Тепловые измерительные приборы. Термопара

В тех случаях, когда термо-э.д.с. измеряется компенсатором, сопротивление цепи термо-э.д.с., как известно, роли не играет. В тех же случаях, когда термо-э.д.с. измеряется милливольтметром, может возникнуть погрешность, обусловленная изменением сопротивлений всех элементов, составляющих цепь термо-э.д.с.

 

1.3 Промышленные термопары

 

Основные параметры  термопар промышленного типа:

Обозначение термопары	Обозначение термоэлектродов	Материалы	Пределы измерения при длительном применении	Верхний предел измерений при кратковременном применении
ТПП	ПП-1	Платинородий (10% родия) платина	От -20 до 1300	1600
ТПР	ПР-30	Платинородий (30% родия)	300-1600	1800
ТХА	ХА	Хромель-алюмель	-50-1000	1300
ТХК	ХК	Хромель-копель	-50-600	800

 
Таблица 2

 

    Для измерения  температур ниже — 50° С могут найти применение специальные термопары, например медь — константан (до ~- 270° С), медь — копель (до — 200° С) и т. д. Для измерения температур выше 1300—1800° С изготавливаются термопары на основе тугоплавких металлов: иридий—ренийиридий (до 2100° С), вольфрам—рений (до 2500° С), на основе карбидов переходных металлов — титана, циркония, ниобия, талия, гафния 
(теоретически до 3000—3500° С), на основе углеродистых и графитовых волокон.

Градуировочные характеристики термопар основных типов приведены  в табл. 3. В этой таблице указана температура рабочего спая в градусах 
Цельсия и приведены величины термо-э.д.с. соответствующих термопар в милливольтах при температуре свободных концов 0° С.

 

Таблица 3

Обозначение градуировки	Температура рабочего спая
ХА	12.2, 16.40, 20.65, 24.91, 33.32, 41.26, 48.87
ПП-1	2.31, 3.249, 4.128, 5.220, 7.325, 9.564, 11.92, 14.33, 16.71
ПР-30	4.913, 6.902, 9.109, 11.47, 13.92

 

   Допускаются отклонения  реальных термо-э.д.с. от значений, приведенных в табл. 3, на величины, указанные в табл. 4.

 

Таблица 4

Обозначение градуировки	Диапазон температур	Наибольшее отклонение температур
ПП-1	-20 до +300	0,01
ПР-30	+300 до +1800	0,01
ХА	-50 до +300	0,16
ХК	-50 до +300	0,20

 

 

   Конструкция термопары  промышленного типа. Это термопара с термоэлектродами из неблагородных металлов, расположенными в составной защитной трубе с подвижным фланцем для ее крепления. Рабочий спай термопары изолирован  наконечником. Термоэлектроды изолированы брусами. Защитная труба состоит из рабочего  и нерабочего участков. Передвижной фланец  крепится к трубе винтом. Головка термопары имеет литой корпус  с крышкой, закрепленной винтами; В головке укреплены фарфоровые колодки  (винтами) плавающими (незакрепленными) зажимами, которые позволяют термоэлектродам удлиняться под воздействием температуры без возникновения механических напряжений, ведущих к быстрому разрушению термоэлектродов. Термоэлектроды крепятся к этим зажимам винтами, а соединительные провода — винтами. Эти провода проходят через штуцер  с асбестовым уплотнением.

Для термопар из благородных  металлов часто применяют неметаллические  трубы (кварцевые, фарфоровые и т. д.), однако такие трубы механически  непрочны и дороги. Фарфоровые трубы надлежащего состава можно использовать при температурах до 1300— 1400°С.

В качестве изоляции термоэлектродов  друг от друга применяют асбест до 300° С, кварцевые трубки или бусы до 1000° С, фарфоровые трубы 1300 С. Для  лабораторных термопар, используемых при измерении низких температур, применяют также теплостойкую резину до 150° С, шелк до 100—120° 
С, эмаль до 150—200 °С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Методы контактных электроизмерений различных диапазонов температур

 

2.1. Методы контактных  электроизмерений средних и высоких  температур с помощью термопар

 

Средними в термометрии  считаются температуры от 500 (начало свечения) до 1600 °С (белое каление), а высокими— от 1600 до 2500°С, до которых удается распространить термоэлектрический метод с использованием высокотемпературных, жаростойких материалов.

