Современное производство представляет собой автоматические системы, в которых каждый процесс отслеживается и корректируется в заданном диапазоне. Использование термопары необходимо в тех процессах, где нужно чётко отслеживать показатели. Применяются особые датчики под названием «термопары». Их применяют в широком диапазоне температур для трансформации энергии выделяемого тепла в электрическую.
Что представляет собой термопара
Для создания устройства выбирают 2 проволоки из неодинаковых металлов (сплавов). Два конца соединяют сваркой или путём скручивания. Они образуют горячий спай. Оставшиеся два конца, используя компенсационные провода, соединяют с измерительным прибором или с управляющим устройством. С этой стороны получается холодный спай.
Чтобы исключить быструю порчу электродов, их облачают в капсулу, заполненную газом, жидким веществом. В защитных целях могут надевать на термоэлементы керамические бусы.
Как функционирует термопара
В основу схемы заложен принцип действия появления тока в электрической цепи замкнутого типа при наличии двух различных проводников и разницы температур между двумя противоположными спаями.
Когда в цепи подключён вольтметр, то она замкнута. Однако ЭДС в точках равно температурных спаек уравновешивается, поэтому ток отсутствует. Если же на горячую спайку добавить тепла, то сформируется разница потенциалов, после чего появится электрический ток.
Какие термопары часто встречаются
Применяемые для изготовления материалы имеют разную температуру плавления, по-разному реагируют на окисляющую среду и смену температур.
Неблагородные металлы пригодятся для температурных показателей до +1400˚С, а благородные – до +1900˚С.
Неблагородные металлы
- J – железо и константан. Имеет низкую цену, рекомендована для разряженной атмосферы. Не допускается применение ниже 0˚С и выше +500˚С. Опасным элементом является сера, контактирование с которой приводит к мгновенному разрушению выводов.
- Т – медь и константан. Допускается применение при минусовых температурах, однако +400˚яс является критичным показателем. Не боится влажности, хорошо реагирует на кислородную составляющую. Выводы прошли стадию отжига для нормализации однородности состава.
- K – хромель и алюмель. Широкий диапазон (-100…+1000˚С). Используется в воздушной среде, где имеется средняя или повышенная концентрация кислорода. В среде, приближенной к вакуумной, хром мигрирует из соединения, вследствие чего показания температуры показываются неточно. Аналогично нежелательно применять тип К в режиме +200…+500˚С.
- Е – хромель и константан. Участвует в замере низких температур. Отличается однородность каждого электрода, поэтому удаётся замерять точные значения температур.
- N – нихросил и нисил. Прототипом стала термопара K. Здесь реализована идея по добавлению кремния, который снижает последующее загрязнение термопары в процессе эксплуатации. Граничной температурой является +1200˚С, однако точный показатель определяется диаметром электродов. При этом ошибка в замере значений при t= +200…+500˚С значительно меньше, чем в типе К. Это – доработанный тип термопары, который считается одним из лучших среди неблагородных металлов.
Благородные металлы
- S – платина с родием и платина. Способна работать в обычной и окисляющей среде. Рекомендуемый рабочий диапазон: +400…+1350˚С, кратковременный период допускает подъём температуры до +1750˚С. После достижения +900˚С загрязняется углеродом, кремнием, водородом. Электроды помещают в трубки из оксида алюминия, без примесей.
- R – термопара, аналогичная предыдущей, с максимальной температурой эксплуатации до +1700˚С, а средней +1200…1400˚С.
- B – платина с родием и платина с родием. Даёт неточные показания при t < +600˚C. Самый «чистый» диапазон: +600…+900˚С. Дальше происходит загрязнение кремнием, водородом, железом и медью.
Типы спаев
Существует 6 вариантов спаев, которые состоят из 1 или 2 элементов.
- Один спай, не касающийся корпуса, обозначен буквой И.
- Если он имеет касание с корпусом, то маркируется, как Н.
- Пара спаев, не касающихся друг друга и внутренней поверхности корпуса, именуется ИИ.
- Спай сдвоенный, имеет одну общую верхушку, не касается корпуса – это 2И.
- Два отдельных спая, один касается корпуса и заземлён – ИН.
- Оба спая без изоляции, соединены с корпусом – НН.
Чтобы снизить инерционность, в ряде преобразователей выводят горячий спай за границу защитной колбы. В решении этой проблемы помогает заземление на корпус: в итоге датчик быстрее и точнее замеряет показатели.
Виды термопар по рабочим показателям
- Контактирование со средой: стандартные, закрытые от попадания влаги, работающие в агрессивной среде, способные выполнять замеры во взрывоопасных составах.
- Месторасположение: монтируются по поверхности, погружаются в среду.
- Место установки: рассчитанные на стационарное положение без перемещения и устойчивые к вибрации.
- Показатель инерции: от 10 с до ненормируемого значения.
- Количество зон: на одну среду и многозонные.
- Особенности применения:
- для крепежа и переносные;
- для кратковременной установки и постоянного применения.
- Тип термопар на одном объекте: одинарные, двойные и тройные.
