В далеком 1822 году немецкий физик Томас Зеебек, экспериментируя с замкнутой цепью из разнородных проводников, открыл эффект, который до сих пор лежит в основе измерения температуры с помощью термоэлектрических устройств — термопар, применяемых в любых сферах промышленности, автоматике, научных исследованиях и медицине. Именно они оберегают вверенное им оборудование от перегрева.
Простейшая термопара представляет собой две тонких проволоки разнородного металла, скрученные или спаянные между собой. На месте соединения образуется маленький шарик или, как говорят технари, рабочий спай. Именно его помещают в ту среду, температуру которой предстоит измерить. Два других конца, холодные спаи, соединяются с измерительным прибором, например, с милливольтметром. Когда на одном из участков цепи меняется температура, создается определенное напряжение, что в свое время и обнаружил Томас Зеебек. Если принцип, открытый и описанный почти 200 лет назад остается неизменным, то технологии изготовления термопар непрерывно следуют за своим временем.
По таблице Менделеева
Как было сказано выше, термопара содержит два электрода, причем из разнородных материалов. Сегодня имеется около десятка термопар разных типов, обозначаемых буквами латинского алфавита, что заложено в основу международного стандарта. У каждого типа свои характеристики и разный температурный порог, который обеспечивают именно используемые электроды. Поэтому за время своего существования самый главный эволюционный путь термопары лежит в пределах таблицы Менделеева, элементы которой используются для изготовления сплавов, образующих термоэлектрическое устройство. Например, хромель получен из 90% никеля и 10% хрома, а копель — из 43,5% никеля и 56,5% меди.
В настоящий момент классифицированы следующие основные типы термопар:
- Хромель-константановые. Используются в широком температурном диапазоне от −50°С до 740°С. Обладают высокой чувствительностью и хорошо себя зарекомендовали в условиях низких температур.
- Железо-константановые. Плюсовой предел температуры немного выше, чем у предыдущих (от −40°С до 750°С). Отличаются невысокой ценой.
- Хромель-алюмелевые. Приобрели популярность ввиду большого диапазона измерений (от −200°С до 1350°С). Используются в неокисляющей среде.
- Никель-молибденовые. Пожалуй, самый распространенный вариант температурных датчиков, используемых в вакуумных печах. Предел измерения до 1400°С.
- Никросил-нисиловые. Могут использоваться в окисляющих средах, стабильные измерения в температурном диапазоне от −270°С до 1300°С.
- Родий-платиновые. Высокая стабильность и цена. Используются при измерении высоких температур (до 1800°С).
- Рений-вольфрамовые. Измеряют очень высокие температуры (до 2500°С). Не подходят для окисляющих сред.
На этом перечисление сочетаний компонентов не заканчивается, однако термопары для более сложных или нестандартных применений изготавливаются, как правило, под заказ. Например, известны зарубежные разработки из чистых металлов — золото-платиновые и платина-палладиевые. Отчеты исследований говорят о лучшей достигнутой стабильности и точности по сравнению с платинородий-платиновыми термопарами. Однако их массовое применение будет непременно ограничено стоимостью, которую определяет целый ряд слагаемых.
— Конечно, в первую очередь на цену влияет качество материалов, — говорит директор ООО «Авелен» Андрей Гончаров. — В то же время немаловажно и строгое соблюдение технологии сборки, т.к. любое загрязнение сокращает срок службы и приводит к быстрому выходу из строя, росту погрешности измерения. К примеру, применение в качестве чехлов термопар жаропрочной, сварной трубы вместо цельнотянутой, сокращает срок службы почти вдвое.
Обладая рядом недостатков, термопары все же являются самыми высокотемпературными из всех контактных датчиков и более доступны по цене. По оценкам специалистов, на отечественном рынке КИПиА присутствует более трехсот производителей термопар, среди которых порядка пятнадцати — это российские компании.
Такая наполненность рынка помимо прочего объясняется легкостью изготовления данного типа датчиков, что отчасти служит и причиной к появлению подделок и заимствования технологий. В частности, по словам А. Гончарова, такие факты известны применительно к продукции ЗАО «НПК «Эталон», поставщиком которой является «Авелен». Речь идет и о поддельных паспортах, и о широком использовании зарубежными компаниями при поставках в Россию для стекольной промышленности конструкций благородных термопар, разработанных волгодонскими конструкторами.
Но не только материалы определяют развитие технологий. Так, для изготовления рабочего спая успешно применяется лазерная сварка, которая позволяет исключить образование в нем дефектов: микротрещин, непровара, пор, свищей и т.д., приводящих к преждевременному разрушению. В то же время необходимо учитывать, что при высокотемпературной эксплуатации (вследствие окисления) характеристика термопары по сравнению с номинальной может измениться, поэтому для их стабилизации используют датчики на основе КТМС (Кабель Термопарный с Минеральной изоляцией в Стальной оболочке). И вот об этом мы расскажем подробнее.
Устойчивость и стабильность
Как было сказано выше, на рынке представлено множество модификаций термопар, выполненных из различных материалов, имеющих различное конструктивное исполнение и предназначенных для разного диапазона измеряемых температур.
