Термопара

редактировать
Термопара, подключенная к мультиметру, отображающему комнатную температуру в °C

A термопаре, представляет собой электрическое устройство, состоящее из двух разнородных электрического проводника, образующих электрический переход. Термопара создает зависящее от температуры напряжение в результате термоэлектрического эффекта , и это напряжение можно интерпретировать как измерение температуры. Термопары используйте собой широко используемый тип датчика температуры .

. Коммерческие термопары недороги, взаимозаменяемы, поставляются со стандартными разъемами и могут измерять диапазон диапазона температур. Термопары имеют автономное питание и не требуют внешнего возбуждения. Основное ограничение термопар - точность; Системные ошибки менее одного градуса Цельсия (° C) могут оказаться трудными для достижения.

Термопары широко используются в науке и промышленности. Применения измерения температуры для печей, выхлопных газов, газовых турбин, дизельных двигателей и других промышленных процессов. Термопары также используются в домах, офисах и на предприятиях в качестве датчиков температуры в термостатах, а также в датчиках пламени в предохранительных устройств для газовых приборов.

Содержание
  • 1 Принцип действия
    • 1.1 Физический принцип: эффект Зеебека
    • 1.2 Характеристическая функция
    • 1.3 Требование для холодного спая
  • 2 Практические вопросы
    • 2.1 Конструкция схемы
    • 2.2 Металлургические марки
    • 2.3 Старение термопар
  • 3 типа
    • 3.1 Термопары из никелевого сплава
      • 3.1.1 Тип E
      • 3.1.2 Тип J
      • 3.1.3 Тип K
      • 3.1.4 Тип M
      • 3.1.5 Тип N
      • 3.1.6 Тип T
    • 3.2 Термопары из сплава платины и родия
      • 3.2.1 Тип B
      • 3.2.2 Тип R
      • 3.2.3 Тип S
    • 3.3 Термопары вольфрам / рениевый сплав
      • 3.3.1 Тип C
      • 3.3.2 Тип D
      • 3.3.3 Тип G
    • 3.4 Прочие
      • 3.4.1 Термопары из сплава хромель -золото / железо
      • 3.4.2 Тип P (сплав благородного металла) или "Platinel II"
      • 3.4.3 Термопары из сплава платины / молибдена
      • 3.4.4 Термопары из сплава иридия / родия
      • 3.4.5 Термопары из чистого благородного металла Au - Pt, Pt - Pd
      • 3.4.6 Термопары HTIR-TC (стойкие к высокотемпературному облучению)
    • 3. 5 Сравнение типов
  • 4 Thermoco наивысшая изоляция
    • 4.1 Таблица изоляционных материалов
  • 5 Области применения
    • 5.1 Сталелитейная промышленность
    • 5.2 Безопасность газовых приборов
    • 5.3 Датчики излучения на термобатареях
    • 5.4 Производство
    • 5.5 Производство электроэнергии
    • 5.6 Технологические установки
    • 5.7 Термопара как вакуумметр
  • 6 См. Также
  • 7 Ссылки
  • 8 Внешние ссылки
Принцип работы

В 1821 году немецкий физик Томас Иоганн Зеебек обнаружил, что когда разные металлы соединяются на концах и между соединениями существует разница температур, наблюдается магнитное поле. В то время Зеебек называл это следствие термомагнетизмом. Позже было показано, что наблюдаемое им магнитное поле возникает из-за термоэлектрического тока. На практике представляет интерес напряжение, генерируемое на единственном стыке двух разных типов проводов, поскольку его можно использовать для измерения температуры при очень высоких низких и температурах. Величина напряжения зависит от типа используемого провода. Как правило, напряжение находится в диапазоне микровольт, и необходимо соблюдать осторожность, чтобы получить пригодное для использования измерение. Несмотря на то, что ток протекает очень мало, мощность может генерироваться одним спайом термопары. Производство электроэнергии с использованием нескольких термопар, как в термобатареи, является обычным явлением.

Термопара типа К (хромель - алюмель ) в стандартной конфигурации измерения термопары. Измеренное напряжение V {\ displaystyle \ scriptstyle V}\ scriptstyle V можно использовать для вычисления температуры T sense {\ displaystyle \ scriptstyle T _ {\ mathrm {sense}}}\ scriptstyle T_ \ mathrm {sense} , если известна температура T ref {\ displaystyle \ scriptstyle T _ {\ mathrm {ref}}}\ scriptstyle T_ \ mathrm {ref} .

Стандартная конфигурация для использования термопары на рисунке. Вкратце, желаемая температура T sense получается с использованием трех входов - характеристики функции E (T) термопары, измеренного напряжения V и температуры T ref опорных спаев. Решение уравнения E (T смысл) = V + E (T ref) дает T смысл. Эти детали часто скрыты от пользователя, поскольку блок эталонного спая (с термометром T ref), вольтметр и решатель уравнений объединены в один продукт.

Физический принцип: эффект Зеебека

Эффект Зеебека относится к электродвижущей силе всякий раз, когда есть температурный градиент в проводящем материале. В условиях разобщённой цепи тока, градиент напряжения (∇ V {\ displaystyle \ scriptstyle {\ boldsymbol {\ nabla}} V}\ scriptstyle \ boldsymbol \ nabl a V ) прямо пропорционально пропорционален градиенту температура (∇ T {\ displaystyle \ scriptstyle {\ boldsymbol {\ nabla}} T}\ scriptstyle \ boldsymbol \ nabla T ):

∇ V = - S (T) ∇ T, {\ displaystyle {\ boldsymbol {\ nabla}} V = -S (T) {\ boldsymbol {\ nabla}} T,}\ boldsymbol \ nabla V = -S (T) \ boldsymbol \ nabla T,

где S (T) {\ displaystyle S (T)}S (T) - это зависящее от температуры свойство материала, известное как коэффициент Зеебека.

