Термопарный провод: характеристики и особенности применения

Термопарные (компенсационные) провода и их применение

Подписка на рассылку

Термопарные и компенсационные провода используются для измерения температуры и применяются с термопарами. Термопарным проводам присуща хорошая стойкость к любым температурам. Они прекрасно переносят воздействие коррозии, кислоты, устойчивы к старению, а также влиянию воды и масла. Каждый провод состоит из определенной пары жил.

Жилы изготовляют из разных термоэлектродных металлов и сплавов, составляющих пару:

М—медь — констан
МК — медь — копель
П — медь — сплав ТП
ХК — хромель — копель
ХА — хромель — алюмель
ХКА — хромель _ копель — алюмель
КС — никель — кобальт — спецалюмель
МС — никель — железо — спецкопель

Эти сплавы характеризуются рядом преимуществ:

низкой плотностью
жаростойкостью
высоким удельным электрическим сопротивлением
значительной электродвижущей силой

Расцветка термопарных проводов с жилами из различных термоэлектродных сплавов

Жилы различаются по числу проволок, которые придают проводам гибкость. Каждому металлу присуща своя расцветка, которая характеризуется цветной изоляцией и нитями.

Изоляция термопарных проводов

Для изоляции жил проводов ПКГВ, ПКВ, ПКВП используют поливинилхлоридный пластикат. Изоляция проводов типа ПКС осуществляется с помощью резины. Изолированные жилы проводов ПКВ, ПКВП и ПКГВ укладываются параллельно и обволакиваются поливинилхлоридным пластикатом (толщина слоя 0,6 мм), на ПКС наносится свинцовая оболочка толщиной 0,8 мм. Далее оболочка провода ПКВП оплетается с помощью стальной оцинкованной проволоки. Провода вышеуказанных типов предназначены для применения в температурном диапазоне -40 — +65 градусов. Относительная влажность при температуре -40 не должна превышать 98%.

Если температурный режим составляет -60 — +250 градусов, то используют термопарные провода типа СФКЭ И СФК. Для изоляции жил этих проводов применяется слой стекловолокна, а в промежутках между ним добавляется слой фторлона. Изолированные жилы укладываются параллельно, оплетаются с помощью стекловолокна, после чего наносится слой кремнийорганического лака.

Возможная одинарная и двойная изоляция. В первом случае каждую жилу изолируют в отдельности, во втором — добавляется кожух, являющийся внешним слоем изоляции. От того насколько толстым будет изоляционный слой, зависит длительность эксплуатации провода. Если предполагается продолжительное использование провода в условиях низких температур и агрессивной среды, требуется более толстая изоляция.

Применение термопарных проводов

Сегодня термопарные провода применяется достаточно часто. Они могут служить контрольными термопарами с целью контролирования равномерности распределения тепла по промышленной печи. Если необходимо организовать контроль температур, в которых проходит обработка материала или детали, прибегают к применению закладных термопар.

В основе их работы лежит способность сплавов к образованию термодвижущей силы, которая будет зависеть от спаечных мест двух проводников. Возникновение термодвижущей силы происходит в том месте, где соединяются два конца проводника, имеющие одинаковую температуру нагрева. Такие проводники называются термоэлектродами, а их пара носит название термопара.

В ходе эксплуатации термопары один ее конец сваривается между собой в горячий спай. Его и будут присоединять к объекту, который необходимо контролировать. Холодный спай, образуемый противоположными концами термопары, служит для присоединения к измерительному устройству. Обязательное условие эксплуатации — изоляция термоэлектродов друг от друга по всей длине, за исключением горячего спая.

О термопарах: что это такое, принцип действия, подключение, применение

В автоматизации технологических процессов очень часто приходится снимать показатели о температурных изменениях, для их загрузки в системы управления, с целью дальнейшей обработки. Для этого требуются высокоточные, малоинерционные датчики, способные выдерживать большие температурные нагрузки в определённом диапазоне измерений. В качестве термоэлектрического преобразователя широко используются термопары – дифференциальные устройства, преобразующие тепловую энергию в электрическую.

Устройства также являются простым и удобным датчиком температуры для термоэлектрического термометра, предназначенного для осуществления точных измерений в пределах довольно широких температурных диапазонов. В частности, управляющая автоматика газовых котлов и других отопительных систем срабатывает от электрического сигнала, поступающего от сенсора на базе термопары. Конструкции датчика обеспечивают необходимую точность измерений в выбранном диапазоне температур.

Устройство и принцип действия

Термопара конструктивно состоит из двух проволок, каждая из которых изготовлена из разных сплавов. Концы этих проводников образуют контакт (горячий спай) выполненный путём скручивания, с помощью узкого сварочного шва либо сваркой встык. Свободные концы термопары замыкаются с помощью компенсационных проводов на контакты измерительного прибора или соединяются с автоматическим устройством управления. В точках соединения образуется другой, так называемый, холодный спай. Схематически устройство изображено на рисунке 1.

Рис. 1. Схема строения термопары

Красным цветом выделено зону горячего спая, синим – холодный спай.

Электроды состоят из разных металлов (металл А и металл В), которые на схеме окрашены в разные цвета. С целью защиты термоэлектродов от агрессивной горячей среды их помещают в герметичную капсулу, заполненную инертным газом или жидкостью. Иногда на электроды надевают керамические бусы, как показано на рис. 2).

Рис. 2. Термопара с керамическими бусами

Принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте. При замыкании цепи, например милливольтметром (см. рис. 3) в точках спаек возникает термо-ЭДС. Но если контакты электродов находятся при одинаковой температуре, то эти ЭДС компенсируют друг друга и ток не возникает. Однако, стоит нагреть место горячей спайки горелкой, то согласно эффекту Зеебека возникнет разница потенциалов, поддерживающая существование электрического тока в цепи.

Рис. 3. Измерение напряжения на проводах ТП

Примечательно, что напряжение на холодных концах электродов пропорционально зависит от температуры в области горячей спайки. Другими словами, в определённом диапазоне температур мы наблюдаем линейную термоэлектрическую характеристику, отображающую зависимость напряжения от величины разности температур между точками горячей и холодной спайки. Строго говоря, о линейности показателей можно говорить лишь в том случае, когда температура в области холодной спайки постоянна. Это следует учитывать при выполнении градуировок термопар. Если на холодных концах электродов температура будет изменяться, то погрешность измерения может оказаться довольно значительной.

В тех случаях, когда необходимо добиться высокой точности показателей, холодные спайки измерительных преобразователей помещают даже в специальные камеры, в которых температурная среда поддерживается на одном уровне специальными электронными устройствами, использующими данные термометра сопротивления (схема показана на рис. 4). При таком подходе можно добиться точности измерений с погрешностью до ± 0,01 °С. Правда, такая высокая точность нужна лишь в немногих технологических процессах. В ряде случаев требования не такие жёсткие и погрешность может быть на порядок ниже.

Рис. 4. Решение вопроса точности показаний термопар

На погрешность влияют не только перепады температуры в среде, окружающей холодную спайку. Точность показаний зависит от типа конструкции, схемы подключения проводников, и некоторых других параметров.

Типы термопар и их характеристики

Различные сплавы, используемые для изготовления термопар, обладают разными коэффициентами термо-ЭДС. В зависимости от того, из каких металлов изготовлены термоэлектроды, различают следующие основные типы термопар:

ТПП13 – платинородий-платиновые (тип R);
ТПП10 – платинородий-платиновые (тип S);
ТПР – платинородий-платинродиевые (тип B);
ТЖК – железо-константановые (тип J);
ТМКн – медь-константановые (тип T);
ТНН – нихросил-нисиловые (тип N);
ТХА – хромель-алюмелевые (тип K);
ТХКн – хромель-константановые (тип E);
ТХК – хромель-копелевые (тип L);
ТМК – медь-копелевые (тип M);
ТСС – сильх-силиновые (тип I);
ТВР – вольфрамрениевые (типы A-1 – A-3).

Технические требования к термопарам задаются параметрами определёнными ГОСТ 6616-94, а их НСХ (номинальные статические характеристики преобразования), оптимальные диапазоны измерений, установленные классы допуска регулируются стандартами МЭК 62460, и определены ГОСТ Р 8.585-2001. Заметим, также, что НСХ в вольфрам-рениевых термопарах отсутствовали в таблицах МЭК до 2008 г. На сегодняшний день указанными стандартами не определены характеристики термопары хромель-копель, но их параметры по прежнему регулируются ГОСТ Р 8.585-2001. Поэтому импортные термопары типа L не являются полным аналогом отечественного изделия ТХК.

Классификацию термодатчиков можно провести и по другим признакам: по типу спаев, количеству чувствительных элементов.

Типы спаев

В зависимости от назначения термодатчика спаи термопар могут иметь различную конфигурацию. Существуют одноэлементные и двухэлементные спаи. Они могут быть как заземлёнными на корпус колбы, так и незаземленными. Понять схемы таких конструкций можно из рисунка 5.

Рис. 5. Типы спаев

Буквами обозначено:

И – один спай, изолированный от корпуса;
Н – один соединённый с корпусом спай;
ИИ – два изолированных друг от друга и от корпуса спая;
2И – сдвоенный спай, изолированный от корпуса;
ИН – два спая, один из которых заземлён;
НН – два неизолированных спая, соединённых с корпусом.

Заземление на корпус снижает инерционность термопары, что, в свою очередь, повышает быстродействие датчика и увеличивает точность измерений в режиме реального времени.

С целью уменьшения инерционности в некоторых моделях термоэлектрических преобразователей оставляют горячий спай снаружи защитной колбы.

Многоточечные термопары

Часто требуется измерение температуры в различных точках одновременно. Многоточечные термопары решают эту проблему: они фиксируют данные о температуре вдоль оси преобразователя. Такая необходимость возникает в химических и нефтехимических отраслях, где требуется получать информацию о распределении температуры в реакторах, колоннах фракционирования и в других ёмкостях, предназначенных для переработки жидкостей химическим способом.

Многоточечные измерительные преобразователи температуры повышают экономичность, не требуют сложного обслуживания. Количество точек сбора данных может достигать до 60. При этом используется только одна колба и одна точка ввода в установку.

Таблица сравнения термопар

Выше мы рассмотрели типы термоэлектрических преобразователей. У читателя, скорее всего, резонно возник вопрос: Почему так много типов термопар существует?

Дело в том, что заявленная производителем точность измерений возможна только в определённом интервале температур. Именно в этом диапазоне производитель гарантирует линейную характеристику своего изделия. В других диапазонах зависимость напряжения от температуры может быть нелинейной, а это обязательно отобразится на точности. Следует учитывать, что материалы обладают разной степенью плавкости, поэтому для них существует предельное значение рабочих температур.

Для сравнения термопар составлены таблицы, в которых отображены основные параметры измерительных преобразователей. В качестве примера приводим один из вариантов таблицы для сравнения распространённых термопар.

Тип термопары	K	J	N	R	S	B	T	E
Материал положительного электрода	Cr—Ni	Fe	Ni—Cr—Si	Pt—Rh (13 % Rh)	Pt—Rh (10 % Rh)	Pt—Rh (30 % Rh)	Cu	Cr—Ni
Материал отрицательного электрода	Ni—Al	Cu—Ni	Ni—Si—Mg	Pt	Pt	Pt—Rh (6 % Rh	Cu—Ni	Cu—Ni
Температурный коэффициент	40…41	55.2	68
Рабочий температурный диапазон, ºC	0 до +1100	0 до +700	0 до +1100	0 до +1600	0 до 1600	+200 до +1700	−185 до +300	0 до +800
Значения предельных температур, ºС	−180; +1300	−180; +800	−270; +1300	– 50; +1600	−50; +1750	0; +1820	−250; +400	−40; +900
Класс точности 1, в соответствующем диапазоне температур, (°C)	±1,5 от −40 °C до 375 °C	±1,5 от −40 °C до 375 °C	±1,5 от −40 °C до 375 °C	±1,0 от 0 °C до 1100 °C	±1,0 от 0 °C до 1100 °C	±0,5 от −40 °C до 125 °C	±1,5 от −40 °C до 375 °C
	±0,004×T от 375 °C до 1000 °C	±0,004×T от 375 °C до 750 °C	±0,004×T от 375 °C до 1000 °C	±[1 + 0,003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °C	±[1 + 0,003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °	±0,004×T от 125 °C до 350 °C	±0,004×T от 375 °C до 800 °C
Класс точности 2 в соответствующем диапазоне температур, (°C)	±2,5 от −40 °C до 333 °C	±2,5 от −40 °C до 333 °C	±2,5 от −40 °C до 333 °C	±1,5 от 0 °C до 600 °C	±1,5 от 0 °C до 600 °C	±0,0025×T от 600 °C до 1700 °C	±1,0 от −40 °C до 133 °C	±2,5 от −40 °C до 333 °C
	±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C	±0, T от 333 °C до 750 °C	±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C	±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C	±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C	±0,0075×T от 133 °C до 350 °C	±0,0075×T от 333 °C до 900 °C
Цветовая маркировка выводов по МЭК	Зелёный — белый	Чёрный — белый	Сиреневый — белый	Оранжевый — белый	Оранжевый — белый	Отсутствует	Коричневый — белый	Фиолетовый — белый

Способы подключения

Каждая новая точка соединения проводов из разнородных металлов образует холодный спай, что может повлиять на точность показаний. Поэтому подключения термопары выполняют, по возможности, проводами из того же материала, что и электроды. Обычно производители поставляют изделия с подсоединёнными компенсационными проводами.

Некоторые измерительные приборы содержат схемы корректировки показаний на основе встроенного термистора. К таким приборам просто подключаются провода, соблюдая их полярность (см. рис. 6).

Рис. 6. Компенсационные провода

Часто используют схему подключения «на разрыв». Измерительный прибор, подключают через проводник того же типа что и клеммы (чаще всего медь). Таким образом, в местах соединения отсутствует холодный спай. Он образуется лишь в одном месте: в точке присоединения провода к электроду термопары. На рисунке 7 показана схема такого подключения.

Рис. 7. Схема подключения на разрыв

При подключении термопары следует как можно ближе размещать измерительные системы, чтобы избежать использования слишком длинных проводов. Во всяком проводе возможны помехи, которые усиливаются с увеличением длины проволоки. Если от радиопомех можно избавиться путём экранирования проводки, то бороться с токами наводки гораздо сложнее.

В некоторых схемах используют компенсирующий терморезистор между контактом измерительного прибора и точкой холодного спая. Поскольку внешняя температура одинаково влияет на резистор и на свободный спай, то данный элемент будет корректировать такие воздействия.

И напоследок: подключив термопару к измерительному прибору, необходимо, пользуясь градуировочными таблицами, выполнить процедуру калибровки.

Применение

Термопары используются везде, где требуется измерение температуры в технологической среде. Они применяются в автоматизированных системах управления в качестве датчиков температуры. Термопары типа ТВР, у которых внушительный диаметр термоэлектрода, незаменимы там, где требуется получать данные о слишком высокой температуре, в частности в металлургии.

Газовые котлы, конвекторы, водонагревательные колонки также оборудованы термоэлектрическими преобразователями.

Преимущества

высокая точность измерений;
достаточно широкий температурный диапазон;
высокая надёжность;
простота в обслуживании;
дешевизна.

Недостатки

Недостатками изделий являются факторы:

влияние свободных спаев на показатели приборов;
ограничение пределов рабочего диапазона нелинейной зависимостью ТЭДС от степени нагревания, порождающей сложности в разработке вторичных преобразователей сигналов;
при длительной эксплуатации в условиях перепадов температур ухудшаются градуировочные характеристики;
необходимость в индивидуальной градуировке для получения высокой точности измерений, в пределах погрешности в 0,01 ºC.

Благодаря тому, что проблемы связанные с недостатками решаемы, применение термопар более чем оправдано.

Применение термоэлектродных проводов и кабелей при тепловом контроле

Измерение температуры с помощью термопар, являющееся одним из основных направлений в тепловом контроле, используется в различных отраслях производства, таких, например, как энергетика, нефтепереработка, металлургия, нефтехимия и многих других.

Термопары широко применяют для измерения температуры различных объектов, а также в автоматизированных системах управления и контроля.

Простота, удобство монтажа, возможности измерения локальной температуры, малая инерционность, возможность измерения малых разностей температур – эти и другие достоинства обеспечили широкое применение термопар.

Немного теории об измерении температуры с помощью термопар.

В основу способа измерения температуры с помощью термопар положены термоэлектрические явления, основанные на существовании определенной зависимости между термоэлектродвижущей силой (термо-ЭДС), возникающей в цепи, составленной из разнородных проводников, и температурой их соединения. Напомним основные положения, объясняющие данные явления.

В металлах имеются свободные электроны, количество которых в единице объема различно для разных материалов.

При повышении температуры концентрация электронов возрастает, и они начинают «передвигаться» из мест повышенной концентрации (горячий конец проводника) в места пониженной концентрации (холодный конец проводника). В результате возникает термо-ЭДС между отрицательно заряженным холодным концом проводника и положительно заряженным горячим (эффект Томсона).

Если же два однородных, но разных по природе проводника, имеющих одинаковую температуру, соединить, то в месте контакта возникнет термо-ЭДС вследствие разности концентраций свободных электронов в каждом из проводников (эффект Зеебека).

Учитывая оба фактора, определяющих термо-ЭДС идеальной термопары (рис.1), состоящей из двух различных термоэлектродных проволок a и b, контактирующих в двух точках, имеющих различные температуры t₀ и t (t > t₀), можно записать, что суммарное термо-ЭДС в цепи равна:

где: e – ЭДС, определяемые суммарным эффектом, то есть возникающими в местах соприкосновения проводников a и b ЭДС, зависящими также от температуры места соприкосновения.

При неравенстве t₀ и t, суммарная термо-ЭДС определяется разностью двух значений функций при температурах t₀ и t, не зависящих от длины, диаметра термоэлектродов и их удельных электрических сопротивлений:

Если поддерживать температуру, например t₀, постоянной, то термо-ЭДС, согласно формуле (2) будет функцией только t.

Следовательно, проградуировав термопару, можно по значению измеренной термо-ЭДС найти соответствующую ей температуру из данных, полученных при градуировке.

На практике не всегда удается выполнить условие постоянства температуры свободных концов t₀ = const.

В связи с этим при измерении температуры необходимо вводить поправку к определенной термо-ЭДС термопары при изменении температуры свободных концов с t₀ до t.

Но для того, чтобы в значительной степени исключить влияние режима работы измеряемого объекта (например, нагревательной печи) на температуру свободных концов термопары, необходимо удалить их от места нагрева на значительные расстояния. Для этого необязательно применять длинные термопары, целесообразнее удлинять их гибкими изолированными проводами.

Эти провода должны быть термоэлектрически идентичны термоэлектродам термопары, в связи с чем их называют термоэлектродными удлинительными проводами. Иногда для их обозначения применяют термин «компенсационные», что, при этом, противоречит ГОСТ 15845-70 «Кабели, провода и шнуры. Термины и определения».

Удлинительные провода и кабели.

В цепь термопары термоэлектродные провода и кабели включаются с соблюдением знака полярности по схеме, приведенной на рис. 2. Как видно из схемы, холодные спаи термопары А(аb) отодвинуты от измеряемого объекта на длину термоэлектродных проводов Б(сd).

Применение нашли два типа удлинительных приводов и кабелей: суммарной и поэлектродной компенсации термо-ЭДС термопар.

Удлинительные провода и кабели суммарной компенсации должны развивать термо-ЭДС, равную термо-ЭДС термопары, для которой они предназначены (например, медь – константан для хромель-алюминиевой термопары, медь – ТП для платинородий-платиновой термопары). Таким образом, для данного случая должно быть обеспечено равенство:

Совершенно очевидно, что это равенство должно сохраняться только в пределах возможных изменений температуры свободных концов. При этом паразитные термо-ЭДС, возникающие в холодных спаях термопары, взаимно компенсируются.

Однако, когда температура обоих концов электродов термопары, не только непостоянна, но и неодинакова, применяется второй тип удлинительных проводов — с поэлектродной компенсацией. В заданном интервале температур электроды таких проводов развивают с третьим электродом, например платиной, ту же термо-ЭДС, что и соответствующие электроды термопары.

Этот тип проводов изготовляется в случае недефицитности материалов с теми же термоэлектродами, что и подключаемая термопара (например, хромель-копелевыми для одноименной термопары), что равноценно удлинению самой термопары с целью вывода холодных спаев в удаленную от объекта зону с низкой температурой.

Однако применение удлинительных проводов термоэлектродных материалов не всегда целесообразно, так как это может привести к перерасходу дорогостоящих дефицитных или благородных металлов, из которых изготовлена термопара.

Классификация и принципы конструирования.

Кабельная промышленность изготовляет две основные группы термоэлектродных проводов и кабелей. Первая используется в качестве удлинительных проводов (кабелей) для подключения термопар к приборам теплового контроля, а вторая – для изготовления термопар (термопарные провода и кабели). В свою очередь удлинительные провода и кабели подразделяются на два основных типа: суммарной и поэлектродной компенсации.

Все термоэлектродные провода и кабели имеют условное обозначение (марку), в котором по возможности сосредоточена полная информация о кабеле и проводе. Эти данные обозначаются следующими буквами:

Следует отметить, что данный способ обозначения марок кабелей и проводов нельзя распространять на другие типы кабельных изделий, он верен лишь для термоэлектродных проводов и кабелей.

Рассмотрим конструкцию и условное обозначение на примере провода марки ПТВЭВ 2×1,5 ХК: провод удлинительный двухжильный с изоляцией и оболочкой из ПВХ пластиката, экранированный, с токопроводящими жилами из сплавов хромель и копель сечением 1,5 мм 2 .

По нагревостойкости термоэлектродные провода и кабели делятся на теплостойкие, рассчитанные на эксплуатацию при температуре окружающей среды выше 100°С, и нормальной нагревостойкости. рассчитанные на эксплуатацию при температуре ниже 100°С.

Термоэлектродные материалы.

При производстве термоэлектродов термопар используют хромель Т, алюмель, копель, медь, константан, сплавы вольфрама, рения, молибдена и ряд других материалов.

Для изготовления термоэлектродных удлинительных проводов и кабелей применяют медь, константан, хромель К, алюмель, копель и другие различные сплавы. С целью улучшения механических и термоэлектрических свойств проводов токопроводящие жилы изготавливают из отожженной проволоки.

1. Медь – один из главных материалов для токопроводящих жил вследствие ее высокой электропроводимости и пластичности. Механические и электрические свойства меди находятся в большой зависимости от глубины термической обработки.
2. Хромель применяется двух типов: хромель Т для термопарных и хромель К для удлинительных проводов и кабелей. Минимальные температуры длительного (от нескольких сотен часов) и кратковременного (до 100 часов) применения хромелевых термоэлектродов зависят от диаметра проволоки. Это связано с тем, что в окислительной среде на поверхности проволоки появляются окислы хрома, вследствие чего термоэлектрический потенциал хромеля снижается, что приводит к уменьшению термо-ЭДС термопары. Наиболее сильно этот эффект проявляется у термоэлектродов малого диаметра.
3. Алюмель. С изменением температуры среды физико-механические и электрические свойства алюмелевой проволоки значительно меняются. Так, с увеличением температуры проводимость алюмелевой проволоки уменьшается.
4. Копель применяется в термоэлектродных проводах и кабелях в сочетании со сплавом хромель и медью. Копелевая проволока имеет достаточно высокие механические свойства, характеризуется более низкой жаростойкостью, чем хромель и алюмель. С ростом температуры электрическое сопротивление копели меняется, а с увеличением степени отжига оно падает.
5. Константан применяется в основном в удлинительных проводах и кабеле. Характерная особенность константана – незначительный температурный коэффициент сопротивления α. Практически он принимается равным нулю, что является достоинством сплава.

Ржанников А.А.
Специалист ЗАО «Режевской кабельный завод»

Нашли ошибку? Выделите и нажмите Ctrl + Enter

Нагревостойкие термопарные провода

Изолированный нагревостойкий термопарный провод применяется в промышленной и лабораторной термометрии как контактное средство измерения высоких температур в газодинамике. В качестве токоведущих жил провода используется жаростойкая проволока из термопарных сплавов, обладающих высокими и стабильными значениями электродвижущей силы, пропорциональными значениям измеряемой температуры.

Количество сплавов и их комбинаций, применяемых для создания термопарных проводов, невелико. Чаще всего используются такие сплавы, как алюмель, хромель и копель, а так же их комбинации – термопары: хромель-алюмель и хромель-копель. Термопарные провода из перечисленных сплавов способны с высокой точностью измерять температуру технологических и научных процессов в интервале от –200 °С до 1200 °С с погрешностью не более ±1% в течение 100 часов беспрерывной эксплуатации.

Конструкция термопарного провода

Любой нагревостойкий термопарный провод конструктивно состоит из одной или нескольких жил термоэлектродной проволоки, покрытых изоляционной оболочкой. Одножильный провод представляет собой одну термоэлектродную жилу из сплавов хромель, копель или алюмель, на которую нанесена термостойкая изоляция. Двужильный провод состоит из двух параллельно уложенных и изолированных друг от друга проволок разных сплавов, например, в сочетании хромель-копель или хромель-алюмель, заключенных в скрепляющую внешнюю оболочку (кожух). Специальные изделия могут иметь в своей конфигурации до десяти и более изолированных друг от друга и от внешней оболочки проволок.

Марки термоэлектродных сплавов

Выбор марки сплава проволоки для токоведущей жилы термопарного провода, главным образом, определяется диапазоном температур, в котором ему предстоит работать. Для каждого сплава стандартами и техническими условиями определён верхний предел температуры эксплуатации в окислительных и инертных средах, в постоянном и кратковременном режиме, а так же установлена температура плавления материала. К наиболее распространенным термоэлектродным сплавам относятся:
алюмель марки НМцАК 2-2-1 (сплав, состоящий из 93-96% никеля (Ni), до 1% кобальта (Co), до 2,5% алюминия (Al), до 2,2% марганца (Mn) и до 1,2% кремния (Si)). Максимальная рабочая температура алюмеля при длительной эксплуатации составляет 1000-1100°C, при кратковременной работе 1250°C, температура плавления равна 1430-1450 °С. хромель марки Т НХ 9,5 (сплав никеля (Ni) с 9,5% хрома, плюс незначительные (до 1%) примеси углерода (C), железа (Fe) и кобальта (Co)). Диапазон рабочих температур хромеля составляет от 200°C до 1000°C (на воздухе), кратковременно может работать при температуре 1300°C, плавится хромель при 1400-1500°C. копель марки МНМц 43-0,5 (сплав на основе 57,5-55,5% меди (Cu) с добавлением 42,5-44,5% никеля (Ni) и кобальта (Co)). Максимальная рабочая температура копеля достигает 700 °С, кратковременная равняется 800 °С, температура плавления составляет около 1285 °С.

Типы оболочек

Термопарные провода разных типов отличаются маркой сплава и сечением токоведущих жил, а главное – типом изоляционных оболочек, которые бывают гибкими и жёсткими. В основном для изоляции термопары от воздействия измеряемой среды применяют оплётку из стеклонитей повышенной нагревостойкости или помещают токоведущие жилы внутри бесшовных металлических трубок с минеральным наполнителем. Некоторые марки проводов покрываются стеклонитью не в один, а в два или три слоя, дополнительно экранируются оплёткой из лужёной медной или никелевой проволоки.

Материалы изоляции

Наиболее широкое распространение в качестве изоляции высокотемпературного нагревостойкого термопарного провода получила гибкая и очень прочная на растяжение оболочка из стеклянных нитей марки ВМПС либо кремнезёмных или кварцевых нитей. Эти материалы не впитывают жидкость, устойчивы к механическим воздействиям, обладают крайне низкой диэлектрической проницаемостью, не теряют физических свойств при высоких температурах. Температурная стойкость нитей марки ВМПС (ТУ 6-48-117-94) равна 600 °С. Температурная стойкость оболочки из кремнеземной нити (ТУ 5952-148-05786904-99) равна 1100 °С при долговременной эксплуатации, а кратковременно она может выдерживать температуру до 1150 °С. Температурная стойкость кварцевых нитей (ТУ 5952-196-05786904-2009) равна 1200 °С длительно и 1250 °С при кратковременной эксплуатации.
В качестве внешней оболочки термопроводов применяют ПВХ, фторопласт, силикон, свинец, латунь, а для специальных марок – металлические трубки из нержавеющей стали. Внутри трубок размещают токоведущие жилы из термоэлектродной проволоки, а затем изолируют их между собой и от оболочки, засыпая полость керамическим порошком. Такая оболочка повышает механическую прочность термопровода, но делает его более инертным – передача параметров температуры измеряемой среды технологических и лабораторных процессов происходит с заметным запаздыванием, что не всегда допустимо.
Сравнение термопарного провода (в изоляции) и термоэлектродной проволоки (без изоляции) Наличие изоляции позволяет располагать термопары в самых сложных конструктивных узлах, избегая при этом риска искажения получаемых данных из-за диффузии примесей из окружающей атмосферы или контакта с поверхностью объекта. Изоляция делает термопары более устойчивыми к окислению, существенно замедляют процесс термического старения сплава токопроводящей жилы при длительном воздействии агрессивной рабочей среды и повышенной температуры. Изменение температуры у изолированного провода происходит более плавно, нежели у проволоки без изоляции. Плюс ко всему перечисленному, изоляция позволяет увеличить максимальную рабочую температуру термопары без увеличения диаметра термоэлектродной проволоки.

Характеристики термопарных проводов

Изолированные провода из термоэлектродных сплавов обладают очень большим диапазоном рабочих температур и высоким сопротивлением к электрическому пробою изоляции – не менее 750В. Они устойчивы к вибрациям, гибки, чувствительны, имеют достаточно низкую погрешность в градуировке, которая близка к линейной при измерении температур до 1100 °С, и как правило, не превышает 0,2-0,3 °С. Термопары в оболочке отличает простота изготовления, удобство монтажа и эксплуатации, прочность и надежность конструкции, невысокая стоимость и быстрая окупаемость.

Марки термопарных проводов

Все термопарные нагревостойкие провода в изоляционной оболочке производятся и маркируются в соответствии с национальными стандартами, определяющими температуру эксплуатации и конструкцию провода (число и диаметр жил), общий диаметр провода в оболочке, массу на 1 км провода и т.п.

К примеру, провода марок СФКЭ, КТМСФЭ и КТСФЭ изготавливаются по ТУ 16-505.944-76 в комбинированной оболочке из стеклонити и фторопласта, а их максимальная рабочая температура составляет +250 градусов. Марки проводов ПТВ, ПТГВ, ПТВВ, ПТВВт выпускаются в соответствии с ТУ 16.К19-04-91 в ПВХ-оболочке и имеют теплостойкость менее +105 градусов. Жёсткие термопарные провода марки КТМС по ТУ 16-505.757-75 защищает оболочка (трубка) из нержавеющей стали с минеральным наполнителем.

Ранее наиболее востребованными в разных отраслях промышленности и науки были провода марок ПТН, ПТНО и ПТНО-900, выпускаемые по отечественному стандарту ТУ 16-505.663-74. Это уникальные по своей сути одно и двужильные провода с изоляцией из стеклонитей марки ВМПС и кварцевых нитей повышенной нагревостойкости, которые при небольшом диаметре проволоки (от 0,2 мм) имели рабочие температуры до 900 °С. В настоящее время выпускаются провода марок ПТН и ПТНО с температурой эксплуатации до 600 °С. Провода же марки ПТНО-900 прекратили выпускать в 2008 году ввиду того, что прекратился выпуск кварцевых нитей необходимых для производства данных проводов. На замену проводам ПТНО-900 компания НПЦ «Экран» выпустила провода ПТН-1100 (ТУ 3567-022-66158671-2016) и ПТНП-1200 (ТУ 3567-007-66158671-2012) с теми же габаритными размерами и весовыми характеристиками, но с большей температурной стойкостью (1100 °С и 1200 °С соответственно) и лучшей прочностью изоляции на истирание (в 20 раз) в случае с проводами ПТНП-1200.

Области применения термопарного провода

Области применения изолированного термопарного провода, как самого высокотемпературного из контактных датчиков, достаточно широки. Чаще всего нагревостойкий термопарный провод используют в качестве загрузочных термопар в оборудовании, контролирующем равномерность распределения тепла и значение температуры внутри промышленных и лабораторных печей различного типа: гомогенизации, отжига, старения, сушки и т.п. Термоэлектродные провода с изоляцией активно применяются для измерения температуры обрабатываемых деталей, заготовок и сырья. Специальные высоконагревостойкие вольфраморениевые термопары с рабочим режимом до 2500 °С применяют для измерения температуры газа в ядерных реакторах, в камерах двигателей внутреннего сгорания и т.п.

Что такое термопара, принцип действия, основные виды и типы

Термопара – это устройство для измерения температур во всех отраслях науки и техники. Данная статья представляет общий обзор термопар с разбором конструкции и принципом действия устройства. Описаны разновидности термопар с их краткой характеристикой, а также дана оценка термопары как измерительного прибора.

Устройство термопары

Принцип работы термопары. Эффект Зеебека

Работа термопары обусловлена возникновением термоэлектрического эффекта, открытым немецким физиком Томасом Зеебеком (Tomas Seebeck) в 1821 г.

Явление основано на возникновении электричества в замкнутом электрическом контуре при воздействии определенной температуры окружающей среды. Электрический ток возникает при наличии разницы температур между двумя проводниками (термоэлектродами) различного состава (разнородных металлов или сплавов) и поддерживается сохранением места их контактов (спаев). Устройство выводит на экран подсоединенного вторичного прибора значение измеряемой температуры.

Выдаваемое напряжение и температура находятся в линейной зависимости. Это означает, что увеличение измеряемой температуры приводит к большему значению милливольт на свободных концах термопары.

Находящийся в точке измерения температуры спай называется «горячим», а место подключения проводов к преобразователю — «холодным».

Компенсация температуры холодного спая (КХС)

Компенсация холодного спая (КХС) – это компенсация, вносимая в виде поправки в итоговые показания при измерении температуры в точке подсоединения свободных концов термопары. Это связано с расхождениями между реальной температурой холодных концов с вычисленными показаниями градуировочной таблицы для температуры холодного спая при 0°С.

КХС является дифференциальным способом, при котором показания абсолютной температуры находятся из известного значения температуры холодного спая (другое название эталонный спай).

Конструкция термопары

При конструировании термопары учитывают влияние таких факторов, как «агрессивность» внешний среды, агрегатное состояние вещества, диапазон измеряемых температур и другие.

Особенности конструкции термопар:

1) Спаи проводников соединяются между собой скруткой или скруткой с дальнейшей электродуговой сваркой (редко пайкой).

ВАЖНО: Не рекомендуется использовать способ скручивания из-за быстрой потери свойств спая.

2) Термоэлектроды должны быть электрически изолированы по всей длине, кроме точки соприкосновения.

3) Способ изоляции подбирается с учетом верхнего температурного предела.

До 100-120°С – любая изоляция;
До 1300°С – фарфоровые трубки или бусы;
До 1950°С – трубки из Al₂O₃;
Свыше 2000°С – трубки из MgO, BeO, ThO₂, ZrO₂.

4) Защитный чехол.

Материал должен быть термически и химически стойким, с хорошей теплопроводностью (металл, керамика). Использование чехла предотвращает коррозию в определенных средах.

Удлиняющие (компенсационные) провода

Данный вид проводов необходим для удлинения концов термопары до вторичного прибора или барьера. Провода не используются в случае наличия у термопары встроенного преобразователя с унифицированным выходным сигналом. Наиболее широкое применение получил нормирующий преобразователь, размещенный в стандартной клеммной головке датчика с унифицированным сигналом 4-20мА, так называемая «таблетка».

Материал проводов может совпадать с материалом термоэлектродов, но чаще всего заменяется на более дешевый с учетом условий, предотвращающих образования паразитных (наведенных) термо-ЭДС. Применение удлиняющих проводов также позволяет оптимизировать производство.

Типы и виды термопар

Многообразие термопар объясняется различными сочетаниями используемых сплавов металлов. Подбор термопары осуществляется в зависимости от отрасли производства и необходимого температурного диапазона.

Термопара хромель-алюмель (ТХА)

Положительный электрод: сплав хромель (90% Ni, 10% Cr).
Отрицательный электрод: сплав алюмель (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).

Изоляционный материал: фарфор, кварц, окиси металлов и т.д.

Диапазон температур от -200°С до 1300°С кратковременного и 1100°С длительного нагрева.

Рабочая среда: инертная, окислительная (O₂=2-3% или полностью исключено), сухой водород, кратковременный вакуум. В восстановительной или окислительно-восстановительной атмосфере в присутствии защитного чехла.

