Термоэлектрические термометры

Термоэлектрический термометр представляет собой измерительную  систему, состоящую из термоэлектрического преобразователя температуры (термопары), электроизмерительного прибора соединяющих их  проводов.

Термопары

В основу измерения температуры с помощью термопары положен термоэлектрический эффект (эффект Зеебека), который заключается в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух или нескольких разнородных проводников, возникает электрический ток, если места соединения (спаи) нагреты до различной температуры. Цепь (рис. 1) состоит из термоэлектродов  А и В. Места их соединения имеют различную температуру. При этом спай t, принимающий температуру измеряемой среды или тела, называется рабочим, а спай t0— свободным. 

Термоэлектродная цепь
Термоэлектродная цепь

 

ТермоЭДС является функцией двух переменных величин  и , т. е. температур спаев. Поддерживая температура одного спая постоянной получаем функциональную зависимость   Для большинства термоэлектродных материалов функциональная зависимость термоЭДС от температуры достаточно сложна и, как правило, находится по таблицам.

В принципе два любых проводника могут образовать термоэлектрический преобразователь температуры, однако не всякий из них отвечает требованиям практического применения. Основные требования к ТПТ, используемым в науке и технике для измерения температуры, следующие: устойчивость к воздействию температуры, постоянство термоЭДС во времени, возможно большая термоЭДС, однозначность зависимости термоЭДС от температуры, небольшой температурный коэффициент сопротивления, большая электропроводность, сравнительная простота и легкость воспроизводимости термоэлектрических свойств, обеспечивающих их взаимозаменяемость, и т. д. Однако всем этим требованиям не отвечает ни один из известных термоэлектродных материалов Поэтому на практике пользуются различными материалами в разных пределах измеряемых температур.

Согласно ГОСТ 6616 – 94 , в странах СНГ стандартизованы  9 типов термопар. В таблице1.  указанны типы, наименования, буквенные обозначения номинальных статистических характеристик (НСХ) и  пределы измеряемых температур некоторых  термопар. Для термопар различных градуировок составлены градуировочные таблицы в виде зависимости термоэдс от температуры рабочего спая  при температуре свободных спаев  равной 0 0С. По градуировочной таблице можно определить ТЭДС термопары пр

и разных температурах. На рис. 2. приведены  градуировочные характеристики стандартных термопар.Таблица термопарТаблица термопар

 

Общий вид градуировочных характеристик стандартных термопар
Общий вид градуировочных характеристик стандартных термопар

Ниже приведены краткие характеристики выпускаемых термопар

Измерение  высоких  температур  связано  с  трудностями,  обусловленными  с скоростями процессов диффузии, окисления, изменения кристаллической структуры и т.п. Поэтому только платина и ее сплавы с металлами платиновой группы пригодны для длительной эксплуатации в окислительных средах. При этом платина проявляет склонность к выделению  из  сплавов  в  виде  летучей  окиси,  которая  в  определенных yсловиях восстанавливается до платины. При длительной эксплуатации восстановленная платина образует нитевидные кристаллы, которые могут шунтировать электроды термопары, снижая ее показания. Для инертной среды и вакуума применяются различные тугоплавкие металлы и их сплавы.

  1. Платинороднй (10% родия) — платиновые. Обозначение ТПП (первым указывается положительный термоэлектрод, вторым — отрицательный). Подразделяются на эталонные, образцовые и рабочие. Надежно работают в нейтральной и окислительной среде, но разрушаются в восстановительной. На платину вредно действуют пары металлов и углерод. По комплексной оценке являются лучшими до температуры 1300—1600 °С. Изготовляются из проволоки; диаметром 0,5 и 1 мм, которая изолируется фарфоровыми бусами или трубками. Термопара платинородий — платина надежна и при работе в вакууме, но менее стабильна в нейтральных средах. Не рекомендуется применять ее в восстановительных средах.

Наиболее широко распространена термопара с термоэлектродами из сплава платины с 10 % родия относительно электрода из чистой платины. В определении МПТШ-68 она указана как один из интерполяционных приборов и почти всегда используется как стандартная термопара для установления номинальных статических характеристик методом сравнения. Она может применяться для непрерывных измерений на воздухе или в вакууме при температурах до 1400 СС; при нормируемом изменении номинальных статических характеристик — до 1600°С, для кратковременных измерений — до 1750°С. Ниже 500°С дифференциальная термоЭДС становится сравнительно малой, но вследствие исключительной стабильности тем не менее применяется для измерений низких температур. ТермоЭДС термопары медленно убывает со временем из-за уменьшения содержания родия в платино-родиевом термоэлектроде и появления следов родия в платиновом термоэлектроде.

