2. Материалы, применяемые для термопар

К материалам для термоэлектродов термопар кроме требования получения большого знамения термоЭДС предъявляются и другие требования. Пожалуй, наиболее важным из них является обеспечение взаимозаменяемости. Это означает, что термопары одного и того же типа должны иметь при одинаковых температурах одну и ту же термоЭДС. В этом случае замена термопары не должна привести к перенастройке или переградуировке измерительного прибора. Поскольку термопары часто используются в очень тяжелых условиях (высокие температуры, агрессивная среда и т. п.), порой их необходимо менять уже через 1—2 тыс. ч. А измерительные приборы способны работать годами, их менять при замене термопары нецелесообразно. К тому же в промышленности получили большое распространение так называемые обегающие системы автоматического контроля, когда на один и тот же измерительный прибор последовательно подаются сигналы от нескольких десятков термопар, контролирующих температуру в разных местах.

Поэтому необходима стабильность и повторяемость свойств термопар. В табл. 2 приведены основные типы термопар, выпускаемых серийно, и их характеристики. В паре материалов первым указан положительный электрод.

Таблица 2. Зависимость термоЭДС от температуры для стандартных термопар (при температуре свободных концов 0 °С)

Температура, ºС	ТермоЭДС.мВ
	термопара платинородий-платина, гр. ПП	термопара хромель-алюмель, гр.ХА	термопара хромель-копель, гр. ХК
-50	—	—	-3,11
-20	-0,109	-0,77	-1,27
0	0	0	0
50	0,301	2,02	3,35
100	0,640	4,10	6,95
200	1,421	0,13	14,66
300	2,311	12,21	22,91
400	3,244	16,40	31,49
600	5,214	24,91	49,02
800	7,323	33,32	—
1000	9,569	41,32	—
1100	10,745	45,16	—
1300	13,152	—	—
1500	15563	—	—

В зависимости от материала электродов термопары, получившие практическое применение, разделяются на две основные группы: из благородных и неблагородных металлов.

Наибольшее распространение из первой группы получила термопара типа ТПП. Один электрод ее изготовлен из платинородия (90 % платины и 10 % родия), другой — из чистой платины. Эта термопара может использоваться как образцовая. Достоинствами ее являются химическая стойкость к окислительной среде, взаимозаменяемость термоэлектродов, повторяемость характеристик. Недостаток — малое значение термоЭДС. Термопара типа ТПП может длительно работать при температуре 1300 ºС, термоЭДС ее при этой температуре составляет 13,152 мВ.

Для более высоких температур (длительно — до 1600 ºС, кратковременно— до 1800 °С) применяется термопара ТПР. Один электрод— платинородий (70 % платины и 30 % родия), другой электрод также платинородий (94 % платины и 6 % родия). При температуре 1800 ºС термоЭДС составляет 13,927 мВ.

Существенно большие значения термоЭДС имеют термопары из неблагородных металлов, материалом для электродов которых служат специально разработанные сплавы: хромель (89 % никеля, 9,8 % хрома, 1 % железа, 0,2 % марганца), алюмель (94 % никеля, 2,5 % марганца, 2 % алюминия, 1 % кремния, 0,5 % железа), копель (55 % меди, 45 % никеля).

Рис. 2. Зависимости термоЭДС от температуры

Наибольшее распространение получили термопары типа ТХА (хромель—алюмель) и типа ТХК (хромель—копель). Зависимость термоЭДС этих термопар от температуры показана на рис. 10.2. Хромель-алюмелевые термопары применяют для измерения температур в пределах от -50 до 1000 °С. Они способны работать в окислительной среде, поскольку образуемая при нагреве тонкая защитная пленка препятствует проникновению кислорода внутрь металла. Зависимость термоЭДС от температуры для термопар ТХА близка клинейной. Хромель-копелевые термопары имеют самую высокую чувствительность: 6,95 мВ на 100 ºС. Однако диапазон измеряемых температур (от -50 до 600 °С) несколько ниже, чем у термопар типа ТХА. Несколько хуже у термопар типа ТХК и линейность характеристики. Их достоинством является более высокая влагостойкость.

Термопара типа ТНС (электроды выполнены из сплавов НС-СА) применяется в диапазоне температур от 300 до 1000 °С. ТермоЭДС ее невелика — всего 13,39 мВ при 1000 ºС. Но характерной особенностью этой термопары является то, что на точность ее работы почти не влияет температура холодного спая. Объясняется это тем, что термоЭДС термопары типа ТНС в диапазоне низких температур (до +200 °С) практически близка к нулю. Следовательно, изменения температуры холодного спая, вызванные обычными погодными колебаниями в помещении и даже на улице, почти не влияют на результаты измерения.

Кроме перечисленных материалов для термопар используются и другие, менее распространенные, но имеющие свои достоинства. Для измерения высоких температур применяют термопару из тугоплавких металлов — вольфрама и молибдена. Достоинством термопар медь—копель и железо—копель является низкая стоимость.

Конструктивно термопары выполняются в специальной арматуре, обеспечивающей защиту электродов от действия горячих химически агрессивных газов и паров, электрическую изоляцию выводов. Для защиты термопар из неблагородных металлов применяют стальные трубки диаметром 21 мм и с максимальной глубиной погружения до 2 м.

Для защиты термопар из благородных металлов применяются кварцевые и фарфоровые трубки диаметром 8 и 20 мм. Для изоляции используют асбест (до 300 °С), кварц (до 1000 °С), фарфор (до 1400 °С).

Так как термопары являются датчиками генераторного типа, то их в принципе можно использовать и для получения электроэнергии. Измерительные термопары для этой цели практически непригодны, поскольку их термоЭДС невелика. Но термопары с электродами из полупроводниковых материалов имеют термоЭДС, на порядок большую (до 65 мВ на 100 °С). С помощью таких термопар может осуществляться, например, и преобразование солнечной энергии в электрическую. Нашли применение они в быту: термогенераторы используются для питания радиоприемников. КПД полупроводниковых термоэлементов достигает 10 %. Для целей измерения полупроводниковые термопары пока не применяются из-за нелинейности характеристики, малой механической прочности и сравнительно малого (до 500 °С) температурного диапазона.

Сплавы для термопар :: Книги по металлургии

3.1. ТРЕБОВАНИЯ,

ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ТЕРМОЭЛЕКТРОДНЫМ СПЛАВАМ

Вес важнейшие характеристики термоэлектрического термометра: величина сигнала, чувствительность, диапазон измеряемых температур, ресурс, стабильность и др., зависят в основном от свойств материалов, образующих чувствительный элемент термометра — термопару. Для изготовления термопары принципиально возможно пользоваться парой любых разных металлов и сплавов, однако целесообразно использовать только определенные, так называемые термоэлектродные сплавы, которые получили распространение в измерительной технике. Одной из главных причин того, что для термопар используются вполне определенные сплавы является многообразие и сложность предъявляемых к ним следующих требований. 1. T. э. д. с. термоэлектродных сплавов, образующих термопару должна быть достаточно большой для того, чтобы ее можно было измерить с необходимой точностью. Она должна быть непрерывной и однозначной функцией температуры, без экстремумов в интервале температур, для которого предназначена термопара. Желательно чтобы эта функция была максимально близка к линейной. У термопар, для которых не требуются поправки на температуру свободных концов, необходимо, чтобы величина т. э. д. с. в определенном интервале температур была ничтожно малой. 2.   Температура плавления   термоэлектродных   сплавов должна быть выше максимальной    температуры, при которой   термопара должна работать. Необходимо, чтобы Температура плавления сплава превышала максимальную температуру эксплуатации не менее чем на 50—150 °С. Это превышение может быть и большим, если при высоких температурах   прочность   термоэлектродных сплавов резко падает и (или) они активно взаимодействуют с окружающей средой и пр. 3.              Термоэлектродные сплавы должны быть коррозионно-устойчивыми в тех средах и при тех температурах,   при   которых должна работать термопара. В большинстве случаев речь идет о стойкости на воздухе, а когда речь идет о других средах, то часто оказывается необходимым, чтобы наряду с коррозионной стойкостью в этих средах была обеспечена также стойкость на воздухе. Этому требованию термоэлектродные сплавы далеко не всегда удовлетворяют, поэтому термоэлектроды термопар стремятся защитить от воздействия внешней среды.                                                                                      4.                  Термоэлектродные сплавы должны отличаться воспроизводимыми и однородными свойствами при производстве их в необходимых масштабах. В современном приборостроении легче использовать термоэлектродные сплавы с малой,   но   воспроизводимой т. э. д. с, чем сплавы с большой и плохо воспроизводимой т. э. д. с. Погрешность воспроизводимости  т. э. д. с. (допуск на т. э. д. с.) термоэлектродных сплавов, образующих термопару, равную ±1 %, можно считать приемлемой для некоторых видов промышленных термопар, хотя желательно, чтобы она была меньше. 5.             сплавы для термопар в процессе эксплуатации и градуировки должны сохранять свою термоэлектрическую характеристику неизменной. Величина нестабильности т. э. д. с. термопар служит критерием отказа при оценке их надежности. Желательно, чтобы нестабильность т. э. д. с. промышленных высокотемпературных термопар не превышала 1 % от измеряемой величины после эксплуатации в течение 1000 ч. Во многих   случаях и эта цифра   представляется чрезмерно большой. 6.                   сплавы для термопар должны быть достаточно пластичными, чтобы из них было возможно изготавливать проволоку (в некоторых случаях и другие   виды   полуфабрикатов), и вместе с тем достаточно прочными. Последнее   требование   особенно важно для термопар, подвергающихся механическим нагрузкам, особенно знакопеременным. 3.2. сплавы ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕРМОПАР Количество сплавов и их комбинаций, когда либо исследованных и использованных для создания термопар, включая сплавы для удлиняющих проводов, превышает 300. Довольно полная сводка таких сплавов (но отнюдь не исчерпывающая) имеется в [14]. В настоящее время в промышленности и научных исследованиях применяется значительно меньшее число термоэлектродных сплавов. Перечень наиболее распространенных термопар для измерения высоких температур приведен в табл. 3,1, низких температур — в табл. 3.2. Все термоэлектродные сплавы можно разделить на три группы (см. табл. 3.1). сплавы первой группы, небольшой по числу (см. термопары N 1—4, 16, 17, 21, 23, 25), производятся в больших количествах и широко используются во всех отраслях народного хозяйства, Составы сплавов, сортамент и свойства термоэлектродной проволоки, а_ также свойства соответствующих термопар стандартизированы, С помощью этих основных стандартных термопар производится подавляющее большинство измерений температуры. Сплавы второй группы (их несколько десятков) также используются для изготовления промышленных термопар (термопары N° 5—15, 18—20, 22, 24), область применения которых гораздо уже и связана с необходимостью измерений температуры, которые невозможно, затруднительно или неэффективно проводить с помощью стандартных термопар. Обычно это сплавы для термопар, работающих в определенных диапазонах температур, при определенных внешних условиях, или для термопар с заданной чувствительностью в определенной области температур. 600 °С, термопары для измерений в условиях облучения, например Mo—Nb, или термопары с электродами из сплавов Pt—Mo, термопары из сплавов Mo—Re с повышенной устойчивостью в углеродеодержащих средах по сравнению с термопарами из сплавов W—Re и многие другие. К этой же группе следует отнести термопары с электродами из различных модификаций углерода, графита, карбидов, боридов и силицидов тугоплавких металлов [2, 4, 10, 11, 15, 1G, 18, 22]. За последние десятилетия термоэлектродные материалы для промышленных термопар непрерывно совершенствовались. Улучшалась воспроизводимость и однородность т. э. д. с, причем в такой степени, что стало возможным серийное (массовое) производство термоэлсктродной проволоки с заданными допусками на т. э, д. с; градуировочные таблицы термопар уточнялись и приводились в соответствие с существовавшими международными практическими температурными шкалами   (МПТШ-27; МПТЩ-48 и МПТШ-68). Термопары из сплавов новых композиций, разработанные за последние 20—30 лет, нашли широкое применение только в тех случаях, когда их градуировочиые характеристики совпадали с уже известными (модификации термопары хромель—алюмель, платинель). Если же температурная зависимость т. э. д. с. термопар существенно отличалась от известных, т. е. для них требовалось создание собственного парка вторичных приборов, то область распространения термопар, была значительно уже, несмотря на их несомненные достоинства (термопары жеминоль, ЦПИИЧМ-2, нихросил—ниспл, феникс и др.}. В большинстве промышленно развитых стран свойства распространенных термопар и термоэлектродных сплавов (градуировочные таблицы, допуска на т. э. д. с, сортамент и свойства термоэлектродной проволоки и др.) определены соответствующими нормативными документами: свойства основных и наиболее важных термопар государственными стандартами, свойства остальных, имеющих более узкую область применения, техническими условиями (за рубежом нормалями отдельных фирм). Свойства основных термопар и термоэлектродных сплавов, производимых отечественной промышленностью, определены рядом стандартов. В настоящее время термоэлектрические характеристики (градуировочные таблицы) основных термопар приняты едиными во многих странах мира. Рекомендованные Международной электротехнической комиссией —стандарт МЭК 584—1.1977 [57] —градуировочные таблицы распространяются па термопары; медь —константан, железо __ константан, хромель — константан, хромель—алюмель, платинородий (10 % Rh) —платина, платинородий (13 % Rh) —платина и платинородий (30% Rh)—платинородий (6% Rh). В стандарте СЭВ (СТ СЭВ 1059—78) [56] учтены рекомендации МЭК, но дополнительно включены градуировочные таблицы термопар медь — копель и хромель — копель, а также вольфрамрениевой термопары, изготавливаемых в СССР.