. Стандартная конфигурация измерения напряжения, показанная на рисунке, показывает четыре диапазона температур и, следовательно, четыре составляющих:

  1. Измените с T meter {\ displaystyle \ scriptstyle T _ {\ mathrm {meter}}}\ scriptstyle T_ \ mathrm {meter} на T ref {\ displaystyle \ scriptstyle T _ {\ mathrm {ref}}}\ scriptstyle T_ \ mathrm {ref} , в нижнем медном проводе.
  2. Изменение с T ref {\ displaystyle \ scriptstyle T _ {\ mathrm {ref}}}\ scriptstyle T_ \ mathrm {ref} на T sense {\ d isplaystyle \ scriptstyle T _ {\ mathrm {sense}}}\ scriptstyle T_ \ mathrm {sense} , в проводе alumel.
  3. Изменение с T sense {\ displaystyle \ scriptstyle T _ {\ mathrm {sense}}}\ scriptstyle T_ \ mathrm {sense} на T ref {\ displaystyle \ scriptstyle T _ {\ mathrm {ref}}}\ scriptstyle T_ \ mathrm {ref} в хромелевом проводе.
  4. Изменить с T ref {\ displaystyle \ scriptstyle T _ {\ mathrm {ref}}}\ scriptstyle T_ \ mathrm {ref} на T meter {\ displaystyle \ scriptstyle T _ {\ mathrm {meter}}}\ scriptstyle T_ \ mathrm {meter} , в верхний медный провод.

Первый и четвертый вклады полностью компенсируются, потому что эти области имеют одинаковое изменение температуры и идентичный материал. В результате Т м е т е р {\ displaystyle \ scriptstyle T _ {\ mathrm {meter}}}\ scriptstyle T_ \ mathrm {meter} не влияет на измеренное напряжение. Второй и третий вклады не отменяются, так как в них задействованы разные материалы.

Измеренное напряжение оказывается

V = ∫ T ref T sense (S + (T) - S - (T)) d T, {\ displaystyle V = \ int _ {T_ {\ mathrm {ref }}} ^ {T _ {\ mathrm {sense}}} \ left (S _ {+} (T) -S _ {-} (T) \ right) \, dT,}V = \ int_ {T_ \ mathrm {ref}} ^ {T_ \ mathrm {sense}} \ left (S _ {+} (T) - S _ {-} (T) \ right) \, dT,

где S + {\ displaystyle \ scriptstyle S _ {+}}\ scriptstyle S _ {+} и S - {\ displaystyle \ scriptstyle S _ {-}}\ scriptstyle S _ {-} - коэффициенты Зеебека проводов отрицательных подключенных к положительной и отрицательной клеммам вольтметра соответственно (хромель и алюмель на рисунке).

Характеристическая функция

Нет необходимости выполнять интеграл для каждого измерения температуры. Скорее, поведение термопары фиксируется характерной функцией E (T) {\ displaystyle \ scriptstyle E (T)}\ scriptstyle E (T) , с которой нужно обращаться только к двум аргументам. :

V = E (значение T) - E (значение T). {\ displaystyle V = E (T _ {\ mathrm {sense}}) - E (T _ {\ mathrm {ref}}).}V = E (T_ \ mathrm {sense}) - E (T_ \ mathrm {ref}).

В терминах коэффициентов Зеебека значение функции определяется как

E (T) знак равно ∫ TS + (T ′) - S - (T ′) d T ′ + const {\ displaystyle E (T) = \ int ^ {T} S _ {+} (T ') - S _ {-} (T ') dT' + \ mathrm {const}}E(T) = \int^T S_{+}(T') - S_{-}(T') dT' + \mathrm{const}

Константа интегрирования в этом неопределенном интеграле не имеет значения, но обычно выбирается так, чтобы E (0 ∘ C) = 0 {\ displaystyle \ scriptstyle E (0 \, {} ^ {\ circ} {\ rm {C}}) = 0}\ scriptstyle E (0 \, {} ^ {\ circ} {\ rm C}) = 0 .

Производители термопар и организации по метрологическим стандартам, такие как NIST предоставляет функции функции E (T) {\ displaystyle \ scriptstyle E (T)}\ scriptstyle E (T) , которые были измерены и интерполированы в диапазоне температур для определенных типов термопар (см. Внешние раздел ссылок для доступа) к этим таблицам).

Требования к эталонному спайу

Блок эталонного спая внутри измерителя температуры Fluke CNX t3000. Два белых провода подключаются к термистору (встроенный в белый термопаста) для измерения температуры эталонных спаев.

Для получения желаемого измерения T sense {\ displaystyle \ scriptstyle T _ {\ mathrm {sense}}}\ scriptstyle T_ \ mathrm {sense} , недостаточно просто измерить V {\ displaystyle \ scriptstyle V}\ scriptstyle V . Температура в эталонных соединенийх Т е е {\ displaystyle \ scriptstyle T _ {\ mathrm {ref}}}\ scriptstyle T_ \ mathrm {ref} должна быть уже известна. Здесь часто используются две стратегии:

  • Метод «ледяной бани»: блок эталонного спая погружают в полузамороженную ванну с дистиллированной водой при атмосферном давлении. Точная температура точки плавления фазового перехода действует как естественный термостат, фиксируя T ref {\ displaystyle \ scriptstyle T _ {\ mathrm {ref}}}От \ scriptstyle T_ \ mathrm {ref} до 0 ° C.
  • Датчик эталонного спая (известный как «компенсация холодного спая»): блок эталонного спая может изменяться по температуре, но температура в этом блоке измеряется с использованием отдельного датчика температуры. Это вторичное измерение используется для компенсации колебаний температуры в соединительном блоке. Спай термопары часто подвергается воздействию экстремальных условий, в то время как эталонный спай часто устанавливается рядом с прибором. Полупроводниковые термометры часто используются в современных приборах с термопарами.

В обоих случаях значение V + E (T ref) {\ displaystyle \ scriptstyle V + E (T _ {\ mathrm {ref)}})}\ scriptstyle V + E (T_ \ mathrm {ref}) вычисляется, затем функция E (T) {\ displaystyle \ scriptstyle E (T)}\ scriptstyle E (T) ищется для соответствия значению. Аргументом, при котором происходит это совпадение, является значение T sense {\ displaystyle \ scriptstyle T _ {\ mathrm {sense}}}\ scriptstyle T_ \ mathrm {sense} .

.