2.. Платинородий (30% родия) — платинородиевые (6% родия). Обозначение ТПР (B). Применяются до температуры 1600—1800 °С. Не требуют введения поправки на температуру холодных спаев, так как — при 20 °С развивают очень малую термоЭДС (около 0,002 мВ).

Измерение средних температур

  1. Хромель-алюмелевые. Обозначение ТХА. Термопара хромель—алкжель (ТХА) обладает наиболее близкой к прямой термоэлектрической характеристикой. Применяются до температуры 1100—1300 °С. Термоэлектроды изготовлены из сплавов на никелевой основе. Хромель содержит 9… 10 %Сг; алюмель — 1,6…2.4 % AL. Алюмель светлее и слабо притягивается магнитом; этим он отличается от более темного в отожженном состоянии совершенно немагнитного хромеля.

Благодаря высокому содержанию никеля хромель и алюмель лучше других неблагородных металлов по стойкости к окислению. Учитывая почти линейную зависимость термоЭДС термопары хромель — алюмель от температуры в диапазоне О…1ООО°С,  ее часто применяют в терморегуляторах.

На эти термопреобразователи наиболее вредно действует восстановительная газовая среда.

  1. Хромель-копелевые. Обозначение ТХК. Применяются до температуры 600—800 °С. Развивают наибольшую термоЭДС (около 7 мВ. на 100 °С). Термопара хромель — копель (ТХК) обладает большей термоЭДС, чем ТХА, но yстyпает по жаростойкости и линейности характеристики. Копель — серебристо-белый сплав на медной основе, содержит 42,5—44,0% (Ni), 0,1—1,0 % Мn. Даже в сухой атмосфере при комнатной температуре на его поверхности быстро образуется окисная пленка, в дальнейшем удовлетворительно предохраняющая сплав от дальнейшего окисления

        Термопары из тyгоплавких металлов и их сплавов. К этой грyппе относятся термопары, диапазон которых простирается за верхний предел применимости описанных выше термопар – 2200 0С. Наиболее пригодными тyгоплавкими металлами являются вольфрам, молибден, рений, тантал ниобий и их сплавы. Тантал и ниобий имеют низкyю стабильность термоЭДС, что связанно с большой склонностью их к поглощению газов. Поэтомy они применяются только для измерений в вакyyме.

  1. Вольфрам-рений (5% рения) — вольфрам-рениевые (20% рения). Обозначение ТВР. Применяются до температуры 2300 °С.

Конструктивно термопара представляет собой две проволоки из разнородных металлов, которые скручивают, а затем сваривают или припаивают друг к другу.  Для защиты электродов термопары от воздействия различных сред, а также для обеспечения возможности их установки в технологические аппараты и трубопроводы, которые работают под давлением или разрежением, электроды размещают в защитную арматуру-гильзу (рис.3), которая представляет собой защитную гильзу 1 с головкой 2, служащей для присоединения термоэлектродов 3 и проводов, соединяющих их с электроизмерительным, прибором. Электроды термоэлектрических преобразователей должны быть хорошо изолированы друг от друга и от соприкосновения с защитной арматурой. Это осуществляется с помощью бус или трубок 4 из специального фарфора.

Защитная арматура термоэлектрических преобразователей температуры
Защитная арматура термоэлектрических преобразователей температуры

Рабочий конец термопары погружается в среду, температуру которой’ требуется измерить. Свободные концы подключаются к вторичному прибору. Если температура свободных концов постоянна, то подключение может быть сделано медным проводом, а если не постоянна, то оно выполняется специальными удлинительными (компенсационными) проводами. В качестве последних используются два провода из различных материалов. Провода подбираются так, чтобы при температуре свободных спаев и в паре между собой они имели такие же термоэлектрические свойства, как и рабочая термопара. При подсоединении к термопаре компенсационные провода удлиняют ее и дают возможность отвести холодный спай образованной составной термопары в такое место, где температура остается постоянной.

Широкому применению в промышленности термопары обязаны в первую очередь  широкому диапазону измеряемых температур, возможности измерения локальной температуры, малой инерционности, высокой точности измерения.

Рекомендуемые посты

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *