Термопарой, или термоэлектрическим преобразователем, называют устройство для измерения температуры, основой работы которого является термоэлектрический эффект. Работа термопары основана на свойстве изменения термо-ЭДС (термоэлектродвижущей силы) от повышения или уменьшения температуры. Точность показаний зависит от типа конструкции, марок сплавов проводника, соблюдения технологических требований.
Принцип действия термопары
Термопара (термоэлектрический преобразователь) надежный точный и на сегодня наиболее востребованный в промышленности температурный датчик. Действие термопары основано на эффекте, который впервые был открыт и описан Томасом Зеебеком в 1821 г. Возникновении тока в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при наличии градиента температур между спаями.
Поскольку генерирование Термо-ЭДС происходит по длине термоэлектрода, то показания термопары зависят от состояния термоэлектродов в зоне максимального температурного градиента. Поэтому поверку термопар следует проводить при той же глубине погружения в среду, что и на рабочем объекте.Учёт термоэлектрической неоднородности особенно значителен для рабочих термопар из неблагородных металлов.
Основные преимущества термопар:
- Широкий диапазон рабочих температур, термопары являются самыми высокотемпературными и точными из контактных датчиков.
- Спай термопары может быть непосредственно заземлён или приведён в прямой контакт с измеряемым объектом.
- Простота изготовления, надёжность и прочность конструкции.
Недостатки термопар:
- Необходимость контроля температуры холодных спаев. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового сенсора и автоматическое введение поправки к измеренной Термо-ЭДС.
- Возникновение термоэлектрической неоднородности в проводниках и, как следствие, изменение градуировочной характеристики из-за изменения состава сплава в результате коррозии и других химических процессов.
- Материал электродов не является химически инертным и, при недостаточной герметичности корпуса термопары, может подвергаться влиянию агрессивных сред, атмосферы и т.д.
- При большой длине термопарных, термоэлектродных, компенсационных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.
- Зависимость Термо-ЭДС от температуры существенно не линейна. Это создает препятствие при разработке вторичных преобразователей сигнала.
- Когда жесткие требования выдвигаются ко времени термической инерции термопары и необходимо заземлять рабочий спай, то надлежит обеспечить электрическую изоляцию преобразователя сигнала для устранения опасности возникновения утечек через землю.
В зависимости от материалов термоэлектродов, различают термопары из благородных и неблагородных металлов. К первым относятся термопреобразователи платиновой группы (ТПП, ТПР). К неблагородным – ТВР, ТХА, ТХК, ТМК, ТНН, ТЖК и др. из серийно выпускаемых. Наиболее точные термопары – с термоэлектродами из благородных металлов: платинородий - платиновые ПП (тип S (Pt-10%Rh/Pt), тип R (Pt-13%Rh/Pt)), платинородий – платинородиевые ПР (тип В (Pt-30%Rh/Pt-6%Rh)).
Достоинством является значительно меньшая термоэлектрическая неоднородность, чем у термопар из неблагородных металлов, устойчивость к окислению, вследствие чего значительная стабильность. Превосходством термопары типа ПР также является практически нулевой выходной сигнал при температурах вплоть до 50°C, таким образом ликвидируется необходимость термостатирования холодных спаев. Недочетом является высокая стоимость и небольшая чувствительность (около 10 мкВ/К при 1000°C).
Хотя платинородиевые термопары выигрывают по точности и стабильности термопары из неблагородных металлов и сплавов, минимальная расширенная неопределенность результата измерения температуры в диапазоне до 1100°С составляет 0,2-0,3°С. Причины нестабильности термопар связаны с загрязнением, окислением и испарением материалов термоэлектродов. При температурах 500-900°С формируется стабильный окисел родия. нехватка родия изменяет состав платино - родиевого термоэлектрода, что приводит к изменению зависимости ЭДС от температуры и к возникновению термоэлектрических неоднородностей.
