Термопара

Электрический прибор для измерения температуры

Термопара, подключенная к мультиметру , отображает комнатную температуру в ° C.

Термопара , также известная как «термоэлектрический термометр», представляет собой электрическое устройство, состоящее из двух разнородных электрических проводников, образующих электрический переход . Термопара создает напряжение , зависящее от температуры , в результате эффекта Зеебека , и это напряжение можно интерпретировать для измерения температуры . В качестве датчиков температуры широко используются термопары . ^[1]

Коммерческие термопары недороги, ^[2] взаимозаменяемы, поставляются со стандартными разъемами и могут измерять широкий диапазон температур. В отличие от большинства других методов измерения температуры, термопары имеют автономный источник питания и не требуют внешней формы возбуждения. Основным ограничением термопар является точность; Достичь системной ошибки менее одного градуса Цельсия (°C) может оказаться затруднительно. ^[3]

Термопары широко используются в науке и промышленности. Приложения включают измерение температуры в печах , выхлопных газах газовых турбин , дизельных двигателях и других промышленных процессах. Термопары также используются в домах, офисах и на предприятиях в качестве датчиков температуры в термостатах , а также в качестве датчиков пламени в устройствах безопасности для газовых приборов.

Принцип действия

В 1821 году немецкий физик Томас Иоганн Зеебек обнаружил, что магнитная стрелка, удерживаемая вблизи контура, состоящего из двух разнородных металлов, отклоняется, когда один из разнородных металлических спаев нагревается. В то время Зеебек называл это следствие термомагнетизмом. Позже было показано, что наблюдаемое им магнитное поле обусловлено термоэлектрическим током. При практическом использовании представляет интерес напряжение, генерируемое на одном соединении двух разных типов проводов, поскольку его можно использовать для измерения температуры при очень высоких и низких температурах. Величина напряжения зависит от типа используемого провода. Как правило, напряжение находится в диапазоне микровольт, и необходимо соблюдать осторожность, чтобы получить пригодные для использования измерения. Хотя ток течет очень мало, мощность может быть выработана с помощью одного спая термопары. Выработка электроэнергии с использованием нескольких термопар, как в термобатарее , является обычным явлением.

Термопара типа К ( хромель - алюмель ) в стандартной конфигурации измерения термопары. Измеренное напряжение можно использовать для расчета температуры , если температура известна. ${\displaystyle \scriptstyle V}$ ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {sense} }}$ ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$

Стандартная конфигурация для использования термопары показана на рисунке. Вкратце, желаемая температура T _sense получается с использованием трех входных данных — характеристической функции E ( T ) термопары, измеренного напряжения V и температуры эталонных спаев T _ref . Решение уравнения E ( T _sense ) = V + E ( T _ref ) дает T _sense . Эти детали часто скрыты от пользователя, поскольку блок эталонного спая (с термометром T _ref ), вольтметр и решатель уравнений объединены в одно изделие.

Эффект Зеебека

Эффект Зеебека относится к развитию электродвижущей силы в двух точках электропроводящего материала, когда между этими двумя точками существует разница температур. В условиях разомкнутой цепи, когда нет внутреннего тока, градиент напряжения ( ) прямо пропорционален градиенту температуры ( ): ${\displaystyle \scriptstyle {\boldsymbol {\nabla }}V}$ ${\displaystyle \scriptstyle {\boldsymbol {\nabla }}T}$

${\displaystyle {\boldsymbol {\nabla }}V=-S(T){\boldsymbol {\nabla }}T,}$

где – зависящее от температуры свойство материала, известное как коэффициент Зеебека . ${\displaystyle S(T)}$

Стандартная конфигурация измерения, показанная на рисунке, показывает четыре температурных диапазона и, следовательно, четыре вклада напряжения:

1. Переключите с на , в нижнем медном проводе. ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {meter} }}$ ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$
2. Переключите с на , в алюмельной проволоке. ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$ ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {sense} }}$
3. Переключите с на , в хромелевой проволоке. ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {sense} }}$ ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$
4. Переключите с на на верхнем медном проводе. ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$ ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {meter} }}$

Первый и четвертый вклады точно компенсируются, поскольку в этих областях наблюдается одинаковое изменение температуры и идентичный материал. В результате не влияет на измеряемое напряжение. Второй и третий взносы не отменяют, так как задействуют разные материалы. ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {meter} }}$

Измеренное напряжение оказывается

${\displaystyle V=\int _{T_{\mathrm {ref} }}^{T_{\mathrm {sense} }}\left(S_{+}(T)-S_{-}(T)\right)\,dT,}$

где и – коэффициенты Зеебека проводников, присоединенных к положительному и отрицательному выводам вольтметра соответственно (хромель и алюмель на рисунке). ${\displaystyle \scriptstyle S_{+}}$ ${\displaystyle \scriptstyle S_{-}}$

Характеристическая функция

Поведение термопары фиксируется характеристической функцией , к которой необходимо обращаться только при двух аргументах: ${\displaystyle \scriptstyle E(T)}$

${\displaystyle V=E(T_{\mathrm {sense} })-E(T_{\mathrm {ref} }).}$

В терминах коэффициентов Зеебека характеристическая функция определяется выражением

${\displaystyle E(T)=\int ^{T}S_{+}(T')-S_{-}(T')dT'+\mathrm {const} }$

Константа интегрирования в этом неопределенном интеграле не имеет значения, но традиционно выбирается такой, что . ${\displaystyle \scriptstyle E(0\,{}^{\circ }{\rm {C}})=0}$

Производители термопар и организации по метрологическим стандартам, такие как NIST, предоставляют таблицы функций , которые были измерены и интерполированы в диапазоне температур для определенных типов термопар ( доступ к этим таблицам см. в разделе «Внешние ссылки »). ${\displaystyle \scriptstyle E(T)}$

Эталонный спай

Блок эталонного спая внутри измерителя температуры Fluke CNX t3000. Два белых провода подключаются к термистору (заделанному в белую термопасту) для измерения температуры эталонных спаев.