Материал термоэлектродов (термоэлектродные сплавы)

Общая характеристика. Положительный электрод: хромель — сплав никеля с ~9,5 % Сr, развивающий наибольшую т. э. д. с. в системе № Сг и обладающий высокой жаростойкостью в окислительных средах. В состав сплава входят также различные добавки, улучшающие его технологичность (С, Mn, Mg, Si и др.), повышающие его жаростойкость (Si, No, Ca и др.) и помогающие регулировать т. э. д. с. (Сu, Fe).

 

Диапазон измеряемых температур. Верхний предел температур, которые можно измерять термопарами из никелевых сплавов ограничен их температурами плавления, которые в большинстве случаев лежат несколько ниже точки плавления никеля (1455″С). Некоторые легирующие элементы (Fe, Co, Cr, AI) изменяют температуру плавления никеля лишь незначительно, другие (Mn, Si, V, Nb, Mo) понижают ее примерно на 50—100 «С и лишь немногие (W) ее повышают !. Температура солидуса большинства никелевых термоэлектродных сплавов колеблется в пределах 1390—1450 «С. Предельная Температура длительного применения термопар (с электродами толстых сечений) не превышает 1200 °С, кратковременного — 1300 «С. Термоэлектродвижущая сила многих твердых растворов никеля колеблется в весьма широких пределах и может достигать большой величины [43, с. 16—35; 39, с. 39—61, 78—80], рис. 4.8. Т. э. д. с. некоторых пар никелевых сплавов достигает 55—65 мВ при 1200 «С. Если в качестве одного из электродов пары использовать сплав Си—№ примерно эквиатомного состава (копель, константан), то образуются пары с т. э. д. с. порядка 75—80 мВ при 800 «С, т. е. с почти предельно возможной т. э. д. с. для материалов с металлической проводимостью. Своеобразие температурной зависимости т. э. д. с. твердых растворов Ni—Fe и Ni—Со (рис. 4.9) позволяет использовать железо и кобальт в качестве добавок для корректирования характера зависимости т.э. д. с. сплавов от температуры 2.

 

Термопары. Виды и состав. Устройство и принцип действия

Преобразователь температуры в электрический ток называется термопарой. Такой термоэлемент используется в преобразовательных и измерительных устройствах, а также во многих системах автоматики. Если рассматривать термопары по международным стандартам, то это два проводника из разных материалов.

Устройство термопары

На одном конце эти проводники соединены между собой для создания термоэлектрического эффекта, позволяющего измерять температуру.

Внешне такое устройство выглядит в виде двух тонких проволочек сваренных на одном конце между собой, образуя маленький шарик. Многие китайские мультиметры имеют в комплекте такие термопреобразователи, что дает возможность измерять температуру разных нагретых элементов устройств. Эти два проводника обычно помещены в стекловолоконную прозрачную трубку. С одной стороны находится аккуратный сварной шарик, а с другой специальные разъемы для подключения к измерительному прибору.

Промышленное оборудование имеет более сложную конструкцию, по сравнению с китайскими термопарами. Рабочий элемент термодатчика заключают в металлический корпус в виде зонда, внутри которого он изолирован керамическими изоляторами, способными выдержать высокую температуру и воздействие агрессивной среды. На производстве таким термодатчиком измеряют температуру в технологических процессах.

Термопары являются наиболее популярным старым термоэлементом, который применяется в различных приборах для измерения температуры. Он обладает высокой надежностью, низкой инертностью, универсален и имеет низкую стоимость. Диапазон измерения различными видами термопар очень широк, и находится в пределах -250 +2500°С. Конструктивные особенности термодатчика не позволяют обеспечить высокую точность измерений, и погрешность может составлять до 2 градусов.

В бытовых условиях термопары используются в паяльниках, газовых духовках и других бытовых устройствах.

Принцип действия

Работа рассматриваемого термодатчика заключается в использовании эффекта ученого физика Зеебека, который обнаружил, что при спайке двух разнородных проводов в них образуется термо ЭДС, величина которого возрастает с увеличением нагрева места спайки. Позже это явление назвали термоэлектрическим эффектом Зеебека.

Напряжение, вырабатываемое термопарой, зависит от степени нагревания и вида применяемых металлов. Величина напряжения небольшая, и находится в интервале 1-70 микровольт на один градус.

При подключении такого температурного датчика к измерительному устройству, возникает дополнительный термоэлектрический переход. Поэтому образуется два перехода в разных режимах температуры. Входящий электрический сигнал на измерительном приборе будет зависеть от разности температур двух переходов.

Для измерения абсолютной температуры используют способ, называемый компенсацией холодного спая. Суть этого способа заключается в помещении второго перехода, не находящегося в зоне измерения, в среду образцовой температуры. Раньше для этого применяли обычный способ – размещали второй переход в тающий лед. Сегодня для этого используют вспомогательный температурный датчик, находящийся рядом со вторым переходом. По данным дополнительного термодатчика измерительное устройство корректирует итоги измерения. Это упрощает схему измерения, так как измерительный элемент и термопару совместно с дополнительным компенсатором можно соединить в одно устройство.

Разновидности

Температурные датчики на основе термопары разделяются по типу применяемых металлов.

Термопары из неблагородных металлов

Железо-константановые:

• Достоинством стала низкая стоимость.
• Нельзя применять при температуре менее ноля градусов, так как на металлическом выводе влага создает коррозию.
• После термического старения показатели измерений возрастают.
• Наибольшая допустимая температура использования +500°С, при более высокой температуре выводы очень быстро окисляются и разрушаются.
• Железо-константановый вид является наиболее подходящим для вакуумной среды.

Хромель-константановые:

• Способны работать при пониженных температурах.
• Материалы электродов обладают термоэлектрической однородностью.
• Их достоинство – повышенная чувствительность.

Медно-константановые термопары:

• Оба электрода отожжены для создания термоэлектрической однородности.
• Не восприимчивы к высокой влажности.
• Нецелесообразно применять при температурах, превышающих 400°С.
• Допускается применение в среде с недостатком или избытком кислорода.
• Допускается применение при температуре ниже 0°С.

Хромель-алюмелевые термопары:

• Серная среда вредно влияет на оба электрода термодатчика.
• Нецелесообразно применять в среде вакуума, так как из электрода Ni-Cr может выделяться хром. Это явление называют миграцией. При этом термодатчик изменяет ЭДС и выдает температуру ниже истинной.
• Снижение показаний после термического старения.
• Применяется в насыщенной кислородом атмосфере или в нейтральной среде.
• В интервале 200-500°С появляется эффект гистерезиса. Это означает, что при охлаждении и нагревании показания отличаются. Разница может достигать 5°С.
• Широко применяются в разных сферах в интервале от -100 до +1000 градусов. Этот диапазон зависит от диаметра электродов.

Нихросил-нисиловые:

• Наиболее высокая точность работы из всех термопар, изготовленных из неблагородных металлов.
• Повышенная стабильность функционирования при температурах 200-500°С. Гистерезис у таких термодатчиков значительно меньше, чем у хромель-алюмелевых датчиков.
• Допускается работа в течение короткого времени при температуре 1250°С.
• Рекомендуемая температура эксплуатации не превышает 1200°С, и зависит от диаметра электродов.
• Этот тип термопары разработан недавно, на основе хромель-алюмелевых термодатчиков, которые могут быстро загрязняться различными примесями при повышенных температурах. Если спаять два электрода с кремнием, то можно заранее искусственно загрязнить датчик. Это позволит уменьшить риск будущего загрязнения при работе.

Термодатчики из благородных металлов

Платинородий-платиновые:

• Наибольшая рекомендуемая температура эксплуатации 1350°С.
• Допускается кратковременное использование при 1600°С.
• Нецелесообразно использовать при температуре менее 400°С, так как ЭДС будет нелинейной и незначительной.
• При температуре более 1000°С термопара склонна к загрязнению кремнием, содержащимся в керамических изоляторах. Поэтому рекомендуется применять керамические трубки из чистого оксида алюминия.
• Способны работать в окислительной внешней среде.
• Если температура работы более 900°С, то такие термодатчики загрязняются железом, медью, углеродом и водородом, поэтому их запрещается армировать стальными трубками, либо необходимо изолировать электроды керамикой с газонепроницаемыми свойствами.

Платинородий-платинородиевые:

• Оптимальная наибольшая рабочая температура 1500°С.
• Нецелесообразно использование при температуре менее 600°С, где ЭДС нелинейная и незначительная.
• Допускается кратковременное использование при 1750°С.
• Может применяться в окислительной внешней среде.
• При температуре 1000 и более градусов термопара загрязняется кремнием, поэтому рекомендуется применять керамические трубки из чистого оксида алюминия.
• Загрязнение железом, медью и кремнием ниже, по сравнению с предыдущими видами.

Преимущества

1. Прочность и надежность конструкции.
2. Простой процесс изготовления.
3. Спай датчика можно заземлять или соединять с объектом измерения.
4. Широкий интервал эксплуатационных температур, что позволяет считать термоэлектрические датчики наиболее высокотемпературными из контактных видов.

Недостатки

• Материал электродов реагирует на химические вещества, и при плохой герметичности корпуса датчика, его работа зависит от атмосферы и агрессивных сред.
• Градуировочная характеристика изменяется из-за коррозии и появления термоэлектрической неоднородности.
• Требуется проверять температуру холодных спаев. В новых устройствах измерительных приборов на базе термодатчиков применяется измерение холодных спаев полупроводниковым сенсором или термистором.
• На большой длине удлинительных и термопарных проводников может появляться эффект «антенны» для имеющихся электромагнитных полей.
• ЭДС зависит от температуры по нелинейному графику, что затрудняет проектирование вторичных преобразователей сигнала.
• Если серьезные требования предъявляются к времени термической инерции термодатчика, и требуется заземлять спай, то необходимо изолировать преобразователь сигнала, чтобы не было утечки тока в землю.

Рекомендации по эксплуатации

Точность и целостность системы измерений на основе термопарного датчика может быть увеличена, если соблюдать определенные условия:

• Не допускать вибраций и механических натяжений термопарных проводников.
• При применении миниатюрной термопары из тонкой проволоки. Необходимо применять ее только в контролируемом месте, а за этим местом следует применять удлинительные проводники.
• Рекомендуется применять проволоку большого диаметра, не изменяющую температуру измеряемого объекта.
• Использовать термодатчик только в интервале рабочих температур.
• Избегать резких перепадов температуры по длине термодатчика.
• При работе с длинными термодатчиками и удлинительными проводниками, необходимо соединить экран вольтметра с экраном провода.
• Для вспомогательного контроля и температурной диагностики используют специальные температурные датчики с 4-мя термоэлектродами, позволяющими выполнять вспомогательные температурные измерения, сопротивления, напряжения, помех для проверки надежности и целостности термопар.
• Проводить электронную запись событий и постоянно контролировать величину сопротивления термоэлектродов.
• Применять удлиняющие проводники в рабочем интервале и при наименьших перепадах температур.
• Применять качественный защитный чехол для защиты термопарных проводников от вредных условий.

Похожие темы:

Типы термопар. Статьи. Поддержка. ТД Эталон

Тип термопары	Обозначение градуировки		Материал термоэлектродов		Пределы измерения температур, °С			Примечания
	РФ	МЭК*	положительного	отрицательного	нижний	верхний	кратков-ременно
Хромель-алюмелевая	ХА	К	Хромель Ni+9,5 Cr	Алюмель Ni+Isi+2Al+2,5Mn	-200	+1200	+1300	Термопара ХА обладает широким диапазоном температур и высокой чувствительностью. Основной проблемой хромель-алюмелевых термопар являются коррозия и охрупчивание термоэлектрода. Для защиты от коррозии используют вентилируемые защитные чехлы большого диаметра или чехлы с помещенными внутри газопоглотителями (геттерами).
Хромель-копелевае	ХК	L	Хромель Ni+9,5 Cr	Копель Cu+(42-44)Ni+0,5Mn+0,1Fe	-200	+600	+800	ТХК является самой распространенной в промышленности термопарой, часто применяется при измерении малых разностей температур. Характеризуется наибольшей чувствительностью и стабильностью, но восприимчива к деформации термоэлектрода. Рабочая среда окислительная или содержащая инертные газы.
Хромель-константовая	ХКн	E	Хромель Ni+9,5 Cr	Констант Cu+(40-45)Ni+1,0Mn+0,7Fe	-200	+700	+900	Преимуществами ТХКн является высокая чувствительность, термоэлектрическая однородность материалов электродов, возможность использования при низких температурах.
Медь-копелевая	МК	M	Медь Cu	Копель Cu+(42-44)Ni+0,5Mn+0,1Fe	-200	+100	—	ТМК может работать в окислительной или восстановительной атмосфере, а также в вакууме. Не чувствительна к повышенной влажности. Оба термоэлектрода могут быть отожжены для удаления материалов, вызывающих термоэлекрическую неоднородность.
Медь-константовая	МКн	T	Медь Cu	Констант Cu+(40-45)Ni+1,0Mn+0,7Fe	-200	+350	+400	Термопара МКн может использоваться в атмосфере с небольшим избытком или недостатком кислорода, не чувствительна к повышенной влажности. Оба вывода могут быть отожжены для удаления материалов, вызывающих термоэлекрическую неоднородность.
Железо-константовая	ЖК	J	Железо Fe	Констант Cu+(40-45)Ni+1,0Mn+0,7Fe	-200	+750	+900	ТЖК работает с окислительными, восстановительными, инертными средами и вакуумом. Особенностью является возможность измерения положительных температур совместно с отрицательными.
Нихросил-нисиловая	НН	N	Нихросил Ni+14,2Cr+1,4Si	Нисил Ni+4,4Si+0,1Mg	-270	+1200	+1300	ТНН считается самой точной термопарой из неблагородных металлов. Отличается высокой стабильностью при температурах от +200 до +500°С.
Сильх-силиновая	СС	I	Сильх Ni+9Cr+0,9Si	Силин Ni+(2-2,8)Si	0	+800	—
Платинородий-платиновая	ПП13 ПП10	R S	Платина-родий Pt+13Rh Pt+10Rh	Платина Pt Pt	0	+1300	+1600	Термопары ПП самые распространённые для измерения очень высоких температур в окислительных и инертных средах. К достоинствам можно отнести точность измерений, хорошую воспроизводимость и стабильность термо-ЭДС. К недостаткам – повышенную чувствительность к химическим загрязнениям отрицательного платинового электрода.
Платинородий-платинородиевая	ПР	В	Платина-родий Pt+30Rh	Платина-родий Pt+6Rh	+600	+1700	—	ТПР применяются в окислительных и инертных средах, а также в вакууме. В сравнении с ПП, термопары ПР обладают немного меньшей термо-ЭДС, но большей механической прочностью и стабильностью, меньшей чувствительностью к загрязнениям, способностью измерять более высокие температуры.
Вольфрамрений-вольфрамрениевая	ВР	A-1; A-2; A-3	Вольфрам-рений W+5%Re	Вольфрам-рений W+20Re	0	+2200	+2500	Термопары ВР предназначены для длительного измерения температуры в чистых инертных средах, сухом водороде и вакууме. Даже небольшое количество кислорода существенно уменьшает срок службы термопары. В окислительных средах термопары данного типа могут быть использованы только для измерения температуры в быстротекущих процессах. При значениях температуры выше значений, при которых начинается катастрофическое окисление, срок службы термопары исчисляется минутами.

Термопары. Типы термопар, рекомендации по выбору

10.03.2018 

Эта статья содержит обзор существующих типов термопар, диапазоны измеряемых температур, условия эксплуатации. Рассматриваются различные материалы для их изготовления: никелевые и медно-никелевые сплавы – алюмель, хромель, копель, константан; медь, железо, вольфраморениевые сплавы – ВР5/ВР20; платина, платинородий.

Типы термопар из неблагородных металлов и их особенности

1. Тип °К (хромель-алюмель)

• Используется для измерения температур в диапазоне от –200 °С до +1200 °С (рекомендуемый предел, зависящий от диаметра термоэлектродной проволоки).
• В диапазоне температур от 200 до 500 °С может возникнуть эффект гистерезиса, когда показания при нагревании и охлаждении могут различаться.
• В некоторых случаях разница достигает 5 °С.
• Работает в нейтральной атмосфере или атмосфере с избытком кислорода.
• После термического старения показания снижаются.
• Может произойти изменение термо-ЭДС при использовании в разряженной атмосфере, т.к. хром может выделяться из Ni-Cr вывода (так называемая миграция). При этом термопара показывает заниженную температуру.
• Атмосфера серы вредна для термопары, т.к. воздействует на оба электрода.

2. Тип °L (хромель-копель)

• Используется для измерения температур в диапазоне от –200 °С до +800 °С (рекомендуемый предел, зависящий от диаметра термоэлектродной проволоки).

3. Тип °Е (хромель-константан)

• Используется для измерения температур в диапазоне от –40 °С до +900 °С.
• Обладает высокой чувствительностью, что является плюсом.
• Материалы электродов обладают термоэлектрической однородностью.

4. Тип °Т (медь-константан)

• Используется для измерения температур в диапазоне от –250 °С до +300 °С.
• Может работать в атмосфере с небольшим избытком или недостатком кислорода.
• Не рекомендуется использование термопар данного типа при температурах выше 400 °С.
• Не чувствительна к повышенной влажности.
• Оба вывода могут быть отожжены для удаления материалов, вызывающих термоэлекрическую неоднородность.

5. Тип °J (железо-константан)

• На железном выводе может образоваться ржавчина из-за конденсации влаги.
• Хорошо работает в разряженной атмосфере.
• Максимальная температура применения –500 °С, т.к выше этой температуры происходит быстрое окисление выводов. Оба вывода быстро разрушаются в атмосфере серы.
• Показания повышаются после термического старения.
• Невысокая стоимость, т.к. в состав термопары входит железо.

6. Железо-копель

• Используется для измерения температур в диапазоне от 0 до 760 °C.

7. Тип °А (вольфраморениевый сплав ВР – вольфраморениевый сплав ВР)

• Используется для измерения высоких температур от 0 до 2500 °C в инертной среде.

8. Тип °N (нихросил-нисил)

• Это относительно новый тип термопары, разработанный на основе термопары типа К. Термопара типа К может легко загрязняться примесями при высоких температурах. Сплавляя оба электрода с кремнием, можно тем самым загрязнить термопару заранее, и таким образом снизить риск дальнейшего загрязнения во время работы.
• Рекомендуемая рабочая температура до 1200 °С (зависит от диаметра проволоки), возможна кратковременная работа 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.

Типы термопар из благородных металлов и их особенности

1. Тип °В (платинородий-платинородиевая)

• Максимальная температура, при которой может работать термопара, составляет 1500 °С (зависит от диаметра проволоки).
• Кратковременное использование возможно до 1750 °С.
• Присутствует эффект загрязнения водородом, кремнием, парами меди и железа при температурах выше 900 °С. Но данный 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 работать в окислительной среде.
• Не рекомендуется применение при температуре ниже 600 °С, где термо-ЭДС очень мала и нелинейна.

2. Тип °S (платинородий-платиновая)

• Максимальная температура, при которой может работать термопара, составляет 1350 °С.
• Кратковременное использование возможно до 1600 °С.
• Присутствует эффект загрязнения водородом, углеродом, парами меди и железа при температурах выше 900 °С. При содержании в платиновом электроде 0,1% железа, тером-ЭДС 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. Вывод: термопары данного типа нельзя армировать стальной трубкой или следует изолировать электроды от трубки газонепроницаемой керамикой.
• Может работать 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 применение ниже 400 °С, т.к термо-ЭДС в этой области мала и крайне нелинейна.

3. Тип °R (платинородий-платиновая)

• Обладает такими же свойствами, что и термопары типа S.

Источник: http://www.metotech.ru/

Термоэлектродные сплавы на основе меди и никеля: статья блога ТЕРМОЭЛЕМЕНТ

Термоэлектродные сплавы, в основу которых входит медь и никель, относятся к категории материалов используемых в производстве термопар и иных устройств термоэлектрического назначения. Принцип работы термопары основан на появлении термической электродвижущей силы (ТЭДС) на участке контакта двух сплавов разнородного состава. ТЭДС напрямую зависит от температур измерения и материалов состава термопары.

Характеристики материалов термопары

По той причине, что именно термопарой оснащают множество различных устройств для температурных замеров к ее составу выдвинута масса требований. Материалы, из которых была изготовлена термопара, должны обладать высокой ТЭДС для получения максимально точных результатов. Немаловажное значение имеет напряжение на выводах измерительного устройства. Оно должно быть линейным, чтобы не было экстремумов.

Термоэлектродные сплавы должны быть устойчивыми к высоким температурам. В любых условиях и при любой нагрузке измерительное устройство не должно утрачивать устойчивость к коррозии и не должно плавиться.

Воспроизводимые качества материала должны быть на том же уровне, что и до промышленной обработки при изготовлении термопар. Характеристики элемента измеряющего температуру должны быть неизменными на продолжении всего эксплуатационного периода.

Сплав должен обладать достаточной пластичностью для возможности изготовления проволоки и различных форм.

В составе сплавов не должно находиться драгоценных металлов, т. к. цена на них должна быть доступной для потребителя.

Все перечисленные положительные свойства и отсутствие ненужных характеристик наблюдаются у сплавов медно-никелевого состава. Их легируют за счет специальных добавок. Готовые сплавы выпускают в виде термопаровой проволоки, лент или круга.

Основные типы термоэлектродных сплавов из меди и никеля

К сплавам, в основу которых входят медь и никель, относят множество различных модификаций. В промышленности наиболее востребованными являются алюмель и хромель, которые и рассмотрим подробней.

Алюмель

В данном сплаве за основу взять никель. Содержится его в алюмели близко 93,5 %. Остальную часть составляют примеси: кобальт 0,6—1,2 % и другие элементы — алюминий, железо, углерод, марганец, кремний.

Алюмелевую проволоку используют, как элемент термопары типа К. Также ее применяют как термоэлектродный провод для измерительных устройств.

Такие термопары способны бесперебойно функционировать в температурном диапазоне от -200 до 1000 градусов Цельсия. Под заказ возможет выпуск сплавов легированного изготовления с наличием микродобавок. Такой материал способен выдерживать температуры до 1200 градусов Цельсия включительно.

Максимальные значения допустимых температур зависят от диаметра готовой проволоки. Проволока диаметром меньше 1,2 мм способна хорошо выполнять свои функции до верхнего диапазона 800 градусов, что свидетельствует о снижении заявленных значений при стандартном описании материала. Проволока диаметром менее 0,5 мм выдерживает температуры до 600 градусов, до 800 градусов возможна высокотермическая нагрузка только в кратковременном режиме.

Хромель

Хромель имеет некоторые сходства с алюмелью. Здесь за основу также взять никель, а в качестве примеси подобран кобальт. Содержатся в данном материале и другие элементы — алюминий, кремний, марганец, но в значительно сниженном количестве.

Хромель характеризуется удачным сочетанием степени ТЭДС и стабильностью с повышенными показателями термостойкости: плавление наступает при 1500 градусах, максимальные измеряемые температуры точно такие, как и алюмели. Материал характеризуется повышенной устойчивостью к агрессивным средам, в том числе и к коррозии. При высоких термических нагрузках поверхность изделия покрывается тоненькой стойкой пленкой окиси зеленого цвета, которая защищает металл от возможного разрушения.

ТЭДС высокая, но главным достоинством считается линейность и стабильность в процессе работы при широком температурном диапазоне.

Ленту и проволоку из хромеля применяют в производстве таких типов термопар: Е, К, L. Также данный материал востребован в изготовлении компенсационных проводов.

Копель

Копель является медно-никелевым сплавом. За основу взята медь, которой содержится близко 55%. Кобальта и никеля в составе около 42,5 — 44,5%. В качестве вспомогательных материалов используется небольшое количество марганца. Также применены кремний, углерод и железо, но их взято в количестве сотой доли процента каждого.

Верхняя черта измерения допустимая для копеля составляет 600 градусов Цельсия. Благодаря наличию железа, меди и хромеля у данного материала отличная ТЭДС. Данный критерий сказывается на высокой точности при измерениях температуры.

Термопара хромель-копель при 500 градусах вырабатывает напряжение 40,3 мВ. Для примера, такой материал как железо-константан, показывает только 37 мВ, а именно он считается самым близким по характеристикам. Термическая электродвижущая сила большинства других термопар при тех же условиях не превышают 10 мВ.

Материал используется для термопар типов L и M. Тип M востребован для измерения термических данных не выше 100 °C. Такой вариант термопары отлично подходит для работы с невысокими температурами нижние значения, которых могут составлять даже -200 градусов.

Константан

Указанный сплав, в основу которого входит медь и никель имеет общие характеристики с копелью. В нем немного больше меди и немного меньше никеля. Константин характеризуется высоким электросопротивлением и слабоватой зависимостью от термического состава, за что и получил свое название.

Высокое удельное сопротивление константана важно при производстве резисторов и элементов нагрева. В сочетании с медью и хромелью этот сплав дает высокие значения термоэлектрической мощности, слегка отставая в этом от копель.

Провод из константана используется для изготовления термопар типов E, T и J. Максимальные значения верхнего диапазона термопар типа T (медь-константан) ограничен 400 градусами Цельсия.

ТЕРМОЭЛЕМЕНТ имеет большое количество различных сплавов: прецизионные, легированные и специальные сплавы. Мы занимаемся поставками медно-никелевых и никелевых сплавов для установки их на промышленные нагреватели. Вы можете сразу заказать нагревательные элементы оснащенные термопарой или приобрести ее для установки на другие необходимые измерительные приборы.

Компенсационные кабели и Термопарные кабели

Обозначение термопарных и компенсационных кабелей

Кодирование термопарных и компенсационных кабелей подробно определено в норме DIN EN 60584-3.

Норма позволяет ограничить риск ошибки и смены полярности.

Максимальная температура применения зависит также от материала, из которого изготовлена изоляция, и поэтому необходимо соблюдать спецификации, указанные в каталожных картах продуктов.

Материал изоляции	Максимальная температура
PVC	105°C
TPE- 0	130°C
ECTFE	135°C
ETFE	155°C
Silikon	180°C
FEP	205°C
MFA	235°C
PFA	260°C
E-Glasseide	400°C
R-Glasseide	700°C
Silica	1000°C
Nextel	1400°C

Таб. Устойчивость к температуре различных изоляционных материалов термопарных и компенсационных кабелей

 

В случае применения неправильно подобранных или имеющих неправильную полярность компенсационных кабелей может дойти до ошибок в измерениях порядка 300 °C.

В таблице ниже приведены примеры возможных ошибок измерения, которые могут возникнуть в случае замены термопары, кабеля или смены полярности (в случае указанных здесь ошибок предполагается разница температур между точкой измерения и точкой отнесения на уровне 50 °C)

Термопара	Компенсационный кабель	Полярность	Ошибка измерения в °C
Fe-CuNi (тип J)	Ni-CrNi (тип K)	Правильная	-10
Ni-CrNi (тип K)	Fe-CuNi (тип J)	Правильная	+20
Fe-CuNi (тип J)	Ni-CrNi (тип K)	Неправильная	-80
Ni-CrNi (тип K)	Fe-CuNi (тип J)	Неправильная	-110

Допуск и отклонения

Провода термопарных и компенсационных кабелей подробно определены в норме DIN 43713. Термоэлектрические напряжения с соблюдением указанных диапазонов температуры отвечают термоэлектрическим напряжениям, соответствующим термопарам, согласно норме DIN EN 60584-1.

Предельные отклонения для термопарных и компенсационных кабелей подробно определены в норме DIN 43722. Выделяют два класса точности.

• Класс точности 1 существует только для термопарных кабелей, поскольку это провода, изготовленные из маточных материалов.
• Класс точности 2 является действительным как для компенсационных, так и для термопарных кабелей.

Термопарные и компенсационные кабели фирмы «Guenther» соответствуют цветовым обозначениям согласно норме DIN 43 722, за исключением термопарных кабелей типа U и типа L, которые соответствуют норме DIN 43 714.

Предельные отклонения соответствуют классу точности 2 согласно норме DIN 43722.

В случае термопар типа U и типа L действительными являются предельные отклонения согласно DIN 43710 на уровне ±3 °C.

 

Материал термопары — обзор

Поскольку этот результат достаточно сложен для получения, может быть проще решить проблему методом проб и ошибок, используя электронную таблицу.

Пример 5.2

Нам нужен холодильник, способный отводить 10 Вт из холодильной камеры при -5 C, отводя тепло в окружающую среду при 30 C.

Из-за перепадов температуры в теплообменниках, холодный спай должен быть при –15 C и горячем при 40 C.

Материалы термопары имеют следующие характеристики:

1.

α = 0,0006 В / К,

2.

λA = 0,015 Вт см-1K-1,

3.

ρA = 0,002 Ом см,

4.

λB = 0,010 Вт · см-1K-1,

5.

ρB = 0,003 Ом · см.

Температуры:

1.

TH = 313K (40 C),

2.

TC = 258K (-15C).

Для оптимальной геометрии

(5,99) ΛR≡β = 0.015 × 0,002 + 0,010 × 0,0032 = 120 × 10-6V2 / K.

Применение уравнений 5.96, 5.97 и

(5.100) TA = 55 + 2 × 258 = 571 кельвинов

(5.101) B = 4 × 120 × 10-6 + 2 × 0,00062 × 571 = 0,02985V / K-1 / 2

(5,102) R = -2 × 552 × 120 × 10-62 × 120 × 10-6 + 0,00062 × 571 + 0,029850,00062 × (120 × 10-6) 1/2 × 55 × 258 × 571 -2 × (120 × 10-6) 3/2 × 552 / 0,00062 × 5712PC = 0,00335PC

Для этого приложения одна термопара потребляет слишком большой ток и требует слишком низкого напряжения. Лучшей стратегией было бы использование 100 термопар, соединенных последовательно электрически и параллельно термически.Следовательно, мы хотим накачать 0,1 Вт на термопару. (PC = 0,1 Вт),

(5,103) R = 0,0335 Ом.

Соответствующая теплопроводность равна по уравнению 5.99

(5.104) Λ = βR = 120 × 10-60,0335 = 0,00358 Вт / K

Требуемый ток можно найти из уравнения 5.94

(5.105) I = 0,0006 × 258 -0,00062 × 2582-2 × 120 × 10-6 × 55-2 × 0,1 × 0,03350,0335 = 2,72 А.

Входная электрическая мощность составляет

(5,106) PE = αΔTI + RI2 = 0,0006 × 55 × 2,72 + 0,00335 × 2,722 = 0,337 Вт

А коэффициент полезного действия

(5.107) ϕC = 0,10,337 = 0,296.

Мы можем получить это же значение, используя уравнение 5.95

Теперь у нас есть требуемые значения R и Λ. Мы должны определить геометрию двух рук. Это облегчает сборку термопары, если оба плеча имеют одинаковую длину,, то есть, если ℓA = ℓB≡ℓ.

(5,108) R = ρAℓAA + ρBℓAB

Используя значения в нашем примере,

(5,109) ℓ = 0,03350,002AA + 0,003AB

(5,110) Λ = λAAAℓ + λBABℓ

и

(5,111) ℓ 0,015AA + 0,01AB0,003580

Составление уравнения 5.109, равное уравнению 5.111, получаем

(5.112) AA = 32AB

Затем нам нужно определить максимально допустимую плотность тока, Jmax. Мы можем предположить, что Jmax = 300A / см2 и что максимально допустимый ток через термопару составляет 4 A (предполагается, что она работает при 2,7 A.). Это устанавливает приблизительную площадь для AA = 4/300 = 0,013 см2. Значение AB составляет 0,02 см2, а длина каждого плеча из уравнения 5.109 составляет 0,11 см.

Требуемое напряжение для накачки 10 Вт составляет

(5.113) V = 100PEI = 100 × 0,3372,72 = 12,4 В.

Типы и конструкционные материалы термопар

Датчики температуры бывают разных форм, поэтому выбор датчика температуры для конкретного применения требует некоторого размышления. Однако, как правило, для большинства промышленных приложений выбор делается между использованием RTD или термопары.

