Термоэлектрические термометры (термопары)

Применение термоэлектрических термометров для измерения темпера­туры основано на термоэлектрическом эффекте - зависимости термо­электродвижущей силы термопары от температуры. Термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС) возникает в цепи, составленной из двух разнородных проводников при неравенстве темпера­тур в местах соединения этих провод­ников; если в цепи температуры мест соединения проводников а и b бу­дут одинаковы и равны t (рис.3), то и разности потенциалов будут равны по зна­чению, но иметь разные знаки, а суммарная термо-ЭДС и ток в цепи будут равны нулю.

Рисунок 3 – Термоэлектрическая цепь

Если t ≠ t_o, то суммарная термо-ЭДС не равна нулю, так как разности потенциалов для од­них и тех же проводников при разных температурах не равны. Результирующая термо-ЭДС зависит для данных проводников а и b от температур t и t_o. Чтобы по­лучить однозначную зависимость тер­мо-ЭДС от измеряемой температуры t, необходимо другую температуру t₀ поддерживать постоянной.

Для измерения термо-ЭДС в цепь термоэлектрического термометра вклю­чают измерительный прибор, причем его включение вводит в цепь по край­ней мере еще один, третий проводник.

Для измерения температуры термо­электри­ческим термометром необходимо измерить термо-ЭДС, развиваемую термометром, и температуру свобод­ных концов. Если температура свобод­ных концов термометра при измерении температуры равна 0°С, то измеряе­мая температура определяется сразу из градуировочной характеристики (таблиц, графиков), устанавливающей зависимость термо-ЭДС от температуры рабочего спая.

Градуировочные характеристики термоэлект­рических термометров определены, как правило, при температуре свобод­ных концов, равной 0 °С. Если темпе­ратура свободных концов на практике отличается от 0°С, но остается посто­янной, то для определения температу­ры рабочего конца по градуировочной характеристике необходимо знать не только термо-ЭДС, развиваемую тер­мометром, но и температуру свобод­ных концов t₀. Чтобы ввести поправ­ку на температуру свободных концов t_o, если t_o, необходимо к термо-ЭДС, развиваемой термоэлектричес­ким термометром E(t,t_o), прибавить E(t_o,0), чтобы получить значение тер­мо-ЭДС E(t,0):

E(t,t_o)+ E(t_o,0)=E(t,0),

Значение поправки на температуру свободных концов термоэлектрическо­го термометра зависит от градуиро­вочной характеристики термометра, определяемой материалами проводни­ков, из которых изготовлен термоэлек­трический термометр. Независимо от способа введения поправки (расчетно­го или автоматического) методика введения поправки остается неизмен­ной: определяется расчетным путем или автоматически в схеме получается значение E(t_o,0), которое затем сум­мируется с термо-ЭДС термопары. Суммарная термо-ЭДС E(t, 0) соот­ветствует градуировочному значению.

Два любых разнородных проводни­ка могут образовать термоэлектриче­ский термометр. К материалам, использу­емым для изготовления термоэлектри­ческих термометров, предъявляется целый ряд требований жаростой­кость, жаропрочность, химическая стойкость, воспроизводимость, ста­бильность, однозначность и линейность градуировочной характеристики и ряд других. К числу обязательных требований относятся стабильность градуировочной харак­теристики и (для стандартных термо­метров) воспроизводимость в необхо­димых количествах материалов, обла­дающих вполне определенными термо­электрическими свойствами. Все остальные требования являются жела­тельными. Например, могут быть очень жаропрочные материалы, вос­производимые с однозначной и линей­ной градуировочной характеристикой и высоким коэффициентом преобразо­вания. Но если градуировочная харак­теристика этих материалов нестабиль­на, то измерять таким термометром нельзя. С другой стороны, материалы, имеющие низкий коэффициент преоб­разования, нелинейную градуировочную характеристику, но имеющие ста­бильную характеристику, используют­ся для термоэлектрических термомет­ров.

Ха­рактеристики стандартных термоэлектрических термометров приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Ха­рактеристики стандартных термоэлектрических термометров

Медь-копелевые и медь-медноникелевые типа Т (близкие к медь-константановым) термоэлектрические термо­метры применяются главным образом для измерения низких температур в промышленности и лабораторной практике. Применение этих термомет­ров для температур менее 200°С осложняется существенным уменьше­нием коэффициента преобразования с уменьшением температуры. При тем­пературах свыше 400 °С начинается интенсивное окисление меди, что огра­ничивает применение термометров этих типов.

Железо-медноникелевые, близкие к железо-константановым термоэлектри­ческим термометры типа J применяют­ся в широком диапазоне температур от минус 200 до плюс 700 °С, а кратковремен­но — и до 900 °С. Они имеют доста­точно большой коэффициент преобра­зования (около 55 мкВ/°С). Верхний предел измерения ограничен окислени­ем железа и медноникелевого сплава.

Хромель-копелевые термоэлектри­ческие термометры обладают наиболь­шим коэффициентом преобразования из всех стандартных термометров (около 70—90 мкВ/°С). Для термо­метров с термоэлектродами диамет­ром менее 1 мм верхний предел дли­тельного применения менее 600 °С и составляет, например, для термоэлек­тродов диаметром 0,2—0,3 мм только 400 °С. Верхний предел применения определяется стабильностью характе­ристик копелевого термоэлектрода

Никельхром-медноникелевые (тип Е), близкие к хромель-константановым, и никельхром-никельалюминиевые (тип К) термометры, ранее назы­ваемые хромель-алюмелевыми, приме­няются для измерения температуры различных сред в широком интервале температур. Термоэлектрод из никель алюминиевой проволоки менее устойчив к окислению, чем никельхромовый Верхние пределы применения зависят от диаметра термоэлектродов. Для термоэлектродов диаметром 3—5 мм верхний предел длительного примене­ния никельхром - никельалюминиевых термометров составляет 1000°С, а для диаметра 0,2—0,3 мм — не более 600°С. Для никельхром-медноникелевой термопары он не превышает 700 °С.

Все вышеперечисленные термоэлект­рические термометры из неблагород­ных материалов хорошо стоят в инерт­ной и восстановительной атмосфере, в окислительной атмосфере их срок службы ограничен Кроме того, термо­электрические термометры хромель-копелевые и никельхром-никельалю-миниевые (хромель-алюмелевые) от­личаются достаточно высокой стабиль­ностью градуировочной характеристи­ки при высокой интенсивности ионизи­рующих излучений

Платинородий-платиновые термо­электрические термометры (тип S) мо­гут длительно работать в интервале температур от 0 до 1300 °С, а кратко­временно — до 1600 °С. Положитель­ный термоэлектрод представляет собой сплав, состоящий на 10 процентов из ро­дия и на 90 процентов из платины, отрицатель­ный термоэлектрод состоит из чистой платины. Эти термометры сохраняют стабильность градуировочной харак­теристики в окислительной и нейтраль­ной средах. В восстановительной атмо­сфере платинородий-платиновые тер­мометры работать не могут, так как происходит существенное изменение термо-ЭДС термометра. Так же не­благоприятно воздействует на плати­нородий-платиновые термометры кон­такт с углеродом, парами металлов, соединениями углерода и кремния, а также рядом других материалов, за­грязняющих термоэлектроды. Следует отметить, что градуировочная харак­теристика типа S не совпадает с гра­дуировочной характеристикой ПП, применявшейся ранее.

Платинородий-платинородиевые тер­моэлектрические термометры (тип В) применяются длительно в интервале температур от 300 до 1600°С, кратко­временно—до 1800°С Положитель­ный электрод — сплав из 30 процентов родия и 70 процентов платины, а отрицательный — из 6 процентов родия и 94 процентов платины. Эти термометры отличаются большей ста­бильностью градуировочной характе­ристики, чем платинородий-платино­вые, но они также плохо работает в восстановительной среде. В связи с тем, что термо-ЭДС, развиваемая платино-родийплатинородиевыми термометра­ми в интервале температур 0—100°С, незначительна, при технических изме­рениях их можно применять без термостатирования свободных концов. Например, если температура свобод­ных концов 70 °С и поправка на нее не вводится, то при температуре рабо­чего спая 1600°С это вызовет погреш­ность около 2,1°С. Градуировочная характеристика типа В также не совпадает с градуировочной характерис­тикой ПР.

Вольфрамрений - вольфрамрениевые термоэлектрические термометры пред­назначены для длительного измерения температур от 0 до 2200 °С и кратко­временно до 2500 °С в вакууме, в нейтральной и восстановительной сре­дах. Положительный термоэлектрод — сплав из 95 процентов вольфрама и 5 процентов рения, отрицательный—сплав из 80 процентов вольф­рама и 20 процентов рения.

