Сучасне виробництво є автоматичними системами, в яких кожен процес відстежується і коригується в заданому діапазоні. Використання термопари необхідно у процесах, де потрібно чітко відстежувати показники. Використовуються спеціальні датчики під назвою «термопари». Їх застосовують у широкому діапазоні температур для трансформації енергії тепла, що виділяється в електричну.
Для створення пристрою вибирають 2 дроти з різних металів (сплавів). Два кінці з'єднують зварюванням або скручуванням. Вони утворюють гарячий спай. Два кінці, що залишилися, використовуючи компенсаційні дроти, з'єднують з вимірювальним приладом або з керуючим пристроєм. З цього боку виходить холодний спай.
Щоб виключити швидке псування електродів, їх одягають у капсулу, заповнену газом, рідкою речовиною. У захисних цілях можуть надягати на термоелементи керамічні намисто.
Як функціонує термопара
В основу схеми закладено принцип дії появи струму в електричному ланцюзі замкнутого типу за наявності двох різних провідників та різниці температур між двома протилежними спаями.
Коли в ланцюзі підключений вольтметр, вона замкнена. Однак ЕРС в точках і температурних спайок врівноважується, тому струм відсутній. Якщо на гарячу спайку додати тепла, то сформується різниця потенціалів, після чого з'явиться електричний струм.
Які термопари часто зустрічаються
Застосовувані виготовлення мають різну температуру плавлення, по-різному реагують на окислюючу середу і зміну температур.
Неблагородні метали стануть у нагоді для температурних показників до +1400˚С, а благородні – до +1900˚С.
Неблагородні метали
-
- J – залізо та константан. Має низьку ціну, рекомендовану для розрядженої атмосфери. Не допускається застосування нижче 0˚С і вище +500˚С. Небезпечним елементом є сірка, контактування з якою призводить до миттєвого руйнування висновків.
- Т – мідь та константан. Допускається застосування при мінусових температурах, проте +400˚С є критичним показником. Не боїться вологості, добре реагує на кисневу складову. Висновки пройшли стадію відпалу для нормалізації однорідності складу.
- K – хромель та алюмель. Широкий діапазон (-100…+1000˚С). Використовується в повітряному середовищі, де є середня або підвищена концентрація кисню. У середовищі, наближеному до вакуумної, хром мігрує зі з'єднання, внаслідок чого показання температури показуються неточно. Аналогічно небажано застосовувати тип До в режимі +200 ... +500˚С.
- Е – хромель та константан. Бере участь у вимірюванні низьких температур. Відрізняється однорідність кожного електрода, тому вдається заміряти точні значення температури.
- N - них росив і нисив. Прототипом стала термопара K. Тут реалізована ідея додавання кремнію, який знижує подальше забруднення термопари в процесі експлуатації. Граничною температурою є +1200˚С, проте точний показник визначається діаметром електродів. При цьому помилка у вимірі значень при t= +200…+500˚С значно менша, ніж у типі К. Це – доопрацьований тип термопари, який вважається одним із найкращих серед неблагородних металів.
Шляхетні метали
- S – платина з родієм та платина. Здатна працювати у звичайному та окисному середовищі. Робочий діапазон, що рекомендується: +400…+1350˚С, короткочасний період допускає підйом температури до +1750˚С. Після досягнення +900˚C забруднюється вуглецем, кремнієм, воднем. Електроди поміщають у трубки з оксиду алюмінію без домішок.
- R – термопара, аналогічна попередньої, з максимальною температурою експлуатації до +1700˚CС, а середньої +1200 ... 1400˚C.
- B - платина з родієм і платина з родієм. Дає неточні показання при t < 600˚C. Найчистіший діапазон: +600…+900˚С. Далі відбувається забруднення кремнієм, воднем, залізом та міддю.
Типи спаїв
Існує 6 варіантів спаїв, які складаються з 1 або 2 елементів.
- Один спай, що не стосується корпусу, позначений літерою І.
- Якщо він має торкання корпусу, то маркується, як Н.
- Пара спаїв, які не стосуються одне одного і внутрішньої поверхні корпусу, називається ІІ.
- Спай здвоєний, має одну загальну верхівку, не стосується корпусу – це 2І.
- Два окремих спаї, один стосується корпусу та заземлений – ІН.
- Обидва спаї без ізоляції, з'єднані з корпусом – ПН.
Щоб зменшити інерційність, у ряді перетворювачів виводять гарячий спай за кордон захисної колби. У вирішенні цієї проблеми допомагає заземлення на корпус: у результаті датчик швидше та точніше заміряє показники.
Види термопар за робочими показниками
- Контактування з середовищем: стандартні, закриті від попадання вологи, що працюють в агресивному середовищі, здатні виконувати вимірювання у вибухонебезпечних складах.
- Місце розташування: монтуються по поверхні, занурюються у середу.
- Місце встановлення: розраховані на стаціонарне положення без переміщення та стійкі до вібрації.
- Показник інерції: від 10 до ненормованого значення.
- Кількість зон: на одне середовище та багатозонні.
- Особливості застосування:
- для кріплення та переносні;
- для короткочасної установки та постійного застосування.
- Тип термопар на одному об'єкті: одинарні, подвійні та потрійні.
