности по оболочке термопары в систему или из нее.
Все эти типы термопар можно найти с удлинителями различной длины с разъемами или без них, с резьбовыми или нерезьбовыми вставками, а также с различной длиной оболочки для различных возможных применений.
Различные измерительные спаи и их применение В дополнение к рассмотренным выше типам датчиков существуют также различные материалы оболочки, используемые для защиты термоэлементов в различных приложениях.
Здесь мы кратко коснемся трех переходов, которые доступны в качестве готовых опций: открытый, изолированный и заземленный (заземленный). Каждый из этих типов показан в таблице ниже на Рисунок 3 .
3. Три типа измерительных соединений (источник) из кожух, датчик монтируется заподлицо с плоским материалом, который можно закрепить на поверхности. Плоский монтаж предназначен для устранения ошибок, которые могут возникнуть, если весь датчик не находится в контакте с измеряемой поверхностью. По этой причине термопары для поверхностного монтажа часто встречаются с датчиком, установленным на кольце, для простоты установки с помощью различных распространенных крепежных деталей. Они также бывают самоклеящимися или приклеиваемыми для применения при более низких температурах. Примеры этого показаны ниже в Рисунок 4 и Рисунок 5 соответственно.
Температурный диапазон и чувствительность термопар определяются комбинацией сплавов, из которых изготовлен датчик (например, J-типа, K-типа и т. д.). В Таблице 2 приведен список наиболее распространенных типов термопар.
Если желательно отслеживать температуру во времени, то, вероятно, будет достаточно менее дорогого датчика с более низкой частотой дискретизации.
0136 Программное обеспечение LabView . Мы не будем здесь вдаваться в подробности настройки, так как это сложный и трудоемкий процесс.
Учитывая, что выходная мощность двигателя Стирлинга также была известна, можно было определить КПД двигателя Стирлинга.
После закрепления концы проводов были подключены к разъему термопары, который затем был подключен к ручному термометру, который принимает штекеры термопары — в нашем случае мы использовали измеритель Omega модели HH800.
