Термопары: принцип действия, разновидности и помощь в выборе

Принцип действия термопары
 
 Термопара – старейший и до сих пор наиболее распространенный 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 важен для рабочих термопар из неблагородных металлов.
 
 Главные преимущества термопар:
 Недостатки термопар:

 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)). Преимуществом является значительно меньшая термоэлектрическая неоднородность, чем у термопар из неблагородных металлов, устойчивость к окислению, вследствие чего высокая стабильность. Преимуществом термопары типа ПР также является практически нулевой выходной сигнал при температурах вплоть до 50°C, таким образом устраняется необходимость термостатирования холодных спаев. Недостатком является высокая стоимость и малая чувствительность (около 10 мкВ/К при 1000°C). Хотя платинородиевые термопары превосходят 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. Недостаток родия изменяет состав платино-родиевого термоэлектрода, что приводит к изменению зависимости ЭДС от температуры и к возникновению термоэлектрических неоднородностей.

 Термопары из неблагородных металлов очень широко используются во всех отраслях промышленности. К ним относятся ТХА, ТХК, ТМК, ТНН, ТЖК, ТВР и некоторые другие серийно выпускаемые. Они дешёвы и просты в обращении, устойчивы к вибрациям, могут выпускаться во взрывозащищенном исполнении. Особенно удобны в обращении кабельные термопары, электроды которых заключены в специальный герметичный гибкий кабель с минеральной изоляцией. Такая конструкция позволяет расположить термопару в самых сложных конструктивных узлах объекта. Преимуществом термопар также является высокая чувствительность. Существенным недостатком является образование термоэлектрической неоднородности в зоне максимального градиента температур, что может привести к ошибке в градуировке более 5°C. Этот недостаток делает очень сомнительной саму возможность периодической поверки термопар в лабораторных условиях и диктует необходимость поверять термопары из неблагородных металлов на месте их рабочего монтажа. Наименьшая термоэлектрическая неоднородность характерна для термопары нихросил/нисил (тип N). Одной из существенных составляющих неопределенности измерений термопарами является учет температуры холодных спаев или точность компенсации спаев в цифровых преобразователях.

 Для измерения высоких температур до 2500°C используют вольфрам-рениевые термопары (ТВР). Особенностью их использования является необходимость устранения окислительной атмосферы, разрушающей проволоку. Для вольфрам-рениевых термопар используют специальные герметичные конструкции чехлов, заполненные инертным газом, а также танталовые и молибденовые чехлы с неорганической изоляцией из оксида бериллия и оксида магния. Одно из важных применений вольфрам-рениевых термопар состоит в измерении температур в ядерной энергетике в присутствии потока нейтронов.

 Особенностью работы с термопарами является применение стандартных удлинительных и компенсационных проводов. Провода позволяют передавать сигнал с термопары на сотни метров к измерительному прибору, внося минимальную потерю точности. Удлинительные провода изготавливаются из того же материала, что и термоэлектроды термопары, но с более низкими требованиями по качеству материалов. Компенсационные провода изготавливаются из совершенно других материалов, чем термоэлектроды и применяются для термопар из благородных металлов. Подробнее об удлинительных проводах смотрите в этой статье.

Особенности применения наиболее распространённых термопар
 
Термопары из неблагородных металлов
 
 Тип J (железо-константановая термопара)
 Тип Е (хромель-константановая термопара)
 Тип Т (медь-константановая термопара)
 Тип К (хромель-алюмелевая термопара)
 Тип N (нихросил-нисиловая термопара)
Общие советы по выбору термопар из неблагородных металлов
 Термопары из благородных металлов
 
 Тип S (платнородий-платиновая термопара)
 Тип R (платнородий-платиновая термопара) 
 Тип В (платнородий-платинородиевая термопара)

Источники погрешности термопар

 Принцип действия термопар и особенности преобразования и передачи сигнала приводят к следующим возможным проблемам при их эксплуатации, вызывающим ошибку в определении температуры:

  1. Дефекты формирования рабочего спая термопары.
  2. Возникновение термоэлектрической неоднородности по длине термоэлектродов и изменение градуировочной характеристики термопары.
  3. Электрическое шунтирование проводников изоляцией и возможное возникновение гальванического эффекта.
  4. Тепловое шунтирование.
  5. Электрические шумы и утечки.
Формирование спая


 Существует много способов формирования рабочего спая термопары: механическое скручивание, пайка, сварка и т.д. При сварке в спай добавляется третий метал, но т.к. температуры проводников, исходящих из спая одинаковы, это не может привести к какой-либо погрешности. Проблема заключается в том, что третий метал, как правило, имеет более низкую температуру плавления и при высоких температурах спай может разорваться. Более того, может происходить загрязнение электродов чужеродным испаряющимся металлом. Поэтому рекомендуется производить сварку рабочего спая. Однако процесс сварки тоже требует особого внимания, т.к. перегрев может повредить термопарную проволоку и газ, используемый для сварки, может диффундировать в проволоку. Дефектная сварка может привести в разрыву спая при эксплуатации. В программном обеспечении, используемом для считывания и обработки сигнала термопары всегда есть специальный тест на разрыв спая. 
 

