Выбор градуировки термопары в зависимости от условий применения

Наиболее распространенные в промышленности датчики для измерения температуры это термопары. При изготовлении термопар используется термоэлектродная проволока из различных по составу металлов и сплавов. Материал термоэлектродной проволоки термопары определяет ее градуировку, диапазон измеряемых температур, чувствительность и особенности применения. Особенности применения термопар из неблагородных металлов Термопары типа К (хромель-алюмелевые термопары) § Имеют широкий диапазон измеряемых температур от – 100 °С до +1000 °С (рекомендуемый предел измеряемых температур зависит от диаметра термоэлектродной проволоки термопары); § В диапазоне от 200 до 500 °С возникает эффект гистерезиса, т.е показания при нагреве и охлаждении могут различаться - разница достигает ±5 °С; § Используется в нейтральной атмосфере или атмосфере с избытком кислорода; § Легко загрязняться примесями при высоких температурах; § При термического старения показания термопары снижаются; § Не рекомендуется использовать в разряженной атмосфере, т.к. хром может выделяться из Ni-Cr вывода (эффект миграции). Термопара при этом изменяет ТЭДС и показывает заниженную температуру; § Атмосфера серы вредна для термопары. Термопары типа J (железо-константановые термопары) § Не рекомендуется использовать ниже 0 °С, т.к. конденсация влаги на железном выводе приводит к образованию ржавчины; § Наиболее подходящий тип термопары для применения в разряженной атмосфере; § Максимальная температура применения +500 °С, т.к выше этой температуры происходит быстрое окисление выводов. Оба вывода термопары типа J быстро разрушаются в атмосфере содержащей серу; § Показания повышаются при термического старения. Термопары типа Е (хромель-константановые термопары) § Обладают высокой чувствительностью; § Подходит для использования при низких температурах. Термопары типа Т (медь-константановые термопары) § Может использоваться для измерения температур ниже 0 °С; § Может использоваться в атмосфере с небольшим избытком или недостатком кислорода; § Не рекомендуется использование при температурах выше 400 °С; § Не чувствительна к повышенной влажности. Термопары типа N (нихросил-нисиловые термопары) § Предварительно " загрязненная" кремнием термопара типа К. Таким образом снижается риск дальнейшего загрязнения во время работы; § Рекомендуемая рабочая температура до 1200 °С (зависит от диаметра проволоки); § Кратковременная работа возможна при 1250 °С; § Высокая стабильность при температурах от 200 до 500 °С (значительно меньший гистерезис, чем для термопары типа К); § Считается самой точной термопарой из неблагородных металлов. В зависимости от диапазона измеряемых температур рекомендуется применение следующих типов термопар: § Для измерения температур ниже нуля – термопары типа Е, Т; § Для измерения комнатных температур – термопары типа К, Е, Т; § Для измерения температур до 300 °С – термопары типа К; § Для измерения температур от 300 до 600°С – термопары типа N; § Для измерения температур выше 600 °С – термопары типа К или N. Термопары из неблагородных металлов дешевы и просты в обращении, устойчивы к вибрациям, могут выпускаться во взрывозащищенном исполнении. Преимуществом термопар из неблагородных металлов является высокая чувствительность. Существенным недостатком является образование термоэлектрической неоднородности в зоне максимального градиента температур, что может привести к ошибке в градуировке более 5 °С. Этот недостаток делает очень сомнительной саму возможность периодической поверки термопар в лабораторных условиях. Поэтому поверку термопар следует проводить при той же глубине погружения в среду, что и на рабочем объекте. Наименьшая термоэлектрическая неоднородность характерна для термопары нихросил/нисил (тип N). Особенности применения термопар из благородных металлов Термопары типы S и R (платнородий-платиновые и платнородий-платиновые термопары) § Рекомендуемая максимальная рабочая температура 1350 °С; § Кратковременное применение возможно при 1600 °С; § Загрязняется при температурах выше 900 °С водородом, углеродом, металлическими примесями из меди и железа. При содержании железа в платиновом электроде на уровне 0, 1%, ТЭДС изменяется более, чем на 1 мВ (100°С) при 1200 °С и 1, 5 мВ (160 °С) при 1600 °С. Такая же картина наблюдается при загрязнении медью. Таким образом, термопары нельзя армировать стальной трубкой, или следует изолировать электроды от трубки газонепроницаемой керамикой; § Может применяться в окислительной атмосфере; § При температуре выше 1000 °С термопара может загрязняться кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных керамических материалов. Важно использовать керамические трубки, состоящие из высокочистого оксида алюминия; § Не рекомендуется применять ниже 400 °С, т.к ТЭДС в этой области мала и крайне не линейна. Термопары типа В (платнородий-платинородиевые термопары) § Рекомендуемая максимальная температура рабочего диапазона 1500 °С (зависит от диаметра проволоки); § Кратковременное применение возможно до 1750 °С; § Может загрязняться при температурах выше 900 °С водородом, кремнием, парами меди и железа, но эффект меньше, чем для термопар типа S и R; § При температуре выше 1000 °С термопара может загрязняться кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных керамических материалов. Важно использовать керамические трубки, состоящие из высокочистого оксида алюминия; § Может использоваться в окислительной среде; § Не рекомендуется применение при температуре ниже 600 °С, где ТЭДС очень мала и не линейна. Наиболее точные термопары – с термоэлектродами из благородных металлов: платинородий-платиновые ПП: тип S (Pt-10%Rh / Pt) и тип R (Pt-13%Rh / Pt), платинородий-платинородиевые ПР тип В (Pt-30%Rh / Pt-6%Rh). Преимуществом является значительно меньшая термоэлектрическая неоднородность, чем у термопар из неблагородных металлов, устойчивость к окислению, вследствие чего высокая стабильность. Преимуществом термопары типа ПР также является практически нулевой выходной сигнал при температурах вплоть до 50 °С, таким образом устраняется необходимость термостатирования холодных спаев и возможность применения медных соединительных проводов. Недостатком является высокая стоимость и малая чувствительность (около 10 мкВ/К при 1000 °С). Хотя платинородиевые термопары превосходят по точности и стабильности термопары из неблагородных металлов и сплавов, минимальная расширенная неопределенность результата измерения температуры в диапазоне до 1100 °С составляет 0, 2-0, 3 °С. Причины нестабильности термопар связаны с загрязнением, окислением и испарением материалов термоэлектродов. При температурах 500-900 °С формируется стабильный окисел родия. Недостаток родия изменяет состав платино-родиевого термоэлектрода, что приводит к изменению зависимости ЭДС от температуры и к возникновению термоэлектрических неоднородностей.