Технические измерения и приборы

Т а б л и ц а 6 . 4

ТермоЭДС основных материалов для термопар в паре с платиной

Из таблицы следует, что надо для термопары брать один материал из левой половины, а другой – из правой половины таблицы. В этом случае термоЭДС будет достаточно большой, обеспечивая высокую чувствительность измерения.

Например, пара при температуре горячего спая 100 °С и холодного спая 0 С хромель – копель обеспечивает 2,95 – (–1,15) = 4,1 мВ.

До 1984 г. в СССР и СЭВ действовали стандарты на термоэлектрические преобразователи ГОСТ-3044–77 и СТ СЭВ 1059–78 с номинальными статическими характеристиками НСХ ХК68, ХА68. Затем до 1999 г. действовал ГОСТ-3044–84, удовлетворявший международному стандарту МЭК-584-1 (табл. 6.5).

Т а б л и ц а 6 . 5 Стандартные термоэлектрические термометры (ГОСТ-3044–84)

181

Межгосударственный стандарт ГОСТ 6616-94 «Преобразователи термоэлектрические. Общие технические условия» введен в действие в качестве государственного стандарта Российской Федерации с 1 января 1999 г. В стандарте нормализованы требования к двенадцати типам ТП, некоторые из них представлены в табл. 6.6.

Т а б л и ц а 6 . 6

Основные типы термоэлектрических преобразователей

(ГОСТ-6616-94)

182

Хромель-копелевые (ТХК) и хромель-алюмелевые (ТХА) – наиболее распространенные в России термоэлектрические преобразователи.

Преобразователь термоэлектрический хромель-копелевый

(типа L) обладает наибольшей дифференциальной чувствительностью из всех промышленных термопар (около 70÷90 мкВ/ С), применяется для точных измерений температуры, а также для измерений малых температурных разностей. Термопреобразователь обладает высокой термоэлектрической стабильностью при нагревах до 600 °С, обусловленной тем, что изменение термоЭДС хромелевого и копелевого термоэлектродов направлены в одну и ту же сторону и компенсируют друг друга. Технический ресурс термопар может составлять несколько десятков тысяч часов. Так, у термопар с диаметрами термоэлектродов от 0,5 до 3,2 мм при их выдержке в течение 10000 ч

183

при 400…600 °С максимальные изменения градуировки составили 0,5…1 °С. К недостаткам ТХК можно отнести относительно высокую чувствительность к деформации.

Для термометров с термоэлектродами диаметром менее 1 мм верхний предел длительного применения менее 600 °C и составляет, например, для термоэлектродов диаметром 0,2 0,3 мм только 400 °C. Верхний предел применения определяется стабильностью характеристик копелевого термоэлектрода.

Преобразователь термоэлектрический хромель-алюмелевый

(тип К) является самым распространенным термопреобразователем в промышленности и научных исследованиях. Термопреобразователь предназначен для длительного измерения температуры до 1100 °С в окислительных и инертных средах. Термопреобразователь широко используется во всех отраслях промышленности в печах, нагревательных устройствах, энергосиловом оборудовании. Номинальная статическая характеристика ТХА близка к линейной, дифференциальная термоЭДС около 40 мкВ/°С во всем диапазоне измеряемых температур. Главное преимущество ТХА, по сравнению с другими термопарами из неблагородных металлов, состоит в значительно большей стойкости к окислению при высоких температурах. Технический ресурс термопар при температурах менее 850 °C ограничивается только дрейфом термоЭДС, т.к. жаростойкость хромеля и алюмеля позволяет использовать их при этих температурах десятки тысяч часов.

Термоэлектрод из никель-алюминиевой проволоки менее устойчив к окислению, чем никельхромовый. Верхние пределы применения зависят от диаметра термоэлектродов. Для термоэлектродов диаметром 3 5 мм верхний предел длительного применения никель- хром-никельалюминиевых термометров составляет 1000 °C, а для диаметра 0,2 0,3 мм – не более 600 °C. Термометры типа К обладают самой высокой влагостойкостью.

К недостаткам ТХА относятся присущие ей два вида нестабильности термоЭДС: обратимая циклическая нестабильность и необратимая нестабильность, постепенно накапливающаяся со временем.

184

Учитывая вышеизложенное, применять один и тот же преобразователь ТХА во всем диапазоне измеряемых температур нецелесообразно, т.к. это ухудшает точность измерений. Термопарой, которую используют для точного измерения температур до 500 °C, не следует измерять более высокие температуры, и, наоборот, термопарой, использовавшейся при температурах выше 900 °C, нецелесообразно измерять температуры 300÷600 °C.

Все термоэлектрические термометры из неблагородных материалов хорошо стоят в инертной и восстановительной атмосфере, в окислительной атмосфере их срок службы ограничен.

Кроме того, термометры хромель-копелевые и хромель-алюме- левые отличаются достаточно высокой стабильностью и линейностью характеристики, в том числе при высокой интенсивности ионизирующих излучений. Они все же способны работать в окислительной среде, поскольку образуемая при нагреве тонкая защитная пленка препятствует проникновению кислорода внутрь металла.

Термопреобразователи вольфрамрений-вольфрамрениевые

(ТВР) имеют самый высокий предел длительного применения до 2200 °С, но только в неокислительных средах, т.к. на воздухе уже при температуре 600 °С происходит очень быстрое окисление и разрушение термоэлектродов. Термопара устойчива в аргоне, гелии, сухом водороде и азоте, а также в вакууме. Основной недостаток – плохая воспроизводимость термоЭДС, вынуждающая группировать термоэлектродные пары по группам с номинальными статическими характеристиками А-1, А-2, А-3.

Термопреобразователи платинородий-платиновые и плати- нородий-платинородиевые (ТПП и ТПР) чаще всего используются в металлургическом производстве и при термообработке в диапазоне

1000÷1600 °С.

Модификация ТПП13 типа R широко применяется за рубежем. Термопары ТПП10 типа S используются также в качестве эталонных средств. Градуировочная характеристика термометров ТПП типа S не совпадает с градуировочной характеристикой ТПП типа R.

По совокупности свойств платина и платинородиевые сплавы являются уникальными материалами для термопар. Их основное

185

свойство – хорошее сопротивление газовой коррозии, особенно на воздухе при высоких температурах. Указанное свойство в сочетании с высокой температурой плавления и достаточно большой термоЭДС, хорошей совместимостью со многими изолирующими и защитными материалами, а также с хорошей технологичностью и воспроизводимостью метрологических характеристик делает их незаменимыми при изготовлении электродов термопар для измерения высоких температур в окислительных средах. Эти сплавы устойчивы в аргоне и гелии, не растворяют азот и водород, не образуют нитридов и гидридов. Верхний температурный предел длительного применения термопары ТПП10 равен 1300 °С.

При температурах выше 1400 °С используется термопара ТПР с меньшей дифференциальной чувствительностью, но с пределом рабочих температур до 1600 °С (кратковременно до 1800 °С). Эта термопара механически более прочна, менее склонна к росту зерна

иохрупчиванию, менее чувствительна к загрязнению. Кроме того, малая чувствительность термопары в диапазоне 0…100 °С делает возможным ее применение с медными удлинительными проводами

ине требует термостатирования свободных концов, например, если температура свободных концов 70 °C и поправка на нее не вводится, то при температуре рабочего спая 1600 °C это вызовет погрешность около 2,1 °C. Градуировочная характеристика термометров типа В не совпадает с градуировочной характеристикой прежних моделей типа ПР.

Термометры ТПП и ТПР сохраняют стабильность градуировоч-

ной характеристики в окислительной и нейтральной средах. В восстановительной атмосфере эти термометры работать не могут, так как происходит существенное изменение термоЭДС термометра. Так же неблагоприятно воздействует на термометры контакт с углеродом, парами металлов, соединениями углерода и кремния, а также рядом других материалов, загрязняющих термоэлектроды.

Медь – константановые ТМКн типа Т и близкие к ним медь – копелевые и медь – медноникелевые термоэлектрические термометры применяются главным образом для измерения низких температур в промышленности и лабораторной практике. Применение этих термометров для температур менее 200 °C осложняется существенным

186

уменьшением коэффициента преобразования с уменьшением температуры. При температурах свыше 400 °C начинается интенсивное окисление меди, что ограничивает применение термометров этих типов.

Железо-константановые типа J и близкие к ним железо-медно-

никелевые термоэлектрические термометры применяются в широком диапазоне температур от минус 200 до плюс 700 °C, а кратковременно до 900 °C. Они имеют достаточно большой коэффициент преобразования (около 55 мкВ/°C). Верхний предел измерения ограничен окислением железа и медноникелевого сплава.

Термопары типа Т и J – самые дешевые.

В табл. 6.7 приведены нормированные статические характеристики термопар, выпускаемых серийно и используемых наиболее массово.

Кроме стандартных термоэлектрических термометров находят применение в особых условиях нестандартные термоэлектрические термометры, которые либо не отвечают требованиям воспроизводимости, либо не имеют достаточно стабильную градуировочную характеристику. К ним относятся высокотемпературные термометры:

–дисилицид молибдена – дисилицид вольфрама (MoSi2 – WSi2) для измерения температур агрессивных газовых сред и некоторых расплавов в интервале температур до 1700 °C;

–углерод – борид циркония (С – ZrB2) для измерения температур жидких металлов до 1800 °C;

–углерод – карбид титана (С – TiC) для измерения неокислительных газовых сред до 2500 °C;

–карбид ниобия – карбид циркония (NbC – ZrC) для измерения

ввосстановительной и инертной среде или в вакууме до 3000 °C.

Т а б л и ц а 6 . 7

Статические характеристики термопар широкого потребления

187

Для измерения низких температур (до минуса 270 °C) в промышленных установках применяют золотожелезо-никельхромовую (AuFe – NiCr) термопару, которая практически не изменяет своего коэффициента преобразования в интервале температур (минус

200÷270 °C).

В последнее время находит применение термопара ТНС из сплавов НС – СА при t = 300÷1000 °С. ТермоЭДС ее невелика – всего 13,39 мВ при 1000 °C. Но ее особенность следующая: на точность работы почти не влияет температура холодного спая, т.к. термоЭДС в диапазоне низких температур (–20÷+200 °С) практически близка к нулю.

6.3.2. Конструкция термоэлектрических термометров

Для удобства применения термоэлектрический термометр специальным образом армируется.

При этом преследуются следующие цели:

–электрическая изоляция термоэлектродов;

–защита термоэлектродов от вредного воздействия измеряемой

иокружающей сред;

–защита термоэлектродов и зажимов выводов термоэлектродов от загрязнений и механических повреждений;

188

–придание термоэлектрическому термометру необходимой механической прочности;

–обеспечение удобства монтажа на технологическом оборудовании и удобства подключения соединительных проводов.

На рис. 6.11 показано устройство термоэлектрического термометра.

Термоэлектроды 1 расположены так, что их спай 2 касается защитного чехла 3. На термоэлектроды надеты изоляционные бусы 4. На конце защитного чехла крепится головка термометра 5. В головке расположена колодка 6 с зажимами 7 для термоэлектродов и соединительных проводов 8.

Рабочий спай термоэлектрического термометра чаще всего изготавливается путем сварки, в отдельных случаях применяют пайку, а для вольфрамрениевых термометров – скрутку. В отдельных конструкциях термоэлектроды приваривают к защитному чехлу.

Электрическая изоляция термоэлектродов осуществляется материалами, со-

1300 °C получили фарфоровые одно- и двухканальные трубки и бусы, для более высоких температур применяются бусы из окиси алюминия и из других изоляционных материалов.

Для защиты термоэлектродов от воздействия измеряемой среды их помещают в защитный чехол из газонепроницаемых материалов, выдерживающих необходимые высокие температуры и давления среды. Защитные чехлы для температур до 1000 °C изготавливают из различных марок стали. При более высоких температурах применяются специальные чехлы из тугоплавких соединений, например, из диборида циркония с молибденом для измерения температуры

189

стали, чугуна и восстановительной газовой среды до 2200 °C. Для измерения расплавленного стекла и окислительной газовой среды до 1700 °C применяются чехлы из дисилицида молибдена.

Большинство конструкций защитной арматуры термоэлектрических термометров в настоящее время унифицировано. Они отличаются в основном конструкцией защитных чехлов, рассчитанных на различные давления, и конструкцией штуцеров. Внешний вид некоторых серийно изготавливаемых термоэлектрических термометров представлен на рис. 6.12.

Большое распространение в последнее время получают термоэлектрические термометры кабельного типа.

Они представляют собой два термоэлектрода, помещенные в тонкостенную оболочку (рис. 6.13).

Пространство между термоэлектродами и оболочкой заполняется специальной изолирующей засыпкой (порошок MgO или Аl2O3). Оболочка изготавливается из нержавеющей или жаропрочной стали. Наружный диаметр оболочки от 0,9 до 7,2 мм, длина до 25 м. Масса термометров ТХК, ТХА – от 0,18 до 9,2 кг. Тепловая инерция – от 5 до 500 с.

Выпускаются хромель-алюмелевые и хромель-копелевые термопреобразователи с изолированным (см. рис. 6.13, а) и неизолированным (см. рис. 6.13, б) спаями.

Они применяются в интервале температур от минус 50 до 900 °C (в оболочке из жаропрочной стали – до 1100 °C) при давлении до 40 МПа.

190