Термопары из неблагородных металлов сравнительно обширно применяются во всех отраслях промышленности. К ним относятся ТХА, ТХК, ТМК, ТНН, ТЖК, ТВР и некоторые другие серийно выпускаемые. Они сравнительно не дорогие и легки в эксплуатации, стабильны к вибрациям, могут производиться во взрывозащищенном исполнении. Особенно благоприятны в обращении кабельные термопары, электроды которых заключены в специальный герметичный гибкий кабель с минеральной изоляцией. Такая конструкция позволяет расположить термопару в самых сложных узлах конструкций. Достоинством термопар также является большая чувствительность.
Значительным недостатком является образование термоэлектрической неоднородности в зоне максимального градиента температур, что может привести к ошибке в градуировке более 5°C. Этот недостаток делает очень рискованной саму возможность периодической поверки термопар в лабораторных условиях и диктует необходимость поверять термопары из неблагородных металлов на месте их рабочего монтажа.
Наименьшая термоэлектрическая неоднородность свойственна для термопары нихросил/нисил (тип N). Одной из главных составляющих неопределенности измерений термопарами является учет температуры холодных спаев или точность компенсации спаев в цифровых преобразователях. Для замера высоких температур до 2500°C применяют вольфрам - рениевые термопары (ТВР). Особенностью их применения является необходимость устранения окислительной атмосферы, разрушающей проволоку.
Для вольфрам-рениевых термопар применяют специальные герметичные конструкции чехлов, наполненные инертным газом, а также танталовые и молибденовые чехлы с неорганической изоляцией из оксида бериллия и оксида магния. Одно из значительных применений вольфрам-рениевых термопар состоит в измерении температур в ядерной энергетике в присутствии потока нейтронов.
Особенностью работы с термопарами является применение стандартных термоэлектродных удлинительных и компенсационных проводов. Провода позволяют проводить сигнал с термопары на десятки метров к измерительному прибору, внося минимальную потерю точности.
Термоэлектродные удлинительные, компенсационные провода изготавливаются из того же сплава, что и термоэлектроды термопары, но с более заниженными требованиями по качеству и чистоте сплавов.
Особенности применения наиболее распространённых термопар
Типы термопар из неблагородных металлов
Тип J (железо-константановая термопара)
- Не рекомендуется использовать ниже 0°С, т.к. конденсация влаги на железном выводе приводит к образованию ржавчины.
- Наиболее подходящий тип для разряженной атмосферы.
- Наибольшая температура применения – 500°С, т.к. больше этой температуры происходит стремительное окисление выводов. Оба вывода быстро разрушаются в атмосфере серы.
- Показания увеличиваются после термического старения.
- Существенный плюс это невысокая стоимость.
Тип Е (хромель-константановая термопара)
- Положительный момент это хорошая чувствительность.
- Термоэлектрическая однородность материалов электродов.
- Рекомендуется для эксплуатации при низких температурах.
Тип Т (медь-константановая термопара)
- Может применяться при минусовых температурах, в атмосфере с незначительным излишком или нехваткой кислорода.
- Не желательно применять при температурах превышающих 400°С.
- Не восприимчива к в влажности.
- Оба вывода допустимо отжечь, для удаления соединений вызывающих термоэлектрическую неоднородность.
Тип К (хромель-алюмелевая термопара)
- Обширно применяется в различных средах от -100°С до +1000°С (рекомендуемый предел, зависит от Ø термоэлектрода).
- В диапазоне от 200 до 500°С появляется эффект гистерезиса, т.е показания при нагреве и охлаждении могут отличаться. Бывает разница доходит 5°С.
- Применяется в нейтральной атмосфере или атмосфере с излишком кислорода. После термического старения показания понижаются.
- Не желательно эксплуатировать в разряженной атмосфере, т.к. хром может выделяться из Ni-Cr вывода (так называемая миграция), термопара при этом изменяет термо-ЭДС и показывает температуру ниже фактической.
