Устройство и принцип работы термопар

Термоэлектрическим пирометром называется устройство для измерения температуры, собранное из термопары, вторичного прибора и соединительных проводов. Рассмотрим устройство термопары.

Устройство термопар.

К материалам для термоэлектродов термопар предъявляются большие требования. Основным требованием является создание сравнительно большой термо-э. д. с. (в паре с другим материалом), чем больше термо-э. д. с., тем менее чувствительным может быть вторичный прибор.
В качестве сравнительного термоэлектрода (или, как говорят, нормального электрода) в настоящее время принят термоэлектрод из платины. Это объясняется тем, что пла­тина имеет высокую температуру плавления (1779°С), сравнительно легко получается в химически чистом виде и обладает постоянством термоэлектрических свойств.

Очень важным свойством для термопар является взаимозаме­няемость. Взаимозаменяемыми считаются термопары, которые в одинаковых температурных условиях развивают одинаковую тер­мо-э. д. с. и, следовательно, могут работать с одним и тем же измери­тельным прибором данной градуировки. Два электрода из одного и того же сплава не всегда бывают взаимозаменяемы, на термо- э. д. с. влияют малейшие посторонние примеси в сплаве или не­правильный отжиг после протяжки. Если термопара не взаимо­заменяема, то приходится переградуировать прибор, что сложно и нежелательно.

Схема установки термопар.

В зависимости от материала электродов термопары, получившие практическое применение, разделяются на две основные группы: термопары из благородных 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 входит 90% платины (Pt) и 10% родия (Rh).

Ко второй группе относятся следующие 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 кратковременно и до 1300°С длительно. Термо-э. д. с. при этом равна соответ­ственно 16,71 и 13,13 мв. Достоинством этой термопары является устойчивость термоэлектрической характеристики (т. е. малые отклонения э. д. с. термопары от номинала, установленного стан­дартом), взаимозаменяемость термоэлектродов и высокая стойкость к химическим воздействиям даже при высоких температурах.

Толщина проволоки ввиду большой стоимости электродов (платинородия и платины) сравнительно невелика – 0,5 мм. Ди­аметр электродов термопар из неблагородных металлов колеблется в пределах 0,5 – 5 мм.

Применяются термопары ТПП в качестве контрольных для проверки рабочих термопар, а также для измерения температур в ответственных процессах.

Рисунок 1. Конструкция термопары выполненной из неблагородных термоэлектродов.

Термопара типа ТПР применяется в тех же случаях, что и термопары ТПП. Пределы измерения температуры составляют 300 – 1600 (1800°С кратковременно).

Термопара типа ТХЛ (хромель – алюмель) при кратковре­менном применении допускает измерить максимальную темпера­туру 1300°С (э. д. с. при этом равна 52,43 мв). Рабочая температура в зависимости от качества и химического состава оболочек нахо­дится в пределах 900 – 1000^оС.

Термопара типа ТХК (хромель – копель) при кратковремен­ном применении может измерять температуры до 800°С (э. д. с. при этом равна 66,42 мв); рабочая температура равна 600°С (термо э. д. с. при этом составляет 49,02 мв).

Термопары хромель – алюмель и хромель – копель имеют самое широкое распространение как эксплуатационные приборы в промышленных печах.

Термопара типа ТНС интересна тем, что термо-э. д. с. ее при температурах от 0 до 200°С практически отсутствует. При макси­мальной температуре (около 1000°С) она развивает э. д. с. 13,39 мв. Характерной особенностью термопары типа ТНС является то, что на точность ее работы почти не влияет температура свободного конца (холодного спая).

Конструктивное выполнение термопар определяется выбором материала защитной тpy6ы (арматуры) и изоляции. Защитная ар­матура должна оградить термопару от действия горячих, химически агрессивных газов, разрушающих ее. Поэтому арматура термопары дол­жна быть газонепроницаемой, механичес­ки стойкой, жароупорной и вместе с тем хорошо проводить тепло.

Рисунок 2. Электрическая цепь для измерения температуры при помощи термопары.

Для защиты термопар из неблагородных металлов применяются стальные трубы без шва (при температурах измерения до 600°С) и из нержавеющей стали (при измерении темпе­ратуры до 1100°С). Для защиты термопар из благородных металлов применяются кварцевые и фарфоровые трубы.

Рабочие концы термопар соединяют спайкой или сваркой, в остальных частях термоэлектроды должны быть изолированы друг от друга. Термоэлектроды изолируются асбестом, когда предел измерения не более 300°С, кварцевыми трубами или бусами (при t до 1000°С), фарфоровыми трубками или бусами (приt до 1300 – 1400°С).

На рис. 1 приведена конструкция термопары, выполненная из неблагородных металлов.

При обычном способе включения из­мерительного прибора в цепь термопары свободные концы термопары располагают­ся в ее головке. Поскольку поддерживать температуру головки постоянной и низкой в зоне обычно высоких измеряемых темпера­тур довольно трудно, свободные концы тер­мопары переносят в зону постоянной и низкой температуры. Для этой цели при­меняют так называемые компенсационные провода. Для термопар из неблагородных материалов компенсационные провода из­готовляются из тех же материалов, что и сама термопара. В термопарах, выполнен­ных из благородных металлов, компенса­ционные провода подбираются из матери­алов, развивающих между собой при одинаковых температурах термо-э. д. с. такой же величины, как и основная термо­пара. Кроме того, вынесенный холодный спай окружают тепловой изоляцией с высокой тепловой инерцией. Применяют также специ­альные компенсационные коробки для автоматической компенсации колебаний температуры холодного спая.

Для автоматической компенсации температуры свободных концов термопары применяется специальное устройство, которое представляет собой несколько сопротивлений, образующих мосто­вую схему (рис. 2)

СопротивленияR₁R₂R₃ иR₄ соединены в неуравновешенный измерительный мост; сопротивленияR₁R₂R₃ иR_Д выполнены из манганиновой проволоки, а сопротивление R₄ – из медной. Величины сопротивлений подобраны таким образом, что при тем­пературе окружающей среды 20°С между точками В и Г разность потенциалов равна нулю. В этом случае мост не влияет на величину измеряемой э. д. с. При изме­нении температуры окружающей среды (свободных концов термо­пары) изменяется термо-э. д. с. термопары: возрастает при пони­жении температуры ниже 20°С и снижается при повышении темпе­ратуры выше 20°С, одновременно изменяется величина сопротивле­ния R₄ которая снижается при понижении температуры ниже 20°С и возрастает при повышении тем­пературы выше 20°С. Следователь­но, эти отклонения изменяют раз­ность потенциалов между точками В и Г в разных направлениях и практически взаимно компенсиру­ются.

Дополнительное сопротивление R_Д устанавливается в цепи пита­ния моста и для разных материалов термопар имеет различную величину. Благодаря этому напряжение питания моста, поступаю­щее на зажимы А и Б, для различных термопар отстраивается на требуемую величину. В диагональ ВГ включены последовательно термопара Т, компенсационные проводаR_К, соединительные про­водаR_Си милливольтметрmV.

Кроме того, в цепь соединительных проводов включается под­гоночное сопротивлениеR_П предназначенное для подгонки со­противления внешней линии до величины, указанной 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.