Термопара промышленная типы

Что такое термопара и принцип работы

Термопара представляет собой первичный измерительный преобразователь температуры, работающий на основе термоэлектрического эффекта Зеебека. Эффект заключается в возникновении электродвижущей силы в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при наличии градиента температуры между точками их соединения.

Конструкция термопары включает два термоэлектрода из различных металлов или сплавов, соединенных сваркой или пайкой в одной точке — рабочем спае. Второй конец термоэлектродов, называемый холодным или свободным спаем, подключается к измерительному прибору. Величина термоЭДС зависит от разности температур между рабочим и свободным концами, а также от природы материалов термоэлектродов.

Эффект Зеебека и генерация термоЭДС

При нагреве рабочего спая в нем возникает термоэлектродвижущая сила, которая приводит к появлению электрического тока в цепи. Значение термоЭДС измеряется в милливольтах и составляет от долей до десятков милливольт в зависимости от типа термопары и температуры. Для термопары типа K коэффициент Зеебека составляет примерно 41 микровольт на градус Цельсия в диапазоне от 0 до 1000 градусов.

Типы промышленных термопар и их обозначения

Термопары классифицируются по типам в соответствии с материалами термоэлектродов. Номинальные статические характеристики преобразования термопар установлены ГОСТ Р 8.585-2001, который гармонизирован с международным стандартом МЭК 60584.

Термопара типа K ТХА — универсальное решение

Термопара K является наиболее распространенным типом благодаря оптимальному сочетанию характеристик. Хромель-алюмелевая пара обеспечивает измерение температуры от минус 40 до плюс 1100 градусов с достаточной точностью для большинства промышленных применений. Термопара ТХА устойчива к окислительным средам, но не рекомендуется для работы в разряженной атмосфере.

Особенность термопары K — эффект гистерезиса в диапазоне от 200 до 500 градусов, при котором показания при нагреве и охлаждении могут различаться до 5 градусов. После длительной эксплуатации при высоких температурах наблюдается постепенный дрейф характеристик.

Термопара типа J ТЖК для разряженной атмосферы

Железо-константановая термопара типа J оптимальна для работы в условиях пониженного давления. Рабочий диапазон составляет от минус 40 до плюс 750 градусов, однако максимальная температура применения ограничена 500 градусами из-за интенсивного окисления железного электрода при более высоких температурах.

Термопара ТЖК не рекомендуется для эксплуатации при температурах ниже 0 градусов и высокой влажности из-за образования коррозии на железном термоэлектроде. В атмосфере с высоким содержанием серы происходит ускоренное разрушение обоих электродов.

Термопара типа S ТПП для высоких температур

Платинородий-платиновые термопары типа S относятся к датчикам из благородных металлов и предназначены для измерения температур до 1600 градусов. Сплав платины с 10 процентами родия в положительном термоэлектроде и чистая платина в отрицательном обеспечивают высокую стабильность характеристик и устойчивость к окислению.

Термопары ТПП применяются в металлургии, стекольной промышленности, при термообработке в высокотемпературных печах. Защитные чехлы из корунда обеспечивают механическую прочность и химическую стойкость датчика. Кратковременно термопара S выдерживает температуру до 1700 градусов.

НСХ термопар по ГОСТ Р 8.585-2001

Номинальная статическая характеристика преобразования — это нормированная зависимость термоЭДС от температуры рабочего конца при постоянной температуре свободных концов, равной 0 градусов Цельсия. НСХ выражается в милливольтах и рассчитывается по полиномам, аппроксимирующим эту зависимость.

ГОСТ Р 8.585-2001 устанавливает НСХ для термопар типов R, S, B, J, T, E, K, N согласно международному стандарту, а также для термопар типов A, L, M, применяемых в России. Погрешность расчета значений термоЭДС по приведенным полиномам не превышает одной единицы в последней значащей цифре табличных значений.

Классы точности и допускаемые отклонения

Стандарт определяет классы допуска термопар, которые задают максимально допустимое отклонение термоЭДС от номинального значения. Классы обозначаются цифрами: класс 1 обеспечивает более высокую точность по сравнению с классом 2.

Применение термопар в промышленности

Выбор типа термопары определяется условиями эксплуатации, требуемым диапазоном измерений и характеристиками контролируемой среды. Промышленные термопары устанавливаются в технологическое оборудование через защитную арматуру, которая предохраняет термоэлектроды от механических повреждений и воздействия агрессивных сред.

Металлургия и термообработка

В металлургическом производстве применяются термопары типов K, N для контроля температуры до 1200 градусов в нагревательных печах. Для измерения температуры расплавов металлов и в высокотемпературных агрегатах используют платинородиевые термопары S, R, B с корундовыми защитными чехлами, обеспечивающими работу до 1600 градусов.

Химическая и нефтехимическая промышленность

Термопары K и J контролируют температуру в реакторах, ректификационных колоннах, трубчатых печах. Защитная арматура из нержавеющей стали или специальных сплавов обеспечивает коррозионную стойкость. Для взрывоопасных зон применяются термопары во взрывозащищенном исполнении.

Энергетика

В котельных установках, газовых турбинах, воздухоподогревателях термопары измеряют температуру дымовых газов, перегретого пара, горячего воздуха. Используются преимущественно термопары K с диапазоном до 1100 градусов и термопары N с повышенной стабильностью.

Компенсация холодного спая термопары

Холодный или свободный спай термопары находится в месте подключения термоэлектродов к измерительному прибору. Температура холодного спая влияет на измеряемую термоЭДС, поскольку термопара генерирует напряжение, пропорциональное разности температур между рабочим и холодным концами.

Компенсация холодного спая — это процесс учета и коррекции влияния температуры свободных концов на результат измерения. Без компенсации показания термопары будут содержать систематическую погрешность, величина которой зависит от температуры окружающей среды в месте подключения.

Методы компенсации

Аппаратная компенсация реализуется в современных измерительных приборах и контроллерах. Дополнительный датчик температуры измеряет температуру клеммных зажимов, к которым подключена термопара. Микропроцессор вычисляет термоЭДС, соответствующую измеренной температуре холодного спая, и алгебраически суммирует это значение с сигналом термопары.

Программная компенсация применяется в системах автоматизации, где измеритель передает в контроллер сырое значение термоЭДС, а компенсация выполняется программно с учетом показаний датчика температуры в месте подключения.

Монтаж и подключение промышленных термопар

Правильный монтаж термопары обеспечивает точность измерений и долговечность датчика. Глубина погружения рабочего спая в контролируемую среду должна составлять не менее 8-10 диаметров защитной гильзы для исключения влияния теплоотвода через арматуру. Недостаточная глубина погружения приводит к занижению показаний при измерении высоких температур.

Защитная арматура

Термоэлектроды термопары помещаются в защитный чехол из металла, керамики или корунда в зависимости от условий эксплуатации. Металлические чехлы из нержавеющей стали применяются до 900 градусов, жаропрочные сплавы — до 1200 градусов. Для высокотемпературных применений используют керамические чехлы из муллита или корунда, выдерживающие температуру до 1700 градусов.

Коммутационная головка

Коммутационная головка обеспечивает переход от термоэлектродов термопары к компенсационным проводам. Внутри головки располагаются клеммные зажимы для подключения проводов. Степень защиты коммутационной головки выбирается в соответствии с условиями окружающей среды: IP53, IP65, IP68.

Соблюдение полярности

При подключении термопары необходимо строго соблюдать полярность термоэлектродов. Положительный термоэлектрод термопары K — это хромель, отрицательный — алюмель. Для термопары J положительный электрод — железо. Нарушение полярности приводит к инверсии знака измеряемого сигнала.