Термопара - один з найпоширеніших датчиків температури, що використовується в промисловості. Згідно з визначенням, термопара - це компонент, що складається з двох дротів, виготовлених з різних матеріалів. Один кінець з'єднаний у так званому вимірювальному спаї, в той час як вільні кінці з іншого боку є клемами, в яких вимірюється напруга, створена термоелектричним ефектом. Ця напруга пропорційна різниці температур між вимірювальним переходом і клемами. Термоелектричний ефект, який виникає в термопарах, - це різниця потенціалів - напруга, що створюється при з'єднанні двох різних металів і поміщенні їх при різних температурах. Ця напруга залежить від типу матеріалів, а також від різниці температур, в якій вони знаходяться.
Термопари, також відомі як термоелектричні датчики температури,
в більшості випадків призначені для використання при високих температурах, що перевищують тисячу градусів Цельсія. Залежно від матеріалу, що використовується при їх виготовленні, розрізняють кілька типів термопар, наприклад, термопару типу K або не менш популярну термопару типу J. Тип використовуваного матеріалу також визначає робочу температуру, для якої призначені конкретні термоелектричні датчики.
.
Термопари засновані на принципі порівняльного вимірювання і складаються з двох металевих провідників з різних матеріалів, зварених разом на кінчику. Залежно від матеріалу пари, вони мають різні рівні термоелектричної напруги і підходять для різних температурних діапазонів. Найчастіше використовуються термопари типу K і термопари типу J.
Принцип дії термопар є результатом так званого ефекту Зеєбека. Це явище можна пояснити теорією вільних електронів, згідно з якою різні типи провідників мають різну густину вільних електронів. На стику двох різних провідників, що утворюють термопару, відбувається взаємне переміщення електронів з одного провідника в інший. Більша кількість електронів перейде з провідника з більшою електронною густиною до провідника з меншою електронною густиною. Інтенсивність міграції електронів залежить від температури точки контакту між двома провідниками, і вона тим більша, чим вища температура. Електрорушійна сила, що генерується в ланцюзі термопари, яка складається з двох різних провідників, кінці яких знаходяться при різних температурах, визначається за формулою :
V = (SB-SA) * (T2-T1)
Результуюча електрорушійна сила становить від декількох до десятків мікровольт на градус Цельсія.
Зазвичай, термопара виготовляється шляхом поєднання двох матеріалів діаметром від 0,2 до 5 мм. Коли використовуються благородні матеріали, такі як родій або платина, ці розміри варіюються між 0,1 і 0,5 мм. При виборі матеріалу термопари слід подбати про те, щоб вона мала великий коефіцієнт Зеєбека і щоб температура якомога менше впливала на його значення для досягнення лінійних характеристик. Відповідний матеріал термопари вибирається в залежності від діапазону вимірюваної температури. Зовнішня оболонка датчика піддається впливу дуже високих температур, тому необхідно використовувати різні типи сталі. При найвищих температурах оболонка термопари виготовляється з жароміцної сталі або керамічних матеріалів. Така оболонка повинна бути стійкою до корозії, термічних ударів, а також механічних пошкоджень. Бажаною характеристикою для уникнення корозії термопари є непроникність газів, які можуть значно прискорити процес старіння термопари. Існують також конструкції без оболонки, що використовуються для зменшення динамічних похибок. Для спеціальних вимірювань, таких як температура рідких металів, скла або рідкої сталі, використовуються вузькоспеціалізовані конструкції термопар, які ми також пропонуємо.
Гільза повинна бути стійкою до корозії, термічних ударів і механічних пошкоджень. Бажаною характеристикою для запобігання корозії термопари є непроникність для газів, які можуть значно прискорити процес старіння термопари. Для зменшення динамічних похибок можна використовувати конструкції без кришки.
Також при виборі матеріалу термопари слід подбати про те, щоб вона мала високий коефіцієнт Зеєбека і щоб температура якомога менше впливала на його значення для досягнення лінійної характеристики.
На відміну від термометра опору, термопару можна використовувати в набагато ширшому діапазоні температур. Крім того, термопари більш міцні та стійкі до механічних впливів.
Як згадувалося раніше, за матеріалом, який використовується в конструкції термопари, ми поділяємо їх на кілька типів. Використовуваний метал або його сплав повинен відповідати певним вимогам, таким як:
Типи термопар додатково віднесені до відповідних груп, що розрізняються за робочою температурою датчиків:
Група I
Тип "K" - NiCr-NiAl
Застосовний діапазон температур від -200 до 1200℃, чутливість таких термопар становить 41 мкВ/℃.
Тип "J" і "L" - Fe-CuNi
Застосовний діапазон температур від -40 до 750℃, чутливість таких термопар становить 55 мкВ/℃.
Тип "E" - NiCr-CuNi
Застосовний діапазон температур від -200 до 900℃, чутливість таких термопар становить 68 мкВ/℃.
