Вольфрамрениевые термопары и высокотемпературные датчики на их основе являются единственными на сегодня контактными средствами измерения температур свыше 2000°С.
Высокотемпературные датчики температуры
Высокотемпературные датчики применяются в различных областях науки и техники с середины XX века для контактного измерения температур рабочей среды от 1300 до 1700-2000 °С и выше. Диапазон измеряемых датчиками температур зависит непосредственно от химического состава измерительного элемента. Основным измерительным элементом таких датчиков является отрезок термоэлектродной проволоки, последовательно спаянной из двух разнородных электропроводящих металлов, который называют «термопара». В соответствии с предназначением и конструкцией, термопара может быть погруженной или поверхностной, герметичной или негерметичной (в оболочке или без нее), ударопрочной, стационарной, переносной и т.д.
Принцип работы термопары
Действие термопары основано на «эффекте Зеебека», названного по фамилии немецкого физика Томаса Иоганна Зеебека в 1821 году открывшего явление “термоэлектричества”, а именно, на термоэлектрическом явлении, которое происходит в замкнутой электрической цепи из последовательно соединенных разнородных проводников, при условии, что их контакты имеют различную температуру, возникает электродвижущая сила (ЭДС). Для измерения температуры рабочей среды термопара погружается одним концом в нее, а другой конец подключается к прибору (измерителю-регулятору) который фиксируют величину ЭДС. Значение ЭДС непосредственно зависит от разности температур погруженной (горячей) и наружной (холодной) части термопары.
Устройство и принцип работы высокотемпературного датчика
Чтобы максимально точно вычислить температуру рабочей среды, необходимо знать температуру «холодной» части термопары, для чего рядом с присоединительным клеммником в приборе устанавливается полупроводниковый диод, который и определяет температуру «холодной» части. Измерение температуры с помощью диода возможно благодаря следующему явлению. При постоянном значении тока, протекающего в прямом направлении, например, через переход диода, напряжение на переходе практически линейно изменяется с изменением температуры. Термоэлектрод подключается к прибору посредством компенсационных проводов с соблюдением полярности. Данные провода изготовлены из тех же самых металлов, что и термопара, или близких к ним по физико-химическим характеристикам. Для того, чтобы на измерительную часть прибора не влияли посторонние помехи, способные стать причиной искажения получаемых данных, участок компенсационного провода, соединяющий термопару с датчиком, экранируют.
Рисунки
Рисунок 1. А - термопара открытого типа; Б - термопара закрытого типа.
Положительный термоэлетрод
Отрицательный термоэлетрод
Спай
Керамический изолятор
Внешняя оболочка (металлическая)
Типы термопар
Сегодня наиболее широкое применение нашли термопары двух видов: платинородиевая ТПР 30/6 и вольфрамрениевая ТВР 5/20. Цифры указанные после названия через дробь, означают процент родия в первом случае, и рения во втором, в химическом составе противоположных электродов термопары, положительного и отрицательного соответственно. Платинородиевая термопара ТПР 30/6 используется при измерении температур до 1700°С, отличается технологичностью, устойчивостью в аргоне, нейтральностью к СО и СO2. Критическим недостатком платинородиевой термопары является сильная чувствительность сплава к загрязнениям снижающим ЭДС и высокая стоимость драгоценных металлов. Вольфрамрениевая термопара ТВР 5/20 является наиболее высокотемпературной из всех существующих на сегодня контактных средств измерения температуры и обладает широким спектром преимуществ, поэтому в России и СНГ она внесена в государственный стандарт.
Термопарная проволока ВР 5/20
Термопарная вольфрамрениевая проволока ВР 5/20 состоит из двух химических элементов, вольфрама и рения - одного из самых тяжелых и тугоплавких металлов таблицы Менделеева, плотность которого равна 21,01 г/см3. Сплав вольфрама и рения в сочетании ВР5/ВР20 был запатентован в СССР в 1957 году как приоритетный для создания термопар. Присутствие 5% рения в положительном термоэлектроде термопары позволило увеличить степень пластичности проволоки за счет повышения температуры рекристаллизации вольфрама.
В отрицательном термоэлектроде (ВР20) процент содержания рения был увеличен в четыре раза, чтобы термопарная проволока имела максимально возможную ЭДС, хотя дальнейшее повышение содержания рения могло бы увеличить точность измерений. Ограничиться 20-ю процентами рения отечественным ученым пришлось потому, что при высоких концентрациях этого металла сделать сплав однородным и стабильным очень сложно. При высоких температурах «избыточный» рений начал бы испаряться, искажая данные измерений. Таким образом, в России сегодня стандартом является термопарная проволока с индексом ВР 5/20, а в США с чуть более высоким содержанием рения в отрицательном термоэлектроде - 25-26 процентов.
Особенности термопарной проволоки ВР 5/20
Стандартная зависимость ЭДС термопарной проволоки от температуры в терминологии Госстандарта называется НСХ (номинальная статическая характеристика), в соответствии с которыми она градуируется. Для термопары ВР 5/20 предусмотрены три градуировки: А-1, А-2 и А-3. Рабочий диапазон основной градуировки А-1 соответствует начальной температуре среды от 1000 °С с пределом измеряемой температуры равным 2200 °С. При кратковременных измерениях, предел измеряемой температуры для термоэлектрода этого типа может достигать 2500 °С. Рабочий диапазон измеряемых температур для термопарной проволоки ВР 5/20 с номинальными статистическими характеристиками А-2 и А-3 составляет от 0 до 1800 °С. При работе в диапазоне температур от 1000 до 1800 °С, термоэлектрод ВР 5/20 обладает чувствительностью 15,5- 11,4 мкВ/К, при этом пределы допускаемых отклонений от НСХ составляют 0,005-0,007 °С.
Применение высокотемпературных датчиков
Высокотемпературные датчики температуры широко применяются в научных исследованиях связанных с изучением самых высоких температур, их влияния на различные химические и физические процессы, на изменение сред и т.д. Без них не смогли бы существовать многие современные отрасли промышленности, такие как авиастроение и металлургия, атомная промышленность, энергетика и многие другие. Датчики с термоэлектродами в герметичной защитной оболочке в виде наружных чехлов из лейкосапфира или углеродного композита, защищающей от воздействия щелочной среды, отлично показали себя в атмосфере стекловаренной печи. Датчики используют для измерения температур в вакуумных и водородных электропечах, температуры пламени двигателей ракетоносителей и других экстремальных средах.
Высокотемпературные датчики в сталеплавильных печах
Одной из таких экстремальных сред, где используются датчики на базе термопары ВР 5/20 являются сталеплавильные электропечи металлургических предприятий. Термоэлектрод в герметичной оболочке заполненный сухим инертным газом для увеличения его рабочего ресурса погружается непосредственно в расплавленный металл. Вычислительное устройство, к которому подключена термопара, рассчитывает параметры нагрева и с учетом погрешностей вычисляет истинную температуру жидкого металла. Использование высокотемпературных датчиков на основе термопары ВР5/20 на подобного рода сверхсложных объектах, служит убедительным подтверждением тому, что они являются на сегодня единственным надежным и достоверным средством измерения температур до 2500 °С.