Практические соображения

Термопары в идеале должны быть очень простыми измерительными приборами с каждым типом точной кривой E (T) {\ displaystyle \ scriptstyle E (T)}\ scriptstyle E (T) , не зависящей от каких-либо других деталей. На самом деле термопары подвержены таким проблемам, как неопределенность при производстве сплавов, эффекты старения и ошибки / недопонимания при проектировании схем.

Конструкция схемы

Распространенная ошибка в конструкции термопары с компенсацией холодного спая. Если при оценке T r e f {\ displaystyle T _ {\ mathrm {ref}}}{\ displaystyle T _ {\ mathrm {ref}}} будет сделана ошибка, при измерении появится ошибка температуры. Для простейших измерений провода термопары подключаются к меди вдали от горячей или холодной точки, температура которой измеряется; соответствует, что этот эталонный спай имеет комнатную температуру, но эта температура может изменяться. Из-за нелинейности напряжения кривой термопары ошибки в T ref {\ displaystyle T _ {\ mathrm {ref}}}{\ displaystyle T _ {\ mathrm {ref}}} и T sense {\ displaystyle T _ {\ mathrm {смысл} }}{\ displaystyle T _ {\ mathrm {sense}}} , как правило, неравные значения. Некоторые термопары, такие как тип B, имеют плоскую кривую напряжения около комнатной температуры, что означает большую погрешность при комнатной температуре T ref {\ displaystyle T _ {\ mathrm {ref}}}{\ displaystyle T _ {\ mathrm {ref}}} преобразуется только в небольшой ошибке в T sense {\ displaystyle T _ {\ mathrm {sense}}}{\ displaystyle T _ {\ mathrm {sense}}} .

Соединения должны быть надежным образом, но есть много подходов для этого. Для низких температур соединения могут быть спаяны или спаяны; однако может быть трудно найти подходящий флюс , и он может не подходить для чувствительного перехода из-за низкой температуры плавления припоя. Поэтому опорные и удлинительные соединения обычно выполняются с помощью винтовых клеммных колодок . Для высокого температурного наиболее распространенного подхода является точечная сварка или обжим с использованием прочного материала.

Один из распространенных мифов о термопарах состоит в том, что соединения должны быть выполнены чисто без использования третьего языка, чтобы избежать нежелательных электромагнитных полей. Это может быть следствием еще одного распространенного заблуждения о том, что напряжение генерируется на стыке. Фактически, стыки в принципе должны иметь одинаковую внутреннюю температуру; Следовательно, напряжение на переходе не возникает. Напряжение создается в результате теплового градиента вдоль провода.

Термопара выдает слабые сигналы, часто с амплитудой микровольт. Для точных измерений этого сигнала требуется усилитель с входным напряжением с ущерба и осторожностью, чтобы избежать саморазогрева термо-ЭДС внутри самого вольтметра. Измерение высокого входного сопротивления , чтобы предотвратить смещение измеряемого напряжения, провод термопары должен иметь высокое сопротивление (плохое сопротивление в местах соединения или очень тонкие провода, используемое для теплового отклика).. Полезная функция в контрольно-измерительных приборах термопар позволяет одновременно измерять сопротивление и обнаруживать неисправные соединения в проводке или в местах соединения термопар.

Металлургические сорта

Хотя том тип провода термопары часто описывается его химическим составом, фактическая цель состоит в том, чтобы произвести пару проводов, соответствующих стандартизированному E (T) {\ displaystyle \ scriptstyle E (T)}\ scriptstyle E (T) кривая.

Примеси влияет на каждую партию металла по-разному, создавая переменные коэффициенты Зеебека. Чтобы соответствовать стандартному поведению, производители проводов для термопар намеренно добавляют дополнительные примеси, чтобы «легировать» сплав, компенсируя неконтролируемые изменения исходного материала. В результате существуют стандартные и специальные сорта проводов для термопар, в зависимости от уровня точности, необходимого для поведения термопары. Классы точности могут быть доступны только в согласованных парах, когда один провод модифицируется, чтобы компенсировать недостатки других проводов.

Особый случай проводов термопар, известный как степень удлинения, предназначенный для переноса термоэлектрической цепи на большие расстояния. Удлинительные провода следуют заявленной кривой E (T) {\ displaystyle \ scriptstyle E (T)}\ scriptstyle E (T) , но по разным причинам они не предназначены для использования в экстремальных условиях. некоторые приложениях. Например, удлинительный провод может иметь другую форму, например, очень гибкий с многопроволочной конструкцией и пластиковой изоляцией, или часть многожильного кабеля для переноса многих цепей термопар. В случае дорогих термопар из благородных металлов удлинительные провода могут быть даже изготовлены из совершенно другого, более дешевого материала, который имитирует стандартный тип в ограниченном диапазоне температур.

Старение термопар

Часто используются термопары. при высоких температурах и в реактивной атмосфере печи. В этом случае практический срок службы ограничен старением термопары. Термоэлектрические коэффициенты проводов в термопаре, которые используются для измерения очень высоких температур, изменяются со временем, и соответственно происходит измерение напряжения. Простое соотношение между разностью температурой и измеряемым напряжением является правильным только в том случае, если каждый провод однороден (однороден по составу). По мере старения термопар в процессе их проводники могут терять однородность из-за химических и металлургических изменений, вызванных экстремальным или длительным воздействием высоких температур. Если участок цепи термопары подвергнется воздействию температурного градиента, измеренное напряжение будет отличаться, что приведет к ошибке.

Старые термопары модифицируются только частично; например, не затрагуты детали вне печи. Для этой устаревшей термопары нельзя вывести из строя их установки повторно откалибровать в ванне или испытательной установке для определения ошибки. Это также объясняет, почему иногда может наблюдаться ошибка, когда состаренная термопара частично вытаскивается из печи - когда отводится назад, состаренные секции могут подвергаться воздействию повышенных температурных градиентов от горячего к холодному, поскольку состаренная секция теперь проходит через охладитель. огнеупорная область, вносящая значительную ошибку в измерение. Аналогичным образом, устаревшая термопара, которая вставляет более точные показания в печь, вызывает температурный градиент только в свежей секции.