Тип "N" - NiCrSi-CuNi
Застосовний діапазон температур від -40 до 1200℃, чутливість таких термопар становить 39 мкВ/℃
Тип "T" - Cu-CuNi
Застосовний діапазон температур від -200 до 350 ℃, чутливість таких термопар становить 30 мкВ/℃
Група II
Тип "S" - PtRh10-Pt
Застосовний діапазон температур до 1600 ℃, чутливість таких термопар становить 10 мкВ/℃.
Тип "R" - PtRh13-Pt
Застосовний діапазон температур до 1600 ℃, чутливість таких термопар становить 14 мкВ/℃
Тип "B" - PtRh30-PtRh6
Застосовний діапазон температур до 1800 ℃, чутливість таких термопар становить 12 мкВ/℃.
Група ІІІ
використовується для дуже високих температур до 2300 ℃
Тип "C" - W-Re / 5% вольфраму
Тип "D" - W-Re / 25% вольфраму
З великої кількості можливих комбінацій металів були відібрані деякі, а їхні властивості стандартизовані, зокрема, діапазони напруг і допустимі відхилення. Наступні термопари були стандартизовані з точки зору термоелектричної напруги та її допусків як у світових (IEC), так і в європейських або національних стандартах.
Напруги різних термопар відносно еталонної температури 0 °C відповідно до DIN EN 60584
З великої кількості можливих комбінацій металів були відібрані певні, а їхні властивості стандартизовані, зокрема, ряд напруг і допустимі граничні відхилення. Наступні елементи стандартизовані в усьому світі (IEC), а також на європейському або національному рівні щодо термоелектричної напруги та її допуску.
Кольорове кодування для термопар
|
Тип термопари |
Максимальна температура |
Визначається до максимуму. |
Позитивний кабель |
Негативний кабель |
|
|
Fe-CuNi |
„J“ |
750°C |
1200°C |
чорний |
білий |
|
Ce-CuNi |
„T“ |
350°C |
400°C |
коричневий |
білий |
|
NiCr-Ni |
„K“ |
1200°C |
1370°C |
зелений |
білий |
|
NiCr-CuNi |
„E“ |
900°C |
1000°C |
фіолетовий |
білий |
|
NiCrSi-NiSi |
„N“ |
1200°C |
1300°C |
рожевий |
білий |
|
Pt10Rh-Pt |
„S“ |
1600°C |
1540°C |
помаранчевий |
білий |
|
Pt13Rh-Pt |
„R“ |
1600°C |
1760°C |
помаранчевий |
білий |
|
Pt30Rh-Pt6Rh |
„B“ |
1700°C |
1820°C |
сірий |
білий |
|
Термопари відповідно до DIN EN 60 584 |
|||||
|
Тип термопари |
Максимальна температура |
Визначається до максимуму. |
Позитивний кабель |
Негативний кабель |
|
|
Fe-CuNi |
„L“ |
700°C |
900°C |
червоний |
синій |
|
Ce-CuNi |
„U“ |
400°C |
600°C |
червоний |
коричневий |
|
Термопари відповідно до DIN 43 710 |
|||||
Кольорове маркування компенсаційних кабелів
|
Термопара |
Тип |
Ізоляція |
Позитивний кабель |
Негативний кабель |
|
Cu-CuNi |
„T“ |
коричневий |
коричневий |
білий |
|
Fe-CuNi |
„J“ |
чорний |
чорний |
білий |
|
NiCr-Ni |
„K“ |
зелений |
зелений |
білий |
|
NiCrSi-NiSi |
„N“ |
рожевий |
рожевий |
білий |
|
NiCr-CuNi |
„E“ |
фіолетовий |
фіолетовий |
білий |
|
Pt10Rh-Pt |
„S“ |
помаранчевий |
помаранчевий |
білий |
|
Pt13Rh-Pt |
„R“ |
помаранчевий |
помаранчевий |
білий |
|
Кольорове маркування елементів відповідно до DIN EN 60 584 |
||||
|
Термопара |
Тип |
Ізоляція |
Позитивний кабель |
Негативний кабель |
|
Fe-CuNi |
„L“ |
синій |
червоний |
синій |
|
Ce-CuNi |
„U“ |
коричневий |
червоний |
коричневий |
|
Кольорове маркування елементів відповідно до DIN 43 713 |
||||
|
Термопара |
Тип |
Ізоляція |
Позитивний кабель |
Негативний кабель |
|
NiCr-Ni |
„K“ |
зелений |
червоний |
зелений |
|
Pt10Rh-Pt |
„S“ |
білий |
червоний |
білий |
|
Pt13Rh-Pt |
„R“ |
білий |
червоний |
білий |
|
Кольорове кодування елементів відповідно до DIN 43 714, статус 1979 |
||||
Приклад вимірювальної ланцюгової термопари
З принципу дії термопари випливає, що напруга, яка розвивається на її кінцях, пропорційна різниці температур вимірювального спаю та еталонної температури. Характеристики термопар в стандартах наведені для температури порівняння 0˚C. Тільки в цьому випадку можна користуватися таблицями без внесення поправок у виміряні значення. Для лабораторних досліджень температура 0˚C досягається шляхом поміщення реперної точки в суміш води і льоду, в той час як для промислових вимірювань цей метод не застосовується. Це пов'язано з тим, що в промислових умовах температура в безпосередній близькості від місця розташування датчика коливається, що унеможливлює розміщення еталонних зварних швів в цьому місці. Для того, щоб віддалити місце з'єднання до місця, де коливання температури відносно невеликі, використовуються компенсаційні кабелі. Компенсаційні дроти датчика температури повинні мати ті ж характеристики, що і сама термопара, але в обмеженому температурному діапазоні. Для того, щоб компенсувати температуру так званого холодного кінця, його температуру слід підтримувати постійною і вносити поправку в показання. Існує додатковий метод компенсації впливу температури контрольних зварних швів шляхом вимірювання їх поточної температури (наприклад, за допомогою додаткових датчиків Pt100) і подальшої постійної компенсації за допомогою електроніки.
