Установка термопары в печь

Обновлено: 18.05.2024

Термопара

Термопара (Thermocouple) — это два проводника из разных металлов, спаянные в одной точке. Эта точка измерения температуры называется — рабочий спай. Свободные концы называются холодным спаем. Если рабочий спай нагреть относительно холодного спая, то между свободными концами возникает напряжение (термо-ЭДС), пропорциональное разности температур.

Содержание скрыть

1. Принцип работы термопары
2. Подключение к ПЛК
3. Устройство термопары
- 3.1. Компенсация температуры холодного спая (КХС)
- 3.2. Конструкция термопары
- 3.3. Особенности конструкции термопары
- 3.4. Конструктивные исполнения термопар
- 3.5. Удлиняющие (компенсационные) провода
- 4.1. Термопара хромель-алюмель (ТХА)
- 4.2. Термопара хромель-копель (ТХК)
- 4.3. Термопара железо-константан (ТЖК)
- 4.4. Термопара вольфрам-рений (ТВР)
- 4.5. Термопара вольфрам-молибден (ВМ)
- 4.6. Термопары платинородий-платина (ТПП)
- 4.7. Термопары платинородий-платинородий (ТПР)
- 9.1. Холодный спай термопары
- 9.2. Рабочий спай термопары (горячий)
- 22.1. Статьи по теме:
Так как с помощью термопары всегда измеряется разность температур, то, чтобы определить температуру точки измерения, свободные концы у холодного спая должны содержаться при известной неизменной температуре.

Принцип работы термопары

Принцип действия термопар основан на термоэлектрическом эффекте,заключающемся в том, что в замкнутом контуре, состоящем из двух разнородныхпроводников (или полупроводников), течет ток, если места спаев проводниковимеют различные температуры. Если взять замкнутый контур, состоящий изразнородных проводников (термоэлектродов), то на их спаях возникнут термо-ЭДС E(t) и E(t0), зависящие от температур этих спаев t и t0. Так какэти термо-ЭДС оказываются включенными встречно, то результирующая термо-ЭДС,действующая в контуре, равна E(t) – E(t0).

При равенстве температур обоих спаев результирующая термо-ЭДС равнанулю. Спай, погружаемый в контролируемую среду, называется рабочим концомтермопары, а второй спай – свободным. У любой пары однородных проводников значение результирующей термо-ЭДС зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температуры вдоль проводников.

Термоэлектрический контур можно разомкнуть в любом месте и включить в него один или несколько разнородных проводников. Если все появившиеся при этом места соединений находятся при одинаковой температуре, то результирующая термо-ЭДС, действующая в контуре, не изменяется. Это используется для измерения термо-ЭДС термопары. Создаваемая термопарами ЭДС сравнительно невелика: она не превышает 8 мВ на каждые 100 0С и обычно не превышает по абсолютной величине 70 мВ. Термопары позволяют измерять температуру в диапазоне от –200 до 22000С. Для измерения температур до 1100 0С используют в основном термопары из неблагородных металлов, для измерения температур от 1100 до 1600 0С – термопары из благородных металлов и сплавов платиновой группы, а для измерения более высоких температур – термопары из жаростойких сплавов (на основе вольфрама).

Наибольшее распространение для изготовления термоэлектрических преобразователей получили платина, платинородий, хромель, алюмель. При измерениях температуры в широком диапазоне учитывается нелинейность функции преобразования термоэлектрического преобразователя.

Постоянная времени термоэлектрических преобразователей зависит от их конструкции и качества теплового контакта рабочего спая термопары со средой и для промышленных термопар исчисляется в минутах. Однако известны конструкции малоинерционных термопар, у которых постоянная времени лежит впределах 5 – 20 секунд и ниже.

Электроизмерительный прибор (милливольтметр) или измерительный усилитель термо-ЭДС могут подключаться к контуру термопары двумя способами: в свободный конец термопары или в один из термоэлектродов; выходная термо-ЭДС от способа подключения измерительных устройств не зависит. Как указано выше, при измерении температуры свободные концы термопары должны находиться при постоянной температуре, но как правило, свободные концы термопары конструктивно выведены на зажимы на ее головке, аследовательно, расположены в непосредственной близости от объектов,температура которых измеряется.

Чтобы отнести эти концы в зону с постоянной температурой, применяются удлиняющие провода, состоящие из двух жил, изготовленных из металлов или сплавов, имеющих одинаковые термоэлектрические свойства с термоэлектродами термометра.