Чтобы получить желаемое измерение недостаточно просто измерить . Температура эталонных спаев должна быть заранее известна. Здесь часто используются две стратегии: ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {sense} }}$ ${\displaystyle \scriptstyle V}$ ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$

• Метод «ледяной бани»: блок сравнения спая погружают в полузамороженную ванну с дистиллированной водой при атмосферном давлении. Точная температура фазового перехода точки плавления действует как естественный термостат , фиксируясь на уровне 0 °C. ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$
• Датчик эталонного спая (известный как «компенсация холодного спая "): температура блока эталонного спая может изменяться, но температура измеряется в этом блоке с помощью отдельного датчика температуры. Это вторичное измерение используется для компенсации изменения температуры в спае блока. Спой термопары часто подвергается воздействию экстремальных условий окружающей среды, а опорный спай часто монтируется рядом с местом расположения прибора.Полупроводниковые термометры часто используются в современных термопарах.

В обоих случаях значение вычисляется, затем функция ищет соответствующее значение. Аргумент, в котором происходит это совпадение, имеет значение : ${\displaystyle \scriptstyle V+E(T_{\mathrm {ref} })}$ ${\displaystyle \scriptstyle E(T)}$ ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {sense} }}$

${\displaystyle E(T_{\mathrm {sense} })=V+E(T_{\mathrm {ref} })}$.

Практические проблемы

В идеале термопары должны быть очень простыми измерительными устройствами, каждый тип которых характеризуется точной кривой, независимой от каких-либо других деталей. В действительности на термопары влияют такие проблемы, как неопределенности при производстве сплавов, эффекты старения и ошибки/недоразумения при проектировании схем. ${\displaystyle \scriptstyle E(T)}$

Конструкция схемы

Распространенная ошибка при изготовлении термопар связана с компенсацией холодного спая. Если допущена ошибка при оценке , появится ошибка и при измерении температуры. Для простейших измерений провода термопары подключаются к меди далеко от горячей или холодной точки, температура которой измеряется; Предполагается, что этот эталонный спай имеет комнатную температуру, но эта температура может варьироваться. ^[4] Из-за нелинейности кривой напряжения термопары погрешности и обычно имеют неравные значения. Некоторые термопары, такие как тип B, имеют относительно плоскую кривую напряжения вблизи комнатной температуры, а это означает, что большая неопределенность при комнатной температуре приводит лишь к небольшой погрешности . ${\displaystyle T_{\mathrm {ref} }}$ ${\displaystyle T_{\mathrm {ref} }}$ ${\displaystyle T_{\mathrm {sense} }}$ ${\displaystyle T_{\mathrm {ref} }}$ ${\displaystyle T_{\mathrm {sense} }}$

Соединения должны быть выполнены надежным образом, но для этого существует множество возможных подходов. При низких температурах соединения можно паять или паять; однако может быть сложно найти подходящий флюс , и он может не подойти для чувствительного перехода из-за низкой температуры плавления припоя. Поэтому опорные и удлинительные соединения обычно выполняются с помощью винтовых клемм . При высоких температурах наиболее распространенным подходом является точечная сварка или обжатие прочного материала. ^[5]

Один из распространенных мифов относительно термопар заключается в том, что соединения должны быть выполнены чисто, без участия третьего металла, чтобы избежать нежелательных дополнительных ЭДС. ^[6] Это может быть результатом еще одного распространенного заблуждения, что напряжение генерируется на переходе. ^[7] Фактически, спаи в принципе должны иметь одинаковую внутреннюю температуру; следовательно, на стыке не генерируется напряжение. Напряжение генерируется в температурном градиенте вдоль провода.

Термопара производит слабые сигналы, часто по величине микровольты. Точные измерения этого сигнала требуют усилителя с низким входным напряжением смещения и осторожности, чтобы избежать термоЭДС из-за самонагрева внутри самого вольтметра. Если провод термопары по какой-либо причине имеет высокое сопротивление (плохой контакт в местах соединения или очень тонкие провода, используемые для быстрого термического реагирования), измерительный прибор должен иметь высокий входной импеданс , чтобы предотвратить смещение измеряемого напряжения. Полезная функция термопарного оборудования позволяет одновременно измерять сопротивление и обнаруживать неисправные соединения в проводке или в соединениях термопар.

Металлургические марки

Хотя тип провода термопары часто описывают по его химическому составу, фактическая цель состоит в том, чтобы произвести пару проводов, повторяющих стандартизированную кривую. ${\displaystyle \scriptstyle E(T)}$

Примеси по-разному влияют на каждую партию металла, вызывая переменные коэффициенты Зеебека. Чтобы соответствовать стандартному поведению, производители термопарной проволоки намеренно добавляют дополнительные примеси для «легирования» сплава, компенсируя неконтролируемые изменения исходного материала. ^[5] В результате существуют стандартные и специализированные сорта проволоки для термопар, в зависимости от уровня точности, требуемого в работе термопары. Прецизионные сорта могут быть доступны только в согласованных парах, где одна проволока модифицируется для компенсации недостатков другой проволоки.