Что такое термопара?

Термопара — это датчик, используемый для измерения температуры. Термопара состоит из двух разнородных металлов, соединенных одним концом, которые создают небольшое напряжение при нагревании (или охлаждении).Это напряжение измеряется и используется для определения температуры нагретых металлов. Напряжение для любой одной температуры уникально для комбинации используемых металлов.

Термопары

обычно выбираются из-за их низкой стоимости, высоких температурных ограничений, широких диапазонов температур и долговечности.

Существуют ли стандарты, регулирующие типы термопар?

Спецификация британских стандартов

, BS 1041, Измерение температуры, содержит руководство по выбору и использованию устройств для измерения температуры.

BS EN 60584-1: Термопары BS EN 60584-1 — это международный стандарт, который связывает электродвижущую силу (ЭДС), создаваемую определенными типами термопар, с температурой, на основе Международной температурной шкалы 1990 года (ITS-90).

Стандарт ASTM E230 содержит спецификации для общепромышленных марок, включая буквенные обозначения, используемые для каждого типа термопары.

Почему существуют разные типы термопар?

Термопары

доступны в различных комбинациях металлов, обычно обозначаемых буквой e.грамм. J, K и т. Д., Что приводит к появлению терминов термопара типа J, термопара типа K и т. Д. Каждая комбинация имеет различный температурный диапазон и поэтому больше подходит для определенных применений, чем другие. Хотя стоит отметить, что максимальная температура зависит от диаметра проволоки, используемой в термопаре. Различные типы подробно описаны в таблице ниже.

Таблица типов термопар

Термопары типа B

Термопары

типа B могут использоваться при температуре до 1600 ° C с кратковременными отклонениями до 1800 ° C.Они имеют низкую электрическую мощность, поэтому редко используются при температуре ниже 600 ° C. Фактически, выходная мощность практически незначительна до 50 ° C, поэтому компенсация холодного спая обычно не требуется для этого типа.

Термопары типа E

Термопары

типа E часто называют термопарами хромель-константан. Они считаются более стабильными, чем тип K, поэтому часто используются там, где требуется более высокая степень точности.
Примечание — Константан — это медно-никелевый сплав.

Термопары типа J

Термопары

типа J быстро разрушаются в окислительной атмосфере выше 550 ° C.Их максимальная непрерывная рабочая температура составляет около 750 ° C, хотя они могут выдерживать кратковременные экскурсии до 1000 ° C. Обычно они не используются при температуре ниже окружающей среды из-за образования конденсата на проволоке, приводящего к коррозии железа.
Примечание — Константан — это медно-никелевый сплав.

Термопары типа K

Термопары

типа K являются наиболее широко используемыми термопарами в нефтегазовой и нефтеперерабатывающей промышленности из-за их широкого ассортимента и низкой стоимости. Иногда их называют термопарами хромель-алюмель.Обратите внимание, что окисление выше примерно 750 ° C приводит к дрейфу и необходимости повторной калибровки.

Термопары типа N

Термопары

типа N могут работать при более высоких температурах, чем термопары типа K, и обеспечивают лучшую воспроизводимость в диапазоне от 300 до 500 ° C. Они предлагают множество преимуществ по сравнению с типом R&S при одной десятой стоимости, поэтому оказались популярными альтернативами.

Термопары типа R

Термопары

типа R подходят для таких же областей применения, как и тип S, но обеспечивают улучшенную стабильность и незначительное увеличение диапазона.Следовательно, тип R, как правило, используется вместо типа S.

Термопары типа S

Термопары

типа S могут непрерывно использоваться при температурах до 1450 ° C. Они могут выдерживать кратковременные экскурсии при температуре до 1650 ° C. Им необходима защита от высокотемпературной атмосферы, чтобы предотвратить попадание металлических паров на наконечник, что приведет к снижению генерируемой ЭДС. Обычно предлагаемая защита представляет собой оболочку из перекристаллизованного оксида алюминия высокой чистоты. Для большинства промышленных применений термопары размещаются в защитной гильзе.

Термопары типа T

Термопары

типа T редко используются в промышленности и больше подходят для использования в лабораторных условиях.

Техническая библиотека

Следующие страницы сайта Control and Instrumentation.com содержат более подробную информацию о методах измерения температуры:

Термопары-Термопары-Что такое термопара-Типы термопар

Добро пожаловать в ThermocoupleInfo.ком!

Что такое термопара?
Термопара — это датчик, используемый для измерения температуры. Термопары состоят из двух проводов из разных металлов. Ножки проволоки свариваются на одном конце, образуя стык. Это место, где измеряется температура. Когда соединение испытывает изменение температуры, создается напряжение. Затем напряжение можно интерпретировать с помощью справочных таблиц термопар для расчета температуры.

Существует множество типов термопар, каждая из которых имеет свои уникальные характеристики с точки зрения температурного диапазона, долговечности, вибростойкости, химической стойкости и совместимости с областями применения. Типы J, K, T и E — это термопары из «недрагоценных металлов», наиболее распространенные типы термопар. Термопары типов R, S и B — это термопары из благородных металлов, которые используются в высокотемпературных приложениях (см. Подробные сведения о диапазонах температур термопар. ).

Термопары используются во многих промышленных, научных и OEM-приложениях.Их можно найти практически на всех промышленных рынках: электроэнергетика, нефть / газ, Фармацевтика, биотехнологии, цемент, бумага и целлюлоза и т. Д. Термопары также используется в бытовых приборах, таких как плиты, топки и тостеры.

Термопары обычно выбираются из-за их низкой стоимости и высокой температуры. ограничения, широкий диапазон температур и прочный характер.

Прежде чем обсуждать различные типы термопар, следует отметить, что термопары часто заключают в защитную оболочку, чтобы изолировать ее от окружающей атмосферы.Эта защитная оболочка значительно снижает воздействие коррозии. Термопара типа K (никель-хром / никель-алюмель): тип K является наиболее распространенным типом термопар. Он недорогой, точный, надежный и имеет широкий температурный диапазон.

Диапазон температур:

• Проволока для термопар, от –454 до 2300F (от –270 до 1260 ° C)
• Удлинительный провод, от 32 до 392F (от 0 до 200C)

Точность (в зависимости от того, что больше):

• Стандарт: +/- 2.2C или +/- 0,75%
• Специальные пределы погрешности: +/- 1,1 ° C или 0,4%

Термопара типа J (железо / константан): Тип J также очень распространен. Он имеет меньший температурный диапазон и более короткий срок службы при более высоких температурах, чем тип K. Он эквивалентен типу K с точки зрения затрат и надежности.

Диапазон температур:

• Проволока для термопар, от -346 до 1400F (от -210 до 760 ° C)
• Удлинительный провод, от 32 до 392F (от 0 до 200C)

Точность (в зависимости от того, что больше):

• Стандарт: +/- 2.2C или +/- 0,75%
• Специальные пределы погрешности: +/- 1,1 ° C или 0,4%

Термопара типа T (медь / константан): термопара типа T является очень стабильной и часто используется в приложениях с очень низкими температурами, таких как криогенная техника или морозильники со сверхнизкой температурой.

Диапазон температур:

• Провод для термопар, от -454 до 700F (от -270 до 370 ° C)
• Удлинительный провод, от 32 до 392F (от 0 до 200C)

Точность (в зависимости от того, что больше):

• Стандарт: +/- 1.0C или +/- 0,75%
• Специальные пределы погрешности: +/- 0,5 ° C или 0,4%

Термопара типа E (никель-хром / константан): тип E имеет более сильный сигнал и более высокую точность, чем тип K или тип J, в умеренных диапазонах температур от 1000F и ниже. См. Температурную диаграмму (ссылка) для получения подробной информации.

Диапазон температур:

• Провод для термопар, от -454 до 1600F (от -270 до 870 ° C)
• Удлинительный провод, от 32 до 392F (от 0 до 200C)

Точность (в зависимости от того, что больше):

• Стандарт: +/- 1.7C или +/- 0,5%
• Специальные пределы погрешности: +/- 1,0 ° C или 0,4%

Термопара типа N (Nicrosil / Nisil): Тип N имеет те же пределы точности и температуры, что и Тип K. Тип N немного дороже.

Диапазон температур:

• Проволока для термопар, от -454 до 2300F (от -270 до 392 ° C)
• Удлинительный провод, от 32 до 392F (от 0 до 200C)

Точность (в зависимости от того, что больше):

• Стандарт: +/- 2.2C или +/- 0,75%
• Специальные пределы погрешности: +/- 1,1 ° C или 0,4%

ТЕРМОПАРЫ NOBLE METAL (Тип S, R и B):
Термопары из благородных металлов выбраны за их способность выдерживать чрезвычайно высокие температуры, сохраняя при этом свою точность и срок службы. Они значительно дороже термопар из недрагоценных металлов.
Термопара типа S (платина родий — 10% / платина): Тип S используется в приложениях с очень высокими температурами.Обычно он используется в биотехнологической и фармацевтической отраслях. Иногда он используется в приложениях с более низкими температурами из-за его высокой точности и стабильности.

Диапазон температур:

• Проволока для термопар, от -58 до 2700F (от -50 до 1480C)
• Удлинительный провод, от 32 до 392F (от 0 до 200C)

Точность (в зависимости от того, что больше):

• Стандарт: +/- 1,5 ° C или +/- 0,25%
• Специальные пределы погрешности: +/- 0.6C или 0,1%

Термопара типа R (платина-родий -13% / платина): Тип R используется при очень высоких температурах. Он имеет более высокий процент родия, чем тип S, что делает его более дорогим. Type R очень похож на Type S с точки зрения производительности. Иногда он используется в приложениях с более низкими температурами из-за его высокой точности и стабильности.

Диапазон температур:

• Проволока для термопар, от -58 до 2700F (от -50 до 1480C)
• Удлинительный провод, от 32 до 392F (от 0 до 200C)

Точность (в зависимости от того, что больше):

• Стандарт: +/- 1.5C или +/- 0,25%
• Специальные пределы погрешности: +/- 0,6 ° C или 0,1%

Термопара типа B (платина родий — 30% / платина родий — 6%): термопара типа B используется в приложениях с очень высокими температурами. У него самый высокий температурный предел из всех термопар, перечисленных выше. Он поддерживает высокий уровень точности и стабильности при очень высоких температурах.

Диапазон температур:

• Провод для термопар, от 0 до 1700 ° C (от 32 до 3100F)
• Удлинительный провод, от 32 до 212F (от 0 до 100C)

Точность (в зависимости от того, что больше):

• Стандарт: +/- 0.5%
• Специальные пределы погрешности: +/- 0,25%

Заземленные термопары: это наиболее распространенный тип спая. Термопара заземляется, когда оба провода термопары и оболочка свариваются вместе, образуя одно соединение на конце зонда. Заземленные термопары имеют очень хорошее время отклика, потому что термопара находится в прямом контакте с оболочкой, что позволяет легко передавать тепло. Недостатком заземленной термопары является то, что термопара более восприимчива к электрическим помехам.Это связано с тем, что оболочка часто соприкасается с окружающей областью, создавая путь для помех.

Незаземленные термопары (или незаземленные обычные термопары): термопара не заземлена, когда провода термопары свариваются вместе, но они изолированы от оболочки. Провода часто разделены минеральной изоляцией.

Открытые термопары (или «термопары с неизолированной проволокой»): термопара становится оголенной, когда провода термопары свариваются вместе и непосредственно вставляются в технологический процесс.Время отклика очень быстрое, но оголенные провода термопары более подвержены коррозии и разрушению. Если ваше приложение не требует открытых соединений, этот стиль не рекомендуется.

Незаземленная Необычная: Незаземленная нестандартная термопара состоит из двойной термопары, изолированной от оболочки, и каждый из элементов изолирован друг от друга.

Сравнение оболочки термопары:

316SS (нержавеющая сталь): это наиболее распространенный материал оболочки.Он относительно устойчив к коррозии и экономичен.
304SS: Эта оболочка не так устойчива к коррозии, как 316SS. Разница в стоимости между 316SS и 304SS является номинальной.
Inconel (зарегистрированная торговая марка) 600: Этот материал рекомендуется для высококоррозионных сред.

Каковы специальные пределы ошибок (SLE)?

Особые пределы погрешности: эти термопары изготовлены из термопарного провода более высокого качества, что увеличивает их точность.Они дороже стандартных термопар.

Стандартные пределы погрешности: в этих термопарах используется стандартный провод «класса термопар». Они менее дорогие и более распространенные.

М.И. Кабель (с минеральной изоляцией) используется для изоляции проводов термопар друг от друга и от металлической оболочки, которая их окружает. Кабель MI имеет два (или четыре в дуплексном режиме) провода термопары, идущие по середине трубки. Затем трубка заполняется порошком оксида магния и уплотняется, чтобы обеспечить надлежащую изоляцию и разделение проводов.Кабель MI помогает защитить провод термопары от коррозии и электрических помех.

Системная ошибка вычисляется путем сложения точности датчика температуры (термопары) и точности измерителя, используемого для считывания сигнала напряжения. Например, термопара типа K имеет точность +/- 2,2 ° C выше 0 ° C. Допустим, счетчик имеет точность +/- 1С. Это означает, что общая погрешность системы составляет +/- 3,3 ° C выше 0 ° C.

Диапазон температур:
Во-первых, учтите разницу в диапазонах температур.Термопары из благородных металлов могут достигать 3100 F, в то время как стандартные RTD имеют предел 600 F, а RTD с расширенным диапазоном имеют предел 1100 F.

Стоимость:
Термопара с простым штоком в 2–3 раза дешевле, чем RTD с простым штоком. Узел головки термопары примерно на 50% дешевле, чем узел эквивалентной головки RTD.

Точность, линейность и стабильность:
Как правило, RTD более точны, чем термопары.Особенно это актуально в более низких диапазонах температур. RTD также более стабильны и имеют лучшую линейность, чем термопары. Если точность, линейность и стабильность являются вашими первоочередными задачами, и ваше приложение находится в пределах температурных пределов RTD, выберите RTD.

Прочность:
В сенсорной индустрии RTD считаются менее прочным сенсором по сравнению с термопарами. Однако REOTEMP разработал производственные технологии, которые значительно повысили долговечность наших датчиков RTD.Эти методы делают RTD REOTEMP почти эквивалентными термопарам с точки зрения долговечности.

Время отклика:
RTD не могут быть заземлены. По этой причине у них более медленное время отклика, чем у заземленных термопар. Кроме того, термопары могут быть размещены внутри оболочки меньшего диаметра, чем RTD. Меньший диаметр оболочки увеличивает время отклика. Например, заземленная термопара внутри диаметром 1/16 дюйма. оболочка будет иметь более быстрое время отклика, чем RTD диаметром ¼ ”.ножны.

материалов, используемых для термопар. Формы термопар

Материалы, используемые для термопар

Для формирования термопары по крайней мере два металла должны быть соединены вместе, чтобы образовать два спая. Термопара не может быть сформирована, если не сформированы два спая. Оба перехода выдерживаются при разных температурах. Один находится при известной температуре, а другой — при неизвестной температуре. Есть несколько комбинаций металлов, которые можно использовать для формирования термопары.Однако есть определенные металлы и их комбинации, которые работают лучше, чем другие комбинации, и они стали стандартными для определенных диапазонов температур и для конкретных применений.

Некоторые из элементов, обычно используемых для термопар:

1. Медь как независимый элемент

2. Железо как независимый элемент

3. Платина как независимый элемент

4. Родий как независимый элемент

   23

   8

Иридий как независимый элемент

5. Константан: комбинация 60% меди и 40% никеля

6. Хромель: комбинация 10% хрома, 90% никеля

7. Алюмель: комбинация 2% алюминия, 90% никель и остальное кремний и марганец

Свойства некоторых комбинаций материалов, используемых для термопар

Вот некоторые из свойств обычно используемых комбинаций элементов для термопар.

1) Медь — константан: используется для температур от -300 до 650 F. Недорогой, высокий выход ЭДС

2) Хромель-константан: используется для диапазона от 0 до 1000 F. Самый высокий выход ЭДС, хорошая стабильность

3 ) Железо — константан: используется при температуре от 0 до 1500 F. Недорогое, с высоким выходом ЭДС, железо окисляется после 1500F

4) Хромель-алюмель: используется при температуре от 600 до 2000 F. Стойкость к температуре в пределах указанного диапазона

5) Платина — 10% родия: используется для температур от 1300 до 2850 F.Дорогой и дает низкую производительность, устойчив к окислению, стабилен, используется только при высоких температурах.

Как выбрать элементы термопары

Вот некоторые факторы, которые следует учитывать при выборе комбинаций материалов для термопар.

1. Комбинация материалов должна создавать достаточно высокую электродвижущую силу (ЭДС) при их соединении. Это гарантирует, что ЭДС может быть легко измерена, а значение температуры может быть получено правильно.

2. Комбинация материалов должна иметь высокое разрешение или быстрое время отклика: это означает, что на каждый градус изменения температуры переходов в цепи генерируется достаточная ЭДС, чтобы ее можно было легко обнаружить и измерить.

3. Более высокая стабильность: свойства комбинации должны оставаться стабильными в указанном диапазоне температур.

4. Устойчивость к окислению: материалы, используемые для термопары, должны быть стойкими к окислению, это особенно важно для материалов, которые используются при высоких температурах, поскольку они склонны к окислению при этих температурах.

Для всех комбинаций материалов очень важен размер проволоки. Если необходимо измерить более высокие температуры, диаметр проволоки должен быть больше, но в этом случае время реакции на изменение температуры увеличивается. Следовательно, необходимо найти некоторый компромисс между характеристикой термопары и ее сроком службы.

Формы термопар

Формы термопар

Термопары доступны в различных формах и формах.Они бывают разного диаметра, длины, материала оболочки, комбинаций упомянутых выше материалов, длины выводных проводов и т. Д. Чаще всего используются бусинки и зонды. Термопары в форме шариков очень недороги и имеют очень быстрое время отклика. На рынке доступны датчики для измерения температуры в различных приложениях, таких как промышленные, медицинские, научные, пищевые и т. Д. Разъемы, используемые с датчиками, поставляются с круглыми контактами, называемыми стандартными разъемами, или плоскими контактами, называемыми миниатюрными разъемами.

При выборе термопары для любого применения следует учитывать диапазон измеряемой температуры, требуемое время отклика, точность и окружающую среду. В соответствии с существующими условиями можно выбрать правильные комбинации материалов и правильную форму термопары.

Ссылка

1. Книга: Механические измерения Томаса Г. Беквита и Н. Льюиса Бака

Изображения предоставлены

1. Вайшешика

2. Приборы

Этот пост является частью серии: Что такое термопары? Как работают термопары?

Это серия статей, в которых описывается, что такое термопары, как работают термопары, материалы, используемые для термопар, а также различные формы и формы термопар.

1. Что такое термопара и как она работает?
2. Материалы, используемые для термопар и их формы

Ступица для термопар

Термопара — это датчик, измеряющий температуру. Он состоит из двух разных типов металлов, соединенных одним концом. Когда соединение двух металлов нагревается или охлаждается, создается напряжение, которое может быть обратно соотнесено с температурой. Термопара — это простой, надежный и экономичный датчик температуры, используемый в широком диапазоне процессов измерения температуры.

Термопары производятся в различных стилях, например, зонды термопар, зонды термопар с соединителями, зонды термопар с переходным соединением, инфракрасные термопары, термопары с неизолированным проводом или даже просто термопары.

Термопары обычно используются в широком диапазоне приложений. Из-за широкого диапазона моделей и технических характеристик, но чрезвычайно важно понимать его основную структуру, функции и диапазоны, чтобы лучше определить правильный тип термопары и материал термопары для применения.

Как работает термопара?

Когда два провода, состоящие из разнородных металлов, соединяются на обоих концах и один из концов нагревается, в термоэлектрической цепи протекает постоянный ток.

Если эта цепь разорвана в центре, чистое напряжение холостого хода (напряжение Зеебека) является функцией температуры перехода и состава двух металлов. Это означает, что когда соединение двух металлов нагревается или охлаждается, создается напряжение, которое может быть обратно соотнесено с температурой.

Узнать больше

Зонды термопары против провода термопары?

Термопары доступны в различных комбинациях металлов или калибровок. Наиболее распространены термопары из «неблагородных металлов», известные как типы J, K, T, E и N. Существуют также высокотемпературные калибровки — также известные как термопары из благородных металлов — типов R, S, C и GB.

Каждая калибровка имеет свой диапазон температур и среду, хотя максимальная температура зависит от диаметра провода, используемого в термопаре.

Хотя калибровка термопары определяет диапазон температур, максимальный диапазон также ограничен диаметром провода термопары. То есть очень тонкая термопара может не достичь полного диапазона температур.

Термопары типа

K известны как термопары общего назначения из-за их низкой стоимости и температурного диапазона.

Узнать больше

Как выбрать термопару? Поскольку термопара может принимать разные формы и формы, важно понимать, как правильно выбрать правильный датчик.
Наиболее распространенными критериями, используемыми для выбора, являются температурный диапазон, химическая стойкость, стойкость к истиранию и вибрации, а также требования к установке. Требования к установке также будут определять ваш выбор датчика термопары.

Существуют разные типы термопар, и их применение может отличаться. Открытая термопара будет работать лучше всего, когда требуется большое время отклика, но незаземленная термопара лучше в агрессивных средах.

Узнать больше

Как мне узнать, какой тип соединения выбрать?

Доступны зонды с термопарами в оболочке с одним из трех типов спая: заземленный, незаземленный или открытый.На конце зонда с заземленным переходом провода термопары физически прикреплены к внутренней стороне стенки зонда. Это приводит к хорошей передаче тепла снаружи через стенку зонда к спайу термопары. В незаземленном зонде спай термопары отделен от стенки зонда. Время отклика ниже, чем у заземленного типа, но незаземленный обеспечивает гальваническую развязку.

продуктов OMEGA, используемых в этом приложении

Какова точность и температурный диапазон различных термопар?

Важно помнить, что как точность, так и диапазон зависят от таких факторов, как сплавы термопары, измеряемая температура, конструкция датчика, материал оболочки, измеряемая среда, состояние среды (жидкая, твердая , или газ) и диаметром либо провода термопары (если он оголен), либо диаметра оболочки (если провод термопары не обнажен, но в оболочке).

Узнать больше

Зонды термопары против провода термопары?

Важно помнить, что датчик температуры измеряет только его собственную температуру. Тем не менее, выбор датчика типа зонда по сравнению с датчиком проводного типа — это вопрос того, как лучше всего довести температуру спая термопары до температуры процесса, которую вы пытаетесь измерить.