Типы

Определенные комбинации классов стали популярными в качестве промышленных стандартов. Выбор комбинации определяется стоимостью, доступностью, удобством, температурой плавления, химическими свойствами, стабильностью и производительностью. Разные типы лучше всего подходят для разных приложений. Обычно их выбирают на основе необходимого температурного диапазона и чувствительности. Термопары с низкой чувствительностью (типы B, R и S) имеют соответственно более низкое разрешение. Другие варианты выбора включают химическую инертность материалов термопары и то, является ли он магнитным или нет. Ниже представлены стандартные типы термопара с положительным электродом (при условии T sense>T ref {\ displaystyle T _ {\ text {sense}}>T _ {\ text {ref}}}{\displaystyle T_{\text{sense}}>T _ {\ text {ref}}} ), а затем отрицательный электрод.

Термопары из никелевого сплава

Характеристики функций для термопара, которые достигают промежуточных температур, в соответствии с термопарами из никелевого сплава типов E, J, K, M, N, T. Также показаны сплав благородных металлов типа P и чистые комбинации благородных металлов золото-платина и платина-палладий.

Тип E

Тип E (хромель - константан ) имеет высокую выходную мощность (68 мкВ / ° C), что делает его хорошо подходящим для криогенного использования. Кроме того, он немагнитен. Широкий диапазон - 50 ° C до +740 ° C и узкий диапазон от -110 ° C до +140 ° C.

Тип J

Тип J (железо - константа an ) имеет более ограниченный диапазон (от -40 ° C до +750 ° C), чем тип K, но более высокую чувствительность, около 50 мкВ / ° C. Точка Кюри утюга (770 ° C) вызывает плавное изменение характеристики, которая определяет верхний предел температуры. Обратите внимание, что европейский / немецкий тип L является вариантом типа J с другой спецификацией для выхода ЭДС (ссылка DIN 43712: 1985-01).

Тип K

Тип K (хромель - алюмель ) - наиболее распространенная термопара общего назначения с чувствительностью приблизительно 41 мкВ / ° С. Он недорогой, и доступно большое количество датчиков в диапазоне от –200 ° C до +1350 ° C (от –330 ° F до +2460 ° F). Тип K был определен в то время, когда металлургия была менее развита, чем сегодня, и, следовательно, характеристики могут значительно различаться между образцами. Один из составляющих металлов, никель, является магнитным; Характерной чертой термопар, изготовленных из магнитного материала, является то, что они претерпевают отклонение на выходе, когда материал достигает своей точки Кюри, что происходит для термопар типа K при температуре около 185 ° C.

Они очень хорошо работают в окислительной атмосфере. Однако, если в основном восстановительная атмосфера (например, водород с небольшим количеством кислорода) вступает в контакт с проволокой, хром в хромелевом сплаве окисляется. Это снижает выходную ЭДС, и показания термопары низкие. Это явление известно как зеленая гниль из-за цвета пораженного сплава. Хромелевый провод не всегда имеет ярко-зеленый цвет, но на нем образуется пятнистая серебристая корка и он становится магнитным. Простой способ проверить наличие этой проблемы - проверить, являются ли два провода магнитными (обычно хромель немагнитен).

Водород в атмосфере - обычная причина зеленой гнили. При высоких температурах он может диффундировать через твердые металлы или неповрежденную металлическую защитную гильзу. Даже оболочка из оксида магния, изолирующая термопару, не будет удерживать водород.

Зеленая гниль не возникает в атмосфере, достаточно богатой кислородом или бескислородной. Герметичная защитная гильза может быть заполнена инертным газом или может быть добавлен поглотитель кислорода (например, расходуемая титановая проволока). В качестве альтернативы в защитную гильзу можно ввести дополнительный кислород. Другой вариант - использовать термопару другого типа для атмосфер с низким содержанием кислорода, где может возникнуть зеленая гниль; Подходящей альтернативой является термопара типа N.

Тип M

Тип M (82% Ni / 18% Mo –99,2% Ni / 0,8% Co по весу) используются в вакуумных печах по тем же причинам, что и для типа C (описанного ниже). Верхняя температура ограничена 1400 ° C. Он используется реже, чем другие типы.

Тип N

Термопары типа N (Nicrosil - Nisil ) подходят для использования при температуре от −270 ° C до +1300 ° C, благодаря его стабильности и стойкости к окислению. Чувствительность составляет около 39 мкВ / ° C при 900 ° C, что немного ниже по сравнению с типом K.

Разработано Ноэлем А. в Оборонной научно-технической организации (DSTO) Австралии. Термопары Берли типа N преодолевают три основных характерных типа и причины термоэлектрической нестабильности в стандартных материалах термоэлементов из недрагоценных металлов:

  1. Постепенный и, как правило, кумулятивный дрейф термоЭДС при длительном воздействии при повышенных температурах. Это наблюдается во всех материалах термоэлементов из неблагородных металлов и в основном обусловлено изменениями состава, вызванными окислением, науглероживанием или нейтронным облучением, которое может привести к трансмутация в среду ядерного реактора. В случае термопар типа K атомы марганца и алюминия из провода KN (отрицательный) мигрируют в провод KP (положительный), что приводит к дрейфу вниз из-за химического загрязнения. Этот эффект является кумулятивным и необратимым.
  2. Кратковременное циклическое изменение термо-ЭДС при нагревании в диапазоне температур примерно 250–650 ° C, которое происходит в термопарах типов K, J, T и E. Этот вид нестабильности ЭДС связан со структурными изменениями, такими как магнитный ближний порядок в металлургическом составе.
  3. Не зависящее от времени возмущение термоЭДС в определенных диапазонах температур. Это происходит из-за зависящих от состава магнитных превращений, которые возмущают термо-ЭДС в термопарах типа K в диапазоне примерно 25–225 ° C, а в типе J выше 730 ° C.

Сплавы термопар Nicrosil и Nisil значительно улучшены. термоэлектрическая стабильность по сравнению с другими стандартными сплавами термопар из недрагоценных металлов, поскольку их состав существенно снижает термоэлектрическую нестабильность, описанную выше. Это достигается в первую очередь за счет увеличения концентраций растворенных веществ (хрома и кремния) в основе никеля по сравнению с теми, которые требуются для перехода от внутреннего режима окисления к внешнему, а также путем выбора растворенных веществ (кремний и магний), которые предпочтительно окисляются с образованием диффузии.