Для термопар из неблагородных металлов удлиняющие провода изготавливаются чаще всего из тех же материалов, что и основные термоэлектроды, тогда как для датчиков из благородных металов в целях экономии удлиняющие провода выполняются из материалов, развивающих в паремежду собой в диапазоне температур 0 – 150 0С ту же термо-ЭДС, что и электроды термопары. Так, для термопары платина – платинородий применяются удлинительные термоэлектроды из меди и специального сплава, образующие термопару, идентичную по термо-ЭДС термопаре платина-платинородий в диапазоне 0 – 150 0С. Для термопары хромель – алюмель удлинительные термоэлектроды изготавливаются из меди и константана, а для термопары хромель – копель удлинительными являются основные термоэлектроды, новыполненные в виде гибких проводов. При неправильном подключении удлинительных термоэлектродов возникает существенная погрешность.

В лабораторных условиях температура свободных концов термопары поддерживается равной 0 0С путем помещения их в сосуд Дьюара, наполненный истолченным льдом с водой. В производственных условиях температура свободных концов термопары обычно отличается от 0 0С. Так как градуировка термопар осуществляется при температуре свободных концов 0 0С, то это отличие может явиться источником существенной погрешности; для уменьшения указанной погрешности, как правило, вводят поправку в показания термометра. При выборе поправки учитываются как температура свободных концов термопары,так и значение измеряемой температуры (это связано с тем, что функция преобразования термопары нелинейна); это затрудняет точную коррекцию погрешности.

На практике для устранения погрешности широкое применение находит автоматическое введение поправки на температуру свободных концов термопары.Для этого в цепь термопары и милливольтметра включается мост, одним из плеч которого является медный терморезистор, а остальные образованы манганиновыми терморезисторами. При температуре свободных концов термопары, равной 0 0С,мост находится в равновесии; при отклонении температуры свободных концов термопары от 0 0С напряжение на выходе моста не равно нулю и суммируется с термо-ЭДС термопары, внося поправку в показания прибора (значение поправки регулируется специальным резистором). Вследствие нелинейности функции преобразования термопары полной компенсации погрешности не происходит, но указанная погрешность существенно уменьшается.

Подключение к ПЛК

Холодные концы подключаются (непосредственно или с помощью компенсационных проводов, которые должны быть выполнены из тех же металлов, что и термопара) к клеммам соответствующего аналогового входа (с соблюдением полярности!) промышленного контроллера, который программно выполняет компенсацию температуры холодного спая и рассчитывает температуру в точке измерения.

При внутренней компенсации контроллер использует температуру модуля, к которому подключена термопара. При более точной внешней компенсации эталонная температура холодного спая измеряется с помощью дополнительного термометра сопротивления, который подключается к специальному входу контроллера.

Устройство термопары

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:
- Спаи проводников соединяются между собой скруткой или скруткой с дальнейшей электродуговой сваркой (редко пайкой).
- Термоэлектроды должны быть электрически изолированы по всей длине, кроме точки соприкосновения.
- Способ изоляции подбирается с учетом верхнего температурного предела.
1. До 100-120°С – любая изоляция;
2. До 1300°С – фарфоровые трубки или бусы;
3. До 1950°С – трубки из Al2O3;
4. Свыше 2000°С – трубки из MgO, BeO, ThO2, ZrO2.
- Защитный чехол.
Материал должен быть термически и химически стойким, с хорошей теплопроводностью (металл, керамика). Использование чехла предотвращает коррозию в определенных средах.

Особенности конструкции термопары

Существуют некоторые особенности устройства термопары:
- Электроды соединяются в термопарах для измерения высоких температур в одной точке с помощью электрической дуговой сварки. При замере небольших показателей такой контакт выполняется с помощью пайки. Особенные соединения в вольфрам-рениевых и вольфрамо-молибденовых устройствах проводятся с помощью плотных скруток без дополнительной обработки.
- Соединение элементов проводится только в рабочей зоне, а по остальной длине они изолированы друг от друга.
- Метод изоляции осуществляется в зависимости от верхнего значения температуры. При диапазоне величины от 100 до 120 °C используется любой тип изоляции, в том числе и воздушный. При температуре до 1300 °C применяются трубки или бусы из фарфора.
- Если величина достигает до 2000 °C, то применяется изоляционный материал из оксида алюминия, магния, бериллия и циркония.
- В зависимости от среды использования датчика, в которой происходит замер температуры, применяется наружный защитный чехол. Выполняется он в виде трубки из металла или керамики. Такая защита обеспечивает гидроизоляцию и поверхностное предохранение термопары от механических воздействий. Материал наружного чехла должен выдерживать высокую температуру воздействия и обладать отличной теплопроводностью.
Конструктивные исполнения термопар