Использование датчика проволочного типа может быть приемлемым, если жидкость не воздействует на изоляцию или материалы проводника, если жидкость находится в состоянии покоя или почти в этом состоянии, а температура находится в пределах возможностей материалов.Но если предположить, что жидкость коррозионная, высокотемпературная, находится под высоким давлением или течет по трубе, тогда датчик типа зонда, возможно, даже с защитной гильзой, будет лучшим выбором.

Все сводится к тому, как лучше всего довести соединение термопары до той же температуры, что и технологический процесс или материал, температуру которого вы пытаетесь измерить, чтобы получить необходимую информацию.

Узнать больше

Статьи по теме

Термопара типа K | Термопара типа K

Хромель {90% никель и 10% хром} Alumel {95% никель, 2% марганец, 2% алюминия и 1% кремний}

Твитнуть

Термопара типа K

Это наиболее распространенный тип термопар, обеспечивающий самый широкий диапазон рабочих температур.Термопары типа K обычно работают в большинстве случаев, поскольку они сделаны на основе никеля и обладают хорошей коррозионной стойкостью.

• 1. Положительная нога немагнитная (желтый), отрицательная — магнитная (красный).

• 2. Традиционный выбор недрагоценных металлов для высокотемпературных работ.

• 3. Подходит для использования в окислительной или инертной атмосфере при температурах до 1260 ° C (2300 ° F).

• 4. Уязвим к воздействию серы (воздерживаться от воздействия серосодержащей атмосферы).

• 5. Лучше всего работать в чистой окислительной атмосфере.

• 6. Не рекомендуется для использования в условиях частичного окисления в вакууме или при чередовании циклов окисления и восстановления.

Состоит из положительной ветви, состоящей примерно из 90% никеля, 10% хрома и отрицательной ветви, состоящей примерно из 95% никеля, 2% алюминия, 2% марганца и 1% кремния. Термопары типа K являются наиболее распространенными термопарами общего назначения. термопара с чувствительностью примерно 41 мкВ / ° C, хромель положительный по отношению к алюмелю.Это недорогое решение, и предлагается широкий выбор датчиков в диапазоне от -200 ° C до + 1260 ° C / от -328 ° F до + 2300 ° F. Тип K был определен в то время, когда металлургия была менее развита, чем сегодня, и, следовательно, характеристики значительно различаются между образцами. Один из составляющих металлов, никель, является магнитным; Характерной чертой термопар, изготовленных из магнитного материала, является то, что они претерпевают ступенчатое изменение выходной мощности, когда магнитный материал достигает точки отверждения (около 354 ° C для термопар типа K).

Термопары типа K (хромель / алюминий)

Термопары типа K обычно работают в большинстве случаев, поскольку они сделаны на основе никеля и обладают хорошей коррозионной стойкостью. Это наиболее распространенный тип калибровки датчиков, обеспечивающий самый широкий диапазон рабочих температур. Благодаря своей надежности и точности термопара типа K широко используется при температурах до 2300 ° F (1260 ° C). Этот тип термопары должен быть защищен подходящей металлической или керамической защитной трубкой, особенно в восстановительной атмосфере.В окислительной атмосфере, такой как электрические печи, защита труб не всегда необходима, когда подходят другие условия; тем не менее, он рекомендуется для обеспечения чистоты и общей механической защиты. Тип K обычно дольше, чем тип J, потому что проволока JP быстро окисляется, особенно при более высоких температурах.

Температурный диапазон:
• Провод класса термопары, от −454 ° до 2300 ° F (от −270 до 1260 ° C)

• Провод класса удлинения, от −32 ° до 392 ° F (от 0 до 200 ° C)

• Точка плавления, 2550 ° F (1400 ° C)

Точность (в зависимости от того, что больше):
• Стандарт: ± 2.2C% или ± 0,75%

• Специальные пределы погрешности: ± 1,1C или 0,4%

Отклонения в сплавах могут повлиять на точность термопар. Для термопар типа K первый класс точности составляет ± 1,5 K в диапазоне от -40 до 375 ° C. Однако отклонения между термопарами одного производства очень малы, и гораздо более высокая точность может быть достигнута путем индивидуальной калибровки.

Металлургические изменения могут вызвать отклонение калибровки от 1 до 2 ° C за несколько часов, со временем увеличивающееся до 5 ° C.Доступен специальный сплав типа K, который может поддерживать особую предельную точность до десяти раз дольше, чем обычный сплав.

Термопары

типа K используются для измерений в различных средах, таких как вода, мягкие химические растворы, газы и сухие зоны. Двигатели, масляные обогреватели и котлы — примеры мест, где их можно найти. Они используются в качестве термометров в больницах и пищевой промышленности.

Плюсы
• Хорошая линейность ЭДС в зависимости от температуры измерения.

• Хорошая стойкость к окислению при температуре ниже 1000 ° C (1600 ° F).

• Самая стабильная среди термопар из недорогого материала.

Cons
• Не подходит для восстановительной атмосферы, но выдерживает пары металлов.

• Старение характеристики ЭДС по сравнению с термопарами из благородных материалов (B, R и S).

Муфта из хромелевой и алюмелевой проволоки, имеет диапазон от -270 ° C до 1260 ° C и выходную мощность -6.От 4 до 54,9 мВ в максимальном диапазоне температур. Это одно из основных преимуществ термопары типа k по сравнению с другими термопарами в целом или другими датчиками температуры, такими как термистор или резистивный датчик температуры (RTD).

Его способность работать в суровых условиях окружающей среды и в различных атмосферах делает его предпочтительным по сравнению с другими устройствами для измерения температуры.

В устройствах с термопарами

необходимо использовать соответствующий провод, поскольку разные провода измеряют различные диапазоны температур.Тип К популярен благодаря широкому диапазону температур. Из четырех основных типов термопар тип K охватывает самый широкий диапазон от −200 ° C до 1260 ° C (приблизительно от минус 328 ° F до 2300 ° F).

При защите или изоляции керамическими шариками или изоляционным материалом.

Благодаря своей надежности и точности, тип K широко используется при температурах до 1260 ° C (2300 ° F). Рекомендуется защищать этот тип термопары подходящей металлической или керамической защитной трубкой, особенно в восстановительной атмосфере.В окислительной атмосфере, такой как электрические печи, защита труб не всегда необходима, когда подходят другие условия; тем не менее, он рекомендуется для обеспечения чистоты и общей механической защиты. Тип K обычно дольше, чем тип J, потому что проволока JP (железная) быстро окисляется, особенно при более высоких температурах.

При защите уплотненной минеральной изоляцией и внешней металлической оболочкой (MGO).

Тип K можно использовать при температуре от -35 до 1260 ° C (от -32 до 2300 ° F). Если температура применения составляет от 600 до 1100 ° F, мы рекомендуем тип J или N из-за короткого диапазона заказа, который может вызвать дрейф от + 2 ° до + 4 ° F за несколько часов.Тип К относительно устойчив к передаче излучения в ядерной среде. Для применений при температуре ниже 0 ° C (32 ° F) обычно требуется выбор специального сплава.

При выборе типа необходимо учитывать чувствительность провода термопары и пределы погрешности. Тип K имеет более высокий предел погрешности, чем другие типы проводов для термопар; производители, выбирающие этот тип, обычно готовы пожертвовать точностью ради широкого диапазона чувствительности. Тип K имеет погрешность в процентах от измеренной температуры.Это примерно 0,75 ‰ или 2,2 ° C, в зависимости от того, что больше.

Тип K имеет экспоненциально увеличивающееся напряжение, разность напряжений становится легче измерить и точнее при более высоких температурах. При очень низких температурах от минус 260 ° C до минус 250 ° C напряжения термопар типа K различаются всего на одну или две тысячных милливольта на каждый градус Цельсия. При очень высоких температурах около 1350 ° C напряжение различается примерно на 3,3 сотых милливольта на градус Цельсия.

Пробники с проволокой без покрытия быстрее реагируют на температуру. Провода с покрытием показывают разное время отклика в разных средах. Некоторые химические вещества испытуемого могут повредить открытые зонды и провода. Термопара типа K в оболочке без заземления шириной 1/4 дюйма реагирует на изменения температуры воды примерно за 2,25 секунды. Оголенный провод термопары срабатывает чуть более 0,6 секунды.

Термопара с заземлением

Это наиболее распространенный тип спая.Термопара заземляется, когда оба провода термопары и оболочка свариваются вместе, образуя одно соединение на конце зонда. Заземленные термопары имеют очень хорошее время отклика, потому что термопара находится в прямом контакте с оболочкой, что позволяет легко передавать тепло. Недостатком заземленной термопары является то, что термопара более восприимчива к электрическим помехам. Это связано с тем, что оболочка часто соприкасается с окружающей областью, создавая путь для помех.

Незаземленная термопара

Термопара не заземлена, когда провода термопары свариваются вместе, но они изолированы от оболочки. Провода часто разделены минеральной изоляцией.

Открытые термопары (или «термопары с неизолированной проволокой»)

Термопара становится оголенной, когда провода термопары свариваются вместе и непосредственно вставляются в технологический процесс. Время отклика очень быстрое, но оголенные провода термопары более подвержены коррозии и разрушению.Если ваше приложение не требует открытых соединений, этот стиль не рекомендуется.

Измеритель проводов для термопар типа K

Проводники для термопар бывают разных размеров. В зависимости от вашего приложения, выбранный манометр будет влиять на представление. Чем больше размер датчика, тем большую тепловую массу будет иметь термопара с соответствующим уменьшением отклика.Чем больше размер манометра, тем выше стабильность и срок службы. И наоборот, датчик меньшего размера будет иметь более быструю реакцию, но может не обеспечить требуемой стабильности или срока службы.

Нержавеющая сталь 316

Максимальная температура: 1650. Лучшая коррозионная стойкость среди аустенитных марок нержавеющей стали.Широко применяется в пищевой и химической промышленности. Возможны опасные выделения карбида при температуре от 482 ° C до 870 ° C (от 900 ° F до 1600 ° F).

Нержавеющая сталь 316L

Максимальная температура: 1650 ° F (900 ° C). То же, что и нержавеющая сталь 316 (04), за исключением того, что низкоуглеродистая версия обеспечивает лучшую сварку и изготовление.

Нержавеющая сталь 304

Максимальная температура: 1650 ° F (900 ° C).Чаще всего используется низкотемпературный материал оболочки. Широко используется в пищевой, химической и других отраслях промышленности, где требуется устойчивость к коррозии.

Промышленность: Возможны опасные осадки карбида в диапазоне от 900 до 1600 ° F (от 480 до 870 ° C). Самый дешевый доступный коррозионно-стойкий материал оболочки.

Нержавеющая сталь 304L

Максимальная температура: 1650 ° F (900 ° C).Низкоуглеродистая версия из 304 SST (02). Низкое содержание углерода позволяет сваривать и нагревать этот материал в диапазоне от 900 до 1600 ° F (от 480 до 870 ° C) без ущерба для коррозионной стойкости.

310 нержавеющая сталь

Максимальная температура: 2100 ° F (1150 ° C). Механическая и коррозионная стойкость аналогична нержавеющей стали 304, но лучше. Очень хорошая термостойкость.

Этот сплав содержит 25% хрома, 20% никеля.Не такой пластичный, как нержавеющая сталь 304.

321 Нержавеющая сталь

Максимальная температура: 1600 ° F (870 ° C). Аналогичен 304 SS, за исключением титана, устойчивого к межкристаллитной коррозии.

Этот сплав разработан для преодоления предрасположенности к осаждению углерода в диапазоне от 900 до 1600 ° F (от 480 до 870 ° C). Используется в аэрокосмической и химической промышленности.