- Вид спаю: ізольований від металу, неізольований.
- Контакт із середовищем: герметичний варіант, негерметичний.
Що таке багатоточкові термопари
Коли виникає потреба одночасно виконувати виміри в різних локаціях одного середовища, стануть у нагоді багатоточкові термопари. Їхнє завдання полягає у визначенні термічних показників уздовж осі перетворювача.
Немає процесу, де б при нагріванні були відсутні температурні коливання. Вимірювання показників в одному місці не гарантує їх стабільність в іншому. Для забезпечення контролю параметрів застосовують термопари з кількістю точок збирання до 60 штук. Конструкція має лише 1 металеву колбу та 1 точку введення.
Що можна сказати про недоліки та переваги термопар
Позитивні опції
- Застосування пристроїв у різних середовищах, включаючи агресивні.
- Значний температурний діапазон роботи: -250 ° С до +1900°С і вище (критичне значення досягає +2500°С).
- Точність виконання вимірів, похибка буває 0,01-2°С.
- Доступна ціна.
- Надійність у використанні.
Негативні моменти
- Чим більше оснащення додатковими опціями та роз'ємами, тим дорожче обійдеться покупка термопари.
- Наявність заводського градуювання.
- Необхідність в установці екрануючого захисту та високоточних датчиків.
- Неможливість усунути та скоригувати нелінійну залежність ЕРС у ході підвищення температури, коли вона виходить за межі, що обмежують.
Поради від виробника по термопарам
- Використовуйте мініатюрний пристрій, виготовлений з тонкого дроту. Встановіть її в зону вимірювання показників, а зовні додайте подовжувальні дроти.
- Дріт термопари не повинен зазнавати натягу та наслідків вібрацій.
- По довжині термопар слід виключити значний термічний стрибок.
- Заборонено граничні температури використовувати як робочі, на регулярній основі. Вибирайте термопари з 10-15% запасом термічного показника.
- При виборі дроту великого перерізу необхідно переконатися, що він не внесе зміни у температуру середовища виміру.
- При значній довжині проводів і термопари проводи, що з'єднуються, додатково перекручують у місці висновків.
- За наявності агресивного середовища використовувати досить стійкий матеріал колби, куди поміщаються дроти.
- Використання комплексних термопар з декількома електродами зручне для одночасного вимірювання кількох параметрів: температури, перешкод у проходженні струму, вимірювання напруги, перевірки герметичності колби.
Що заважає отриманню точних значень температури у термопарах
У процесі роботи термопар виникають обставини, які дозволяють зробити точні виміри. Сюди входять 5 груп перешкод.
- При зростанні температури опір ізоляційного матеріалу в електродах знижується. Іноді це створює замикання дротів у середині термопари. І тоді відбувається зміщення зони ідентифікації температури, оскільки пристрій починає показувати значення середньої області. Також існує небезпека потрапляння домішок та речовин з ізоляції на електроди (при високих температурах), що здатне змінити їх вихідні властивості.
- При зварюванні, необхідному для створення якісного спаю, застосовують ще один метал. Зазвичай у нього температура плавлення виявляється нижче, тому при високих термічних значеннях пай розпадається. Якщо перегрівання зіпсує дріт термопари, газ заповнить місце розриву. Зварювання вийде невдалим, неміцним і перше підвищення температури роз'єднає електроди.
- Пофарбована ізоляція підступна. Пігменти здатні потрапити у рідину та утворити електроліт. Виникне гальванічний ефект, який внесе дисбаланс у заміри, що здійснюються.
- Термоелектрична неоднорідність вважається найскладнішим типом потенційних помилок. Вона формується від напруги у дроті під час неакуратного протягування, ударного впливу чи невміння правильно поводитися з термопарою. В інших випадках похибка формується під час відпалу, підготовки електродів, дифузії домішок. Зі зростанням градієнта температури прямо пропорційно збільшується похибка. Допускається застосування чохлів та металевих рукавів, здатних зробити нівелювання стрибків температури по всій довжині електродів.
- Витік струму також впливає на точність вимірів у термопарі. Важливе значення надають верхньому граничному показнику температури. Якщо пристрій знаходиться саме в цій межі, то подібна експлуатація впливає на величину термоелектричних показників. Це означає, що при довгостроково проведених процесах для верхньої термічної межі встановлюється значення на 250-300С нижче максимально допустимого значення. Щодо мінусових граничних значень, то в низькотемпературних умовах чутливість термопари зменшується. Натомість похибка у значеннях починає збільшуватися.
- Тонкий дріт у термопарі швидко забруднюється, у ньому виникають залишкові напруження. Щоб знизити ці негативні фактори, використовують дроти подовження. Їхнє завдання полягає у підключенні термопари до вольтметра. Провід товщі термопари при послідовному підключенні до електрода добре транспортує сигнал на потрібну відстань. Необхідно створювати умови для відносно невеликої температурної зміни вздовж дроту, оскільки він зазнає додаткових впливів у процесі натягу.
Компанія «Інтмакс» виготовляє термопар на замовлення. Враховуємо фактичні умови застосування, робимо розрахунки та створює вироби для успішної подальшої експлуатації.
