Термопара Пристрій і принцип роботи

Термоелектричним пірометром іменується пристрій для вимірювання температури, зібране з термопари, вторинного приладу і сполучних проводів. Розглянемо пристрій термопари.

До матеріалів для термоелектродів термопар пред`являються великі вимоги. Головною вимогою є створення порівняно великий термо-е. д. з. (В парі з іншим матеріалом), чим більше термо-е. д. е., тим найменш чутливим може бути вторинний прилад. Як порівняльного термоелектрода (або, як кажуть, звичайного електрода) в даний час прийнятий термозлектрод з платини. Це пояснюється тим, що платина має вищу температуру плавлення (тисяча сімсот сімдесят дев`ять ° С), порівняно легко виходить в хімічно чистому вигляді і має постійністю термоелектричних параметрів.

Дуже важливою властивістю для термопар є взаємозамінність. Взаємозамінними числяться термопари, які в подібних температурних умовах розвивають схожу термо-е. д. з. і, як слід, можуть працювати з одним і тим же вимірювальним приладом даної градуювання. Два електрода з 1-го і такого ж сплаву не завжди бувають взаємозамінні, на термо- е. д. з. впливають найдрібніші сторонні домішки в сплаві або неправильний отжиг після протягання. Якщо термопара не взаємозамінні, то доводиться переградуіровать прилад, що важко і не потрібно.

Залежно від матеріалу електродів термопари, які отримали практичне застосування, діляться на дві основні групи: термопари з благородних металів і термопари з неблагородних металів.

З серійно випускалися термопар до першої групи належать дві термопари: платинородій - платинова термопара типу ТПП (позначення градуювання по ГОСТ 6616-61ПП-1). У найменуванні термопар першим зазвичай вказується позитивний електрод, а другим - негативний. Платинородій являє собою сплав, до складу якого входить 90% платини (Pt) і 10% родію (Rh). Термопара типу ТПР (позначення градуювання ПР-30/6) складається з платинородій (30% родію) і платинородій (6% родію).

До 2-ої групи відносяться наступні термопари: хромель - алюмель, хромель - копель і термопара зі сплаву НК-СА. Хромель являє собою сплав з 89% нікелю (Ni), 9,8% хрому (Сг), 1% заліза (Fe) і 0,2% марганцю (Мп). Склад алюмелю: 94% Ni і 6% Al, Mn, Si. Склад Копель: 56% Сі і 44% Ni.

Термопара типу ТПП (платинородій - платина) може застосовуватися для вимірювання температур до 1600 ° С короткостроково і до 1300 ° С тривало. Термо-е. д. з. при цьому дорівнює відповідно 16,71 і 13,13 мв. Перевагою цієї термопари є стійкість термоелектричної властивості (т. Е. Малі відмінності е. Д. С. Термопари від номіналу, встановленого стандартом), взаємозамінність термоелектродів і найвища стійкість до хімічних впливів навіть при високих температурах.

товщина дроту з огляду на великий ціни електродів (платинородій і платини) порівняно невелика - 0,5 мм. Діаметр електродів термопар з неблагородних металів коливається в межах 0,5 - 5 мм.

Використовуються термопари ТПП в якості контрольних для перевірки робочих термопар, також для вимірювання температур в відповідальних процесах.

Термопара типу ТПР застосовується в тих же випадках, що і термопари ТПП. Межі вимірювання температури складають 300 - 1600 (1800 ° С короткостроково).

Термопара типу ТХЛ (хромель - алюмель) при короткочасному застосуванні допускає виміряти найвищу температуру 1300 ° С (е. д. с. при цьому дорівнює 52,43 мв). Робоча температура залежно від якості та хімічного складу оболонок знаходиться в межах 900 - 1000оС.

Термопара типу ТХК (хромель - копель) при короткочасному застосуванні може визначати температури до 800 ° С (е. д. с. при цьому дорівнює 66,42 мв) - робоча температура дорівнює 600 ° С (термо е. д. с. при цьому становить 49,02 мв).

Термопари хромель - алюмель н хромель - копель мають саме широке поширення як експлуатаційні прилади в промислових печах.

Термопара типу ТНС цікава тим, що термо-е. д. з. її при температурах від 0 до 200 ° С фактично відсутня. При максимальній температурі (близько 1000 ° С) вона розвиває е. д. з. 13,39 мв. Характерною особливістю термопари типу ТНС буде те, що на точність її роботи практично не впливає температура вільного кінця (прохолодного спаяний). 

Конструктивне виконання термопар визначається вибором матеріалу захисної тpy6и (арматури) та ізоляції. Захисна арматура повинна захистити термопару від діяння жарких, хімічно агресивних газів, що руйнують термопару. Тому арматура термопари повинна бути газонепроникної, механічно стійкою, жаротривкої і разом з тим добре проводити тепло. Для захисту термопар з неблагородних металів використовуються залізні труби без шва (при температурах вимірювання до 600 ° С) і з нержавіючої сталі (при вимірюванні температури до 1100 ° С). Для захисту термопар з благородних металів використовуються кварцові і порцелянові труби. Робочі кінці термопар з`єднують спайкою або зварюванням, в інших частинах термоелектроди повинні бути ізольовані один від одного. Термоелектроди ізолюються азбестом, коли межа вимірювання менше 300 ° С, кварцовими трубами або намистом (при t до 1000 ° С), порцеляновими трубками або намистом (приt до 1300 - 1400 ° С).

На рис. 1 приведена конструкція термопари, виконана з неблагородних металів.

При звичайному методі включення вимірювального приладу в ланцюг термопари вільні кінці термопари розташовуються в її голівці. Так як підтримувати температуру головки незмінною і низькою в зоні зазвичай великих вимірюваних температур досить важко, вільні кінці термопари переносять в зону незмінною і низької температури. Для цієї мети застосовують так звані компенсаційні дроти. для термопар з неблагородних матеріалів компенсаційні дроти виготовляються з числа тих же матеріалів, що і сама термопара. У термопарах, виконаних з великодушних металів, компенсаційні дроти підбираються з матеріалів, що розвивають між собою при схожих температурах термо-е. д. з. такої ж величини, як і основна термопара. Крім того, винесений прохолодний спай оточують термічний ізоляцією з високою тепловою інерцією. Використовують також спеціальні компенсаційні коробки для автоматичної компенсації коливань температури прохолодного спаяний.

Для автоматичної компенсації температури вільних кінців термопари застосовується спеціальний електронний пристрій, яке представляє собою кілька опорів, що утворюють бруківку схему (рис. 2)

опоруR1R2R3 іR4 з`єднані в нестійкий вимірювальний міст-опоруR1R2R3 іRД виконані з манганінового дроту, а опір R4 - з мідної. Величини опорів підібрані таким чином, що при температурі середовища 20 ° С між точками В і Г різниця потенціалів дорівнює нулю. В даному випадку міст не впливає на величину вимірюваної `е. д. з. При зміні температури середовища (вільних кінців термопари) змінюється термо-е. д. з. термопари: зростає при зниженні температури нижче 20 ° С і знижується при підвищенні температури вище 20 ° С, відразу змінюється величина опору R4 яка знижується при зниженні температури нижче 20 ° С і зростає при підвищенні температури вище 20 ° С. Отже, ці відмінності змінюють різниця потенціалів між точками В і Г в різних напрямках і фактично взаємно компенсуються.

Додаткове опір RД встановлюється в ланцюзі живлення моста і для різних матеріалів термопар має різну величину. Завдяки цьому напруга живлення моста, яке надходить на затискачі А і Б, для різних термопар відбудовується на необхідну величину. У діагональ ВГ включені черзі термопара Т, компенсаційні дротиRДо з`єднувальні дротиRЗі мілівольтметрmV.

Крім того, в ланцюг сполучних проводів включається підгінним опірRП створене для підгонки опору зовнішньої смуги до величини, позначеної на шкалі мілівольтметра.

Компенсаційна коробка харчується напругою постійного струму в 4 ст. Для цього вона приєднується до джерела живлення ІП - пристрою, що складається з понижуючого трансформатора, селенового випрямляча і підгінним опору.