Термопары. Конструкции, типы, характеристики термопар
Термопары широко применяются для измерения температур благодаря своим характеристикам. Данные средства дают высокую точность измерений, позволяют проводить их в широком диапазоне температур, а также имеют достаточно простое устройство и достаточно надежны.
Среди большого количества типов термопар стоит выделить термопары хромель-алюмель, хромель-копель, ВР5/ВР20, которые являются наиболее востребованными ввиду своих характеристик.
На странице представлена информация о принципе работы, конструкциях, типах и характеристиках термопар.
Принцип работы и конструкции термопар
В простейшем случае термопара представляет из себя два разнородных проводника, которые образуют замкнутую электрическую цепь. Для получения такой цепи концы проводников соединяют друг с другом с помощью пайки, сварки или скрутки.
Если поместить один конец (спай) термопары в среду с температурой T1, а другой - с температурой T2, то в цепи будет протекать электрический ток, который вызывается термо-ЭДС. Данное явление получило название эффект Зеебека. При этом величина термо-ЭДС зависит только от разности температур спаев и материалов проводников. Таким образом, по изменению величины термо-ЭДС можно определить соответствующее изменение температуры. Проводники принято называть термоэлектродами, а места соединения проводников - спаями.
Схема простейшей термопары. t1 > t2. А - положительный термоэлектрод, В - отрицательный термоэлектрод. Спай с температурой t1 - горячий спай (рабочий конец), с температурой t2 - холодный спай (свободный конец). Стрелками показано направление тока.
На практике температуру измеряют с помощью термоэлектрического термометра, в котором термопара является чувствительным элементом. Помимо нее в такой системе присутствуют и другие компоненты, которые, например, измеряют термо-ЭДС и преобразуют полученные значения в градусы.
Основными факторами, которые определяют конструкцию термопары, являются условия ее эксплуатации. Основные из них: диапазон измеряемых температур и свойства среды, в которой осуществляются измерения. Перечисленные факторы влияют на способ соединения термоэлектродов в рабочем спае, изоляции термоэлектродов, защиты термопары.
Соединение термоэлектродов может проводиться с помощью сварки, спайки или скрутки. В зависимости от диапазона измеряемых температур термоэлектроды могут быть изолированы друг от друга с помощью воздуха или специальных керамических трубок. В зависимости от свойств среды, в которой осуществляются измерения, термопара может иметь защитный чехол.
Конструкция термопары. 1 - защитная гильза, 2 - неподвижный штуцер (существуют варианты исполнения с передвижным штуцером), 3 - головка, 4 - розетка из изоляционного материала с зажимами для присоединения термоэлектродов и удлиняющих проводов, 5 - патрубок с сальниковым уплотнением, 6 - соединительная трубка, 7 - термоэлектроды.
Типы термопар и их характеристики
Наиболее распространенной классификацией термопар является классификация по типу материалов, из которых изготовлены термоэлектроды. Например, благородные металлы, тугоплавкие и другие. Ниже представлены типы термопар, разделенные по указанному принципу.
Термопары из неблагородных металлов
Наиболее широким классом термопар являются термопары, изготовленные из неблагородных металлов. Среди наиболее используемых можно выделить термопары хромель-алюмель, хромель-копель, железо-константан.
Термопара хромель-алюмель (ТХА, тип K)
Используется для измерения температур в диапазоне от -200 °С до +1100 (+1300) °С. В скобках указана максимальная температура при кратковременном измерении.
В диапазоне температур от 200 до 500 °С может возникнуть эффект гистерезиса, когда показания при нагревании и охлаждении могут различаться. В некоторых случаях разница достигает 5 °С.
Работает в нейтральной атмосфере или атмосфере с избытком кислорода.
После термического старения показания снижаются.
Может произойти изменение термо-ЭДС при использовании в разряженной атмосфере, т.к. хром может выделяться из Ni-Cr вывода (так называемая миграция). При этом термопара показывает заниженную температуру.
Атмосфера серы вредна для термопары, т.к. негативно воздействует на оба электрода.