Термопары конструктивно различаются:
- По способу контакта с измеряемой средой: погружные, поверхностные.
- По условиям эксплуатации: стационарные, переносные; разового, многократного и кратковременного применений.
- По защищённости от воздействий окружающей среды: обыкновенные, водозащищённые, защищённые от агрессивной среды, взрывозащищённые (в т.ч. искробезопасные).
- По герметичности к измеряемой среде: герметичные, негерметичные.
- По инерционности – показатель тепловой инерции не более 10 с; средней – не более 60 с; большой – более 60 с; ненормируемой инерционности (НИ).
- По устойчивости к механическим воздействиям: обыкновенные; виброустойчивые.
- По числу термопар для измерения температуры в одной зоне: одинарные; двойные; тройные.
- По числу зон: однозонные; многозонные.
- По наличию контакта «горячего» спая с металлической частью защитной арматуры: с неизолированным спаем, с изолированным спаем.
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.

Лайфхак! Для правильного определения полярности компенсационных проводов и их подключения к термопаре запомните мнемоническое правило ММ — минус магнитится. То есть берём любой магнит и минус у компенсации будет магнитится, в отличии от плюса.

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.

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.

Сравнение 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.

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.
- 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.

Стандарты на цвета проводников термопар

Проводники термопар состоят из двух отдельных термоэлектродов (положительного и отрицательного), имеющих цветную изоляцию. Ввиду эффекта Зеебека провода термопар имеют определенную полярность, поэтому положительные и отрицательные провода необходимо подключать к правильным клеммам. Имеются разнообразные стандарты на цвета изоляции проводников для идентификации каждого типа термопар. См. таблицу 5a В разных стандартах используются уникальные цвета проводов, чтобы отличать положительные и отрицательные выводы. В Северной Америке обычно отрицательный вывод имеет красную изоляцию в соответствии со стандартом ASTM E230. Но самым широко используемым в мире стандартом на провода термопар является IEC 60584, согласно которому отрицательный провод обычно белый. Ясно, что стандарты, согласно которым термопара изготовлена, должны быть известны, чтобы правильно подключать провода по их цветам. Существуют другие стандарты, используемые в различных странах, включая BS1843 (Великобритания и Чешская республика), DIN43710 (Германия), JIS-C1610 (Япония) и NFC 42-324 (Франция). См. таблицу 5a.

СОВЕТ: Пользователь должен проверить, какой стандарт используется на его предприятии, и убедиться в том, что цветовая кодировка доведена до сведения персонала, занимающегося установкой, пусконаладкой и техническим обслуживанием.

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

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 показана схема такого подключения.

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.

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, 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.

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.

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.

Удлинительные провода

Удлинительные провода используются либо для связи термопар с системой управления / контроля, либо для соединения их с удаленным измерительным преобразователем. Удлинительные провода термопар, за очень редким исключением, выполняются из того же металла, что и провода термопар. Если металлы не соответствуют друг другу, на каждом конце удлинительного провода создаются дополнительные холодные спаи, которые существенно влияют на измерение температуры. На рисунке 6a видно, что если медные провода используются для подключения термопары, создается «предварительный холодный спай», который может вызывать значительную погрешность, существенно варьирующуюся с изменением температуры окружающей среды вокруг спая 1. Измеряемое напряжение термопары с медными удлинительными проводами не равно измеряемому напряжению термопары с правильными удлинительными проводами. Фактически, если используются медные удлинительные провода, почти невозможно получить какую-либо температуру технологического процесса с приемлемой точностью по измеряемому напряжению.

Измерение высоких температур в печах. Мелочей быть не может

Высокие температуры (от 400–500 °С) в промышленности чаще всего измеряют термоэлектрическими преобразователями – термопарами. Но случается, что при установке и эксплуатации таких датчиков не соблюдаются рекомендации производителей. Термопары быстро выходят из строя, перестают соответствовать заявленным метрологическим характеристикам. В данной статье приведены результаты моделирования и эксперимента, проведенных на термопреобразователях, выпускаемых компанией ОВЕН. Сравнивались различные варианты установки датчика на печь при нескольких значениях измеряемых температур, в результате чего выработаны рекомендации для долгой бесперебойной эксплуатации термопар.

