Термопара - ликбез

Если держать «холодный» спай двух разнородных проволок при нулевой температуре, а «горячий» – в среде, температуру которой нужно измерить, то по стрелочке милливольтметра, включенного в цепь нашей термопары, мы увидим, что в термопаре «побежит» электрический ток и появятся милливольты термоэлектродвижущей силы (ТЭДС). Причем величина ТЭДС будет зависеть только от изменения температуры «горячего» спая.

Сейчас, конечно, нет никакого смысла держать «холодный» спай при 0 ˚C. Все измерители и контроллеры – так называемые вторичные приборы, к которым подключаются термопары, – автоматически корректируют температуру «холодного» спая. Точно так же все современные приборы автоматически переводят милливольты в градусы Цельсия, и никакими таблицами перевода пользоваться не нужно. Остается вопрос: из каких же металлов выбрать проволоку для термоэлектродов термопары?

По итогам долгих поисков ученых всего мира были приняты примерно две дюжины металлов и сплавов, наилучшим образом подходящих на роль проводников-термоэлектродов. Их попарно скомпоновали в «нерушимые» связки, называемые типами термопар: хромель – алюмель ХА (К), хромель – копель ХК (L), нихросил-нисил НН (N), железо-константан ЖК (J), платинородий-платина ПП (S, R), платинородий-платинородий (В) и др. Друг от друга они отличаются вырабатываемой ТЭДС, температурами применения, чувствительностью, особенностями эксплуатации и т.д. Рассмотрим подробнее наиболее распространенные.

Наиболее распространенные типы термопар и их особенности

Хромель-алюмель (К)

Широко применяется на производствах и в лабораторных исследованиях. Не боится деформации, имеет хорошую чувствительность. В этой «паре» со временем происходит дрейф ТЭДС, т.е. растет погрешность измерения. Этозависит от условий эксплуатации – величины измеряемых температур; состава среды, с которой контактирует термопара; конструктивного исполнения термопары и т.д.

Диапазон измеряемых температур этой термопары: -200…1200 ˚С, но мы несоветуем применять ее на предельных значениях, т.к. это приводит к ускоренному дрейфу термо-ЭДС, и термопара прослужит меньше.

Именно поэтому мы ограничили диапазон применения наших хромель-алюмелевых термопар ДТПК температурами: -40…1100 ˚С.

Хромель-копель (L)

Также является широко применяемой термопарой в России и СНГ. По сравнению с ХА верхняя граница диапазона измеряемых температур у нее ниже (для термопар ОВЕН ДТПL: до +600 ˚С).

К ее достоинствам относится высокая чувствительность и высокая термо-электрическая стабильность, т.е. ничтожно малый дрейф ТЭДС термопары вовремя эксплуатации. Недостаток все же имеется – это высокая чувствительность к деформации.

В дальнем зарубежье почти не применяется, и там типу «L» соответствует совсем другая термопара – железо-медьникель. Максимально похожая по характеристикам, применяемая в Германии и других странах – тип «Е», хромель-константан.

Железо-константан (J)

Еще одна термопара для измерения не очень высоких температур (до +750˚С). Ее особенность – стабильная работа в восстановительной среде (СО и H2),чем не могут «похвастаться» остальные типы термопар. Поэтому для контроля температуры в печах безокислительного нагрева металла, да и вообще в агрегатах с восстановительной атмосферой внутри термопары типа J будут лучшим выбором.

Нихросил-нисил (N)

Эта термопара является улучшенной версией термопары ХА. Температура применения – до 1250 ˚С, дрейф термоЭДС или рост погрешности измерения гораздо слабее. Это позволяет в ряде случаев применять данную термопару в качестве замены дорогостоящим термопарам из благородных металлов, например, вместо платинородий-платиновой (S). ДТПN считается самой точной термопарой из неблагородных металлов.

Платинородий-платина (S, R), платинородий-платинородий (В). Относятся к классу термопар из благородных металлов.

Широко распространены во всем мире, альтернативы им для измерения температур в диапазоне 1250…1600 ˚С практически нет. Термопары типа S и R различаются только содержанием родия в платинородиевом термоэлектроде (10 и 13 % cоответственно). Их свойства практически идентичны. Тип «S» распространен в РФ, тип «R» – на Западе.