Образование термоэлектрической неоднородности. Искажение градуировочной характеристики термопары
 

 Это наиболее серьёзный и труднодиагностируемый источник погрешности, т.к. результат отсчета ТЭДС может показаться вполне приемлемым и в то же время быть ошибочным. Термоэлектрическая неоднородность может быть результатом диффузии примесей из окружающей атмосферы при высоких температурах, высокотемпературным отжигом или механической обработкой электродов. Она может образоваться в результате протягивания электродов, неосторожного обращения, ударов и вибраций, вызывающих напряжения в проволоке. Изменение состава сплава может наблюдаться на отдельном участке проволоки, находящейся длительное время в зоне резкого температурного градиента. Однако неоднородность влияет на изменение градуировочной характеристики только в том случае, если она попадает в зону температурного градиента при измерении. Чем больше градиент температуры, тем больше погрешность, возникающая из-за неоднородности. Один из способов уменьшения данной погрешности – сделать более плавным изменение температуры на длине термоэлектрода, например, используя металлические рукава и чехлы. Подробнее о защитной арматуре для термопар смотрите в этой статье.

Сопротивление изоляции термопары
 

 Сопротивление изоляции термоэлектродов уменьшается с повышением температуры по экспоненциальному закону. При высокой температуре, в отдельных случаях, этот эффект может привести к образованию так называемого «виртуального» спая, т.е. фактического замыкания электродов в средней точке термопары. Таким образом, термопара будет измерять температуру не в области рабочего спая, а температуру в средней области. При высоких температурах следует также очень тщательно подбирать материал для изоляции, т.к. примеси и химические вещества изоляции могут проникнуть в электроды и изменить их свойства.

Гальванический эффект
 

 Красящие вещества, применяемые в некоторых видах изоляции, могут вызвать образование электролита при попадании воды. Это может привести к гальваническому эффекту, который по силе превышает эффект Зеебека. Необходимо принимать меры для защиты термопарной проволоки от вредной атмосферы, проникновения воды и других жидкостей. 

Тепловое шунтирование
 

 Необходимо помнить, что термопара, как и любой другой контактный датчик, при введении в объект измерения меняет его температуру. Поэтому, если объект мал, термопара тоже должна иметь малые размеры. Однако термопара, изготовленная из тонкой проволоки, более подвержена эффектам загрязнения, отжига, возникновения напряжений, электрическому шунтированию. Чтобы минимизировать эти эффекты применяют удлинительные провода, которые соединяют термоэлектроды термопары с измерительным вольтметром и имеют коэффициент Зеебека близкий к коэффициенту термопары данного типа. Обычно удлинительный провод имеет больший диаметр, его сопротивление, включенное последовательно с термоэлектродом, не вызывает потерь при передаче сигнала на длинные расстояния. Кроме того, удлинительный провод проще протянуть через подводящий измерительный канал, чем тонкую термопарную проволоку. Поскольку требования к допускам удлинительных проводов установлены только в узком интервале температур и сам провод может быть подвержен механическим повреждениям и натяжению, следует обеспечить минимальный температурный градиент вдоль провода. 

Электрические шумы
 

 Широкополосный шум может быть подавлен аналоговым фильтром. Единственный тип шума, который не может подавить система считывания и обработки сигнала – сдвиг, обусловленный утечкой постоянного тока в системе. Хотя обычно такие утечки не вызывают больших погрешностей, возможность их возникновения должна всегда приниматься во внимание и, по возможности, предотвращаться, особенно если термоэлектроды очень малы и их сопротивление велико.

При технических измерениях выбор термопары  в значительной степени определяется верхним пределом измеряемой температуры, т.к. эксплуатация термопар вблизи верхнего температурного предела  приводит, спустя некоторое время, к изменению термоэлектрических характеристик. Поэтому для длительной эксплуатации целесообразно принимать верхний температурный предел на 200-300°C ниже максимально допустимой для данной термопары температуры.

При измерении низких температур необходимо учитывать, что влияние неоднородности электродов особенно значительно сказывается на показаниях низкотемпературных термопар. При низких температурах чувствительность термопреобразователя уменьшается, а доля паразитной Термо-ЭДС, вызванной неоднородностью, растёт.

Рекомендации по работе с термопарами
 
 Целостность и точность измерительной системы, включающей термопарный датчик, может быть повышена с помощью следующих мер: 
 Конструктивные исполнения термопар
 
 Термопары конструктивно различаются:
 Материал подготовлен на основе:
  1. Информационный портал temperatures.ru
  2. Е.М. Шлеймович, И.Ю. Медведев. «Температура и методы её измерения». Учебное пособие. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2003 г.
Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru
Работает на ocStore
Компания «Приборы Урала» © 2018