Особый случай термопарного провода, известный как «удлинительный», предназначен для переноса термоэлектрической цепи на большие расстояния. Удлинительные провода следуют указанной кривой, но по разным причинам они не предназначены для использования в экстремальных условиях, и поэтому в некоторых приложениях их нельзя использовать на чувствительном соединении. Например, удлинительный провод может быть другой формы, например, очень гибким, с многожильной конструкцией и пластиковой изоляцией, или быть частью многожильного кабеля для передачи множества цепей термопар. В случае дорогих термопар из благородных металлов удлинительные провода могут быть изготовлены из совершенно другого, более дешевого материала, который имитирует стандартный тип в пониженном диапазоне температур. ^[5] ${\displaystyle \scriptstyle E(T)}$

Старение

Термопары часто используются при высоких температурах и в атмосфере реактивных печей. В этом случае практический срок службы ограничивается старением термопары. Коэффициенты термоэлектрии проводов термопары, используемой для измерения очень высоких температур, могут со временем меняться, и соответственно падает измерительное напряжение. Простая зависимость между разностью температур спаев и измеряемым напряжением верна только в том случае, если каждый провод однороден (однороден по составу). По мере старения термопар в процессе их проводники могут терять однородность из-за химических и металлургических изменений, вызванных экстремальным или длительным воздействием высоких температур. Если старый участок цепи термопары подвергается воздействию температурного градиента, измеренное напряжение будет отличаться, что приведет к ошибке.

Старые термопары модифицируются лишь частично; например, не затрагивать части вне печи. По этой причине старые термопары нельзя вынимать из места установки и повторно калибровать в ванне или испытательной печи для определения погрешности. Это также объясняет, почему иногда можно наблюдать ошибку, когда старую термопару частично вытаскивают из печи — когда датчик вытаскивают назад, старые секции могут подвергаться воздействию повышенного температурного градиента от горячего к холодному, поскольку состаренная секция теперь проходит через охладитель. огнеупорной области, что вносит значительную погрешность в измерения. Аналогичным образом, старая термопара, которую вставляют глубже в печь, иногда может давать более точные показания, если при дальнейшем погружении в печь температурный градиент возникает только в свежей секции. ^[8]

Типы

Определенные комбинации сплавов стали популярными в качестве отраслевых стандартов. Выбор комбинации определяется стоимостью, доступностью, удобством, температурой плавления, химическими свойствами, стабильностью и выходом. Различные типы лучше всего подходят для разных применений. Обычно их выбирают на основе температурного диапазона и необходимой чувствительности. Термопары с низкой чувствительностью (типы B, R и S) имеют соответственно более низкое разрешение. Другие критерии выбора включают химическую инертность материала термопары и то, является ли он магнитным или нет. Ниже перечислены стандартные типы термопар, где сначала идет положительный электрод (при условии ), а затем отрицательный электрод. ${\displaystyle T_{\text{sense}}>T_{\text{ref}}}$

Термопары из никелевого сплава

Характеристические функции для термопар, достигающих промежуточных температур, например термопар из никелевых сплавов типов E, J, K, M, N, T. Также показаны сплавы благородных металлов типа P и комбинации чистых благородных металлов золото-платина и платина-палладий.

Тип Е

Тип E ( хромель - константан ) имеет высокую выходную мощность (68 мкВ/°C), что делает его хорошо подходящим для криогенного использования. Кроме того, он немагнитен. Широкий диапазон: от -270 °C до +740 °C, узкий диапазон: от -110 °C до +140 °C.

Тип J

Тип J ( железо - константан ) имеет более ограниченный диапазон (от -40 °C до +750 °C), чем тип K, но более высокую чувствительность — около 50 мкВ/°C. ^[2] Точка Кюри железа (770 °C) ^[9] вызывает плавное изменение характеристики, определяющей верхний температурный предел. Обратите внимание, что европейский/немецкий тип L является вариантом типа J с другой спецификацией выходной ЭДС (ссылка DIN 43712:1985-01 ^[10] ).

Тип К

Тип К ( хромель - алюмель ) — наиболее распространенная термопара общего назначения с чувствительностью около 41 мкВ/°С. ^[11] Он недорогой, и доступен широкий выбор датчиков в диапазоне от –200 °C до +1350 °C (от –330 °F до +2460 °F). Тип K был указан в то время, когда металлургия была менее развита, чем сегодня, и, следовательно, характеристики разных образцов могут значительно различаться. Один из входящих в его состав металлов, никель , является магнитным; Особенностью термопар, изготовленных из магнитного материала, является то, что они испытывают отклонение выходного сигнала, когда материал достигает точки Кюри , что происходит для термопар типа K при температуре около 185 ° C. ^{[ нужна цитата ]}

Они очень хорошо работают в окислительной атмосфере. Однако если с проволокой контактирует преимущественно восстановительная атмосфера (например, водород с небольшим количеством кислорода), хром в хромельном сплаве окисляется. Это снижает выходную ЭДС, и термопара показывает низкий уровень. Это явление известно как зеленая гниль из-за цвета пораженного сплава. Хотя хромелевая проволока не всегда имеет ярко выраженный зеленый цвет, она приобретает пятнистую серебристую оболочку и становится магнитной. Самый простой способ устранить эту проблему — проверить, являются ли два провода магнитными (обычно хромель немагнитен).

Водород в атмосфере является обычной причиной зеленой гнили. При высоких температурах он может диффундировать через твердые металлы или неповрежденную металлическую защитную гильзу. Даже оболочка из оксида магния, изолирующая термопару, не защитит водород. ^[12]

Зеленая гниль не возникает в атмосфере, достаточно богатой кислородом или бескислородной. Герметичная защитная гильза может быть заполнена инертным газом или может быть добавлен поглотитель кислорода (например, защитная титановая проволока). Альтернативно, в защитную гильзу можно ввести дополнительный кислород. Другой вариант — использовать термопару другого типа для атмосфер с низким содержанием кислорода, где может возникнуть зеленая гниль; термопара типа N является подходящей альтернативой. ^{[13] [ ненадежный источник? ]}

Тип М

Тип M (82% Ni/18% Mo –99,2% Ni/0,8% Co по весу) используются в вакуумных печах по тем же причинам, что и тип C (описанный ниже). Верхняя температура ограничена 1400 °C. Он используется реже, чем другие типы.