446 Нержавеющая сталь

Максимальная температура: 2100 ° F (1150 ° C).Ферритная нержавеющая сталь, обладающая хорошей стойкостью к сернистой атмосфере при высоких температурах.

Хорошая коррозионная стойкость к азотной кислоте, серной кислоте и большинству щелочей. Благодаря содержанию хрома 27% этот сплав имеет наивысшую термостойкость среди всех ферритных нержавеющих сталей.

Инконель 600

Максимальная температура: 2150 ° F (1175 ° C). Наиболее широко используемый материал оболочки термопары.Хорошая термостойкость, коррозионная стойкость, стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением хлорид-ионами и стойкость к окислению при высоких температурах.

Не использовать в серосодержащих средах. Хорошо подходит для азотирования.

Инконель 601

Максимальная температура: 2150 ° F (1175 ° C) непрерывно, 2300 ° F (1260 ° C) периодически. Аналогичен сплаву 600 с добавлением алюминия для обеспечения исключительной стойкости к окислению.Разработан для устойчивости к высокотемпературной коррозии.

Этот материал хорошо подходит для науглероживания и обладает хорошей прочностью на разрыв при ползучести. Не использовать в вакуумных печах! Восприимчивы к межкристаллитной атаке при длительном нагревании в диапазоне температур от 1000 до 1400 ° F (от 540 до 760 ° C).

Инконель 800

Максимальная температура: 2000 ° F (1095 ° C).Широко используется в качестве материала оболочки нагревателя. Минимальное использование в термопарах. Превосходит сплав 600 по сере, цианидным солям и плавленым нейтральным солям.

Восприимчив к межкристаллитной атаке в некоторых случаях при воздействии температурного диапазона от 1000 до 1400 ° F (от 540 до 7607 ° C).

Как измерить температуру с помощью термопары типа K

Цепь термопары содержит два соединения из сплава, соединители с проволочным песком и устройство для измерения напряжения.Когда два перехода испытывают разные температуры, через цепь протекает измеримый ток. Сила тока связана с перепадом температур. Поскольку измерение является относительным, для вычисления абсолютной температуры должна быть известна одна из температур. В ранних термопарах температура одного спая поддерживалась при 0 ° C, погружаясь в баню с ледяной водой. Сегодня один из стыков, «холодный спай», электрически компенсирован для поддержания стандарта. Другой спай, «горячий спай», подвергается измерению в окружающей среде.

Сбор данных с термопары типа К

Термопару типа K можно подключить к вольтметру для простого сбора данных. В этом случае выходом является напряжение, и считыватель должен преобразовать уровень напряжения в температуру, используя формулу преобразования. Для записи данных термопару можно подключить к регистратору данных или системе сбора данных для хранения собранных данных. В этих случаях можно использовать схему преобразования или программную операцию для расчета температуры с использованием выходного напряжения.

Как и все термопары, они недороги, имеют быстрое время реакции, малы по размеру и надежны.

Они могут точно измерять экстремальные температуры. В зависимости от того, где они производятся, они варьируются от -270 ° до 1370 ° C или Цельсия с погрешностью от 0,5 до 2 градусов C. Чувствительность этих устройств составляет примерно 41 микровольт на градус C.

Типы

K обычно используются при температурах выше 540 ° C. Чтобы ограничить чрезмерную погрешность, рекомендуется использовать в окислительной или полностью инертной атмосфере в диапазоне от -200 ° до 1260 ° C.

Все термопары имеют недостатки. Перед использованием их необходимо очень тщательно откалибровать. Их выходные сигналы очень малы, поэтому у них могут быть проблемы с шумом. Они подвержены нагрузкам, деформациям и коррозии, особенно с возрастом. Однако у K-типов есть особые проблемы.

Термопары

типа K стабильны только в течение коротких периодов времени при определенных температурах, после чего они имеют тенденцию дрейфовать в положительном направлении. Размер дрейфа зависит от температуры.Например, при 1093 ° C их показания могут отличаться на целых пять градусов. Попеременное или циклическое воздействие ниже 371 ° C и выше 760 ° C дает нестабильные измерения. Длительное воздействие от 427 ° до 649 ° C ускоряет их старение.

Хромель подвержен так называемой «зеленой гнили». Когда это происходит, хром окисляется, становится зеленым и корродирует. Это происходит в среде с пониженным содержанием кислорода от 815 ° до 1040 ° C. Такая среда с обедненным кислородом называется восстановительной, и термопары К-типа никогда не должны использоваться ни в восстанавливающей, ни в циклически окисляющей и восстанавливающей атмосферах.Кроме того, их не следует использовать в сернистой среде, потому что они станут хрупкими и быстро сломаются. Присутствие хрома делает их непригодными для использования в вакууме, за исключением непродолжительных периодов времени. Это потому, что может произойти испарение.

Проблемы можно свести к минимуму, если использовать их при рекомендуемых температурах и средах. Тщательная калибровка, установка их с соответствующими разъемами и проводами, а также использование схем компенсации также могут помочь. Типы K, сконструированные для уменьшения ошибок, включают те, которые хорошо изолированы, предварительно состарены или отожжены выше их рабочих температур.Некоторые пользователи также стараются часто их заменять. Другие переходят на тип N, который был специально сконструирован как улучшение по сравнению с K.

[email protected]

Термопары

Одним из наиболее распространенных промышленных термометров является термопара. Он был открыт Томасом Зеебеком в 1822 году.Он отметил, что при нагревании проволоки с одного конца возникает разность напряжений. Независимо от температуры, если оба конца были при одинаковой температуре, разницы напряжений не было. Если цепь была сделана с помощью провода из того же материала, ток не протекал.

Термопара состоит из двух разнородных металлов, соединенных вместе на одном конце и создающих небольшое уникальное напряжение при заданной температуре. Это напряжение измеряется и интерпретируется термометром термопары.

Термоэлектрическое напряжение, возникающее в результате разницы температур от одного конца провода к другому, на самом деле является суммой всех разностей напряжений вдоль провода от конца до конца.

Термопары могут быть изготовлены из различных металлов и охватывают диапазон температур от 200 ^o C до 2600 ^o C . Сравнение термопар с другими типами датчиков должно производиться с учетом допуска, указанного в ASTM E 230.

Термопары из недрагоценных металлов

* Не используется ниже 1250 ^o C .

Преимущества термопар

• Возможность прямого измерения температуры до 2600 ^o C .
• Спай термопары можно заземлить и привести в прямой контакт с измеряемым материалом.

Недостатки термопар

• Для измерения температуры с помощью термопары необходимо измерить две температуры: спай на рабочем конце (горячий спай) и спай, где провода встречаются с медными проводами КИП (холодный спай). Во избежание ошибок температура холодного спая обычно компенсируется в электронных приборах путем измерения температуры на клеммной колодке с помощью полупроводника, термистора или RTD.
• Термопары относительно сложны в эксплуатации с потенциальными источниками ошибок. Материалы, из которых изготовлены провода термопары, не являются инертными, и на термоэлектрическое напряжение, возникающее по длине провода термопары, может влиять коррозия и т. Д.
• Зависимость между температурой процесса и сигналом термопары (милливольт) не является линейной.
• Калибровку термопары следует проводить путем сравнения ее с ближайшей термопарой.Если термопару снимают и помещают в калибровочную ванну, выходной сигнал, интегрированный по длине, не воспроизводится точно, поскольку разница температур от одного конца провода к другому является суммой всех разностей напряжений вдоль провода от конца до конца.

Типы термопар

Термопары доступны в различных комбинациях металлов или калибровок. Четыре наиболее распространенных калибровки — это J, K, T и E. Каждая калибровка имеет свой диапазон температур и среду, хотя максимальная температура зависит от диаметра провода, используемого в термопаре.

Некоторые типы термопар стандартизированы с помощью калибровочных таблиц, цветовых кодов и присвоенных буквенных обозначений. Стандарт ASTM E230 предоставляет все спецификации для большинства общепромышленных марок, включая буквенные обозначения, цветовые коды (только для США), рекомендуемые пределы использования и полные таблицы зависимости напряжения от температуры для холодных спаев, поддерживаемых на уровне 32 ^o F и 0 ^o C.

Существует четыре «класса» термопар:

• Класс домашнего тела (называемый недрагоценным металлом),
• класс верхней корки (называемый редким металлом или драгоценным металлом),
• класс разреженного металла (тугоплавкие металлы) и,
,
• экзотический класс (эталоны и опытно-конструкторские разработки).

Домашние тела — это типы E, J, K, N и T. Верхняя кора — это типы B, S и R, платина — все в разном процентном соотношении. Экзотический класс включает несколько термопар из вольфрамового сплава, обычно обозначаемых как Тип W (что-то).

Температурные преобразования

• ^o F = (1,8 x ^o C) + 32
• ^o C = ( ^o F — 32) x 0,555
K о С + 273.2
• ^o Rankin = ^o F + 459.67

Стандарты ASTM, относящиеся к термопарам

• E 207-00 … Вторичный стандарт аналогичных характеристик ЭДС и температуры
• E 220-02 Стандартный метод испытаний для калибровки термопар методами сравнения
• E 230-98e1..Таблицы температурной электродвижущей силы (ЭДС) для стандартизованных термопар
• E 235-88 (1996 ) e1..Технические условия для термопар в оболочке, типа K, для ядерных или других высоконадежных применений
• E 452-02..Метод испытаний для калибровки термопар из тугоплавкого металла с использованием радиационного термометра Провод термопары из недрагоценных металлов с изоляцией из стекловолокна или кварцевого волокна
• E 585 / E 585M-01a ​​.. Стандартные технические условия для кабеля термопары из недрагоценного металла с минеральной изоляцией и металлической оболочкой
• E 601-81 (1997)..Метод испытаний для сравнения стабильности ЭДС материалов одноэлементных термопар из недрагоценных металлов в воздухе
• E 608 / E 608M-00. Стандартные технические условия на термопары из недрагоценных металлов с минеральной изоляцией и металлической оболочкой
• E 696-00 Стандартные технические условия на провод для термопар из вольфрам-рениевого сплава
• E 710-86 (1997) Стандартный метод испытаний для сравнения стабильности ЭДС термопары из недрагоценных металлов. элементы в воздухе с использованием двойных, одновременных индикаторов термо-ЭДС
• E 780-92 (1998) Стандартный метод испытаний для измерения сопротивления изоляции материала термопары в оболочке при комнатной температуре
• E 839-96 Стандартный метод испытаний термопар в оболочке и в оболочке Материал термопары
• E 988-96 (2002) Таблицы стандартных температурно-электродвижущих сил (ЭДС) для вольфрам-рениевых термопар
• E1129 / E1129M-98 Стандартные технические условия для разъемов термопар
• E 1159-98 Стандартные технические условия для материалов термопар -Родиевые сплавы и платина
• E 1350-97 (2001) Стандартные методы испытаний для испытания термопар в оболочке до, Во время и после установки
• E 1652-00 Стандартные спецификации для оксида магния и порошка оксида алюминия и измельчаемых изоляторов, используемых при производстве платиновых термометров сопротивления в металлической оболочке, термопар из недрагоценных металлов и термопар из благородных металлов
• E 1684-00 Стандартная спецификация для миниатюрных соединителей для термопар
• E 1751-00 Стандартное руководство по температуре Таблицы электродвижущей силы (ЭДС) для комбинаций термопар без буквенного обозначения
• E 2181 / E 2181M-01 Стандартные технические условия для благородных металлов с уплотненной минеральной изоляцией и металлической оболочкой Термопары и кабель для термопар

.