Термопары широко применяются для измерения температур от минус 200 до плюс 2500°С в различных областях техники и научных исследованиях. Однако в области низких температур ТЭТ получили меньшее распространение, чем термометры сопротивления.

Устройство термоэлектрических термометров

Рис. 1.

На (рис. 1) показана конструкция технического ТТ. Арматура включает защитный чехол-1, гладкий или с неподвижным штуцером-2, и головку-3, внутри которой расположено контактное устройство-4 с зажимами для соединения термоэлектродов-5 с проводами, идущими от измерительного прибора к термометру. Термоэлектроды по всей длине изолированы друг от друга и от защитной арматуры керамическими трубками (бусами) - 6, спай на рабочем конце 7 термопары образуется сваркой, пайкой или скручиванием.

Принцип действия ТЭТ основан на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что в электроцепи, составленной из двух разнородных проводников или полупроводников (термоэлектродов), например А и В (рисунок 2а), при наличии разности температур между местами их соединения (спаями) возникает термоэлектродвижущая сила (термоЭДС), величина которой пропорциональна разности температур нагретого Т₁ и свободного (холодного) Т₂ концов спаев и зависит от материала термоэлектродов.

Рис. 2 - Термоэлектрическая цепь (а) и схемы измерения термоЭДС термопары - без термоэлектродных проводов (б) и с термоэлектродными проводами (в): А и В - электроды термопары; А₁ и В₁ - термоэлектродные (удлиняющие провода); Т₁ - температура мест соединений электродов термометра с термоэлектродными проводами (в); mV - милливольтметр

Термопара состоит из двух специально подобранных термоэлектродов (проволок), одни концы которых спаяны или сварены (Т₁), а другие (T₂) подключаются к вторичному прибору ИП (рисунок 2б): Т = Т₁, Т₀ = Т₂.

Термоэлектрод называют положительным, от которого термоток идет в спае, имеющем температуру Т₀ < Т, отрицательным - к которому ток идет в том же спае. Спай термопары Т₁, погружаемый в среду, температура которой измеряется, называют рабочим (горячим).

Концы термопары (Т₂), которые подключаются к измерительному прибору ИП и должны находиться при постоянной температуре (Т₂ = Т₀ = const) называют свободными (холодными).

При условии Т₂ = const термоЭДС термопары U_ТП будет зависеть только от температуры рабочего спая, т.е. температуры контролируемой среды Т₁ = Т,

U_ТП = Е_АВ (Т, Т₀) = F (T). (1)

Для термопар статическая характеристика (рисунок 3.3) является непрерывной и, учитывая небольшую нелинейность на отдельных ее участках, чувствительность ТЭТ можно записать в виде

мВ/^оС. (2)

Величина К_тп зависит от температуры Т и от природы термоэлектродов и составляет 0,006-0,07 мВ/°С - для металлов (рисунок 3, кривые 1,2); 0,1-1 мВ/°С - для полупроводниковых термопар (рисунок 3, кривая 3).

Наиболее распространенными в практике технологического контроля являются стандартные термопары с металлическими термоэлектродами из благородных и неблагородных металлов.

Платинородий-платиновые термопары типа ТПП (градуировка ПП) применяются для измерения температур в области 0-1300°С, термоэлектроды изготавливают из проволоки диаметром 0,5 мм, что удовлетворяет условиям достаточной прочности и не слишком высокой стоимости;

Рис. 3. - Статические характеристики термопар:

1 - хромель-алюмелевой; 2 - хромель-копелевой (металлические); 3 - карбид кремния-графитовой (полупроводниковая)

§ платинородий-платинородиевые термопары типа ТПР (градуировка ПP 30/6) применяются для измерения температур в области 300-1600°С;

§ хромель-копелевые термопары типа ТХК (градуировка ХК) применяются для измерения температур в области - 200-600°С;

§ хромель-алюмелевые термопары типа ТХА (градуировка ХА) применяются для измерения температур в области - 200-1000°С, диаметр термоэлектродной проволоки до 3,2-5 мм.

Допустимая основная погрешность стандартных термопар составляет 0,01-0,23 мВ.

Стандартные термопары градуируют, определяя экспериментально зависимость термоЭДС от изменения температуры рабочего спая при строго постоянной температуре свободных концов термопары (обычно Т₀ = 0°С) методом сравнения с образцовым термометром.

С целью упрощения конструкции термопар и условий термостабилизации свободных концов термоэлектродов их удлиняют специальными проводами, которые называют термоэлектродными (иногда компенсационными, что неверно). Это позволяет удалить свободные концы термопары в зону, где температура окружающей среды изменяется незначительно. В этом случае свободными концами термопары считают места соединения термоэлектродных проводов с медными проводами подключения или с зажимами измерительного прибора, если термоэлектродные провода присоединяются к ним непосредственно. В качестве материала для термоэлектродных проводов используют недефицитные неблагородные металлы, которые в интервале температур окружающей среды развивают в паре между собой такую же термоЭДС, как и термопара, с которой они комплектуются. Для термопар типа ТПП применяют термоэлектродные провода марки ПП (положительный термоэлектрод - медь, отрицательный - сплав меди и никеля), для ТХК - марки ХК (положительный - хромель, отрицательный - копель), для ТХА - марки М (положительный - медь, отрицательный - константан).

Принцип действия

· Высокая точность измерения значений температуры (вплоть до ±0,01°С).

· Большой температурный диапазон измерения: от ?250°C до +2500°C.

· Простота.

· Дешевизна.

· Надёжность.

Недостатки

Для получения высокой точности измерения температуры (до ±0,01°С) требуется индивидуальная градуировка термопары.

На показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового датчика и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.

Эффект Пельтье (в момент снятия показаний необходимо исключить протекание тока через термопару, так как ток, протекающий через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный).

Зависимость ТЭДС от температуры существенно нелинейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.

Возникновение термоэлектрической неоднородности в результате резких перепадов температур, механических напряжений, коррозии и химических процессов в проводниках приводит к изменению градуировочной характеристики и погрешностям до 5 К.

На большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект "антенны" для существующих электромагнитных полей.

Типы термопар

Технические требования к термопарам определяются ГОСТ 6616-94. Стандартные таблицы для термоэлектрических термометров (НСХ), классы допуска и диапазоны измерений приведены в стандарте МЭК 60584-1,2 и в ГОСТ Р 8.585-2001.

1. платинородий-платиновые - ТПП13 - Тип R

2. платинородий-платиновые - ТПП10 - Тип S

3. платинородий-платинородиевые - ТПР - Тип B

4. железо-константановые (железо-медьникелевые) ТЖК - Тип J

5. медь-константановые (медь-медьникелевые) ТМКн - Тип Т

6. нихросил-нисиловые (никельхромникель-никелькремниевые) ТНН - Тип N.

7. хромель-алюмелевые - ТХА - Тип K

8. хромель-константановые ТХКн - Тип E

9. хромель-копелевые - ТХК - Тип L

10. медь-копелевые - ТМК - Тип М

11. сильх-силиновые - ТСС - Тип I

12. вольфрам и рений - вольфрамрениевые - ТВР - Тип А-1, А-2, А-3

Точный состав сплава термоэлектродов для термопар из неблагородных металлов в МЭК 60584-1 не приводится. НСХ для хромель-копелевых термопар ТХК и вольфрам-рениевых термопар определены только в ГОСТ Р 8.585-2001. В стандарте МЭК данные термопары отсутствуют. По этой причине характеристики импортных датчиков из этих металлов могут существенно отличаться от отечественных, например импортный Тип L и отечественный ТХК не взаимозаменяемы. При этом, как правило, импортное оборудование не рассчитано на отечественный стандарт.

В настоящее время стандарт МЭК 60584 пересматривается. Планируется введение в стандарт вольфрам-рениевых термопар типа А-1, НСХ для которых будет соответствовать российскому стандарту, и типа С по стандарту АСТМ [3].

В 2008 г. МЭК ввел два новых типа термопар: золото-платиновые и платино-палладиевые. Новый стандарт МЭК 62460 устанавливает стандартные таблицы для этих термопар из чистых металлов. Аналогичный Российский стандарт пока отсутствует.

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.

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 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

Общие сведения и особенности работы термопар

Стандартные таблицы для термоэлектрических термометров и классы допуска и диапазоны измерений приведены в ГОСТ Р 8.585-2001 "Государственная система обеспечения единства измерений. Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования". Эти данные приводятся также в разделе справочник.

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°С, 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°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.

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 их лучшей стабильности и точности по сравнению с платинородий-платиновыми термопарами (см. в разделе публикации "Термопары из чистых металлов")

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°С. 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°С используют вольфрам-рениевые термопары.

Особенностью их использования является необходимость устранения окислительной атмосферы, разрушающей проволоку.

термоэлектрический термометр погрешность температура

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. Так, например, если для термопары типа S используется компенсационный провод, температура которого изменяется от 23°С (головка термопары) до 0°С (лед), то возникает дополнительная ЭДС около 15 мкВ, что приведет к ошибке в измерении 1,4°С для температуры 900°С. Стандарт МЭК 60584-3 на компенсационные провода, введен в обращение в апреле 2008 г.

Размещено на Allbest.ru