- Атмосфера серы негативна для термопары, т.к. влияет на оба электрода.
Тип N (нихросил-нисиловая термопара)
- Это сравнительно новый тип термопары, разрабатывался и тестировался на основе термопары типа К. Термопара типа К может быстро загрязняться примесями при больших температурах. Сплавив оба электрода умышленно с кремнием, тем самым загрязнить термопару заранее, и таким образом уменьшить вероятность дальнейшего загрязнения во время эксплуатации.
- Предложенная рабочая температура до 1200°С (зависит от Ø проволоки).
- Непродолжительная работа возможна при 1250°С.
- Хорошая устойчивость при температурах от 200 до 500°С (существенно минимальный гистерезис, чем для термопары типа К).
- Из неблагородных металлов можно считать самой точной термопарой.
Общие рекомендации по выбору термопар из неблагородных металлов
- Температура эксплуатации ниже 0°С – тип Е, Т
- Комнатные температуры эксплуатации – тип К, Е, Т
- Температура эксплуатации до 300°С – тип К
- Температура эксплуатации от 300 до 600°С – тип N
- Температура эксплуатации выше 600°С – тип К или N
Типы Термопар из благородных металлов
Тип S (платинородий-платиновая термопара)
- Рекомендация по максимальной рабочей температуре 1350°С.
- Непродолжительная работа возможна при 1600°С.
- Сплав платины с родием теряет чистоту загрязняется при температурах превышающих 900°С углеродом, водородом, металлическими примесями железа и меди. При содержании железа в платиновом электроде на уровне 0,1%, ТермоЭДС изменяется более, чем на 1 мВ (100°С) при 1200°С и 1,5 мВ (160°С) при 1600°С. Такая же история происходит при загрязнении медью. Отсюда вывод, термопары запрещается армировать стальной трубкой, или обязательно изолировать электроды от трубки газонепроницаемой керамикой.
- Возможно применение в окислительной атмосфере.
- При температуре выше 1000°С термопара загрязняется кремнием, он наличествует в отдельных видах защитных керамических материалах. Обязательно применять керамические трубки, из высокочистого оксида алюминия.
- Не рекомендуется эксплуатировать ниже 400°С, т.к термо-ЭДС в этой области не велика и чрезвычайно нелинейна.
Тип R (платинородий-платиновая термопара)
- Свойства схожи с термопарой типа S.
Тип В (платинородий-платинородиевая термопара)
- Рекомендация по максимальной рабочей температуре в рабочем диапазоне 1500°С (подбирается с учетом Ø проволоки).
- Непродолжительная работа возможна при 1750°С.
- Теряет чистоту - загрязняется при температурах превышающих 900°С водородом, кремнием, парами меди и железа, но эффект ниже, чем для термопар типа S и R.
- При температуре превышающей 1000°С термопара начинает загрязняться кремнием, он имеет место быть в некоторых видах защитных керамических материалах. Обязательно применять керамические трубки, из высокочистого оксида алюминия.
- Возможно применение в окислительной среде.
- Не рекомендуется эксплуатировать при температуре ниже 600°С, где Термо-ЭДС крайне мала и нелинейна.
Источники, факторы погрешности термопар
Принцип работы термопар и особенности преобразования и передачи сигнала приводят к следующим вероятным вопросам при их применении, ведущим к ошибкам в определении температуры:
- Брак при формировании рабочего спая термопары.
- Проявление термоэлектрической неоднородности по длине термоэлектродов и изменение градуировочной характеристики термопары.
- Электрическое шунтирование проводников изоляцией и вероятное возникновение гальванического эффекта.
- Электрические шумы и утечки.
- Тепловое шунтирование.
Формирование качественного спая в термопарах при помощи пайки и сварки
Существует достаточно методов формирования рабочего спая термопары: сварка, пайка, электромеханическое скручивание или ручное и т.д. При сварке в спай двух сплавов добавляется третий сплав, но т.к. температуры проводников, исходящих из спая одинаковы, это не может привести к какой-либо погрешности.
Проблема заключается в том, что третий сплав, как правило, имеет более малую температуру плавления и при высоких температурах спай может расплавиться и разъединиться. Еще есть минус, возможное загрязнение электродов чужеродным испаряющимся сплавом, металлом. Поэтому борясь за качество, желательно производить соединение проводников методом сварки рабочего спая.
Сварка требует особой ответственности, т.к. перегрев может изменить хим. состав термопарной проволоки и газ, применяемый для сварки, способен диффундировать в проволоку. Предлагаем производить сварку без применения газа и флюса. На сегодняшний день это возможно. Некачественная сварка в конечном итоге приводит к разрыву спая при эксплуатации. В обязательном порядке проводить плановый тесть на разрыв спая, показания документировать.
Наличие термоэлектрической неоднородности. Искажение градуировочной характеристики термопары
Это наиболее трудноопределяемый источник погрешности, т.к. результат отсчета Термо-ЭДС может показаться вполне допустимым и в то же время быть неправильным.Термоэлектрическая неоднородность может быть следствием диффузии примесей из окружающей атмосферы при высоких температурах, высокотемпературным отжигом или механической обработкой электродов. Она может сформироваться в результате волочения, укладки, протягивания электродов, ненадлежащего обращения, ударов и вибраций, пробуждающих напряжения в проволоке.
Модификация состава сплава может отмечаться на отдельном участке проволоки, находящейся продолжительное время в области резкого температурного градиента. Все же неоднородность воздействует на отклонение градуировочной характеристики при условии, если она попадает в зону температурного градиента при измерении. Чем выше градиент температуры, тем выше погрешность, появляющаяся из-за неоднородности. Один из способов снижения данной погрешности – сделать плавным изменение температуры на длине термоэлектрода, например, применяя металлические рукава и чехлы.
Преобразователи термоэлектрические (термопары) часто производятся в корпусах. Эти корпуса получили название защитная арматура или защитные чехлы. Защитная арматура защищает термоэлектроды от разрушительного воздействия измеряемой среды и высоких температур, тем самым, увеличивая срок их службы.Чехлы термопар как правило производятся из нержавеющей стали или в виде изделия, состоящего из керамического или графитового наконечника и нержавеющей трубки.
Сопротивление изоляции термопары
Сопротивление изоляции термоэлектродов уменьшается с возрастанием температуры по экспоненциальному закону. При высокой температуре, в ряде случаях, этот эффект может привести к образованию так именуемого «виртуального» спая, т.е. фактического замыкания электродов в средней точке термопары. В итоге, термопара будет замерять и показывать температуру не в области рабочего спая, а температуру средней области. При высоких температурах надлежит очень скрупулезно подбирать материал для изоляции, т.к. примеси и химические вещества изоляции могут проникнуть в электроды и поменять их свойства.
Гальванический эффект
Красящие вещества, применяемые в некоторых видах изоляции для маркировки, могут вызвать образование электролита при воздействии с водой. Это может приводить к гальваническому эффекту, который по силе превосходит эффект Зеебека. В обязательном порядке принимать меры для защиты термопарной проволоки от вредоносной атмосферы, попадания воды и других жидкостей.
Тепловое шунтирование
Нужно знать, что термопара, как и любой другой контактный датчик, при установке в объект измерения изменяет его температуру. Поэтому, если объект мал, термопара тоже должна иметь соответственно малые размеры. Тем не менее, термопара, изготовленная из тонкой проволоки, более восприимчива эффектам загрязнения, отжига, возникновения напряжений, электрическому шунтированию.
Для снижения таких эффектов используют термоэлектродные удлинительные, компенсационные провода, которые соединяют с термоэлектродами термопары с измерительным вольтметром и имеют коэффициент Зеебека близкий к коэффициенту термопары данного типа.