Термопара хромель-копель (ТХК, тип L) и хромель-константан (ТХКн, тип E)
Используется для измерения температур в диапазоне от -200 °С до +800 (+1100) °С. В скобках указана максимальная температура при кратковременном измерении.
Обладает самой высокой чувствительностью из всех промышленных термопар.
Термопара железо-константан (ТЖК, тип J)
Используется для измерения температур в диапазоне от -203 °С до +750 (+1100) °С. В скобках указана максимальная температура при кратковременном измерении.
Работает в восстановительной и окислительной средах.
Хорошо работает в разряженной атмосфере.
При температурах выше 500 °С необходимо наличие газоплотной защиты термопары, если в среде измерения присутствует сера.
Обладает высокой чувствительностью.
Имеет невысокую стоимость, так как в состав термопары входит железо.
На электроде из железа может образоваться ржавчина из-за конденсации влаги.
Показания повышаются после термического старения.
Термопара медь-константан (ТМК, тип Т) и медь-копель (ТМК, тип M)
Используется для измерения температур в диапазоне от -250 °С до +400 (+600) °С. В скобках указана максимальная температура при кратковременном измерении.
Может работать в окислительной или восстановительной атмосфере, а также в вакууме.
Наиболее точная термопара для измерения темпераур 0-250 °С.
Не рекомендуется использование термопар данного типа при температурах выше 400 °С.
Не чувствительна к повышенной влажности.
Оба термоэлектрода могут быть отожжены для удаления материалов, вызывающих термоэлекрическую неоднородность.
Термопара нихросил-нисил (ТНН, тип N)
Используется для измерения температур до +1200 (+1250) °С. В скобках указана максимальная температура при кратковременном измерении.
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.
Высокая стабильность при температурах от 200 до 500 °С (значительно меньший гистерезис, чем для термопары типа К).
Считается самой точной термопарой из неблагородных металлов.
Термопары из тугоплавких металлов
К данному классу относятся термопары, предназначенные для измерения высоких температур.
Термопара ВР5-ВР20 (ТВР, тип A)
Используется для измерения высоких температур в диапазоне от +1300 °С до +2500 (+3000) °С. В скобках указана максимальная температура при кратковременном измерении.
Может работать в инертной атмосфере или вакууме.
Обладает хорошими механическими свойствами при высоких температурах.
Термопара вольфрам-молибден (ТВМ)
Используется для измерения высоких температур в диапазоне от +1400 °С до +1800 (+2400) °С. В скобках указана максимальная температура при кратковременном измерении.
Может работать в инертной среде, среде водорода или вакууме.
Имеет невысокую стоимость по сравнению с другими термопарами для измерения высоких температур.
Имеет низкую чувствительность.
Термопары из благородных металлов
Данные термопары являются самыми точными и часто применяются в качестве эталонных.
Термопара платинородий-платина (ТПП, тип S, R)
Используется для измерения температур в диапазоне от 300 °С до +1400 (+1600) °С. В скобках указана максимальная температура при кратковременном измерении.
Может работать в окислительной и инертной атмосфере. При наличии защиты может использоваться в восстановительных средах.
Не рекомендуется применение ниже 300 °С, т.к термо-ЭДС в этой области мала и крайне нелинейна.
Дает высокую точность измерений.
Имеет хорошую воспроизводимость и стабильность термо-ЭДС.
Используется в качестве эталонной термопары.
Имеет высокую стоимость.
Чувствительна к химическим загрязнениям металлическими и неметаллическими примесями.
Термопара платинородий-платинородий (ТПР, тип B)
Используется для измерения температур в диапазоне от 600 °С до +1600 (+1800) °С. В скобках указана максимальная температура при кратковременном измерении.
Может работать в окислительной и нетральной среде. Возможно использование в вакууме. При наличии защиты может использоваться в восстановительных средах.
Не рекомендуется применение при температуре ниже 600 °С, где термо-ЭДС очень мала и нелинейна.
Дает высокую точность измерений.
Имеет хорошую воспроизводимость и стабильность термо-ЭДС.
Используется в качестве эталонной термопары.
Имеет высокую стоимость.
Чувствительна к химическим загрязнениям металлическими и неметаллическими примесями.