Термопары типа N являются подходящей альтернативой типу K для условий с низким содержанием кислорода, когда тип K склонен к зеленой гнили. Они подходят для использования в вакууме, инертной атмосфере, окислительной атмосфере или сухой восстановительной атмосфере. Они не переносят присутствие серы.

Тип T

Тип T (медь - константан ) термопары подходят для измерений в диапазоне −200 до 350 ° C. Часто используется в качестве дифференциального измерения, так как только медный провод касается датчиков. Поскольку оба проводника немагнитны, отсутствует точка Кюри и, следовательно, нет резкого изменения характеристик. Термопары типа T имеют чувствительность около 43 мкВ / ° C. Обратите внимание, что медь имеет гораздо более высокую теплопроводность , чем сплавы, обычно используемые в конструкциях термопар, и поэтому необходимо проявлять особую осторожность при термическом закреплении термопар типа T. Аналогичный состав содержится в устаревшем типе U в немецкой спецификации DIN 43712: 1985-01

Термопары из сплава платины и родия

Характеристические функции для типов высокотемпературных термопар, показывающие Pt / Rh, W Термопары из сплавов / Re, Pt / Mo и Ir / Rh. Также показана термопара из чистого металла Pt – Pd.

В термопарах типов B, R и S для каждого проводника используется сплав платина или сплав платина / родий. Это одни из самых стабильных термопар, но они имеют меньшую чувствительность, чем другие типы, примерно 10 мкВ / ° C. Термопары типов B, R и S обычно используются только для высокотемпературных измерений из-за их высокой стоимости и низкой чувствительности.

Тип B

Термопары типа B (70% Pt / 30% Rh – 94% Pt / 6% Rh по весу) подходят для использования при температуре до 1800 ° C. Термопары типа B дают такой же выходной сигнал при 0 ° C и 42 ° C, ограничивая их использование ниже примерно 50 ° C. Функция ЭДС имеет минимум около 21 ° C, что означает, что компенсация холодного спая легко выполняется, поскольку напряжение компенсации по существу является постоянным для эталонного значения при типичных комнатных температурах.

Тип R

Термопары типа R (87% Pt / 13% Rh – Pt по весу) используются от 0 до 1600 ° C.

Тип S

Термопары типа S (90% Pt / 10% Rh – Pt по массе), аналогичные типу R, используются при температурах до 1600 ° C. До введения Международной температурной шкалы 1990 (ITS-90) прецизионные термопары типа S использовались в качестве практических стандартных термометров для диапазона от 630 ° C до 1064 ° C на основе интерполяции между температурами замерзания сурьмы, серебра и золота. Начиная с ITS-90, платиновые термометры сопротивления заняли этот диапазон в качестве стандартных термометров.

Термопары из вольфрама / рениевого сплава

Эти термопары хорошо подходят для измерений в экстремальных условиях. высокие температуры. Типичное применение - водород и инертная атмосфера, а также вакуумные печи. Они не используются в окислительных средах при высоких температурах из-за охрупчивания. Типичный диапазон составляет от 0 до 2315 ° C, который может быть расширен до 2760 ° C в инертной атмосфере и до 3000 ° C для кратких измерений.

Чистый вольфрам при высоких температурах подвергается рекристаллизации и становится хрупким. Поэтому в некоторых приложениях типы C и D предпочтительнее, чем тип G.

В присутствии водяного пара при высокой температуре вольфрам реагирует с оксидом вольфрама, который улетучивается, и водородом. Затем водород вступает в реакцию с оксидом вольфрама, снова образуется вода. Такой «круговорот воды» может привести к эрозии термопары и возможному выходу из строя. Поэтому в условиях высокотемпературного вакуума желательно избегать присутствия следов воды.

Альтернативой вольфраму / рению является вольфрам / молибден, но зависимость напряжение-температура слабее и имеет минимум около 1000 К.

Температура термопары ограничена также другими используемыми материалами. Например, оксид бериллия, популярный материал для высокотемпературных применений, имеет тенденцию увеличивать проводимость с температурой; В конкретной конфигурации датчика сопротивление изоляции падает с мегаом при 1000 К до 200 Ом при 2200 К. При высоких температурах материалы подвергаются химической реакции. При 2700 К оксид бериллия слабо реагирует с вольфрамом, сплавом вольфрам-рений и танталом; при 2600 К молибден реагирует с ВеО, вольфрам не реагирует. BeO начинает плавиться примерно при 2820 K, оксид магния примерно при 3020 K.

Тип C

(95% по массе / 5% Re – 74% по массе / 26% Re, по весу) максимальная температура, измеренная термопарой типа c, составляет 2329 ℃.

Тип D

(97% по массе / 3% Re – 75% по массе / 25% по массе)

Тип G

(Вт –74% W / 26% Re, по массе)

Прочие

Термопары из сплава хрома и золота / железа

Характеристики термопар при низких температурах. Термопары на основе AuFe демонстрируют стабильную чувствительность при низких температурах, тогда как обычные типы быстро выравниваются и теряют чувствительность при низких температурах.

В этих термопарах (хромель - золото / сплав железа ), отрицательный провод выполнен из золота с небольшой долей (0,03–0,15 атомных процента) железа. Нечистая золотая проволока придает термопаре высокую чувствительность при низких температурах (по сравнению с другими термопарами при этой температуре), тогда как хромелевый провод сохраняет чувствительность, близкую к комнатной. Его можно использовать для криогенных приложений (1,2–300 К и даже до 600 К). И чувствительность, и диапазон температур зависят от концентрации железа. Чувствительность обычно составляет около 15 мкВ / К при низких температурах, а самая низкая используемая температура колеблется от 1,2 до 4,2 К.

Тип P (сплав благородных металлов) или «Platinel II»

Термопары типа P (55% Pd / 31% Pt / 14% Au – 65% Au / 35% Pd, по массе) создают термоэлектрическое напряжение, имитирующее тип K в диапазоне от 500 ° C до 1400 ° C, однако они изготовлены исключительно из благородных металлов и поэтому обладают повышенной коррозионной стойкостью. Эта комбинация также известна как Platinel II.