Тип Н

Термопары типа N ( Никросил – Нисил ) подходят для использования в диапазоне от –270 °C до +1300 °C благодаря своей стабильности и стойкости к окислению. Чувствительность составляет около 39 мкВ/°C при 900°C, что немного ниже, чем у типа К.

Разработанные Ноэлем А. Берли в Организации оборонной науки и технологий (DSTO) Австралии, термопары типа N преодолевают три основных типа характеристик и причины термоэлектрической нестабильности в стандартных материалах термоэлементов из недрагоценных металлов: ^[14]

1. Постепенный и, как правило, кумулятивный дрейф термоЭДС при длительном воздействии повышенных температур. Это наблюдается во всех материалах термоэлементов из недрагоценных металлов и в основном связано с изменениями состава, вызванными окислением , науглероживанием или нейтронным облучением , которые могут вызывать трансмутацию в среде ядерного реактора . В случае термопар типа К атомы марганца и алюминия из провода КН (отрицательный) мигрируют в провод КП (положительный), что приводит к дрейфу вниз по шкале из-за химического загрязнения. Этот эффект носит накопительный и необратимый характер.
2. Кратковременное циклическое изменение термоЭДС при нагреве в диапазоне температур около 250–650 °С, возникающее в термопарах типов К, J, Т и Е. Этот вид нестабильности ЭДС связан со структурными изменениями типа магнитных ближний порядок в металлургическом составе.
3. Независимое от времени возмущение термоЭДС в определенных температурных диапазонах. Это связано с магнитными превращениями, зависящими от состава, которые возмущают термоЭДС в термопарах типа К в диапазоне около 25–225 °С, а в типе J выше 730 °С.

Сплавы Nicrosil и Nisil для термопар демонстрируют значительно повышенную термоэлектрическую стабильность по сравнению с другими стандартными сплавами для термопар из недрагоценных металлов, поскольку их составы существенно уменьшают термоэлектрическую нестабильность, описанную выше. Это достигается прежде всего за счет увеличения концентраций компонентов растворенных веществ (хрома и кремния) в основе никеля выше тех, которые необходимы для перехода от внутреннего к внешнему способу окисления, а также за счет выбора растворенных веществ (кремния и магния), которые преимущественно окисляются с образованием диффузионного окисления. -барьерные, а значит, и ингибирующие окисление пленки. ^[15]

Термопары типа N являются подходящей альтернативой типу К для условий с низким содержанием кислорода, где тип К склонен к зеленой гнили. Они подходят для использования в вакууме, инертной, окислительной или сухой восстановительной атмосфере. Они не переносят присутствия серы. ^[16]

Тип Т

Термопары типа Т ( медь - константан ) подходят для измерений в диапазоне от –200 до 350 °C. Часто используется в качестве дифференциального измерения, поскольку с щупами соприкасается только медный провод. Поскольку оба проводника немагнитны, точка Кюри отсутствует и, следовательно, нет резкого изменения характеристик. Термопары типа Т имеют чувствительность около 43 мкВ/°C. Обратите внимание, что медь имеет гораздо более высокую теплопроводность, чем сплавы, обычно используемые в конструкциях термопар, поэтому необходимо проявлять особую осторожность при термическом закреплении термопар типа Т. Похожий состав содержится в устаревшем типе U в немецкой спецификации DIN 43712:1985-01. ^[10]

Термопары из платинового/родиевого сплава

Характеристические функции для типов высокотемпературных термопар, показывающие термопары из Pt/Rh, W/Re, Pt/Mo и термопар из сплава Ir/Rh. Также показана термопара из чистого металла Pt-Pd.

В термопарах типов B, R и S в качестве каждого проводника используется платина или сплав платины и родия . Это одни из самых стабильных термопар, но они имеют меньшую чувствительность, чем другие типы, примерно 10 мкВ/°C. Термопары типов B, R и S обычно используются только для измерения высоких температур из-за их высокой стоимости и низкой чувствительности. Для термопар типов R и S вместо ножки из чистой платины можно использовать платиновую проволоку HTX, чтобы укрепить термопару и предотвратить отказы из-за роста зерен, которые могут возникнуть при высоких температурах и суровых условиях.

Тип Б

Термопары типа B (70%Pt/30%Rh–94%Pt/6%Rh по весу) подходят для использования при температуре до 1800 °C. Термопары типа B дают одинаковый выходной сигнал при 0 °C и 42 °C, что ограничивает их использование при температуре ниже 50 °C. Функция ЭДС имеет минимальную температуру около 21 °C, что означает, что компенсация холодного спая легко выполняется, поскольку компенсационное напряжение по существу является постоянным для эталонного значения при типичных комнатных температурах. ^[17]

Тип Р

Термопары типа R (87 % Pt/13 % Rh–Pt по массе) используются при температуре от 0 до 1600 °C. Термопары типа R достаточно стабильны и способны прослужить длительный срок эксплуатации при использовании в чистых и благоприятных условиях. При использовании при температуре выше 1100 °C (2000 °F) эти термопары необходимо защищать от воздействия паров металлов и неметаллов. Тип R не подходит для прямой установки в металлические защитные трубки. Длительное воздействие высоких температур вызывает рост зерен, что может привести к механическому повреждению и отрицательному калибровочному дрейфу, вызванному диффузией родия в чистую платиновую часть, а также улетучиванием родия. Этот тип имеет то же применение, что и тип S, но не является взаимозаменяемым с ним.