Общая информация о термопарах

Термопара, помещенная внутрь защитной арматуры, снабженная головкой для подключения удлинительного кабеля или кабельным выводом, имеет право называться термоэлектрическим преобразователем (рис. 1), но в обиходе для краткости такие датчики все равно называют термопарами.

Рис. 1. Термоэлектрический преобразователь

Огромный выбор модификаций датчиков температуры зачастую вынуждает обращаться за дополнительными консультациями к техническим специалистам компании-производителя: нужно учесть все «подводные камни» применения датчика, специфику его монтажа, подобрать дополнительное оборудование и т. п. Ошибка в подборе первичных преобразователей может дорого обойтись. Бывают случаи, когда из-за неверного подбора датчика идет в брак вся термообрабатываемая продукция. Например, долго не прослужат термопары типа ХА (хромель-алюмель) при установке на печь, в атмосфере которой содержится 2–3 % кислорода: селективное окисление хрома в хромеле приведет к уменьшению его ТЭДС и коррозии термоэлектрода («зеленая гниль»). При использовании термопар ХА, ХК (хромель-копель), НН (нихросил-нисил) в восстановительной атмосфере (где присутствуют, в частности, монооксид углерода СО или водород Н2) необходимо надежно защитить термоэлектроды от негативного воздействия среды. Например, можно выбрать термопреобразователи на основе КТМС (кабель термопарный с минеральной изоляцией в стальной оболочке).

Датчики с кабельным выводом на основе КТМС – одни из самых простых по конструкции. Но в подборе и эксплуатации таких датчиков также имеются тонкости, которые необходимо учитывать. Об этом – в сегодняшней статье.

В качестве примера рассмотрим термопару на основе КТМС с кабельным выводом ОВЕН ДТПХхх4. Чаще всего такие модели термопреобразователей (рис. 2, 3) устанавливаются на печи различных производств – от обжига кирпича до металлургии. С их помощью измеряют температуры садки, атмосферы печи, уходящих газов в дымовом тракте.

Рис. 2. Общий вид датчика температуры с кабельным выводом на основе КТМС ОВЕН ДТПХхх4

Рис. 3. Конструктивное исполнение ОВЕН ДТПХхх4

Монтажная (погружная) часть L представляет собой гибкий КТМС, внутри которого в заглушенном конце расположен «горячий» спай. КТМС может быть различного диаметра D: от 1,5 до 4,5 мм. Выбор диаметра зависит от размера монтажного отверстия, необходимости изгиба, уровня измеряемых температур. Кабельный вывод l такого датчика обычно изготавливается из термопарного кабеля в силиконовой оболочке, который служит для подключения термопары ко вторичному прибору и обычно находится снаружи объекта измерения при относительно невысокой температуре (до 200 °C).

Номинально-статические характеристики (НСХ) таких датчиков по ГОСТ 8.585 – ТХА (К), ТХК (L), ТЖК (J), ТНН (N). Наиболее высокую температуру можно измерять термопарами с НСХ типов К и N – 900…1250 °C. Последняя температура измерения справедлива только для типа N. Также в конструктиве такого датчика присутствует тонкостенная металлическая трубка диаметром 6 мм и длиной 50 мм – так называемая переходная втулка (рис. 3). Внутри нее находится соединение выводов термоэлектродов КТМС с термоэлектродами термопарного силиконового кабеля.

При монтаже на объект измерения (например, печь) допускается погружать термопару на всю длину монтажной части L, но при условии, что при эксплуатации датчика температура на переходной втулке не должна превышать 200 °C. Если это условие будет нарушено, то силиконовая изоляция начнет деформироваться и оплавляться, оголяя термоэлектроды и разрушая соединение «КТМС – кабельный вывод». При подборе и монтаже датчика обязательно нужно учитывать это условие. Иногда просчет в определении температуры на переходной втулке влечет за собой выход из строя десятков дорогостоящих датчиков, остановы печей и миллионные убытки. Трудность в том, что на температуру переходной втулки влияет несколько условий: максимальная температура в печи, толщина стенки печи, материал футеровки печи, температура окружающего печь воздуха, тип монтажа датчика (горизонтальный или вертикальный) и самое важное – расстояние от внешней поверхности печи до переходной втулки.

Моделирование нагрева

Инженерами компании ОВЕН были смоделированы максимально жесткие условия по температуре эксплуатации такой модели датчика: температура в рабочем пространстве печи 1250 °C, в печь погружена термопара типа N с диаметром монтажной части 3 мм, материал оболочки КТМС – Nicrobell. Монтаж вертикальный, в отверстие в своде печи.