При производстве обычных проволочных термопар с термоэлектродами они помещаются внутрь оплетки из кремнеземной нити (рис. 1) или керамических бус (рис. 2). Однако при высоких температурах оплетка из кремнеземной нити становится хрупкой и может частично разрушиться при вибрации, что в свою очередь может привести к замыканию термоэлектродов. Керамическая оболочка более стойка к высоким температурам, но при длительной эксплуатации возможно окисление термоэлектродов, что вызывает рост погрешности измерения. Для стабилизации характеристик измерения при высоких температурах и расширения применений термопар производятся датчики на основе КТМС.
|
|
Рис. 1 | Рис. 2 |
Конструктивно КТМС состоит из гибкой металлической трубки с встроенными термоэлектродами (рис. 3). Пространство между ними и стальной жаростойкой оболочкой заполнено уплотненной дисперсной минеральной изоляцией — оксидом магния. Такая конструкция позволяет изгибать монтажную часть под различным углом для вывода рабочего спая в требуемое место крепежа, а также обматывать различные объекты для измерения температуры поверхности. Для дополнительной защиты термоэлектродов от воздействия окружающей среды термопары могут производиться в защитных чехлах, который одновременно служит монтажной частью датчика.
Рис. 3
— Защитный чехол следует выбирать исходя из максимальной температуры измерения и среды применения, — объясняет руководитель Ассортиментного направления «Датчики» компании ОВЕН Зоя Чернова.
— Например, чехлы из сталей 08X18Н10/10X17Н13М2/08Х18Н12Б хорошо стоят в окислительных или нейтральных средах при температуре до 900°С. А сталь ХН45Ю можно применять до температуры 1300°С — для измерения температуры в горелочных устройствах или в печах обжига керамики. Термопары из AISI 310 применяются при температуре до 1100°С, они используются в паровых котлах, доменных печах, печах для обжига цемента и кирпича, в производстве стекла.
Наиболее распространенными материалами термоэлектродов для термопар на основе КТМС являются хромель-копель (до 600°С), хромель-алюмель (до 1100°С), нихросил-нисил (от −40 до 1250°С), что позволяет использовать их для замены дорогостоящих термопар из драгоценных металлов.
|
|
Рис. 4 | Рис. 5 |
В качестве примера можно привести датчики на основе КТМС, выпускаемые компанией ОВЕН. Так, модельный ряд с коммутационной головкой ДТПхх5 включает как совершенно новые модели, так и модернизированные — выпускаемые ранее только как проволочные термопары. Новые модели производятся с металлической и пластиковой коммутационной головкой. На рис. 4 представлены термопары на основе КТМС с коммутационной головкой и показано, каким образом может быть изогнута монтажная часть датчика. КТМС может быть различного диаметра: 3, 4 и 4,5 мм, стальная оболочка КТМС — из сталей AISI 321, AISI 310, Nicrobell D (рис. 5).
|
|
Рис. 6 | Рис. 7 |
Жаропрочные модели производятся только с металлической коммутационной головкой и диаметром КТМС 4,5 мм. В этих моделях КТМС устанавливается в защитный чехол из стали или керамики (рис. 6).
В моделях термопар с кабельным выводом ДТПхх4 диаметр КТМС может быть от 1,5 до 4,5 мм. На рис. 7 представлены различные модификации термопар КТМС с кабельным выводом.
Ближайшие перспективы
Несмотря на простоту и кажущееся несоответствие тенденциям сегодняшнего технического развития, термопары решают поставленные перед ними задачи в самых разных отраслях (металлургии, стекловарении, энергетике и др.) и устанавливаются в технически сложное оборудование (высокотемпературные агрегаты, воздухоподогреватели, котельные установки и др.). Получать стабильные показатели температурных измерений позволяют датчики на основе КТМС, и эта технология считается одной из самых современных при производстве термопар.
Преимущества термопар на основе КТМС в сравнении с проволочными:
- низкий показатель тепловой инерции (например, 2 сек — для КТМС диаметром 4,5 мм), что позволяет применять их для регистрации быстропротекающих процессов;
- высокая стабильность и высокий рабочий ресурс (превышение в 2-3 раза по сравнению с обычными проволочными термопреобразователями);
- возможность изгиба и монтажа их в труднодоступных местах, кабельных каналах, при этом длина термопреобразователя может достигать 60-100 метров;
- возможность различных вариантов установки. Термопары КТМС можно приваривать, припаивать или крепить к поверхности хомутом или на винт;
- выдерживают большие рабочие давления.
По мнению руководителя АН «Датчики» компании ОВЕН Зои Черновой, в ближайшее время будет продвижение и инновации в развитии материалов защитных чехлов, будут использоваться многослойные конструкции, чехлы из полимерных материалов, биополимеров и композитов. Опять же в разрезе Индустрии 4.0 весь полевой уровень становится более интеллектуальным, дабы просто интегрироваться в облачную систему. Поэтому в основном будут развиваться различные нормирующие преобразователи, которые встраиваются в датчик.
— Если говорить о ближайшем будущем, то получат широкое распространение термопары с оперативным каналом, что позволяет осуществлять дистанционную поверку, — уверен директор ООО «Авелен» Андрей Гончаров. — Применение преобразователей на базе процессора делает возможным внесение поправок для уменьшения погрешности измерения.
Как видно, специалисты схожи в своих комментариях, а, значит, при соблюдении технологии изготовления и освоении новых способов производства, термопары по-прежнему будут востребованы еще долгие годы.
Источник: Редакция журнала «Электротехнический рынок»