Термопара типа «В» развивает небольшую термо-ЭДС, при температуре ниже 600 ˚С она очень мала, поэтому для измерения низких температур не подходит. Но термопару этого типа можно применять для долговременного измерения температур вплоть до 1600 ˚С, кратковременно – до 1800 ˚С.

Термопара типа «S» отличается большей чувствительностью, диапазон измеряемых температур: 0…1400 ˚С. Кратковременно – до 1600 ˚С. Выше 1400˚С ДТПS долго применять нельзя – начинают расти зерна платины, изменяягенерируемую ТЭДС этой термопары.

Платинородий-платиновые датчики – «палочка-выручалочка» во всех отраслях промышленности, где нужно измерять высокие температуры. Эти термопреобразователи отличаются стабильностью, высокой точностью и сопротивлением коррозии в окислительных и нейтральных средах. Но данные термопары стоят недешево (как, впрочем, и любые другие драгоценности).

Максимальные температуры применения различных типов термопар

Конструктивные исполнения термопар

Назвать полноценным датчиком температуры просто пару проволок, соединенных между собой, нельзя. Для этого необходимо:

a) изолировать друг от друга термоэлектроды по всей длине термопары;

b) защитить их от повреждений при установке и эксплуатации;

c) защитить от агрессивных веществ, которые будут разрушать термопару;

d) сделать удобным подключение датчика к вторичному прибору и надежным монтаж (а места для установки датчика могут быть самые разные: трубопровод, свод печи, подшипник и т.д.).

Именно поэтому производители предлагают большое количество конструктивных исполнений термопар. Для защиты термоэлектродов от механических повреждений и вредных воздействий внешней среды их помещают в защитную арматуру. Для температур 300-400 ˚С и 800-900 ˚С – это трубки из латуни и нержавеющей стали соответственно; для температуры выше 1000 ˚С и до 1250 ˚С – трубы из жаростойких сталей и сплавов (15Х25Т, ХН45Ю, Nicrobell). Также на этих температурах применяются и керамические защитные чехлы. При измерении температуры расплавов металлов и солей применяют толстостенные чехлы из серого чугуна, нитрида и карбида кремния.

Небольшой инсайд: инженеры компании ОВЕН разработали собственный чехол из бетонокерамики, не имеющий аналогов по своим характеристикам. Сейчас термопары в таком чехле проходят тестирование в расплавах металлов и в других сложных агрессивных средах. Результаты воодушевляют, и скоро эти датчики поступят в продажу.

По типу коммутации со вторичными приборами термопары делятся на два больших класса:

• с кабельными выводами

• с коммутационными головками

Горячий» спай находится в заваренном конце защитной арматуры. Благодаря резьбе на штуцере термопара надежно вкручивается в бобышку/втулку с внутренней резьбой, которая приварена на внешнюю поверхность объекта измерения.

Датчики с кабельным выводом можно сразу подключать к измерителям. Это удобно, но при заказе необходимо четко представлять длину необходимого кабеля. Такие модели советуем применять до 400 ˚С.

В датчиках с коммутационной головкой провода для линии связи «датчик –прибор» подключаются к клеммам в головке. Этот класс стоит использовать на более высоких температурах (до 800 – 900 ˚С), и когда расстояние между датчиком и прибором еще неизвестно. Термопарный провод при этом приобретается отдельно. Мы категорически не рекомендуем подключать термопары к вторичным приборам медными или алюминиевыми проводами. Это приведет к непредсказуемой ошибке измерения, что может повлечь за собой брак термообрабатываемой продукции и другие неприятные последствия.

Но есть еще и третий класс – бескорпусные (поверхностные) датчики. Конструкция такой термопары максимально проста (см. рис.). Термоэлектроды находятся внутри оплетки из кремнеземной нити, рабочий спай открытый, температура применения – вплоть до 300 °C.

Обратите на эти модели внимание – как говорится, «дешево и сердито». Например, метровая термопара ДТПК011 обойдется всего в 400 рублей. А 20-сантиметровая – в 100 рублей (!). Это позволяет в ряде процессов использовать ее буквально для нескольких измерений, после чего менять на новую.

Получается, что для каждой среды и измеряемой температуры – своя термопара! Выбирайте любую под свою задачу, а мы поможем вам не ошибиться с выбором.