Термопари завоювали свою популярність завдяки високій точності, великому діапазону вимірювання та гнучкій конструкції, що дозволяє використовувати їх у різноманітних, навіть найскладніших умовах. Основні типи термопарних датчиків, доступних на ринку, характеризуються високою механічною міцністю, простотою конструкції і, що важливо з точки зору користувача, низькою ціною. Серед найпоширеніших у промисловості - термопари типу K і J. Точність вимірювань, отриманих за допомогою термопар, знаходиться в межах ±1-2°C, що перевищує необхідну точність у більшості застосувань. Додатковою перевагою є те, що термопара не потребує зовнішнього джерела живлення. Що особливо важливо, у випадку стандартизованих версій діапазон вимірювання становить від -200 до 1800°C, тоді як у нестандартних версіях термопари, виготовлені з вольфрамових і ренієвих сплавів, графіту або молібдену, можуть працювати в діапазоні температур від 1800 до навіть 2400°C. Прикладом такого застосування є вимірювання температури рідкого алюмінію.
|
Cu-CuNi |
350°C |
Невеликий розкид |
|
Fe-CuNi |
700°C |
Широко використовуються, мають низьку вартість, схильні до корозії. |
|
NiCr-CuNi |
700°C |
Низький розкид, висока термоелектрична напруга. |
|
|
1000°C |
Часто використовується в діапазоні 800 - 1000°C, але також підходить для більш низьких температур. |
|
NiCrSi-NiSi |
1300°C |
(Все ще) не дуже поширений. Може частково замінити дорогоцінні елементи. |
|
Pt10Rh-Pt |
1500°C (1300°C) |
Висока вартість, дуже хороша довгострокова стабільність, добре переноситься. |
|
Pt30Rh-Pt6Rh |
1700°C |
Висока вартість, найнижча термоелектрична напруга, висока максимальна температура. |
|
|
||
На практиці, в залежності від застосування, термоелектричні датчики використовуються в конструкціях з різними приєднувальними головками. Залежно від способу встановлення датчика розрізняють вкручувані та вставні версії.
Ми розрізняємо термопари з приєднувальними головками типів A, B, BUZ, BUZH, BBK і J. Такі головки можуть бути виготовлені разом з одинарною або подвійною термопарою.
Такі рішення гарантують правильну роботу при температурі навколишнього середовища до 100˚C і призначені для вимірювання температури в рідинах і газах. Матеріалом занурювальної частини у випадку вставних термопар є кераміка або жароміцна сталь, тоді як у випадку вкручуваних термопар занурювальна частина виготовляється з кислотостійкої сталі. Вибір залежить від умов у безпосередній близькості до елемента, а правильний підбір гарантує стійкість до умов навколишнього середовища і механічного впливу. Ущільнення в вкручуваних головках дозволяє використовувати їх в умовах надлишкового і недостатнього тиску. У випадку вставних головок система додатково герметизується за допомогою спеціальних фланців - фланців.
В якості вимірювальної вставки використовуються тонкостінні гнучкі провідники з мінеральною ізоляцією в стандартному виконанні або в оболонці, провідники вбудовані в вогнетривкий пресований оксид магнію. Це зменшує динамічну похибку, що призводить до короткого часу відгуку від 0,5 до 0,15 с. Конструкція забезпечує стійкість до вібрації, що означає тривалий термін служби такого елемента. Основне застосування такого рішення - на хімічних підприємствах, а також вимірювання температури в трубопроводах тощо. За бажанням замовника в головку монтується датчик температури.