Тип С

Термопары типа S (90%Pt/10%Rh–Pt по массе), аналогичные типу R, используются до 1600 °C. До введения Международной температурной шкалы 1990 года (ITS-90) прецизионные термопары типа S использовались в качестве практических эталонных термометров для диапазона от 630 ° C до 1064 ° C на основе интерполяции между точками замерзания сурьмы . , серебро и золото . Начиная с ITS-90, платиновые термометры сопротивления стали стандартными термометрами этого диапазона. ^[18]

Термопары из вольфрама/рениевого сплава

Эти термопары хорошо подходят для измерения чрезвычайно высоких температур. Типичным применением являются водород и инертная атмосфера, а также вакуумные печи . Их не применяют в окислительных средах при высоких температурах из-за охрупчивания . ^[19] Типичный диапазон составляет от 0 до 2315 °C, который может быть расширен до 2760 °C в инертной атмосфере и до 3000 °C для кратковременных измерений. ^[20]

Чистый вольфрам при высоких температурах подвергается рекристаллизации и становится хрупким. Поэтому в некоторых приложениях типы C и D предпочтительнее типа G.

В присутствии водяного пара при высокой температуре вольфрам реагирует с образованием оксида вольфрама (VI) , который улетучивается, и водорода. Затем водород вступает в реакцию с оксидом вольфрама, после чего снова образуется вода. Такой «водяной цикл» может привести к эрозии термопары и возможному выходу из строя. Поэтому при высоких температурах в вакууме желательно избегать присутствия следов воды. ^[21]

Альтернативой вольфрам/ рениев является вольфрам/ молибден , но зависимость напряжения от температуры слабее и имеет минимум около 1000 К.

Температура термопары ограничивается также другими используемыми материалами. Например , оксид бериллия , популярный материал для применения при высоких температурах, имеет тенденцию увеличивать проводимость с повышением температуры; в определенной конфигурации датчика сопротивление изоляции падало с мегаома при 1000 К до 200 Ом при 2200 К. При высоких температурах материалы подвергаются химической реакции. При 2700 К оксид бериллия слабо реагирует с вольфрамом, вольфрам-рениевым сплавом и танталом; при 2600 К молибден реагирует с BeO, вольфрам не реагирует. BeO начинает плавиться примерно при 2820 К, оксид магния примерно при 3020 К. ^[22]

Тип С

(95% W/5% Re–74% W/26% Re, по массе) ^[19] максимальная температура, измеренная термопарой типа C, составляет 2329 °C.

Тип Д

(97% W/3% Re–75% W/25% Re, по массе) ^[19]

Тип Г

(W–74%W/26%Re, по массе) ^[19]

Другие

Термопары хромель-золото/железный сплав

Характеристики термопары при низких температурах. Термопара на основе AuFe показывает устойчивую чувствительность вплоть до низких температур, тогда как обычные типы вскоре теряют чувствительность при низких температурах.

В этих термопарах ( сплав хромель - золото / железо ) отрицательный провод представляет собой золото с небольшой долей (0,03–0,15 атомных процентов) железа. Проволока из нечистого золота придает термопаре высокую чувствительность при низких температурах (по сравнению с другими термопарами при этой температуре), тогда как проволока из хромеля сохраняет чувствительность вблизи комнатной температуры. Его можно использовать для криогенных приложений (1,2–300 К и даже до 600 К). И чувствительность, и температурный диапазон зависят от концентрации железа. Чувствительность обычно составляет около 15 мкВ/К при низких температурах, а самая низкая полезная температура колеблется от 1,2 до 4,2 К.

Тип П (сплав благородных металлов) или «Платинель II».

Термопары типа P (55% Pd /31%Pt/14%Au–65%Au/35%Pd по весу) дают термоэлектрическое напряжение, имитирующее напряжение типа K в диапазоне от 500 °C до 1400 °C, однако они изготовлен исключительно из благородных металлов и поэтому обладает повышенной коррозионной стойкостью. Эта комбинация также известна как Platinel II. ^[23]

Термопары из сплава платины и молибдена

Термопары из сплава платина/молибден (95% Pt/5%Mo – 99,9%Pt/0,1%Mo по массе) иногда используются в ядерных реакторах, поскольку они демонстрируют низкий дрейф в результате ядерной трансмутации , вызванной нейтронным облучением, по сравнению с типы платино-родиевых сплавов. ^[24]

Термопары из сплава иридия/родия

Использование двух проволок из сплавов иридия / родия может обеспечить термопару, которую можно использовать при температуре примерно до 2000 °C в инертной атмосфере. ^[24]

Термопары из чистых благородных металлов Au–Pt, Pt–Pd

Термопары, изготовленные из двух разных благородных металлов высокой чистоты, могут показывать высокую точность даже в некалиброванном состоянии, а также низкий уровень дрейфа. Используются две комбинации: золото-платина и платина-палладий. ^[25] Их основными ограничениями являются низкие температуры плавления используемых металлов (1064 °C для золота и 1555 °C для палладия). Эти термопары, как правило, более точны, чем тип S, и благодаря своей экономичности и простоте даже считаются конкурентоспособной альтернативой платиновым термометрам сопротивления , которые обычно используются в качестве стандартных термометров. ^[26]

Термопары HTIR-TC (стойкие к высокотемпературному излучению)

HTIR-TC предлагает прорыв в измерении высокотемпературных процессов. Его характеристики: долговечны и надежны при высоких температурах, минимум до 1700 °C; устойчив к облучению; умеренная цена; доступен в различных конфигурациях, адаптируемых к каждому приложению; легко устанавливается. Первоначально разработанный для использования в ядерных испытательных реакторах, HTIR-TC может повысить безопасность эксплуатации будущих реакторов. Эта термопара была разработана исследователями Национальной лаборатории Айдахо (INL). ^{[27] [28]}

Сравнение типов

В таблице ниже описаны свойства нескольких различных типов термопар. В столбцах допусков T представляет температуру горячего спая в градусах Цельсия. Например, термопара с допуском ±0,0025× T будет иметь допуск ±2,5 °C при 1000 °C. В каждой ячейке столбца цветового кода изображен конец кабеля термопары с указанием цвета оболочки и цвета отдельных выводов. Цвет фона представляет цвет корпуса разъема.

Изоляция термопары

Типичная недорогая термопара типа К (со стандартным разъемом типа К ). Хотя провода могут выдерживать и функционировать при высоких температурах, пластиковая изоляция начинает разрушаться при 300 °C.

Изоляция проводов

Провода, составляющие термопару, должны быть изолированы друг от друга везде, кроме чувствительного спая. Любой дополнительный электрический контакт между проводами или контакт провода с другими проводящими объектами может изменить напряжение и дать ложные показания температуры.

Пластмассы являются подходящими изоляторами для низкотемпературных частей термопары, тогда как керамическая изоляция может использоваться при температуре примерно до 1000 °C. Другие проблемы (истиранию и химической стойкости) также влияют на пригодность материалов.

Когда изоляция провода разрушается, это может привести к непреднамеренному электрическому контакту в месте, отличном от желаемой точки измерения. Если такая поврежденная термопара используется в замкнутом контуре управления термостатом или другим регулятором температуры , это может привести к неконтролируемому перегреву и, возможно, серьезному повреждению, поскольку ложные показания температуры обычно будут ниже температуры чувствительного спая. Неисправная изоляция также обычно приводит к выделению газов , что может привести к загрязнению процесса. Для частей термопар, используемых при очень высоких температурах или в чувствительных к загрязнению устройствах, единственной подходящей изоляцией может быть вакуум или инертный газ ; механическая жесткость проводов термопары используется для их разделения.

Таблица изоляционных материалов

Температурные характеристики изоляции могут различаться в зависимости от того, из чего состоит общая конструкция кабеля термопары.

Примечание. T300 — это новый высокотемпературный материал, который недавно был одобрен UL для рабочих температур 300 °C.

Приложения

Термопары подходят для измерения в широком диапазоне температур: от −270 до 3000 °C (кратковременно, в инертной атмосфере). ^[20] Приложения включают измерение температуры в печах , выхлопных газах газовых турбин , дизельных двигателях, других промышленных процессах и генераторах тумана . Они менее подходят для применений, где необходимо измерять меньшие перепады температур с высокой точностью, например диапазон 0–100 °C с точностью 0,1 °C. Для таких применений больше подходят термисторы , кремниевые датчики температуры и термометры сопротивления .

Стальная промышленность

Термопары типов B, S, R и K широко используются в сталелитейной и чугунолитейной промышленности для контроля температуры и химического состава на протяжении всего процесса производства стали. Одноразовые погружные термопары типа S регулярно используются в электродуговых печах для точного измерения температуры стали перед выпуском плавки. Кривую охлаждения небольшого образца стали можно проанализировать и использовать для оценки содержания углерода в расплавленной стали.

Безопасность газового оборудования

Термопара (самая правая трубка) внутри узла горелки водонагревателя .

Подключение термопары в газовых приборах. Концевой шар (контакт) слева изолирован от фитинга изолирующей шайбой . Линия термопары состоит из медного провода, изолятора и внешней металлической (обычно медной) оболочки, которая также используется в качестве заземления . ^[30]

Многие газовые отопительные приборы, такие как духовки и водонагреватели, используют пилотное пламя для зажигания основной газовой горелки, когда это необходимо. Если запальное пламя погаснет, может выйти несгоревший газ, что представляет собой опасность взрыва и опасность для здоровья. Чтобы предотвратить это, в некоторых приборах в цепи безопасности используется термопара, которая определяет, когда горит контрольная лампа. Наконечник термопары помещается в пилотное пламя, создавая напряжение, которое приводит в действие клапан подачи, подающий газ к пилотному пламени. Пока запальное пламя горит, термопара остается горячей, а запальный газовый клапан остается открытым. Если контрольная лампа гаснет, температура термопары падает, в результате чего напряжение на термопаре падает и клапан закрывается.

Там, где зонд можно легко разместить над пламенем, вместо него часто можно использовать выпрямляющий датчик . Имея частично керамическую конструкцию, они также могут называться стержнями пламени, датчиками пламени или электродами обнаружения пламени.

Пламегаситель (сверху) и датчик пламени

Некоторые комбинированные клапаны основной горелки и запального газа (в основном компании Honeywell ) снижают потребляемую мощность до уровня одной универсальной термопары, нагреваемой запальным клапаном (разомкнутая цепь 25 мВ падает вдвое при подключении катушки к 10–12 мВ, 0,2 мВ). Источник –0,25 А, обычно) путем подбора катушки таким образом, чтобы она могла удерживать клапан открытым под действием легкой пружины, но только после того, как первоначальное усилие включения будет обеспечено пользователем, нажимающим и удерживающим ручку для сжатия пружины во время зажигания пилот. Эти системы можно идентифицировать по «нажмите и удерживайте в течение x минут» в инструкциях по контрольному освещению. (Требования к удерживающему току для такого клапана намного меньше, чем для более крупного соленоида, предназначенного для втягивания клапана из закрытого положения.) Для подтверждения токов отпускания и удержания клапана используются специальные испытательные наборы, поскольку обычный миллиамперметр нельзя использовать, поскольку он создает большее сопротивление, чем катушка газового клапана. Помимо проверки напряжения холостого хода термопары и непрерывности постоянного тока при коротком замыкании через катушку газового клапана термопары, самым простым неспециализированным испытанием является замена заведомо исправного газового клапана.

Некоторые системы, известные как милливольтовые системы управления, расширяют концепцию термопары, позволяя одновременно открывать и закрывать главный газовый клапан. Напряжение, создаваемое пилотной термопарой, не только активирует пилотный газовый клапан, но также проходит через термостат для питания основного газового клапана. Здесь требуется большее напряжение, чем в описанной выше системе безопасности пилотного пламени, и используется термобатарея , а не одна термопара. Такая система не требует внешнего источника электроэнергии для своей работы и, следовательно, может работать во время сбоя питания, при условии, что все остальные компоненты системы позволяют это. Это исключает обычные печи с принудительной подачей воздуха , поскольку для работы двигателя нагнетателя требуется внешняя электроэнергия, но эта функция особенно полезна для конвекционных нагревателей без питания . Подобный механизм безопасности отключения газа с использованием термопары иногда используется, чтобы гарантировать зажигание основной горелки в течение определенного периода времени, перекрывая клапан подачи газа основной горелки, если этого не произойдет.

Из-за беспокойства по поводу потерь энергии при постоянном запальном пламени разработчики многих новых приборов перешли на беспилотное зажигание с электронным управлением, также называемое прерывистым зажиганием. Благодаря отсутствию постоянного пилотного пламени отсутствует риск скопления газа в случае его погасания, поэтому для этих приборов не требуются пилотные предохранительные выключатели на основе термопар. Поскольку эти конструкции теряют преимущества работы без постоянного источника электроэнергии, в некоторых приборах все еще используются стоячие пилоты. Исключением являются более поздние модели проточных (также известных как «безрезервуарные») водонагревателей , которые используют поток воды для создания тока, необходимого для зажигания газовой горелки; в этих конструкциях также используется термопара в качестве устройства защитного отключения в случае, если газ не воспламенится или пламя погаснет.

Датчики излучения термобатареи

Термобатареи используются для измерения интенсивности падающего излучения, обычно видимого или инфракрасного света, которое нагревает горячие спаи, в то время как холодные спаи находятся на радиаторе. С помощью имеющихся в продаже датчиков на термобатареях можно измерить интенсивность излучения всего в несколько мкВт/см ² . Например, некоторые измерители мощности лазеров основаны на таких датчиках; они особенно известны как лазерный датчик на термобатарее .

Принцип работы датчика термобатареи отличается от принципа работы болометра , поскольку последний основан на изменении сопротивления.

Производство

Термопары обычно можно использовать при испытаниях прототипов электрических и механических устройств. Например, в распределительном устройстве , испытываемом на предмет допустимой нагрузки по току, могут быть установлены термопары, которые контролируются во время испытания на нагрев, чтобы подтвердить, что повышение температуры при номинальном токе не превышает расчетные пределы.

Производство электроэнергии

Термопара может генерировать ток для непосредственного управления некоторыми процессами без необходимости использования дополнительных схем и источников питания. Например, энергия термопары может активировать клапан при возникновении разницы температур. Электрическая энергия , генерируемая термопарой, преобразуется из тепла , которое необходимо подавать на горячую сторону для поддержания электрического потенциала. Непрерывная передача тепла необходима, поскольку ток, протекающий через термопару, имеет тенденцию вызывать охлаждение горячей стороны и нагревание холодной стороны (эффект Пельтье ).

Термопары можно соединить последовательно, образуя термобатарею , в которой все горячие спаи подвергаются воздействию более высокой температуры, а все холодные спаи — более низкой температуре. Выходной сигнал представляет собой сумму напряжений на отдельных переходах, что дает большее напряжение и выходную мощность. В радиоизотопном термоэлектрическом генераторе радиоактивный распад трансурановых элементов в качестве источника тепла использовался для питания космических кораблей, выполняющих миссии слишком далеко от Солнца, чтобы использовать солнечную энергию.

Термобатареи, обогреваемые керосиновыми лампами , использовались для работы безбатарейных радиоприемников в изолированных помещениях. ^[31] Существуют коммерчески выпускаемые фонари, которые используют тепло свечи для работы нескольких светодиодов, а также вентиляторы с термоэлектрическим приводом для улучшения циркуляции воздуха и распределения тепла в дровяных печах .

Технологические установки

Химические производства и нефтеперерабатывающие заводы обычно используют компьютеры для регистрации и проверки предельных значений многих температур, связанных с процессом, обычно исчисляемых сотнями. В таких случаях несколько выводов термопар будут подведены к общему эталонному блоку (большому медному блоку), содержащему вторую термопару каждой цепи. Температура блока, в свою очередь, измеряется термистором . Для определения температуры в каждом измеренном месте используются простые вычисления.

Термопара как вакуумметр

Термопару можно использовать в качестве вакуумметра в диапазоне абсолютного давления примерно от 0,001 до 1 торр . В этом диапазоне давлений длина свободного пробега газа сравнима с размерами вакуумной камеры , а режим течения не является ни чисто вязким , ни чисто молекулярным . ^[32] В этой конфигурации спай термопары прикрепляется к центру короткой нагревательной проволоки, на которую обычно подается постоянный ток около 5 мА, и тепло отводится со скоростью, зависящей от теплопроводности газа. .

Температура, определяемая на спае термопары, зависит от теплопроводности окружающего газа, которая зависит от давления газа. Разность потенциалов, измеренная термопарой, пропорциональна квадрату давления в диапазоне низкого и среднего вакуума . При более высоком (вязкое течение) и более низком (молекулярное течение) давлениях теплопроводность воздуха или любого другого газа практически не зависит от давления. Термопара была впервые использована в качестве вакуумметра Фёге в 1906 году. ^[33] Математическая модель термопары как вакуумметра довольно сложна, как подробно объяснил Ван Атта, ^[34] , но ее можно упростить до:

${\displaystyle P={\frac {B(V^{2}-V_{0}^{2})}{V_{0}^{2}}},}$

где P — давление газа, B — константа, зависящая от температуры термопары, состава газа и геометрии вакуумной камеры, V ₀ — напряжение термопары при нулевом давлении (абсолютное), а V — напряжение, показываемое термопарой. .

Альтернативой является манометр Пирани , который работает аналогичным образом, примерно в том же диапазоне давлений, но представляет собой только двухполюсное устройство, определяющее изменение сопротивления в зависимости от температуры тонкой электрически нагреваемой проволоки, а не с помощью термопары.

Смотрите также

• Датчик теплового потока
• Болометр
• Джузеппе Доменико Ботто
• Термистор
• Термоэлектрическая энергия
• Список датчиков
• Международная температурная шкала 1990 г.
• Биметаллический (механический)

Рекомендации

1. «Термопарные датчики температуры» . Температура.com . Архивировано из оригинала 16 февраля 2008 г. Проверено 4 ноября 2007 г.
2. Рамсден, Эд (1 сентября 2000 г.). «Измерение температуры». Датчики . Архивировано из оригинала 22 марта 2010 г. Проверено 19 февраля 2010 г.
3. «Технические примечания: Точность термопары». МЭК 584-2(1982)+А1(1989) . Проверено 28 апреля 2010 г.
4. «Как предотвратить ошибки измерения температуры при установке датчиков и преобразователей термопар» (PDF) . acromag.com . Акромаг . Проверено 3 февраля 2017 г.
5. Wang, TP (1990) «Материалы для термопар». Архивировано 19 августа 2014 г. в Wayback Machine в справочнике ASM , Vol. 2. ISBN 978-0-87170-378-1 . 
6. Pyromation, Inc. «Теория термопар» (2009).
7. Роу, Мартин (2013). «Термопары: просто, но непонятно», Сеть EDN.
8. Керлин, Т.В. и Джонсон, член парламента (2012). Практическая термопарная термометрия (2-е изд.). Парк исследовательского треугольника: ISA. стр. 110–112. ISBN 978-1-937560-27-0.
9. Бушоу, Энциклопедия материалов KHJ: наука и технологии , Elsevier, 2001 ISBN 0-08-043152-6 , стр. 5021, таблица 1. 
10. «Стандарт [ОТМЕНЕН] DIN 43710:1985-12».
11. Руководство по использованию термопар для измерения температуры (4-е изд.). АСТМ. 1993. стр. 48–51. ISBN 978-0-8031-1466-1. Архивировано из оригинала 14 августа 2013 г. Проверено 4 сентября 2012 г.
12. «Помогаем термопарам выполнять работу... - Transcat» . www.transcat.com .
13. «Зеленая гниль в термопарах типа K и что с этим делать» . Блог ВИКА . 29 мая 2018 г. Проверено 1 декабря 2020 г.
14. Берли, Ноэль А. Термопары Nicrosil/Nisil типа N. Архивировано 15 октября 2006 г. в Wayback Machine . www.omega.com.
15. Термопара типа N и термопара типа K на предприятии по производству кирпича. jms-se.com.
16. «Датчик термопары и типы термопар - WIKA США» . www.вика.us. _ Проверено 1 декабря 2020 г.
17. «Теория термопары». Капго. Архивировано из оригинала 14 декабря 2004 года . Проверено 17 декабря 2013 г.
18. «Дополнительная информация для ITS-90» . Международное бюро мер и весов . Архивировано из оригинала 10 сентября 2012 г. Проверено 2 февраля 2018 г.
19. OMEGA Engineering Inc. «Эквиваленты калибровки вольфрам-рениевых термопар».
20. Поллок, Дэниел Д. (1991). Термопары: теория и свойства. ЦРК Пресс. стр. 249–. ISBN 978-0-8493-4243-1.
21. «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 8 декабря 2020 г. Проверено 22 февраля 2020 г.{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)
22. «Разработка термопарных зондов для измерения температуры шлейфа выхлопных газов ракет» (PDF) .
23. Другие типы термопар. maniadsanat.com.[1]
24. Термоэлектричество: теория, термометрия, инструмент, выпуск 852 Дэниела Д. Поллока.
25. 5629 Золото-платиновая термопара. Архивировано 5 января 2014 г. в Wayback Machine . Fluke.com.
26. BIPM - «Методы аппроксимации ITS-90». Архивировано 1 февраля 2014 г. в Wayback Machine. Глава 9: Платиновые термопары.
27. «Материалы CORE • Термопара, устойчивая к высокотемпературному облучению (HTIR-TC)» . Архивировано из оригинала 27 июня 2017 г. Проверено 29 мая 2019 г.
28. «Термопары, устойчивые к высокотемпературному облучению: темы Science.gov» . www.science.gov . Проверено 2 декабря 2020 г.
29. МЭК 60584-3:2007.
30. Водонагреватели, устойчивые к воспламенению горючих паров: Руководство по техническому обслуживанию (238-44943-00D) (PDF) . Брэдфорд Уайт. стр. 11–16 . Проверено 11 июня 2014 г.
31. «Новый учёный». Руководство по карьере нового ученого: Книга контактов работодателей для ученых . Деловая информация Рида: 67–. 10 января 1974 г. ISSN  0262-4079 . Проверено 28 мая 2012 г.
32. Хабланян, М.Х. (1997) Технология высокого вакуума: Практическое руководство, Второе изд. , Marcel Dekker Inc., стр. 19–22, 45–47 и 438–443, ISBN 0-8247-9834-1 . 
33. Voege, W. (1906) Physik Zeit. , 7 : 498.
34. Ван Атта, CM (1965) Вакуумная наука и техника , McGraw-Hill Book Co., стр. 78–90.

Внешние ссылки

• Принцип действия термопары – Кембриджский университет
• Дрейф термопары – Кембриджский университет
• Два способа измерения температуры с помощью термопар

Таблицы данных термопары:

• Текстовые таблицы: База данных термопар NIST ITS-90 (B,E,J,K,N,R,S,T)
• PDF-таблицы: JKTENRSB
• Пакет Python thermocouples_reference, содержащий характеристические кривые многих типов термопар.
• Пакет R [2] Измерение температуры с помощью термопар, термосопротивлений и датчиков IC.
• Таблица данных: Размеры проводов термопары