4.2. Конструкция термопар

На рисунке 15 показана конструкция промышленного термоэлектрического преобразователя. Рабочим органом термопреобразователя является чувствительный элемент, состоящий из двух разнородных термоэлектродов 9, сваренных между собой на конце 11, который составляет горячий спай. Термоэлектроды изолированы по всей длине с помощью изоляторов 1 и помещены в защитную арматуру 10. Свободные концы элемента подключены к контактам термопреобразователя 7, расположенным в головке 4, которая закрывается крышкой 6, имеющей прокладку 5. Положительный термоэлектрод подключают к контакту со знаком <+>. Герметизация вводов термоэлектродов 9 осуществляется с помощью эпоксидного компаунда 8. Рабочий конец термопреобразователя изолируют от защитной арматуры керамическим наконечником, который в некоторых конструкциях для уменьшения тепловой инерционности, может отсутствовать. Термопреобразователи могут иметь штуцер 2 для крепления по месту и штуцер 3 для ввода соединительных проводов измерительных приборов.

Рис. 15. Конструкция промышленной термопары

В настоящее время широкое распространение в мире, в т.ч. и в России, получили термопарные кабели, представляющие собой пару термоэлектродов помещенную внутрь металлической трубки и изолированную от нее уплотненным плавленым порошком MgO-периклазом (см. рис. 16).

Рис. 16. Заготовка из термопарного кабеля с одной или двумя парами термоэлектродов

Рис. 17 Общий вид кабельной термопары

В России выпускают термопарный кабель типов КТХА, КТХК, КТНН, КТЖК диаметров от 1 до 7.2 мм. Оболочка кабеля изготовлена из нержавеющей стали или жаростойкой стали или сплава. Общий вид кабельной термопары представлен на рис. 17.

Термоэлектроды термопары со стороны рабочего торца сварены между собой лазерной сваркой, образуя рабочий спай внутри стальной оболочки термопарного кабеля. Рабочий торец заглушен приваренной стальной пробкой. Свободные концы термоэлектродов подключаются к клеммам головки термопреобразователя или компенсационным проводам.

Применение кабельных термопреобразователей позволяет достичь существенных преимуществ по сравнению с термопарами традиционного исполнения, таких как:

повышенные в 2-3 раза термоэлектрическая стабильность и рабочий ресурс при сравнимых рабочих условиях;

возможность изгибать, укладывать в труднодоступные места, в кабельные каналы, приваривать, припаивать или просто прижимать к поверхности для измерения ее температуры, при этом монтажная длина может достигать 60-100 метров;

малый показатель тепловой инерции, позволяющий применять их при регистрации быстропротекающих процессов;

блочно-модульное исполнение термопреобразователей в защитных чехлах, обеспечивающее дополнительную защиту термоэлектродов от воздействия рабочей среды и возможность оперативной замены чувствительного элемента;

универсальность применения в различных условиях эксплуатации, хорошая технологичность, малая материалоемкость.

Сравнительные испытания термопар показали, что дрейф термо-ЭДС. кабельной термопары КТХА наружным диаметром 3 мм (диаметр термоэлектродов 0.65 мм) при температуре 800°С за 10 000 часов составляет не более 100 мкВ. Повышенная стабильность кабельных термопар объясняется затруднением окисления термоэлектродов из-за ограниченного количества кислорода внутри кабеля, а также дополнительной защитой термоэлектродов от воздействия рабочей среды с помощью металлической оболочки и оксида магния.

При работе в потоках жидкости или газа, двигающихся с большой скоростью, а также при высоких давлениях и температурах, в агрессивных средах, кабельные термопреобразователи помещаются в защитные чехлы (гильзы), предохраняющие их от изгибов и разрушений, и служат в качестве сменных чувствительных элементов. Защитные чехлы имеют типовые габаритные размеры. Внешний вид преобразователя аналогичен традиционному внешнему виду промышленных термопар (рис.18). При этом термопреобразователи блочно-модульного исполнения, сохраняя все преимущества кабельных, приобретают такие достоинства, как:

возможность оперативной замены чувствительного элемента без демонтажа защитного чехла с объекта;

возможность одновременной поверки большого числа преобразователей вследствие малогабаритности демонтируемых кабельных чувствительных элементов;

удешевление последующих поставок, так как, при необходимости, заменять можно только наружный чехол или только чувствительный элемент.

Рис. 18. Кабельный термопреобразователь модульного исполнения.

Дальнейшим развитием конструкции кабельных термопар является термопара с дополнительным каналом, позволяющим устанавливать в него контрольную термопару для периодической поверки рабочей термопары непосредственно на объекте без её демонтажа (рис. 19).

Рис. 19 Кабельная термопара с дополнительным каналом

Такая методика поверки наиболее предпочтительна не только ввиду большей оперативности, но также из – за большей достоверности по сравнению с поверкой в лабораторных условиях. Причиной этого является то, что величина термоЭДС термопреобразователя зависит не только от разницы температур между горячим и холодным спаем, но также от глубины погружения и профиля температурного поля.