Недостатки: легкость в деформировании, обратимая нестабильность термо-ЭДС.

Возможны случаи коррозии и охрупчивания алюмеля в присутствии следов серы в атмосфере и хромеля в слабоокислительной атмосфере («зеленая глинь»).

Термопара хромель-копель (ТХК)

Положительный электрод: сплав хромель (90% Ni, 10% Cr).
Отрицательный электрод: сплав копель (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).

Диапазон температур от -253°С до 800°С длительного и 1100°С кратковременного нагрева.

Рабочая среда: инертная и окислительная, кратковременный вакуум.

Недостатки: деформирование термоэлектрода.

Возможно испарение хрома при длительном вакууме; реагирование с атмосферой, содержащей серу, хром, фтор.

Термопара железо-константан (ТЖК)

Положительный электрод: технически чистое железо (малоуглеродистая сталь).
Отрицательный электрод: сплав константан (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).

Используется для проведения измерений в восстановительных, инертных средах и вакууме. Температура от -203°С до 750°С длительного и 1100°С кратковременного нагрева.

Применение складывается на совместном измерении положительных и отрицательных температур. Невыгодно использовать только для отрицательных температур.

Недостатки: деформирование термоэлектрода, низкая коррозийная стойкость.

Изменение физико-химических свойств железа около 700°С и 900 °С. Взаимодействует с серой и водными парами с образованием коррозии.

Термопара вольфрам-рений (ТВР)

Положительный электрод: сплавы ВР5 (95% W, 5% Rh)/ВАР5 (BP5 с кремнещелочной и алюминиевой присадкой)/ВР10 (90% W, 10% Rh).
Отрицательный электрод: сплавы ВР20 (80% W, 20% Rh).

Изоляция: керамика из химически чистых окислов металлов.

Отмечается механическая прочность, термостойкость, малая чувствительность к загрязнениям, легкость изготовления.

Измерение температур от 1800°С до 3000°С, нижний предел – 1300°С. Измерения проводятся в среде инертного газа, сухого водорода или вакуума. В окислительных средах только для измерения в быстротекущих процессах.

Недостатки: плохая воспроизводимость термо-ЭДС, ее нестабильность при облучении, непостоянная чувствительность в температурном диапазоне.

Термопара вольфрам-молибден (ВМ)

Положительный электрод: вольфрам (технически чистый).
Отрицательный электрод: молибден (технически чистый).

Изоляция: глиноземистая керамика, защита кварцевыми наконечниками.

Инертная, водородная или вакуумная среда. Возможно проведение кратковременных измерений в окислительных средах в присутствии изоляции. Диапазон измеряемых температур составляет 1400-1800°С, предельная рабочая температура порядка 2400°С.

Недостатки: плохая воспроизводимость и чувствительность термо-ЭДС, инверсия полярности, охрупчивание при высоких температурах.

Термопары платинородий-платина (ТПП)

Положительный электрод: платинородий (Pt c 10% или 13% Rh).
Отрицательный электрод: платина.

Изоляция: кварц, фарфор (обычный и огнеупорный). До 1400°С — керамика с повышенным содержанием Al₂O₃, свыше 1400°С — керамику из химически чистого Al₂O₃.

Предельная рабочая температура 1400°С длительно, 1600°С кратковременно. Измерение низких температур обычно не производят.

Рабочая среда: окислительная и инертная, восстановительная в присутствии защиты.

Недостатки: высокая стоимость, нестабильность при облучении, высокая чувствительность к загрязнениям (особенно платиновый электрод), рост зерен металла при высоких температурах.

Термопары платинородий-платинородий (ТПР)

Положительный электрод: сплав Pt c 30% Rh.
Отрицательный электрод: сплав Pt c 6% Rh.

Среда: окислительная, нейтральная и вакуум. Использование в восстановительных и содержащих пары металлов или неметаллов средах в присутствии защиты.

Максимальная рабочая температура 1600°С длительно, 1800°С кратковременно.

Изоляция: керамика из Al₂O₃ высокой чистоты.

Менее подвержены химическим загрязнениям и росту зерна, чем термопара платинородий-платина.

Схема подключения термопары

Подключение потенциометра или гальванометра непосредственно к проводникам.
Подключение с помощью компенсационных проводов;
Подключение обычными медными проводами к термопаре, имеющей унифицированный выход.

Стандарты на цвета проводников термопар

Цветная изоляция проводников помогает отличить термоэлектроды друг от друга для правильного подключения к клеммам. Стандарты отличаются по странам, нет конкретных цветовых обозначений для проводников.

ВАЖНО: Необходимо узнать используемый стандарт на предприятии для предотвращения ошибок.

Точность измерения

Точность зависит от вида термопары, диапазона измеряемых температур, чистоты материала, электрических шумов, коррозии, свойств спая и процесса изготовления.

Термопарам присуждается класс допуска (стандартный или специальный), устанавливающий доверительный интервал измерений.

ВАЖНО: Характеристики на момент изготовления меняются в период эксплуатации.

Быстродействие измерения

Быстродействие обуславливается способностью первичного преобразователя быстро реагировать на скачки температуры и следующим за ними потоком входных сигналов измерительного прибора.

Факторы, увеличивающие быстродействие:

Правильная установка и расчет длины первичного преобразователя;
При использовании преобразователя с защитной гильзой необходимо уменьшить массу узла, подобрав меньший диаметр гильз;
Сведение к минимуму воздушного зазора между первичным преобразователем и защитной гильзой;
Использование подпружиненного первичного преобразователя и заполнения пустот в гильзе теплопроводящим наполнителем;
Быстро движущаяся среда или среда с большей плотностью (жидкость).

Проверка работоспособности термопары

Для проверки работоспособности подключают специальный измерительный прибор (тестер, гальванометр или потенциометр) или измеряют напряжение на выходе милливольтметром. При наличии колебаний стрелки или цифрового индикатора термопара является исправной, в противном случае устройство подлежит замене.

Причины выхода из строя термопары:

Неиспользование защитного экранирующего устройства;
Изменение химического состава электродов;
Окислительные процессы, развивающиеся при высоких температурах;
Поломка контрольно-измерительного прибора и т.д.

Преимущества и недостатки использования термопар

Достоинствами использования данного устройства можно назвать:

Большой температурный диапазон измерений;
Высокая точность;
Простота и надежность.