- Вид спая: изолированный от металла, неизолированный.
- Контакт со средой: герметичный вариант, негерметичный.
Что такое многоточечные термопары
Когда возникает потребность одновременно выполнять замеры в разных локациях одной среды, пригодятся многоточечные термопары. Их задача состоит в определении термических показателей вдоль оси преобразователя.
Нет процесса, где бы при нагреве отсутствовали температурные колебания. Замер показателей в одном месте не гарантирует их стабильность в другом. Для обеспечения контроля параметров применяют термопары с числом точек сбора до 60 штук. Конструкция имеет всего 1 металлическую колбу и 1 точку ввода.
Что можно сказать про недостатки и преимущества термопар
Позитивные опции
- Применение устройств в различных средах, включая агрессивные.
- Значительный температурный диапазон работы: -250˚С до +1900˚С и выше (критическое значение достигает +2500˚С).
- Точность выполнения замеров, погрешность бывает 0,01-2˚С.
- Доступная стоимость.
- Надёжность в использовании.
Негативные моменты
- Чем большее оснащение дополнительными опциями и разъёмами, тем дороже обойдётся покупка термопары.
- Наличие заводской градуировки.
- Необходимость в установке экранирующей защиты и высокоточных датчиков.
- Невозможность устранить и скорректировать нелинейную зависимость ЭДС в ходе повышения температуры, когда она выходит за ограничивающие пределы.
Советы от производителя по термопарам
- Применяйте миниатюрное устройство, сделанное из тонкой проволоки. Установите её в зону измерения показателей, а снаружи добавьте удлинительные провода.
- Проволока термопары не должна испытывать натяжения и последствий вибраций.
- По длине термопары следует исключить значительный термический скачок.
- Запрещено граничные температуры использовать в качестве рабочих, на регулярной основе. Выбирайте термопары с 10-15%-м запасом термического показателя.
- При выборе проволоки большого сечения нужно убедиться, что она не внесёт изменения в температуру среды измерения.
- При значительной длине проводов и термопары соединяемые провода дополнительно перекручивают в месте выводов.
- При наличии агрессивной среды использовать достаточно стойкий материал колбы, куда помещаются провода.
- Использование комплексных термопар с несколькими электродами удобно для одновременного замера нескольких параметров: температуры, помех в прохождении тока, замера напряжения, проверки герметичности колбы.
Что мешает получению точных значений температуры в термопарах
В процессе работы термопар возникают обстоятельства, которые не позволяют сделать точные замеры. Сюда входят 5 групп помех.
- При росте температуры сопротивление изоляционного материала в электродах снижается. Иногда это создаёт замыкание проводов в середине термопары. И тогда происходит смещение зоны идентификации температуры, так как устройство начинает показывать значения в средней области. Также существует опасность попадания примесей и веществ с изоляции на электроды (при высоких температурах), что способно изменить их исходные свойства.
- При сварке, необходимой для создания качественного спая, применяют ещё один металл. Обычно у него температура плавления оказывается ниже, поэтому при высоких термических значениях пай распадается. Если перегревание испортит проволоку для термопары, газ заполнит место разрыва. Сварка получится неудачной, непрочной и первое же повышение температуры разъединит электроды.
- Окрашенная изоляция коварна. Пигменты способны попасть в жидкость и образовать электролит. Возникнет гальванический эффект, который внесёт дисбаланс в осуществляемые замеры.
- Термоэлектрическая неоднородность считается самым сложным типом потенциальных ошибок. Она формируется от напряжений в проволоке в ходе неаккуратного протягивания, ударного воздействия или неумения правильно обращаться с термопарой. В иных случаях погрешность формируется при отжиге, подготовке электродов, диффузии примесей. С ростом градиента температуры прямо пропорционально увеличивается погрешность. Допускается применение чехлов и металлических рукавов, способных произвести нивелирование скачков температуры по всей длине электродов.
- Утечка тока также влияет на точность замеров в термопаре. Важное значение придают верхнему граничному показателю температуры. Если устройство находится именно в этом пределе, то подобная эксплуатация напрямую воздействует на величину термоэлектрических показателей. Это означает, что при долгосрочно проводимых процессах для верхнего термического предела устанавливается значение на 250-300˚С ниже максимально допустимого значения. Что касается минусовых граничных значений, то в низкотемпературных условиях чувствительность термопары уменьшается. Зато погрешность в значениях начинает увеличиваться.
- Тонкая проволока в термопаре быстро загрязняется, в ней возникают остаточные напряжения. Чтобы снизить эти отрицательные факторы, используют провода удлинения. Их задача заключается в подключении термопары к вольтметру. Провод толще термопары, при последовательном подключении к электроду хорошо транспортирует сигнал на нужное расстояние. Необходимо создавать условия для относительно небольшого температурного изменения вдоль провода, так как он испытывает дополнительные воздействия в процессе натяжения.
Компания «Интмакс» выполняет изготовление термопар на заказ. Учитываем фактические условия применения, производим расчёты и создаёт изделия для успешной последующей эксплуатации.
