Типи термопар та варіанти їх застосування

Термопара являє собою пристрій, що складається із з’єднання (щупів) двох різнорідних металів, здатних у будь-якому місці зчитувати температурні показники в діапазоні від -250 до 2000°C. Як приклад: щодо виробництва фарб і процесів затвердіння порошкових компонентів, то зазвичай застосовують
термопари класу К, у яких одна “нога” виконана з нікель хрому, а друга “нога” з нікель алюмінію (“Alumel”). Термопара працює через створення різниці напруги між цими двома провідними висновками, що пропорційно температурі всього цього з’єднання. Це називається ефектом Сібека а честь Томаса Сібека, який відкрив цей феномен у 1821 р.

Рис.1. Термопара типу K складається з базових відкритих гарячих з’єднань. Дві ноги термопари спаяні разом для формування металевої намистини, яка застосовується для вимірювання різниці напруги.

Тип K термопари популярний завдяки своєму широкому температурному діапазону, можливістю застосування цієї термопари у жорстких умовах промислового виробництва та недорогої вартості. Різні типи термопар Типу До мають різну точність показань, що генеруються, тому ми рекомендуємо такий тип термопари, який би володів спеціальними обмеженнями на помилки. Це тип К, сертифікований за стандартами ANSIMC96.1 spec, що дозволяє здійснювати вимірювання з точністю ± 1.98 °F або ± 0.4% від значення вимірюваної температури, при діапазоні вимірювань від 32 °F до 2282 °F.

Знати, що вимірюєте

Термопара працює за принципом контактного вимірювання температури. Будь-які вимірювання за таким принципом несуть у собі ризики, пов’язані з точністю показань, тому щоб уникнути цього, враховуються три важливі критерії:

1. Якість контакту між сенсором та об’єктом вимірювання – якщо такий контакт недостатньо здійснений, то дуже ймовірно, що ви швидше вимірюєте температуру навколишнього середовища, а не об’єкта або отримуєте якісь усереднені дані.
2. Вплив самої термопари на температурні характеристики об’єкта, що вимірювається. Пам’ятайте, що прикріплюючи термопару до об’єкта вимірювань, ви до певної міри змінюєте його (об’єкта) фізичну термальну масу, тим самим змінюєте характеристики нагріву.
3. Неодноразові переустановки термопари. Чи можна за допомогою таких переустановок надійно помістити сенсор на те саме місце об’єкта вимірювань? Пам’ятайте, що термопара не здатна брехати, вона вимірює саме ту температуру, яку приймає. Складні об’єкти вимірювань мають ділянки, на яких температурні показники суттєво відрізняються один від одного через варіації термальних мас.

При виборі та застосуванні термопари необхідно враховувати усі перелічені вище коментарі, щоб бути впевненим, що насправді ви вимірюєте саме те, що треба.

Вибір правильної термопари для якісних вимірів

Цілком очевидно, що точність зчитуваних показань надзвичайно важливий фактор, але його треба враховувати спільно з іншими питаннями, як то: повторюваність вимірювань між послідовними тестами, простота і швидкість приміщення пробників у необхідне місце, а також врахування того, що самі виміри проходитимуть у суворих промислових умов. Наприклад, немає жодного сенсу вибирати термопару з чудовими показниками точності, якщо процедура встановлення цієї термопари займає цілу хвилину, а доступ до об’єкта вимірювань на виробничій лінії (наприклад, між камерою для фарбування і піччю) обмежений до 30 сек. Знову ж як приклад: кожна процедура затвердіння фарби і тип того чи іншого продукту певною мірою відрізняються один від одного, тому під кожен технологічний процес необхідно вибирати відповідний тип термопари. Хоча основний принцип функціонування всіх термопар є однаковим, існує безліч різних підходів до кріплення цих пристроїв. Під кожну ситуацію не існує ідеальної техніки кріплення термопар, а тому інженеру необхідно приймати компромісні рішення, які б брали до уваги точність, стабільність і швидкість вимірювань, а також простоту використання тестера в цілому. Це питання набуває ще більшої значущості, якщо порівнювати наведені нижче 2 технології, на яких побудовані термопари.

Рис.2,3 Порівняння працездатності різних варіантів термопар

Термопара 1: Тонкий патч-зонд – Тонке з’єднання термопари кріпиться до об’єкта вимірювань за допомогою самоклеючого пластиру з додатковою високотемпературною стрічкою для полегшення натягу.

Термопара 2: Магнітний поверхневий зонд – контакт сенсора термопари до залізного матеріалу із задіянням магніту та пружного сталевого настановного важеля

Вибір термопари – Огляд

Наведена нижче інформація (огляд) дає характеристики різних типів пробників та їх характеристики, з чого можна зробити висновки про придатність термопар для їх застосування в тих чи інших випадках.

Стандартна термопара з магнітною поверхнею

Автоматичне приміщення сенсора на залізний плоский субстрат з фіксуванням магнітом. Підпружинений сталевий важіль гарантує, що гарячий спай термопари лежить абсолютно плоско на поверхні металу. Щоб уникнути похибки теплової маси, магніт поміщається на 3.5” (90 мм) убік від точки вимірювань. Такий тип термопари зазвичай використовується при фарбуванні автомобілів для моніторингу якості їх лакофарбового покриття. Приміщення термопар на внутрішню частину корпусу автомобілів повинно обов’язково проводитися, оскільки автомобіль постійно переміщається між камерою фарбування і входом в піч. До 8 термопар потрібно їх приміщення на різні ділянки, при цьому час на таку операцію відводиться менше 1 хв.

Поверхнева термопара MicroMag

Адаптація стандартної магнітної термопари, в якій сенсор вбудований безпосередньо у магніт. Зменшення відбитка ноги термопари може застосовуватися у важкодоступних місцях, а також на вигнутих або нерівних поверхнях. Щоб уникнути високих теплових значень, застосовується маленький, але дуже потужний Самарій Кобальт дисковий магніт, що забезпечує міцну якість з’єднань термопар з об’єктом вимірювань.

При розгляді можливості застосування магнітів як фіксатори, необхідно враховувати температурний вплив на властивості магніту. Сильний магніт при кімнатній температурі не працює як і при температурі затвердіння. Магніт Самарій Кобальт за температури 1508 °F втрачає свої магнітні властивості. Втрата магнітних властивостей від впливу температури збільшується через значення Br% C -0.032. Це означає, що за 482°F магнітна сила становить на 8% менше, ніж при кімнатній температурі. Тим не менш, така температурна толерантність значно перевершує аналогічні властивості, що є у магнітів, виконаних з інших матеріалів.

Термопари на технології Захоплення/Затискання

Інженерами також широко застосовуються термопари, в яких сенсори поміщаються на об’єкті вимірювань за допомогою фіксуючих кліщів на основі простої затискної пружини. Затискні кліщі адаптовані таким чином, що можуть відкриватися та затискатись на будь-якій товщині (до 1 дюйма) ділянки об’єкта вимірювань. Такий підхід ідеальний для об’єктів з екструзії алюмінію або аналогів цьому, включаючи вузькі плоскі секції.

Єдиним обмеженням для затискного пробника є те, що йому потрібний наріжний виступ, що обмежує фіксацію цього пробника щодо країв плоских секцій.

Відкриті з’єднувальні зонди

Відкриті сполучні зонди, як вони і названі, передбачає під собою те, що ці зонди є найпростішою формою конструкції термопари, де сенсор не що інше, як припаяні один до одного дві ноги термопари від проводу «гаряче з’єднання». Такі пробники дуже корисні через свою гнучкість. Очевидно, що той самий пробник може моніторити як температуру навколишнього середовища, так і температуру об’єкта через установку його на вивірену точку «гарячого з’єднання». «Гарячі з’єднання» мають мінімальну термальну масу, а тому їх характеристики по зворотному зв’язку дуже швидкі, тим самим точність показань висока, при цьому термопари такого роду можна вважати найлегшим вимірювальним інструментом, виконаним з металу.

Матеріали кабелю та способи кріплення цього типу пробників сильно залежать від технологічного процесу та вимірюваних температур. Методи кріплення таких термопар досить затратні за часом, при тому, що часто доводиться подряпати покриті фарбою ділянки об’єкта вимірювань, а не встановлювати пробники відразу на поверхню.

Термопари з відкритим контактом типу PTFE – найкращий вибір для вимірювань низьких температур. Робоча межа матеріалу PTFE становить 265 °C/509 °F. Кабель у такому разі має бути гнучким та простим у використанні.

При роботі нижче 509 °F кріплення повинне використовуватися спільно з високотемпературною каптонною стрічкою, як це показано на рис. 8. Високотемпературна стрічка дуже гнучка, тим самим вона може застосовуватися практично на всіх сухих та чистих поверхнях. Такий тип кріплення часом може бути ненадійним, коли мають місце множинні рухи або натяг кабелю. Зазвичай застосовується вторинне кріплення кабелю на кілька дюймів вище «гарячого кріплення».
Для цього застосовується або стрічка або, як це показано на малюнку, магнітний пробник, що монтується так, щоб зняти напругу і запобігти відриву зонда від продукту.

Під час роботи з температурами вище 509 °F потрібне застосування скловолоконного кабелю, градуйованого до 1300 °F. Високотемпературна стрічка може використовуватися до 600 °F, але при більш високих температурах рекомендується більш просунутий метод фізичного кріплення, оскільки клей, що кріпить, втрачає свою міцність захоплення. Існує один метод фізичного кріплення, який може бути застосований у цьому випадку для термопар із відкритими зондами, це точкове зварювання. За такої технології застосовуються струми з високими значеннями для спаювання металевої ділянки «гарячого з’єднання» термопари з відповідною ділянкою об’єкта вимірювань. Ця методологія вимагає наявності щодо складного обладнання та навичок з боку користувача, але при цьому вигода від цього очевидна: пробник стає частиною об’єкта вимірювань, оскільки його стик з об’єктом надійно гарантований.
Менш складним методом з’єднання є гайки/шайби для кріплення кабелю/гарячого з’єднання до поверхні із застосуванням або болтів, або шурупів. Знову ж таки звертаємо увагу на те, що при такій технології важливо уникати додавання значної кількості термальної маси на підкладку за допомогою додаткових фіксаторів. Що стосується важких, громіздких об’єктів вимірювань, як відлиті фундаменти/пологи, то термальна маса гарячого з’єднання термопари не така важлива. Враховуючи ці припущення, застосовується спеціально виготовлений пробник із шайбою. Як показано нижче на малюнку, гаряче з’єднання термопари робиться у вигляді укрупненої шайби, яка може накручуватися безпосередньо на підкладку об’єкта вимірювань.

При цьому обсяг пластику, що облицьовується, на термопарі зростає. Важливо пам’ятати, що сам пластик є матеріалом з низькою термальною масою, тому задіяна для моніторингу цього матеріалу термопара сама повинна бути з низькою термальною масою. Ідеальним вибором може стати патч-зонд для «легких режимів» експлуатації. У разі однониткової термопари з’єднання пробника і ділянки тестування забезпечується пластиром. Чутливі ноги термопари і гаряче з’єднання лежать плоско на підкладці, тим самим швидко реагуючи на будь-які зміни температури поверхні. Необхідно враховувати тонкий конструктив ніжок термопари, тому пам’ятайте це під час їх монтажу та демонтажу. Сам пробник повинен застосовуватися з великою обережністю для різноманітних тестів, при цьому ставлення до нього має бути як до витратного матеріалу у разі, наприклад, умов масового виробництва за винятком лабораторій тощо.

За екстремальних температур або відкритого вогню, а також інших «ворожих» умов рекомендується використовувати термопару з мінеральною ізоляцією. Футляр для термопар типу NicrobelTM створює дуже міцну конструкцію, яка на відміну від PTFE або скловолокна стійка до пошкоджень від гострих країв. Сама собою природа міцного конструктиву означає, що гнучкість проводів у своїй обмежується, що привносить проблеми при фіксуванні зондів. “Гаряче з’єднання” термопари розташовується на кінчику проводів. Встановлення контакту з поверхнею підкладки має здійснюватися обережно. Схема на рис. 11 ілюструє те, як це можна зробити якнайкраще. Міцність кріплення забезпечується шайбою та гайкою, а пілотна ямочка дає ділянку контакту для «гарячого з’єднання».

Пробник для алюмінієвих конструкцій в автомобілях

Так історично склалося, що виробники автомобілів вважають за краще застосовувати сталь під час виробництва корпусів своєї продукції. У міру розвитку технологій використання алюмінію стало більш перспективним через переваги, якими володіє цей матеріал, а саме співвідношення маса/міцність. Очевидно, що приміщення пробника в тій області печі, де здійснюється температурний моніторинг, є проблемою, якщо відсутня магніт алюмінієвий матеріал. Підпружинена шпулька була спеціально розроблена для термопари, закріпленої на алюмінієвому корпусі автомобіля, який постійно переміщається по складальному конвеєру. Шпулька підрізається до будь-якого зручного поглиблення або виїмки на внутрішній частині автомобіля. Підпружинений сталевий важіль у зборі регулюється доти, як температурний сенсор не виявиться на зовнішній частині корпусу, там, де потрібно здійснювати вимірювання.

Цілком очевидно, що будь-яка робота та зусилля по точним вимірам температур сильно залежать від правильного вибору термопари. Вибравши правильну термопару для вирішення конкретних завдань, інженер гарантовано отримує точні дані від об’єкта вимірювань, що визначає хід поточних технологічних процесів.

Який тип термопари є найпоширенішим

Тема : Вимірювання температури за допомогою термопари .

Мета: ознайомитись з методом вимірювання температури за допомогою термопари. Вивчити будову термопари і термоелектричного мілівольтметра.

Обладнання: Термопара типу хрюмель-алюмель, мілівольтметр, джерело тепла.

Дія термоелектричних пірометрів базується на властивості металів і сплавів створювати термоелектрорушійну силу ЕРС, яка однозначно залежить від температури місця з’єднання (спаю) двох різнорідних провідників, що утворюють так звану термопару чи первинний прилад пірометра. Вторинним приладом, який вимірює термоелектрорушійну силу, що розвиває термопара, є чутливий електровимірювальний прилад. Діапазон вимірюваних термоелектричними пірометрами температур лежить у межах – 50 – 1800 о С.

Термоелектричні пірометри широко використовуються в енергетичних установках для вимірювання температури підігрітої пари, димових газів, металу труб, котлів та інших частин обладнання тощо. Позитивними властивостями їх є велика межа вимірювання, висока чутливість, незначна інерційність, відсутність стороннього джерела струму і легкість здійснення дистанційної передачі показів завдяки електричному принципу дії.

Термоелектричні пірометри виготовляють різних класів точності та бувають показуючими і самопишучими. Останні частіше всього є багатоточковими приладами.

Рис. 1. Схема термопари з вимірювальним приладом

Явище термоелектрики, яке широко застосовують для вимірювання температури і ряду інших неелектричних величин, полягає у тому, що у замкнутому контурі, який складається із двох різнорідних провідників, безперервно проходить електричний струм, якщо місця спаювання цих провідників мають різну температуру.

Сутність виникнення ЕРС – концентрація в міжмолекулярному просторі провідника вільних електронів, які знаходяться в одиниці об’єму, залежить від роду провідника та його температури.

Схема термопари з вимірювальним приладом показана на рис. 1. Місце з’єднання двох різнорідних термоелектродів 1, яке розміщується в зоні вимірювання, називається робочим спаєм, а місця з’єднання термоелектродів з провідниками – вільними спаями 2 та 3. Як вимірювальний прилад 4 може використовуватися термоелектричний мілівольтметр або потенціометр.

Для отримання порівняно високих значень ЕРС вибір термоелектродів при виготовленні термопар виконується таким чином, щоб у парі з платиною один із них створював позитивну, а інший негативну ЕРС.

Термопари, які отримали практичне застосування, розділяють в основному на дві групи: із дорогоцінних і недорогоцінних металів чи сплавів. У таблиці 1 вказано найбільш поширені типи термопар, межі вимірювань ними температури і середнє значення ЕРС, яке розвивається при різниці температур між робочим і вільними кінцями 100 о С. При назві термопар першим зазвичай вказується позитивний термоелектрод.

Поширені типи термопар

Границі вимірювання температур при тривалому застосуванні, 0 С

Верхня границя вимірювання температур при короткочасному застосуванні,

різниці темпе-ратур, мВ

Платино-родій-платино-ва (10% родія)

Платино-родієва (30 та 6% радія)

Термопари типів ТПП, ТПР, ТХА і ТХК включені у державний стандарт. Для достатнього надійного забезпечення однорідності складу термоелектродів вони мають стандартне градуювання (рис. 2).

Термопари із дорогоцінних металів і сплавів: платинородій-платинова типу ТПП і платинородієва типу ТПР використовують головним чином для вимірювання високої температури (вище 1000 о С), так як вони володіють великою термостійкістю.

Рис. 2. Конструкція термопар

Термопари із недорогоцінних металів і сплавів: хромель-алюмелева типу ТХА і хромель-копелева типу ТХК – використовують для вимірювання порівняно невисокої температури (до 1000 о С). Ці термопари розвивають значні ЕРС, що є великою їх перевагою.

На рис. 2 показана будова стандартного термоелектричного термометра. В жорсткій захисній гільзі 1 розміщені термоелектроди 3 з надітими на них ізоляційними бусами 4. Спай 2 торкається дна захисної гільзи чи може бути ізольований від нього за допомогою керамічного наконечника. До термоелектродів в головці 8 гвинтами 6 на розетці 5 під’єднуються подовжуючі дроти 7. Захисна гільза в складенні вводиться в об’єкт вимірювання і закріплюється на ньому за допомогою штуцера 9. Для забезпечення надійного контакту спай 2 виготовляють зварюванням, рідше паянням чи скручуванням (для високотемпературних термопар). Захисну гільзу 1 виконують у вигляді циліндричної чи конічної трубки із газонепроникних матеріалів діаметром приблизно 15–25 мм і довжиною в залежності від потреби об’єкта вимірювання від 100 до 2500–3500 мм. Матеріалом для захисної гільзи зазвичай є різні сталі, для більш високих температур використовуються гільзи із тугоплавких з’єднань, а також кварц і фарфор. Діаметр термоелектродів складає 2–3 мм, крім термоелектродів платинової групи, діаметр яких 0,5 мм , що зв’язано з їх високою вартістю. Стандартні термопари випускають одинарними, подвійними і поверхневими – для вимірювання температури стінок об’єкта, коли доступ в середину об’єкта затруднений чи неможливий.

У даний час широке застосування знаходять термоелектричні перетворювачі кабельного типу (рис. 2 б, в).

У тонкостінній оболонці 1 розміщені термоелектроди 3, які ізольовані один від одного, а також від стінки оболонки термостійким керамічним порошком 4. Робочий спай 2 може мати контакт з оболонкою (рис. 4.2 б) чи ізольований від неї (рис. 2 в). Оболонку виконують із високолегованої нержавіючої сталі із зовнішнім діаметром 0,5–6 мм довжиною 10–30 м. Завдяки вказаним розмірам кабельні термоелектричні термометри є дуже гнучкими при достатній механічній міцності. Такі термоелектричні перетворювачі можна використовувати в інтервалі температур від – 50 до 300 о С при тиску 40 МПа. Вибір відповідних конструкцій термопар здійснюється в залежності від конкретних умов вимірювання.

В якості засобів вимірювань, які працюють в комплекті з термоелектричними перетворювачами, використовують мілівольтметри магнітоелектричної системи, потенціометри і нормуючі перетворювачі.

Пірометричний мілівольтметр є чутливим приладом магнітоелектричної системи. Робота його заснована на взаємодії магнітного поля, що утворюється провідником, по якому проходить електричний струм, створений термопарою, з магнітним полем постійного магніту, який знаходиться у приладі.

Будова пірометричного мілівольтметра показана на рис. 3. Підковоподібний постійний магніт 1 із високолегованої сталі (хромистої, нікель-алюмінієвої чи кобальтової) оснащений полюсними наконечниками 2 з циліндричною виточкою, між якими нерухомо закріплене циліндричне осердя 3. В кільцевому повітряному зазорі шириною близько 2 мм , утвореному плоскими наконечниками і осердям, які виготовлені із м’якої литої сталі, розміщені дві бокові (активні) сторони прямокутної рухомої рамки 4, яка складається із 100–300 послідовних витків ізольованого мідного чи алюмінієвого дроту діаметром 0,07–0,08 мм. Рамка, яка жорстко скріплена зі стрілкою 5, утворює рухому частину приладу, що може повертатися навколо осі осердя завдяки вставленим у рамку з торцевих сторін двох стальних кернів 6, які упираються на закріплені у стійці 7 агатові підп’ятники 8. Біля опорних кернів діаметром близько 1 мм з кутом заточування 60 0 розміщені дві плоскі спіральні пружини 9 із фосфористої бронзи, внутрішні кінці яких закріплені до рамки, а зовнішні біля верхньої пружини – до осі важеля 10 і нижньої до штифта нерухомої стійки. З цими ж пружинами з’єднані обидва кінці обмотки рамки і два затискачі 11, які служать для включення приладу у ланцюг термопари. Послідовно з рамкою включений додатковий манганіновий резистор (котушка) 12. У вільному простірі між полюсними наконечниками розміщені немагнінові вкладиші 13. Стрілка приладу, яка виконана із тонкої алюмінієвої трубки, зрівноважується двома пересувними противагами 14, які знаходяться на двох балансувальних вусиках з нарізкою. Завдяки противагам центр рухомої частини

Рис. 3. Будова пірометричного мілівольтметра

При вмиканні мілівольтметра в ланцюг термопари через рамку, резистор і спіральні пружини проходить струм, що викликає появу обертового моменту, який призводить до повороту рамки і стрілки навколо осердя. Одночасно із переміщенням рамки відбувається закручування спіральних пружинок, які створюють протидіючий момент, величина якого із мірою збільшення кута повороту рамки поступово зростає і приводить рухому частину у стан рівноваги. Таким чином, кут повороту рамки (стрілки) приладу, рівний куту закручування пружинок, залежить від сили струму, яка у свою чергу залежить від ЕРС термопари.

1. Записати марку термопари експериментальної установки (рис. 4). Встановити, які термоелектроди застосовані у термопарі. З таблиці 1 виписати характеристики термопари.

2. Витягнути корпус приладу разом з передньою панеллю. Ознайомитись з будовою термоелектричного мілівольтметра.

3. Встановити термопару на стійці установки таким чином, щоб віддаль між джерелом теплоти і чутливим елементом термопари була не більше 2 мм .

4. Вилкою з’єднувача включити установку в мережу змінного струму. Включити вимикач. При цьому загоряється лампа розжарювання. Дати лампі прогрітися протягом 5 хвилин. Зняти показ температури. Виключити вимикач і дати лампі охолонути. Повторити вимірювання температури ще 4 рази.

Рис. 4. Експериментальна установка для вимірювання температури

5. Одержані результати занести в таблицю 2.