Термопары из сплава платины / молибдена

Термопары из сплава платины / молибдена (95% Pt / 5% Mo – 99,9% Pt / 0,1% Mo, по весу) иногда используются в ядерных реакторах, поскольку они показывают низкий дрейф от ядерной трансмутации, вызванной нейтронным облучением, по сравнению с типами из сплава платина / родий.

Иридий / родий. термопары из сплава

Использование двух проволок из сплавов иридий / родий может обеспечить термопару, которая может использоваться при температуре до 2000 ° C в инертной атмосфере.

Термопары из чистого благородного металла Au – Pt, Pt – Pd

Термопары, изготовленные из двух различных благородных металлов высокой чистоты, могут показать высокую точность даже без калибровки, а также низкий уровень дрейфа. Используются две комбинации: золото-платина и платина-палладий. Их основные ограничения - низкие температуры плавления металлов (1064 ° C для золота и 1555 ° C для палладия). Эти термопары имеют тенденцию быть более точными, чем тип S, и из-за их экономичности и простоты даже рассматриваются как конкурентные альтернативы платиновым термометрам сопротивления, которые обычно используются в качестве стандартных термометров.

HTIR Термопары -TC (стойкие к высокотемпературному облучению)

HTIR-TC - это прорыв в измерении высокотемпературных процессов. Его характеристики: прочный и надежный при высоких температурах до 1700 ° C; устойчивы к облучению; moderately priced; available in a variety of configurations - adaptable to each application; easily installed. Originally developed for use in nuclear test reactors, HTIR-TC may enhance the safety of operations in future reactors. This thermocouple was developed by researchers at the Idaho National Laboratory (INL)

Comparison of types

The table below describes properties of several different thermocouple types. Within the tolerance columns, T represents the temperature of the hot junction, in degrees Celsius. For example, a thermocouple with a tolerance of ±0.0025×T would have a tolerance of ±2.5 °C at 1000 °C.

TypeTemperature range (°C)Tolerance class (°C)Color code
ContinuousShort-termOneTwoIECBSANSI
LowHighLowHigh
K0+1100−180+1370−40 – 375: ±1.5. 375 – 1000: ±0.004×T−40 – 333: ±2.5. 333 – 1200: ±0.0075×TIEC Type K Thermocouple.svg Термопара BS типа K. svg MC 96.1 K Thermocouple Grade Grade Color Code.svg
J0+750−180+800−40 – 375: ±1.5. 375 – 750: ±0.004×T−40 – 333: ±2.5. 333 – 750: ±0.0075×TIEC Type J Thermocouple.svg BS Тип J Thermocouple.svg MC 96,1 Дж Термопара Цветовой код сорта.svg
N0+1100−270+1300−40 – 375: ±1.5. 375 – 1000: ±0.004×T−40 – 333: ±2.5. 333 – 1200: ±0.0075×TIEC Type N Thermocouple.svg BS Type N Thermocouple.svg MC 96.1 N Цветовой код класса термопары.svg
R0+1600−50+17000 – 1100: ±1.0. 1100 – 1600: ±0.003×(T − 767)0 – 600: ±1.5. 600 – 1600: ±0.0025×TBS Type N Thermocouple.svg BS Type R Thermocouple.svg Not defined
S0+1600−50+17500 – 1100: ±1.0. 1100 – 1600: ±0.003×(T − 767)0 – 600: ±1.5. 600 – 1600: ±0.0025×TBS Type R Thermocouple.svg Not defined
B+200+17000+1820Not available600 – 1700: ±0.0025×TNo standardNo standardNot defined
T−185+300−250+400−40 – 125: ±0.5. 125 – 350: ±0.004×T−40 – 133: ±1.0. 133 – 350: ±0.0075×TIEC Type T Thermocouple.svg BS Type T Thermocouple.svg MC 96.1 T Цветовой код класса термопары.svg
E0+800−40+900−40 – 375: ±1.5. 375 – 800: ±0.004×T−40 – 333: ±2.5. 333 – 900: ±0.0075×TIEC Type E Thermocouple.svg BS Type E Thermocouple.svg MC 96.1 E Thermocouple Grade Color Code.svg
Chromel/AuFe−272+300N/AN/AReproducibility 0.2% of the voltage.. Each sensor needs individual calibration.
Thermocouple insulation
Typical low cost type K thermocouple (with standard type K connector ). While the wires can survive and function at high temperatures, the plastic insulation will start to break down at 300 °C.

The wires that make up the thermocouple must be insulated from each other everywhere, except at the sensing junction. Any addit Обычный электрический контакт между проводами или контакт провода с другими проводящими объектами может изменить напряжение и дать ложные показания температуры.

Пластмассы являются подходящими изоляторами для низкотемпературных частей термопары, тогда как керамическая изоляция может использоваться при температуре примерно до 1000 ° C. Другие проблемы (истирание и химическая стойкость) также влияют на пригодность материалов.

Когда изоляция провода разрушается, это может привести к непреднамеренному электрическому контакту в месте, отличном от желаемой точки измерения. Если такая поврежденная термопара используется в замкнутом контуре управления термостатом или другим контроллером температуры, это может привести к неконтролируемому перегреву и, возможно, серьезному повреждению, так как ложное показание температуры обычно будет ниже температуры чувствительного перехода. Неудачная изоляция также обычно выделяет газ, что может привести к загрязнению технологического процесса. Для частей термопар, используемых при очень высоких температурах или в приложениях, чувствительных к загрязнению, единственной подходящей изоляцией может быть вакуум или инертный газ ; механическая жесткость проводов термопар используется для их разделения.