Принцип термоэлектрического  метода и основные свойства термоэлектродов были рассмотрены выше в п. 1. Основным вопросом при использовании этого метода для измерения средних и высоких температур является защита термоэлектродов от разрушающего химического и термического воздействия среды. Для этого термопары снабжаются защитной арматурой в виде чехлов, трубок или колпачков из огнеупорных материалов. Главное требование к защитной оболочке — высокая плотность строения и температурная стойкость.

При измерении температур ниже 1300 °С используются фарфоровые чехлы, при более высоких температурах — колпачки из тугоплавких материалов (такие, как корунд, окиси алюминия, бериллия или тория), заполненные инертным газом.

 

2.2 Зависимость срока службы термопар от пористости защитной оболочки

 

При измерении температуры поверхности тел особенную трудность составляет контакт рабочего спая термопары с поверхностью нагретого тела.

Для улучшения контакта используются термопары, рабочий спай которых выполнен в виде ленты  или пластины. Такая конфигурация рабочего спая при деформации позволяет воспроизводить поверхность объекта измерения.

Для измерения температур до 2000—2500 °С используются вольфрамовые или иридиевые термопары. Особенностью их применения является измерение в  вакууме, в инертной или восстановительной средах, так как на вэздухе они окисляются. Чувствительность вольфрамомолибденовой термопары составляет 7 мкВ/К, а вольфрамо-рениевой 13 мкВ/К.

В условиях высоких температур применяются термопары из огнеупорных  материалов (пары карбид титана — графит,карбид циркония — борид циркония и ди-силицид молибдена — дисилицид вольфрама). В таких термопарах внутри цилиндрического электрода (диаметр около 15 мм) имеется второй электрод—стержень, соединенный с первым электродом на одном конце трубки. Чувствительность термопар из огнеупорных материалов достигает 70 мкВ/К, однако их применение ограничено инертными и восстановительными средами.

Для измерения температуры  расплавленного металла термопарами  из благородных металлов используется метод, заключающийся в погружении термопары в металл на время, безопасное для ее работоспособности. При этом термопара на короткое время (0,4—0,6 с) погружается в контролируемую среду, и измеряется скорость нарастания температуры рабочего спая. Зная зависимость между скоростью нагрева термопары (ее тепловую инерционность) и температурной среды, можно рассчитать значение измеряемой температуры. Этот метод применяется для измерения расплавленного металла (2000-2500 С) и газового потока (1800 С).

 

 

 

 

 

 

Заключение

Термопары широко применяют для измерения температуры различных объектов, а также в автоматизированных системах управления и контроля. Измерение температур с помощью термопар получило широкое распространение из-за надежной конструкции датчика, возможности работать в широком диапазоне температур и дешевизны. Широкому применению термопары обязаны в первую очередь своей простоте, удобству монтажа, возможности измерения локальной температуры. Они гораздо более линейны, чем многие другие датчики, а их нелинейность на сегодняшний день хорошо изучена и описана в специальной литературе. К числу достоинств термопар относятся также малая инерционность, возможность измерения малых разностей температур. Термопары незаменимы при измерении высоких температур (вплоть до 2200°С) в агрессивных средах. Термопары могут обеспечивать высокую точность измерения температуры на уровне ±0,01^°С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованных источников

 

1.  Илюнин К. К. Справочник по электроизмерительным приборам; Под ред. К. К. Илюнина — Л.:Энергоатомиздат, 1983

2.  Никитин В.А., Бойко С.В. Методы и средства измерений, испытаний и контроля: Учебное пособие - 2-е изд. перераб. и доп. - Оренбург ГОУ ОГУ, 2004. - 462 с.

3.  Юдин М. Ф.  Основные термины в области метрологии. Словарь-справочник — М.: Изд. стандартов, 1989