Конструктивное исполнение термометров определяется условиями их применения.

По типу исполнения стандартные ТЭП делятся на:

- погружаемые и поверхностные;

- стационарные и переносные;

- одинарные, двойные и тройные;

- однозонные и многозонные;

- обыкновенные;

- водозащищенные;

- взрывобезопасные и т.д.

Возможны различные сочетания этих исполнений.

Конструктивно термоэлектрический преобразователь представляет собой две проволоки из разнородных материалов, нагреваемые концы которых скручиваются, а затем свариваются или спаиваются.

Конструктивное оформление термометров разнообразно и определяется изготовителем исхода из заказа.

На рисунке 4 представлена конструкция термометра, которая чаще всего используется для измерения температуры в трубопроводах и аппаратах, находящихся под давлением.

Рисунок 4 - Конструкция термоэлектрического преобразователя:

1 - защитный чехол; 2 - термоэлектроды; 3 - изоляционные бусы; 4 - порошок; 5 - штуцер; 6 - розетка с клеммами; 7 - головка; 8 - крышка; 9 - штуцер под кабель

Для защиты от механических повреждений и воздействия среды, температура которой измеряется, электроды ТЭП, армированные изоляцией, помещают в специальную защитную арматуру.

У рабочих преобразователей, применяемых для измерения температуры различных сред, арматура состоит их защитного чехла 7, неподвижного или передвижного штуцера 5 с сальниковым уплотнением (на рисунке не показано) и головки 7, прочно присоединенной к защитному чехлу.

В головке, снабженной крышкой 8 и штуцером под кабель 9, помещена розетка 6 из изоляционного материала с клеммами для присоединения термоэлектродов 2 и проводов, соединяющих термометр с измерительным прибором или преобразователем.

В качестве изоляции термоэлектродов термометра применяются одно- или двухканальные трубки или бусы 3 из фарфора (для температуры до +1300 °С) и окислов алюминия, магния или бериллия (свыше +1300 °С), надеваемые на термоэлектроды. Свободное пространство между термоэлектродами и защитным чехлом, для лучшей теплопередачи, заполнено порошком окиси алюминия 4.

Длина монтажной (рабочей) части Lраб, погружаемой в среду, температуру которой измеряют, выполняется различной для каждого конкретного типа ТЭП.

Рабочий конец термометра можно выполнять сваркой, пайкой или скруткой. Наибольшее распространение получил способ изготовления спая с помощью сварки. Пайка применяется только в специальных случаях. Скрутка рабочего конца применяется для термоэлектрических термометров вольфрамрениевой и вольфраммолибденовой групп.

Сварку электродов ТЭП производят как с предварительной скруткой термоэлектродов, так и без скрутки. Еще одним вариантом изготовления спая рабочего конца является приварка электродов к дну защитного чехла.

Выпускаются одинарные (с одним чувствительным элементом) и двойные (с двумя чувствительными элементами) термоэлектрические преобразователи различных типов. Двойные термометры применяются для измерения температуры в одном и том же месте одновременно двумя вторичными приборами, установленными в разных пунктах наблюдения. Они содержат два одинаковых чувствительных элемента, заключенных в общую арматуру. Термоэлектроды их изолированы друг от друга и от защитного чехла.

В настоящее время в мире широкое распространение получили термоэлектрические преобразователи, изготавливаемые из термопарного кабеля (рис.5). Он представляет собой гибкую металлическую трубку, с расположенными внутри нее одной или двумя парами термоэлектродов, которые расположены параллельно друг другу. Пространство вокруг термоэлектродов заполнено сильно уплотнѐнной мелкодисперсной минеральной изоляцией.

Рисунок 5 - Термопарный кабель с одной или двумя парами термоэлектродов:

1 - оболочка кабеля; 2 - минеральная изоляция (MgO); 3 – термоэлектроды

В России выпускают термопарный кабель с двумя типами термоэлектродов: КТМС-ХА и КТМС-ХК (кабель термопарный с минеральной изоляцией в стальной оболочке с хромель - алюмелевыми или хромель-копелевыми термоэлектродами).

Термопарный кабель за счѐт высокой плотности заполнения периклазом выдерживает изгиб на 180° вокруг цилиндра диаметром, равным пятикратному диаметру кабеля.

.