Как принято, удлинительный провод имеет больший диаметр, его сопротивление, включенное последовательно с термоэлектродом, не вызывает потерь при передаче сигнала на большие расстояния. И еще, удлинительный провод легче проложить через подводящий измерительный канал, чем тонкую термопарную проволоку. Так как требования к допускам компенсационных, удлинительных проводов определены только в узком интервале температур и сам провод может быть подвержен механическим повреждениям и растяжению, надлежит обеспечить наименьший температурный градиент вдоль провода.
Электрические шумы
Широкополосный шум может быть подавлен аналоговым фильтром. Только один тип шума, который не может подавить система считывания и обработки сигнала – сдвиг, обусловленный утечкой постоянного тока в системе. Как правило, такие утечки не порождают высоких погрешностей, возможность их возникновения должна всегда приниматься во внимание и, по возможности, отводить, особенно если термоэлектроды очень малы и их сопротивление велико.
При технических измерениях предпочтение термопары в значительной степени определяется верхним пределом измеряемой температуры, т.к. использование термопар вблизи верхнего температурного предела приводит, через некоторое время, к изменению термоэлектрических характеристик.
Вследствие этого для длительной эксплуатации рационально принимать верхний температурный предел на 200-300°C ниже максимально допустимой для данной термопары температуры. При измерении низких температур нужно обязательно учитывать, что воздействие неоднородности электродов особенно существенно влияет на показаниях низкотемпературных термопар.
При низких температурах чувствительность термопреобразователя уменьшается, а доля паразитной ТермоЭДС, возбужденной неоднородностью, растёт.
Рекомендации и тонкости по работе с термопарами
- Целостность и точность измерительной системы, включающей термопарный датчик, может быть увеличена с помощью следующих мер:
- Применять проволоку большого сечения, которая не будет изменять температуру объекта измерения.
- Если есть необходимость установить миниатюрную термопару из очень тонкой проволоки, нужно применять ее только в месте измерения, вне объекта следует использовать термоэлектродные удлинительные, компенсационные провода.
- Не допускать механических натяжений и вибраций термопарной проволоки.
- Если приходится при монтаже применять очень длинные термопары и удлинительные, компенсационные провода следует соединить экран провода с экраном вольтметра и надежно закреплять выводы.
- Стараться избегать резких температурных градиентов по длине термопары.
- Эксплуатировать термопару только в границах рабочих температур, желательно с запасом.
- Использовать подходящий материал для защитного чехла при работе в агрессивных средах, для надежной защиты термопарной проволоки.
- Применять удлинительные провода, учитывая их рабочий диапазон и при минимальных градиентах температур.
- Вести записи всех событий и регулярно замерять сопротивление термоэлектродов.
- Для усиленного контроля и диагностики измерений температуры применять специальные разработанные термопары с четырьмя термоэлектродами, которые дают возможность на дополнительные измерения температуры, электрических помех, напряжения и сопротивления для контроля целостности и надежности термопар.
Конструктивные исполнения термопар
Термопары конструктивно различаются:
- По способу контакта с измеряемой средой: термопары поверхностные и погружные.
- По условиям эксплуатации: стационарные, переносные, разового, многократного и кратковременного использования.
- По защищённости от влияний окружающей среды: обыкновенные, водозащищённые, защищённые от агрессивной среды, взрывозащищённые (в т.ч. искробезопасные).
- По герметичности к измеряемой среде: негерметичные, герметичные.
- По инерционности – показатель тепловой инерции не более 10 с; средней – не более 60 с; большой – более 60 с; ненормируемой инерционности (НИ).
- По устойчивости к механическим влияниям: обыкновенные; виброустойчивые.
- По числу термопар для измерения температуры в одной зоне: одинарные; двойные; тройные.
- По числу зон: однозонные; многозонные термопары.
- По наличию контакта «горячего» спая с металлической частью защитной арматуры: с неизолированным спаем, с изолированным спаем.