К недостаткам следует отнести:

Осуществление постоянного контроля холодного спая, поверки и калибровки контрольной аппаратуры;
Структурные изменения металлов при изготовлении прибора;
Зависимость от состава атмосферы, затраты на герметизацию;
Погрешность измерений из-за воздействия электромагнитных волн.

Термопары: подробно простым языком

Термопары — это наиболее распространенное устройство для измерения температуры. Термопары генерируют напряжение при нагревании и возникающий ток позволяет проводить измерения температуры. Отличается своей простотой, невысокой стоимостью, но внушительной долговечностью. Благодаря своим преимуществам, термопара используется повсеместно.

Стандартная термопара

Принцип работы термопары

Термопара представляет собой два провода, изготовленных из различных металлов. Эти два провода скреплены или сварены вместе и образуют спай. Когда на этот спай оказывают воздействие изменения температуры, то термопара реагирует на них генерируя напряжение, пропорциональное по величине изменениям температуры.

Если термопара подсоединена к электрической цепи, то величина генерируемого напряжения будет отображаться на шкале измерительного прибора. Затем показания прибора могут быть преобразованы в температурные показания с помощью таблицы. На некоторых приборах шкала откалибрована непосредственно в градусах.

Термопара в электрической цепи

Спай термопары

В конструкции большинства термопар предусмотрен только один спай. Однако, когда термопара подсоединяется к электрической цепи, то в точках ее подсоединения может образовываться еще один спай.

Цепь термопары

Цепь, показанная на рисунке, состоит из трех проводов, помеченных как А, В и С. Провода скручены между собой и помечены как D и Е. Спай представляет собой дополнительный спай, который образуется, когда термопара подсоединяется к цепи. Этот спай называется свободным (холодным) спаем термопары. Спай Е — это рабочий (горячий) спай. В цепи находится измерительный прибор, который измеряет разницу величин напряжения на двух спаях.

Два спая соединены таким образом, что их напряжение противодействует друг другу. Таким образом, на обоих спаях генерируется одна и та же величина напряжения и показания прибора будут равны нулю. Так как существует прямо пропорциональная зависимость между температурой и величиной напряжения, генерируемой спаем термопары, то два спая будут генерировать одни и те же величины напряжения, когда температура на них будет одинаковой.

Воздействие нагрева одного спая термопары

Когда спай термопары нагревается, величина напряжения повышается прямо пропорционально. Поток электронов от нагретого спая протекает через другой спай, через измерительный прибор и возвращается обратно на горячий спай. Прибор показывает разницу напряжения между двумя спаями. Разность напряжения между двумя спаями. Разность напряжения, показываемая прибором, преобразуется в температурные показания либо с помощью таблицы, либо прямо отображается на шкале, которая откалибрована в градусах.

Холодный спай термопары

Холодный спай часто представляет собой точку, где свободные концы проводов термопары подсоединяются к измерительному прибору.

В силу того, что измерительный прибор в цепи термопары в действительности измеряет разность напряжения между двумя спаями, то напряжение холодного спая должно поддерживаться на неизменном уровне, насколько это возможно. Поддерживая напряжение на холодном спае на неизменном уровне мы тем самым гарантируем, что отклонение в показаниях измерительного прибора свидетельствует о изменении температуры на рабочем спае.

Если температура вокруг холодного спая меняется, то величина напряжения на холодном спае также изменится. В результате изменится напряжение на холодном спае. И как следствие разница в напряжении на двух спаях тоже изменится, что в конечном итоге приведет к неточным показаниям температуры.

Для того, чтобы сохранить температуру на холодном спае на неизменном уровне во многих термопарах используются компенсирующие резисторы. Резистор находится в том же месте, что и холодный спай, так что температура воздействует на спай и резистор одновременно.

Цепь термопары с компенсирующим резистором

Рабочий спай термопары (горячий)

Рабочий спай — это спай, который подвержен воздействию технологического процесса, чья температура измеряется. Ввиду того, что напряжение, генерируемое термопарой прямо пропорционально ее температуре, то при нагревании рабочего спая, он генерирует больше напряжения, а при охлаждении — меньше.

Рабочий спай и холодный спай

Типы термопары

Термопары конструируются с учетом диапазона измеряемых температур и могут изготавливаться из комбинаций различных металлов. Комбинация используемых металлов определяет диапазон температур, измеряемых термопарой. По этой причине была разработана маркировка с помощью букв для обозначения различных типов термопар. Каждому типу присвоено соответствующее буквенное обозначение, и это буквенное обозначение указывает на комбинацию используемых металлов в данной термопаре.

Типы термопар и диапазон их температур

Когда термопара подключается к электрической цепи, то она не будет работать нормально пока не будет соблюдена полярность при подключении. Плюсовые провода должны быть соединены вместе и подсоединены к плюсовому выводу цепи, а минусовые к минусовому. Если провода перепутать, то рабочий спай и холодный спай не будут в противофазе и показания температуры будут неточными. Одним из способов определения полярности проводов термопары -это определение по цвету изоляции на проводах. Помните, что минусовой провод во всех термопарах — красный.

Цвет изоляции проводов термопар

Во многих случаях приходится использовать провода для удлинения протяженности цепи термопары. Цвет изоляции соединительных проводов также несет в себе информацию. Цвет внешней изоляции соединительных проводов — разный, в зависимости от производителя, однако цвет первичной изоляции проводов обычно соответствует кодировке, указанной в таблице выше.

Неисправности термопары

Если термопара выдает неточные показания температуры, и было проверено, что нет ослабленных соединений, то причина может крыться либо в регистрирующем приборе, либо в самой термопаре, первым обычно проверяется регистрирующий прибор, так как приборы чаще выходят из строя, чем термопары.

Более того, если прибор показывает хоть какие-нибудь показания, пусть даже неточные, то, скорей всего, дело не в термопаре. Если термопара неисправна, то обычно она не выдает вообще никакого напряжения, и прибор не будет выдавать никаких показаний. Если показаний на приборе нет совсем, то вероятно дело в термопаре.

Если Вы подозреваете, что термопара вышла из строя, то проверьте ее сигнал на выходе с помощью прибора, который называется милливольтный потенциометр, который используется для измерения малых величин напряжения.

Потенциометр