Термопара. Устройство и принцип работы
Термоэлектрическим пирометром именуется устройство для измерения температуры, собранное из термопары, вторичного прибора и соединительных проводов. Разглядим устройство термопары.
К материалам для термоэлектродов термопар предъявляются огромные требования. Главным требованием является создание сравнимо большой термо-э. д. с. (в паре с другим материалом), чем больше термо-э. д. е., тем наименее чувствительным может быть вторичный прибор. В качестве сравнительного термоэлектрода (либо, как молвят, обычного электрода) в текущее время принят термозлектрод из платины. Это разъясняется тем, что платина имеет высшую температуру плавления (1779°С), сравнимо просто выходит в химически чистом виде и обладает всепостоянством термоэлектрических параметров.
Очень принципиальным свойством для термопар является взаимозаменяемость. Взаимозаменяемыми числятся термопары, которые в схожих температурных критериях развивают схожую термо-э. д. с. и, как следует, могут работать с одним и этим же измерительным прибором данной градуировки. Два электрода из 1-го и такого же сплава не всегда бывают взаимозаменяемы, на термо- э. д. с. оказывают влияние мельчайшие посторонние примеси в сплаве либо неправильный отжиг после протяжки. Если термопара не взаимозаменяема, то приходится переградуировать прибор, что трудно и не нужно.
Зависимо от материала электродов термопары, получившие практическое применение, делятся на две главные группы: термопары из великодушных металлов и термопары из неблагородных металлов.
Из серийно выпускавшихся термопар к первой группе относятся две термопары: платинородий – платиновая термопара типа ТПП (обозначение градуировки по ГОСТ 6616-61ПП-1). В наименовании термопар первым обычно указывается положительный электрод, а вторым – отрицательный. Платинородий представляет собой сплав, в состав которого заходит 90% платины (Pt) и 10% родия (Rh). Термопара типа ТПР (обозначение градуировки ПР-30/6) состоит из платинородия (30% родия) и платинородия (6% родия).
Ко 2-ой группе относятся последующие термопары: хромель – алюмель, хромель – копель и термопара из сплава НК-СА. Хромель представляет собой сплав из 89% никеля (Ni), 9,8% хрома (Сг), 1% железа (Fe) и 0,2% марганца (Мп). Состав алюмеля: 94% Ni и 6% Al, Mn, Si. Состав копеля: 56% Си и 44% Ni.
Термопара типа ТПП (платинородий – платина) может применяться для измерения температур до 1600°С краткосрочно и до 1300°С продолжительно. Термо-э. д. с. при всем этом равна соответственно 16,71 и 13,13 мв. Достоинством этой термопары является устойчивость термоэлектрической свойства (т. е. малые отличия э. д. с. термопары от номинала, установленного стандартом), взаимозаменяемость термоэлектродов и высочайшая стойкость к хим воздействиям даже при больших температурах.
Толщина проволоки ввиду большой цены электродов (платинородия и платины) сравнимо невелика – 0,5 мм. Диаметр электродов термопар из неблагородных металлов колеблется в границах 0,5 – 5 мм.
Используются термопары ТПП в качестве контрольных для проверки рабочих термопар, также для измерения температур в ответственных процессах.
Термопара типа ТПР применяется в тех же случаях, что и термопары ТПП. Пределы измерения температуры составляют 300 – 1600 (1800°С краткосрочно).
Термопара типа ТХЛ (хромель – алюмель) при кратковременном применении допускает измерить наивысшую температуру 1300°С (э. д. с. при всем этом равна 52,43 мв). Рабочая температура зависимо от свойства и хим состава оболочек находится в границах 900 – 1000оС.
Термопара типа ТХК (хромель – копель) при кратковременном применении может определять температуры до 800°С (э. д. с. при всем этом равна 66,42 мв); рабочая температура равна 600°С (термо э. д. с. при всем этом составляет 49,02 мв).
Термопары хромель – алюмель н хромель – копель имеют самое обширное распространение как эксплуатационные приборы в промышленных печах.
Термопара типа ТНС увлекательна тем, что термо-э. д. с. ее при температурах от 0 до 200°С фактически отсутствует. При максимальной температуре (около 1000°С) она развивает э. д. с. 13,39 мв. Соответствующей особенностью термопары типа ТНС будет то, что на точность ее работы практически не оказывает влияние температура свободного конца (прохладного спая).