В табл. 1 представлены два варианта моделирования условий эксплуатации датчика:
- модель № 1 – переходная втулка расположена вплотную к внешней поверхности печи (кожуху);
- модель № 2 – переходная втулка расположена на расстоянии S = 30 мм от внешней поверхности печи (кожуха).

Таблица 1. Два варианта моделирования условий эксплуатации датчика

На рис. 4а представлен температурный градиент по длине датчика при полном погружении в печь. Таким образом, при данных условиях эксплуатации втулка нагреется практически до 300 °C, что недопустимо.

На рис. 4б видно, как меняется температура монтажной части датчика по мере удаления от раскаленного рабочего пространства печи в случае большей толщины футеровки и удаления втулки всего лишь на 30 мм от стенки; на самой втулке температура практически 100 °C, что вполне допустимо. При таких условиях эксплуатации термопреобразователь прослужит годы.

Рис. 4. Варианты моделирования условий эксплуатации датчика: а – модель № 1. Распределение температур по длине датчика, датчик полностью погружен в печь; б – модель № 2. Распределение температур по длине датчика, втулка отодвинута от стенки печи на расстояние S отступа = 30 мм (увеличить изображение)

Эксперимент на реальной печи

Рис. 5. Стенд для эксперимента: общий вид

Условия эксперимента: изначально термопара ДТПК444 полностью до переходной втулки была погружена в предварительно разогретую печь, монтаж – горизонтальный. Температура переходной втулки измерялась с помощью малогабаритной термопары ДТПL011, спай которой был прижат к втулке и закреплен кремнеземной нитью (рис. 6а). Оба датчика были подключены к двухканальному измерителю ОВЕН ТРМ202.

Рис. 6. Этапы эксперимента: а – термопара ДТПК444 полностью («до упора») погружена в печь; б – втулка термопары ДТПК444 отодвинута от стенки печи на 10 мм

Затем в ходе эксперимента глубина погружения в печь данного датчика была уменьшена на 10 мм, то есть переходная втулка была отодвинута от стенки печи на это расстояние (рис. 6б). Каждые 10 минут температура в печи и температура втулки фиксировались. Результаты эксперимента приведены на графике (рис. 7).

Рис. 7. График изменения температур в печи и на переходной втулке

Всего было произведено 18 измерений: первые 8 – при температуре в печи 700 ± 10 °C, втулка придвинута вплотную к стенке печи. Температура втулки практически стабилизировалась на уровне 120 °C.

Следующие три измерения (№№ 9, 10 и 11) температура в печи составляла 900 °C, температура втулки при этом повысилась до 180 °C.

Затем, с измерения № 12 по № 18, печь была разогрета до 1000 °C, но до измерения № 15 втулка была также придвинута вплотную. На графике ясно видно, что температура переходной втулки при таких температурах и монтаже достигла 195 °C, практически критической температуры, выше которой наступит разрушение силиконовой изоляции.

Но если немного уменьшить глубину погружения датчика, отодвинув переходную втулку всего лишь на 10 мм от стенки, при той же температуре рабочего пространства печи в 1000 °C температура на втулке опустится до приемлемых 150 °C. Это можно заметить на графике (измерения №№ 16, 17 и 18).

Выводы и рекомендации

Моделирование и эксперимент, показывающие характер нагрева термоэлектрических преобразователей ДТПХхх4 на основе КТМС, проводились с целью установить зависимость температуры конструктивного элемента, переходной втулки, температура которой при эксплуатации датчика не должна превышать 200 °C, от температуры в печи и расстояния между втулкой и наружной поверхностью печи. Нагрев втулки выше 200 °C недопустим по причине разрушения изоляции (чаще всего силиконовой) термопарного провода, обжатого внутри втулки и служащего для подключения термопар данной конструкции ко вторичным приборам.

По результатам и моделирования, и эксперимента можно сделать несколько важных выводов для практической термометрии:
- при измерении температуры более 1000 °C стационарно установленными на объекте датчиками не рекомендуется придвигать вплотную к стенкам агрегата их коммутационные элементы (переходные втулки, коммутационные головки) во избежание перегрева и выхода их из строя;
- при выборе термопреобразователя необходимо предусматривать «запас» по длине монтажной части датчика;
«запас» длины монтажной части может быть совсем небольшим, в общем случае – 10…20 мм. Этого расстояния S отступа будет достаточно, чтобы избежать перегрева коммутационного элемента.

Читайте также: