Главная » Статьи » Элементы автоматики

Выбор градуировки термопары в зависимости от условий применения

Наиболее распространенные в промышленности датчики для измерения температуры это термопары. При изготовлении термопар используется термоэлектродная проволока из различных по составу металлов и сплавов. Материал термоэлектродной проволоки термопары определяет ее градуировку, диапазон измеряемых температур, чувствительность и особенности применения. 

Особенности применения термопар из неблагородных металлов

Термопары типа К (хромель-алюмелевые термопары)

  • Имеют широкий диапазон измеряемых температур от – 100 °С до +1000 °С (рекомендуемый предел измеряемых температур зависит от диаметра термоэлектродной проволоки термопары);
  • В диапазоне от 200 до 500 °С возникает эффект гистерезиса, т.е показания при нагреве и охлаждении могут различаться - разница достигает ±5 °С;
  • Используется в нейтральной атмосфере или атмосфере с избытком кислорода;
  • Легко загрязняться примесями при высоких температурах; 
  • При термического старения показания термопары снижаются;
  • Не рекомендуется использовать в разряженной атмосфере, т.к. хром может выделяться из Ni-Cr вывода (эффект миграции). Термопара при этом изменяет ТЭДС и показывает заниженную температуру;
  • Атмосфера серы вредна для термопары.
Термопары типа J (железо-константановые термопары)
  • Не рекомендуется использовать ниже 0 °С, т.к. конденсация влаги на железном выводе приводит к образованию ржавчины;
  • Наиболее подходящий тип термопары для применения в разряженной атмосфере;
  • Максимальная температура применения +500 °С, т.к выше этой температуры происходит быстрое окисление выводов. Оба вывода термопары типа J быстро разрушаются в атмосфере содержащей серу;
  • Показания повышаются при термического старения.

Термопары типа Е (хромель-константановые термопары)

  • Обладают высокой чувствительностью;
  • Подходит для использования при низких температурах.

Термопары типа Т (медь-константановые термопары)

  • Может использоваться для измерения температур ниже 0 °С;
  • Может использоваться в атмосфере с небольшим избытком или недостатком кислорода;
  • Не рекомендуется использование при температурах выше 400 °С;
  • Не чувствительна к повышенной влажности.

Термопары типа N (нихросил-нисиловые термопары)

  • Предварительно "загрязненная" кремнием термопара типа К. Таким образом снижается риск дальнейшего загрязнения во время работы;
  • Рекомендуемая рабочая температура до 1200 °С (зависит от диаметра проволоки);
  • Кратковременная работа возможна при 1250 °С;
  • Высокая стабильность при температурах от 200 до 500 °С (значительно меньший гистерезис, чем для термопары типа К);
  • Считается самой точной термопарой из неблагородных металлов.

В зависимости от диапазона измеряемых температур рекомендуется применение следующих типов термопар:

  • Для измерения температур ниже нуля – термопары типа Е, Т;
  • Для измерения комнатных температур – термопары типа К, Е, Т;
  • Для измерения температур до 300 °С – термопары типа К;
  • Для измерения температур от 300 до 600°С – термопары типа N;
  • Для измерения температур выше 600 °С – термопары типа К или N.

Термопары из неблагородных металлов дешевы и просты в обращении, устойчивы к вибрациям, могут выпускаться во взрывозащищенном исполнении. Преимуществом термопар из неблагородных металлов является высокая чувствительность.

Существенным недостатком является образование термоэлектрической неоднородности в зоне максимального градиента температур, что может привести к ошибке в градуировке более 5 °С. Этот недостаток делает очень сомнительной саму возможность периодической поверки термопар в лабораторных условиях. Поэтому поверку термопар следует проводить при той же глубине погружения в среду, что и на рабочем объекте. Наименьшая термоэлектрическая неоднородность характерна для термопары нихросил/нисил (тип N).

 Особенности применения термопар из благородных металлов 

Термопары типы S и R (платнородий-платиновые и платнородий-платиновые термопары)

  • Рекомендуемая максимальная рабочая температура 1350 °С;
  • Кратковременное применение возможно при 1600 °С;
  • Загрязняется при температурах выше 900 °С водородом, углеродом, металлическими примесями из меди и железа. При содержании железа в платиновом электроде на уровне 0,1%, ТЭДС изменяется более, чем на 1 мВ (100°С) при 1200 °С и 1,5 мВ (160 °С) при 1600 °С. Такая же картина наблюдается при загрязнении медью. Таким образом, термопары нельзя армировать стальной трубкой, или следует изолировать электроды от трубки газонепроницаемой керамикой;
  • Может применяться в окислительной атмосфере;
  • При температуре выше 1000 °С термопара может загрязняться кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных керамических материалов. Важно использовать керамические трубки, состоящие из высокочистого оксида алюминия;
  • Не рекомендуется применять ниже 400 °С, т.к ТЭДС в этой области мала и крайне не линейна.

Термопары типа В (платнородий-платинородиевые термопары)

  • Рекомендуемая максимальная температура рабочего диапазона 1500 °С (зависит от диаметра проволоки);
  • Кратковременное применение возможно до 1750 °С;
  • Может загрязняться при температурах выше 900 °С водородом, кремнием, парами меди и железа, но эффект меньше, чем для термопар типа S и R;
  • При температуре выше 1000 °С термопара может загрязняться кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных керамических материалов. Важно использовать керамические трубки, состоящие из высокочистого оксида алюминия;
  • Может использоваться в окислительной среде;
  • Не рекомендуется применение при температуре ниже 600 °С, где ТЭДС очень мала и не линейна.

Наиболее точные термопары – с термоэлектродами из благородных металлов: платинородий-платиновые ПП: тип S ( Pt-10%Rh / Pt)  и 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 °С, таким образом устраняется необходимость термостатирования холодных спаев и возможность применения медных соединительных проводов. Недостатком является высокая стоимость и малая чувствительность (около 10 мкВ/К при 1000 °С). 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.