Конструктивное выполнение термопар определяется выбором материала защитной тpy6ы (арматуры) и изоляции. Защитная арматура должна оградить термопару от деяния жарких, химически брутальных газов, разрушающих термопару. Потому арматура термопары должна быть газонепроницаемой, механически стойкой, жароупорной и совместно с тем отлично проводить тепло. Для защиты термопар из неблагородных металлов используются железные трубы без шва (при температурах измерения до 600°С) и из нержавеющей стали (при измерении температуры до 1100°С). Для защиты термопар из великодушных металлов используются кварцевые и фарфоровые трубы. Рабочие концы термопар соединяют спайкой либо сваркой, в других частях термоэлектроды должны быть изолированы друг от друга. Термоэлектроды изолируются асбестом, когда предел измерения менее 300°С, кварцевыми трубами либо бусами (при t до 1000°С), фарфоровыми трубками либо бусами (при t до 1300 – 1400°С).
На рис. 1 приведена конструкция термопары, выполненная из неблагородных металлов.
При обыкновенном методе включения измерительного прибора в цепь термопары свободные концы термопары располагаются в ее головке. Так как поддерживать температуру головки неизменной и низкой в зоне обычно больших измеряемых температур достаточно тяжело, свободные концы термопары переносят в зону неизменной и низкой температуры. Для этой цели применяют так именуемые компенсационные провода. Для термопар из неблагородных материалов компенсационные провода изготовляются из числа тех же материалов, что и сама термопара. В термопарах, выполненных из великодушных металлов, компенсационные провода подбираются из материалов, развивающих меж собой при схожих температурах термо-э. д. с. таковой же величины, как и основная термопара. Не считая того, вынесенный прохладный спай окружают термический изоляцией с высочайшей термический инерцией. Используют также специальные компенсационные коробки для автоматической компенсации колебаний температуры прохладного спая.
Для автоматической компенсации температуры свободных концов термопары применяется особое устройство, которое представляет собой несколько сопротивлений, образующих мостовую схему (рис. 2)
Сопротивления R1 R2 R3 и R4 соединены в неустойчивый измерительный мост; сопротивления R1 R2 R3 и RД выполнены из манганиновой проволоки, а сопротивление R4 – из медной. Величины сопротивлений подобраны таким макаром, что при температуре среды 20°С меж точками В и Г разность потенциалов равна нулю. В данном случае мост не оказывает влияние на величину измеряемой’ э. д. с. При изменении температуры среды (свободных концов термопары) меняется термо-э. д. с. термопары: растет при понижении температуры ниже 20°С и понижается при повышении температуры выше 20°С, сразу меняется величина сопротивления R4 которая понижается при снижении температуры ниже 20°С и растет при повышении температуры выше 20°С. Следовательно, эти отличия изменяют разность потенциалов меж точками В и Г в различных направлениях и фактически взаимно компенсируются.
Дополнительное сопротивление RД устанавливается в цепи питания моста и для различных материалов термопар имеет различную величину. Благодаря этому напряжение питания моста, поступающее на зажимы А и Б, для разных термопар отстраивается на требуемую величину. В диагональ ВГ включены поочередно термопара Т, компенсационные провода RК соединительные провода RС и милливольтметр mV.
Не считая того, в цепь соединительных проводов врубается подгоночное сопротивление RП созданное для подгонки сопротивления наружной полосы до величины, обозначенной на шкале милливольтметра.
Компенсационная коробка питается напряжением постоянного тока в 4 в. Для этого она присоединяется к источнику питания ИП – устройству, состоящему из понижающего трансформатора, селенового выпрямителя и подгоночного сопротивления.
Я бы сказал, что материал для изготовление термопар намного больше. Вот все возможные: Сталь; Хромель-алюмель; Платина; Хромель-копель; Медь; Алюминь; Алюмооксидная керамика; Железо-константан; Платинородий; платинородий-платина; Платина-родий; Термостойкий пластик; Вольфрам-родий; Платина-платина; Титан; Железо; Константан; Латунь; Нисил; Нихросил; Пластикат; Полиэтилен.