Таблица изоляционных материалов

Тип изоляцииМакс. постоянная температураМакс. однократное считываниеУстойчивость к истираниюВлагостойкостьХимическая стойкость
Слюдяная стеклянная лента649 ° C / 1200 ° F705 ° C / 1300 ° FХорошоУдовлетворительноХорошо
Лента TFE, лента TFE - стеклянная649 ° C / 1200 ° F705 ° C / 1300 ° FХорошееУдовлетворительноеХорошее
Стекловидно-кремнеземная оплетка871 ° C / 1600 ° F1093 ° C / 2000 ° FУдовлетворительнаяПлохо
Двойная стеклянная оплетка482 ° C / 900 ° F538 ° C / 1000 ° FХорошоХорошоХорошо
Эмаль-стеклянная оплетка482 ° C / 900 ° F538 ° C / 1000 ° FУдовлетворительноХорошоХорошо
Двойная стеклянная пленка482 ° C / 900 ° F427 ° C / 800 ° FУдовлетворительноХорошоХорошо
Непропитанная ст еклянная оплетка482 ° C / 900 ° F427 ° C / 800 ° FПлохоПлохоУдовлетворительно
Skive TFE tape, TFE - стеклянная оплетка482 ° C / 900 ° F538 ° C / 1000 ° FХорошоОтличноОтлично
Двойная хлопковая тесьма88 ° C / 190 ° F120 ° C / 248 ° FХорошоХорошоПлохо
"S" -стекло со связующим704 ° C / 1300 ° F871 ° C / 1600 ° FУдовлетворительноеУдовлетворительноеХорошее
Керамическое волокно Nextel1204 ° C / 2200 ° F1427 ° C / 2600 ° FУдовлетворительноеУдовлетворительноеУдовлетворительно
Поливинил / нейлон105 ° C / 221 ° F120 ° C / 248 ° FОтличноОтличноХорошее
Поливинил105 ° C / 221 ° F105 ° C / 221 ° FХорошееОтлично ноеХорошо
Нейлон150 ° C / 302 ° F130 ° C / 266 ° FОтличноХорошоХороший
ПВХ105 ° C / 221 ° F105 ° C / 221 ° FХорошийОтличноХорошо
FEP204 ° C / 400 ° F260 ° C / 500 ° FОтличноОтличноОтлично
ТФЭ с оболочкой и плавлением260 ° C / 500 ° F316 ° C / 600 ° FХорошоОтличноОтлично
Каптон316 ° C / 600 ° F427 ° C / 800 ° FОтличноОтличноОтлично
Тефзель150 ° C / 302 ° F200 ° C / 392 ° FОтличноОтличноОтлично
PFA260 ° C / 500 ° F290 ° C / 550 ° FОтличноОтличноОтлично
T300 *300 ° CХорошоОтличноОтлично

Температурные характеристикии изолироваться в зависимости от того, из чего состоит весь конструкционный кабель термопары.

Примечание: T300 - это новый высокотемпературный материал, который недавно был одобрен UL для рабочих температур 300 ° C.

Области применения

Термопары подходят для измерения в большом диапазоне температур от -270 до 3000 ° C (кратковременно в инертной атмосфере). Применения измерения температуры для печей, газовых турбин выхлопных газов, дизельных двигателей, других промышленных процессов и туманообразователей. Они менее подходят для приложений, в которых требуется измерять меньшую температуру с высокой точностью, например, диапазон 0–100 ° C с точностью до 0,1 ° C. Для таких приложений больше подходят термисторы, кремниевые зонные датчики температуры и термометры сопротивления.

Сталелитейная промышленность

Термопары типов B, S, R и K широко используются в отраслях стали и железа для контроля температуры и химического состава повсюду. процесс производства стали. Одноразовые погружные термопары типа S используются в процессе электродуговой печи для точного измерения температуры стали перед выпуском. Кривую охлаждения небольшого стального образца можно проанализировать и использовать для оценки углерода в жидкой стали.

Безопасность газового прибора

Термопара (крайняя правая трубка) внутри узла горелки водонагревателя Подключение термопары в газовых приборах. Концевой шар (контакт) слева изолирован от фитинга изолирующей шайбой . Линия термопары состоит из медного провода, изолятора и внешней металлической оболочки, которая также используется в качестве заземления.

Многие газовые нагревательные приборы, такие как печи и водонагреватели использовать пилотное пламя для зажигания основной газовой горелки, когда это необходимо. Если пилотное пламя погаснет, может выделиться несгоревший газ, представляет опасность взрыва и опасность для здоровья. Чтобы предотвратить это, некоторые приборы используют термопару в отказоустойчивой цепи , чтобы определить, когда горит контрольная лампа. Наконечник термопары помещается в пилотное пламя, создаваемое напряжение, которое приводит в действие клапан подачи, который подает газ в пилотное пламя. Пока пилотное пламя горит, термопара остается горячей, а пилотный газовый клапан остается открытым. Если контрольная лампа гаснет, температура термопары падает, в результате чего напряжение на термопаре падает, а клапан закрывается.

Там, где зонд можно легко link над пламенем, вместо него часто можно использовать выпрямляющий датчик. Имея частично керамическую конструкцию, они также могут быть известны как стержни пламени, датчики пламени или электроды обнаружения пламени.

Воспламенитель пламени (вверху) и датчик пламени

Некоторые комбинированные клапаны основной горелки и запального газа (в основном, Honeywell ) снижают потребляемую мощность в диапазоне одной универсальной термопары нагревается пилотом (разомкнутая цепь 25 мВ) падает наполовину, когда катушка подключена к источнику 10–12 мВ, 0,2–0,25 А, обычно путем подбора размеров катушки, чтобы она могла удерживать клапан в открытом против легкой пружины, но только после первоначального включения силы достигается состояние, нажимающим и удерживающим ручку для сжатия во время зажигания пилота. Эти системы можно идентифицировать по пилотию и удерживанию в течение x минут. (Требуемый ток удержания для такого клапана намного меньше, чем требуется для более крупного соленоида, предназначенного для удержания клапана из закрытого положения.) Для подтверждения срабатывания клапана и создающих токов изготавливаются специальные испытательные наборы, поскольку обычный миллиамперметр нельзя использовать, так как он создает большее сопротивление, чем катушка газового клапана. Помимо проверки напряжения холостого хода термопары и непрерывности постоянного тока, близкого к короткому замыканию, через катушку газового термопары, самым простым неспециализированным тестом является замена заведомо исправного газового клапана.

