Виды и особенности термопар

Как правильно подобрать термопару по материалу и конструкции?

Чтобы подобрать термопару для измерения температуры узла важно помнить, что выбор типа и конструкции термопары и оптимальное размещение ее в системе контроля и регулирования температуры будут влиять энергоэффективность всего производства. Поэтому при решении о выборе термопары и ее использовании необходимо учитывать свойства материалов, проводников, варианты соединения проводников, а также коэффициенты термоэлектродвижущей силы, свойственные конкретной комбинации металлов.

Что такое термопара?

Термопары — это устройства, которые измеряют температуру по принципу термоэлектрического преобразования. Система термопары состоит из пары проводников из разных металлов, соединенных в одном конце. При нагревании места соединения возникает разность потенциалов между концами проводников. Эта разность зависит от разницы температур на соединении и в конце проводников. Разность потенциалов генерирует электрический ток, силу которого можно измерить и таким образом определить температуру.

В термопаре термоэлектрическое преобразование происходит из-за того, что при нагреве один проводник становится более активным химически, а другой — менее активным. Это приводит к возникновению разности потенциалов между проводниками, которая пропорциональна разнице температур. Поэтому термопара может использоваться для измерения температуры в широком диапазоне в зависимости от материалов проводников и конструкции самой термопары.

Виды термопар по материалу

Термопары различаются по материалу используемых проводников. Государственным стандартом регламентируются следующие типы термопар: R, S, В, J, Т, Е, К, N, A, L, М.

• Термопара типа R, в России обозначаемая ТПП13 — собрана из пары проводников платинородий/платина, где положительный проводник состоит из платины на 87 %, из родия — на 13 %, а отрицательный проводник полностью выполнен из платины. Термопары этого типа используются при температурах до 1600 °C в любой среде и крайне востребованы в сталелитейной промышленности и на других металлургических производствах.


• Термопара типа S, знакомая нам под аббревиатурой ТПП10 — это термопара, которая так же обладает высокой точностью и стабильностью при высоких температурах. Она состоит из двух проводников: платины в качестве отрицательного проводника и платинородия (10/90%) в качестве положительного проводника. Эти измерительные приборы применяются для контроля температур в диапазоне от 0 до 1600 °C и широко используются в научных исследованиях и лабораторных изысканиях.
  
  Из-за своей высокой стоимости и требовательности к закалке, термопары типа ТПП чаще всего применяются в тех случаях, когда требуется стабильность измерения температуры в высоких диапазонах. Термопары из платинородия и платины обладают уникальным сочетанием высокой чувствительности и долговечности, что делает их одним из наиболее точных типов термопар для высоких температур.


• Термопара типа B, она же ТПР — это термопара способная измерить даже более высокую температуру: от 600 до 1800 °C. Термопары этого типа собираются из пары проводников платинородий (70/30%)-платинородий (94/6%) и чаще всего используются на атомных электростанциях и в опасной химической промышленности.


• J-тип термопары, также известные как ТЖК, изготовлены из железа (негативный проводник) и константана (положительный проводник). Термопара типа J способна работать в диапазоне температур от −40 °C до 900 °C и обладает высокой чувствительностью к температурным изменениям.
  
  Измерители этого типа широко используются в различных отраслях от пищевой промышленности до авиации. За счет надежности, низкой стоимости и широкого температурного диапазона эти термопары часто используются для автоматизации контрольно-измерительных процессов.


• Термопара типа Т, русское обозначение — ТМКн — это вид термопар, который состоит из двух проводников: медь используется как положительный проводник и константан — как отрицательный. Термопара типа Т обладает высокой точностью и эффективно работает в диапазоне от −200 до 350 °C. Термопары ТМК широко используются в медицинской промышленности и в производстве электроники, и в других областях, где есть необходимость придерживаться минусовых температур.


• E-тип, в России маркируемый ТХКн — это термопара из положительного проводника из хромеля и негативного проводника из константана. Термопары E-типа обладают высокой чувствительностью к незначительным изменениям температуры и могут работать в диапазоне температур от −200 до 900 °C. ТХКн-термопары широко используются в лабораториях, для научных и медицинских исследований и в других областях, где важна высокая точность и стабильность измерений.


• Термопара К-типа, она же термопара ТХА — один из самых распространенных типов термопар. Собранные из двух проводников — хромеля в качестве положительного термоэлектрода и алюмели в качестве отрицательного, эти термопары отличаются одновременно высокой надежностью и приятной ценой. Широкий диапазон измеряемых температур — от −250 до 1300 °C позволяет использовать ее на широком диапазоне производств.


• Термопара типа N, или ТНН — это тип термопары, отличающейся коррозионной и химической стойкостью за счет используемых материалов. Термопара типа N состоит из двух проводников: положительного проводника из нихросила и отрицательного проводника из нисила. Термопара N-типа это высокоточный прибор с большой стабильностью измерений в диапазоне от −250 до 1300 °C. Такие термопары часто применяются в металлургии, обработке керамики и стекла и других высокотемпературных производствах.


• А-тип термопары, еще называемый ТВР, состоит из термоэлектродов из вольфрам-рениевого сплава. В положительном электроде соотношение вольфрам — 95%, рений — 5%, в отрицательном — вольфрам 80%, рений — 20%. Термоэлектродные пары этого типа подразделяются на три категории: А-1, А-2 и А-3. Категория термопар зависит от термо-ЭДС показателей проволоки. Термопары этого типа используются для измерения температуры в диапазоне от 1000 до 2500 °C. Такие термопары используются относительно редко, так как высокая стоимость и необходимость дополнительной защиты при использовании в агрессивных и окислительных средах часто делают их использование нерентабельным. Несмотря на это термопары типа А используются в промышленной металлургии, в узлах, где требуется максимальная точность измерений, ведь погрешность у этого типа термопар — ±1 °C.


• Термопары L-типа, распространенные у нас ТХК-термопары — это термочувствительные элементы из хромелевого положительного проводника и копелевого отрицательного. Температурный диапазон измерений для этой пары сплавов — от −200 до 800 °C. Чаще всего хромель-копелевые термопары используются в гораздо более узком диапазоне температур — от 200 до 600 °C — для бесконтактного измерения температуры среды. Например, датчики этого типа измеряют температуру воздуха в муфельных печах или температуру нагретого газа на химических производствах.


• Термопара типа M, она же ТМК, собирается из положительного медного термоэлектрода и отрицательного копелевого. Это отличная термопара для низкотемпературных измерений в сравнительно небольшом диапазоне: от −200 до 100 °C. Термопары из этих металлов могут быть использованы для измерений в широком спектре контролируемых сред, от воздуха до агрессивных жидкостей, часто встречаются в современных бытовых термоэлектрических узлах.


 

Различия в конструкциях термопар

Несмотря на то, что общий принцип конструкции термопары всегда одинаков, визуально приборы могут отличаться друг от друга очень сильно.

Концы двух термоэлектродов всегда соединены между собой в одной точке. Эта точка называется рабочий спай. Для соединения используется электродуговая сварка. Для большей надежности перед сваркой термоэлектроды скручиваются вместе. Иногда вместо сварки применяется пайка. В некоторых случаях, особенно для термопар из высокотемпературных металлов, например, вольфрам-рений или вольфрам-молибден, соединение осуществляется только скруткой, без последующей сварки.

Термоэлектроды должны соприкасаться между собой только в точке рабочего спая. По всей остальной длине необходимо поддерживать их изоляцию.

Метод изоляции внутри термопары зависит от максимальной рабочей температуры термопары. Если температурный предел не больше 100-120 °C, подходит любая изоляция, включая воздушную. При температурах ниже 1300 °C для изоляции используются фарфоровые одно- и двухканальные трубки или бусы. При более высоких температурах пирометрический фарфор теряет свои электроизоляционные свойства, поэтому при температурах выше 1300 °C применяются трубки из оксида алюминия при температурах до 1950 °C или других материалов, например, оксидов магния и бериллия или диоксида циркония при температурах выше 2000 °C.

В зависимости от окружающей среды, в которой производится измерение температуры, термопара может быть оборудована наружной защитной трубкой-корпусом с закрытым концом. Этот корпус может быть изготовлен из металла, керамики или металлокерамики. Его задача — обеспечить механическую прочность термометра, предотвратить механическое напряжение на термоэлектродах, обеспечить гидроизоляцию и, в некоторых случаях, герметичность прибора. Материал корпуса должен выдерживать длительное воздействие температуры, соответствующей максимальному пределу использования термопары, и быть химически стойким в рассматриваемой среде, обладать хорошей теплопроводностью. Корпус должен быть газонепроницаемым и нечувствительным к резким изменениям температуры.

Конструктивно термопары можно разделить по следующим признакам:

• По типу материала
• По защищенности от агрессивного воздействия внешней среды
• По числу зон контроля температуры
• По типу крепления и герметичности выводов

Различные конструкции термопар

Преимущества и недостатки термопар по сравнению с другими методами измерения температуры

Использование термопар в промышленности популярно благодаря их быстрой реакции на изменения температуры, широкому диапазону измерений, возможности работы во взрывоопасных средах и простоте конструкции. Тем не менее, у термопар есть недостатки, такие как потенциальная неточность в измерениях при небольших изменениях температуры и дрейф, который может возникать при длительном использовании. При выборе термопары важно учитывать технические характеристики, такие как тип, диапазон измерений, точность, устойчивость к воздействию окружающей среды и другие факторы.

Существуют и другие методы измерения температуры, включая термисторы, термометры сопротивления, инфракрасные термометры и прочие. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки, и выбор определяется требованиями конкретной задачи. Например, для точных измерений небольших изменений температуры могут быть предпочтительны термисторы, однако они имеют ограничения в диапазоне измерений.

Итог

В заключение стоит отметить, что термопары представляют собой востребованный и удобный метод измерения температуры в промышленности. Они обладают рядом преимуществ, включая широкий спектр измеряемых температур, высокую точность и скорость измерений, надежность и долговечность. Однако для правильной эксплуатации термопар необходимо учитывать различные факторы, такие как тип используемой термопары, материалы изготовления, условия эксплуатации и другие. Также важно следить за состоянием термопар и выполнять регулярную калибровку для обеспечения точности измерений. В целом, правильное применение термопар может обеспечить эффективный контроль температуры в промышленных процессах и повысить производственную эффективность.