Некоторые системы, известные как системы управления милливольтом, расширяют концепцию термопары как для открытия, так и для закрытия главного газового клапана. Напряжение, создаваемое пилотной термопарой, не только активирует пилотный газовый клапан, но также проходит через термостат для питания главного газового клапана. Здесь требуется большее напряжение, чем в описанной выше системе безопасности пилотного пламени, и вместо одной термопары используется термобатарея. Такая система не требует для своей работы источника внешнего электричества и, таким образом, может работать во время сбоя питания, при условии, что все другие связанные системы позволяют это. Это исключает обычные печи с принудительной подачей воздуха, поскольку для работы электродвигателя вентилятора требуется внешнее электрическое питание, но эта функция особенно полезна для автономных конвекционных нагревателей. Подобный предохранительный механизм перекрытия газа с использованием термопары иногда используется для обеспечения зажигания основной горелки в определенный период времени, перекрывая клапан подачи газа основной горелки, если этого не происходит.

Из-за беспокойства по поводу потерь энергии из-за постоянного зажигания разработчики многих новых устройств перешли на беспилотное зажигание с электронным управлением, также называемое прерывистым зажиганием. При отсутствии постоянного запального пламени отсутствует скопления газа, если пламя погаснет, поэтому этим приборам не требуются пилотные предохранительные выключатели на основе термопар. В этих устройствах теряется преимущество работы без постоянного источника электроэнергии, в некоторых устройствах все еще используются стоячие пилоты. Исключением являются более поздние модели проточных водонагревателей (также известных как «безбаковые») , которые используют поток воды для выработки тока, необходимого для зажигания газовой горелки; в этих конструкциях также используется термопара в качестве предохранительного устройства, отключение в случае, если газ не загорится или если пламя погаснет.

Датчики излучения термобатареи

Термобатареи используются для измерения интенсивности падающего излучения, обычно видимого или инфракрасного света, которое нагревает горячие спаи, в то время как холодные спаи находятся на радиаторе. С помощью устройства в продаже датчиков на термобатареях можно измерить интенсивность излучения всего в несколько мкВт / см. Например, некоторые лазерные измерители мощности основаны на таких датчиковх; они известны как лазерный датчик на термобатареи.

Принцип работы термобатареи отличается от принципа действия болометра , поскольку последний зависит от изменения сопротивления.

Производство

Термопары, как правило, отправление при испытании прототипов и механических устройств. Например, в коммутационном устройстве установлено устройство , которое проходит испытание на допустимую нагрузку по току, может быть термопары, которые контролируются во время испытания на нагрев, чтобы подтвердить, что повышение температуры при номинальном токе не соответствует проектным пределов.

Производство энергии

Термопара может вырабатывать ток для частного управления без необходимости в дополнительных схемах и источниках питания. Например, мощность от термопары может активировать клапан при возникновении разницы температур. электрическая энергия, генерируемая термопарой, преобразуется из тепла, которое должно подаваться на горячую сторону для поддержания электрического потенциала. Непрерывная передача тепла необходима, поскольку, протекающий через термопару, вызывает тенденцию охлаждения горячей стороны и нагревание холодной стороны (эффект Пельтье ).

Термопары могут быть соединены последовательно, образуя термобатарею, где все горячие спаи подвергаются более высокой температуре, все холодные спаи - более низкой температуры. Выход представляет собой сумму напряжений на отдельных переходах, что дает большее напряжение и выходную мощность. В радиоизотопном термоэлектрическом генераторе, радиоактивный распад трансурановых элементов в качестве источника тепла использовался для питания космических кораблей в миссиях слишком далеко от Солнца, чтобы использовать солнечные лучи. сила.

Термобатареи, установленные для работы керосиновыми лампами, использовались для работы безбатарейных радиоприемников в продолжающихся районах. Существуют коммерческие производимые фонари, которые используют тепло свечи для работы нескольких светодиодов, а также вентиляторы с термоэлектрическим приводом для циркуляции воздуха и распределения тепла в дровяных печах.

Технологические установки

Химическая промышленность и нефтеперерабатывающих заводах обычно используются компьютеры для регистрации и предельного тестирования различных температур, связанных с процессами, обычно исчисляемых сот. В таких случаях несколько выводов термопары будут подведены к общему контрольному блоку (большому медному блоку), содержащему вторую термопару каждой цепи. Температура блока, в свою очередь, измеряется термистором . Для определения температуры в каждом месте используются простые вычисления.

Термопара в качестве вакуумметра

Термопара может быть в качестве вакуумметра в диапазоне приблизительно от 0,001 до 1 торр абсолютного давления. В этом диапазоне давлений средний свободный пробег газа сравним с размерами вакуумной камеры, а режим потока не является ни чисто вязким, ни чисто молекулярный. В этой конфигурации спай термопары прикреплен к центру короткого нагревательного провода, который обычно запитывается постоянным током около 5 мА, и тепло отводится со скоростью, зависящей от теплопроводности газа.

Температура, измеряемая на стыке термопары, зависит от теплопроводности окружающего газа, которая зависит от давления газа. Разность потенциалов, измеренная с помощью термопары, пропорциональна квадрату давления в диапазоне низкого и среднего вакуума. При более высоких (вязкий поток) и более низких (молекулярный поток) давленияхлопроводность воздуха или любого другого газа практически не зависит от давления. Термопара была впервые предложена в качестве вакуумметра Фоге в 1906 году. Математическая модель термопары в качестве вакуумметра довольно сложна, как подробно объяснил Ван, но может быть упрощен до:

P = B (V 2 - V 0 2) V 0 2, {\ displaystyle P = {\ frac {B ( V ^ {2} -V_ {0} ^ {2})} {V_ {0} ^ {2}}},}{\ displaystyle P = {\ frac {B (V ^ {2} -V_ {0} ^ {2})} { V_ {0} ^ {2}}},}

где P - давление газа, B - постоянная, зависящая от температуры термопары, состава газа и геометрия вакуумной камеры, V 0 - напряжение термопары при нулевом давлении (), и V - напряжение, показываемое термопарой.

Альтернативой является манометр Пирани, который работает аналогичным образом, примерно в том же диапазоне давления, но представляет собой только 2-контактное устройство, измеряющее изменение сопротивления с температурой тонкий провод с электрическим нагревом, а не с помощью термопары.

См. Также
Ссылки
Внешние ссылки
На Викискладе есть материалы, связанные с термопарами.

Таблицы данных термопар:

Последняя правка сделана 2021-06-11 08:32:21
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте