книги из ГПНТБ / Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств учебник

Если спаяны однородные проводники В и В (рис. 20), концы которых нагреты до разных температур, то свободные электроны диффундируют из более нагретых частей проводника в менее нагретые с большей интенсивностью, чем в обратном направлении. Более нагретые концы проводников заряжаются положительно до тех пор, пока не наступает равновесное состояние из-за образовавшейся разности потенциалов, действующей в направлении,

обратном тепловой диффузии электронов.

Электронная теория дает лишь физическое (качественное) объяс­ U нение термоэлектрического эффек­ та. Количественное определение

Учитывая оба фактора, определяющие суммарную т. э. д. с. замкнутой цепи, состоящей из двух проводников А и В, спаи

евл (t0) — — еАВ (to)-

50

Подставляя последнее выражение в уравнение (43), пс лучим

Если для данной термопары экспериментально, т. е. путем градуировки, найдена зависимость (45), то измерение температуры сводится к определению т. э. д. с. термопары.

§ 14, Включение третьего проводника в цепь термопары

Для включения измерительного прибора необходимо разо­ рвать электрическую цепь. Сделать это можно в спае с темпера­

Подставляя это значение в уравнение (46), получим уравне­ ние (44).

Для случая, показанного на рис. 22,

Из этого следует, что т. э. д. с. термопары не изменяется от введения в ее цепь третьего проводника, если температуры концов этого проводника одинаковы. Практически это значит, что в цепь термопары можно включать соединительные провода, измери­ тельные приборы и подгоночные сопротивления. Чаще всего третий проводник включается по схеме, показанной на рис. 21. Способ изготовления спаев (сварка, пайка) не влияет на величину т. э. д. с. термопары, если только размеры их таковы, что тем­ пература во всех точках одинакова.

При неравенстве температур концов третьего проводника т. э. д. с. термопары уменьшится на величину т. э. д. с. паразит­ ной термопары АС (рис. 21) или ВС (рис. 22) при температурах концов проводника ti и t{ или to и to. Поэтому в цепи термопары желательно применять проводники, незначительно различаю­ щиеся по термоэлектрическим свойствам от термоэлектродов тер­ мопары.

§ 15. Поправка на температуру холодных спаев термопары

Выше было установлено, что т. э. д. с. термопары является функцией измеряемой температуры лишь при условии постоянства температуры холодного спая (/0 = const).

Термопара градуируется при определенной постоянной темпе­

Еав (tto) — Едв (tto) — Sab (t) — едв (to) — едв (t) -(- ёдв (to)

или после сокращения

Едв (tto) — Едв (tto) — ^ав (to) — едв (to)•

Величину поправки можно написать в виде

eAe(to)— sAB (to) = Едв (V o)*

Следовательно, истинное значение т. э. д. с. равно

вочной таблицы, составленной для данной термопары, или, при

небольших значениях разности tb — to, из ее характеристической кривой.

52

§ 16, Термоэлектродные материалы и термопары

Любая пара разнородных проводников может образовать тер­ мопару, однако не всякая термопара будет пригодна для практи­ ческого применения, так как современная техника предъявляет к материалам термоэлектродов определенные требования: устой­ чивость к воздействию высоких температур, постоянство т. э. д. с. во времени, возможно большая величина т. э. д. с. и однозначная зависимость ее от температуры, небольшой температурный коэф­ фициент электрического сопротивления и большая электропровод­ ность, воспроизводимость термоэлектрических свойств, обеспе­ чивающая взаимозаменяемость термопар.

в разных пределах измеряемых температур.

Основные характеристики применяемых на практике термо­

Для всех металлов и сплавов функциональная зависимость т. э. д. с. от температуры сложна и выразить ее аналитически затруднительно. Исключение составляет лишь пара платинородийплатина, для которой зависимость т. э. д. с. от температуры в интервале от 300 до 1300° С при температуре холодного спая 0° С достаточно точно совпадает с параболой:

Е — а + bt + ct2,

53

где а, b и с — постоянные, определяемые по температурам за­ твердевания сурьмы (630,5° С), серебра (960,8° С)

и золота (1063,0° С).

Поэтому значения т. э. д. с. для какого-либо температурного интервала нельзя интерполировать в другие интервалы температур.

В СССР по ГОСТ 6616—61 на технические термопары с метал­ лическими термоэлектродами принято пять типов термопар.

Платинородий-платиновая термопара (тип ТПП). В зави­ симости от назначения эти термопары делятся на эталлонные, образцовые и рабочие. Рабочие подразделяются на лабораторные и технические. Эталонные термопары служат для поверки образ­

в нейтральной и окислительной средах, но быстро разрушаются в восстановительной атмосфере, особенно в присутствии окислов металла и кремнезема вблизи термопары. Вредно действуют на платину пары металла и углерод (особенно окись углерода). Поэтому при промышленных измерениях требуется тщательная изоляция термопары от непосредственного воздействия измеряе­ мой среды. Термопары типа ТПП по жаростойкости и постоян­ ству т. э. д. с. являются лучшими из всех существующих. При правильной эксплуатации они сохраняют постоянство своей гра­ дуировки в течение весьма длительного времени. Недостаток тер­ мопар этого типа — малая т. э. д. с. по сравнению с термопарами другйх типов.

Платинородий (30 % родия) - платинородтвая (6 % родия)

термопара (тип ТПР). Особенность этих термопар в том, что они применяются для измерения самых высоких температур и раз­ вивают очень малую т. э. д. с. (0,04 мВ при 120° С и 0,002 мВ при 20° С), не требуя поэтому введения поправки на температуру холодных спаев.

Термопары ТПП и ТПР платиновой группы изготовляются обычно в виде проволоки диаметром 0,5 или 1 мм, которая изо­ лируется фарфоровыми бусами или трубками.

Хромель-алюмелевая термопара (тип ТХА) применяется для измерения температур до 1300° С. Кривая зависимости т. э. д. с. от температуры для термопар этого типа близка к прямой. Боль­ шое содержание никеля в сплаве обеспечивает стойкость термо­ пары против окисления и коррозии. Восстановительная среда вредно действует на хромель-алюмелевую термопару.

Термопара из сплава HR-CA (тип ТНС). Характерная осо­ бенность данной термопары в том, что она, как и термопара

54

типа ТПР, не требует введения поправки на температуру холод­ ных спаев, так как т. э. д. с., развиваемая термопарой до 200° С, практически равна нулю.

Хромель-копелевая термопара (тип ТХК)- Из всех стандарт­ ных термопар эта.термопара развивает наибольшую т. э. д. с.,

из проволоки диаметром 0,7—3,2 мм и изолируются керамиче­ скими бусами.

В особых случаях применяют и нестандартные термопары. Из их числа сравнительно широко применяются медь-константа- новые, железо-константановые, медь-копелевые и железе-копеле- вые термопары. Следует учитывать, что железо в присутствии влаги может корродировать, а его термоэлектрические свойства в связи с этим изменяются. Нестандартные термопары при изго­ товлении обязательно градуируются.

Кроме приведенных в табл. 2 для измерения низких темпера­

и термопары, применяющиеся обычно для измерения более высо­ ких температур, в частности хромель-алюмелевые и хромелькопелевые. Опубликованы данные по применению этих термопар для измерения температур до —200° С.

рения температур до 2100° являются иридий-родий-иридиевые (40; 50 и 60 % родия). Обычно данные термопары работают в инерт­ ной среде, но в течение ограниченного времени их можно приме­ нять и на воздухе.

Широкое развитие получили научно-исследовательские работы по замене термоэлектродов из дорогих и дефицитных благородных металлов термоэлектродами из более доступных тугоплавких ме­ таллов. Так, для измерения высоких температур (2100—2200° С) надежно работает вольфрам-иридиевая термопара. Надо иметь в виду, что все термопары на основе тугоплавких металлов и спла­ вов требуют тщательной защиты от окисления и агрессивных сред. Для измерения высоких температур наиболее перспективными ока­ зались термопары на основе вольфрам-рениевых сплавов. Главные их достоинства — температура плавления выше 3000° С, высо­ кая т. э. д. с., химическая устойчивость при высоких температу­ рах в защитной среде (водород, инертный газ, вакуум).

При измерении высоких температур в средах, содержащих углерод, находят применение - термопары из сплавов молибдена с рением.

55

Разработаны термопары на основе графита, карбида бора, борида циркония, силицида, молибдена. Они позволяют изме­ рять температуру окислительных сред до 1600—• 1850° С, а восста­

ность температур или получить большую т. э. д. с., применяются дифференциальные термопары и термобатареи, представляющие собой несколько последовательно соединенных термопар. Эти специальные термопары показаны] на рис. 24 и 25.

56

Подставляя эти выражения в уравнение (49), получим

Для соблюдения условий to = to = to = /о” свободные концы термопар выводятся на одну общую панель. Абсолютное значе­ ние температуры t 0 не влияет на показания дифференциальной термопары.

Термоэлементы одного и того же типа соединяются в термо­ батареи последовательно, таким образом, что в соединениях всегда встречаются разнорсщ ые термоэлектроды.

Термоэлектродвижущая сила термобатареи, состоящей из п элементов, равна

57

тельно.

Конструктивное оформление термопар разнообразно и зависит главным образом от условий их применения.

На рис. 26 показана термопара типичной конструкции. Как правило, горячий спай промышленных термопар изготовляется сваркой в пламени вольтовой дуги. Термопары платиновой группы свариваются без флюса, а остальные — под слоем флюса. Пайка применяется только при изготовлении нестандартных лабора­ торных термопар из очень тонких проволок.

Независимо от конструкции термопара должна удовлетворять следующим требованиям. Изоляция термоэлектродов должна исключать возможность короткого замыкания и электрических утечек. Термоэлектроды должны быть защищены от механи­ ческих повреждений и химического воздействия измеряемой среды. Термоэлектродные провода должны быть надежно подклю­ чены к термопаре.

Для электрической изоляции термоэлектродов обычно приме­ няют фарфор в виде коротких одноканальных или двухканальных трубок либо бус. Одноканальными трубками изолируются толстые термоэлектродные проволоки, а двухканальными — тонкие, диа­ метром менее 1 мм.

Спай термопары остается голым и изолируется обычно фар­ форовым наконечником, помещенным на дне защитной металли­ ческой трубки. Изолированные электроды промышленных термо­ пар помещаются в защитную трубку для предохранения от меха­ нических повреждений и химического воздействия среды при высоких температурах.

Защитная трубка ввинчивается в головку термопары, внутри которой укреплены две клеммы, соединенные с электродами термопары. Клеммы служат для присоединения концов термо­ электродных проводов, для выхода которых головка термопары снабжена сбоку отверстием с коротким патрубком.

Для агрессивных сред применяются защитные трубки из' металлокерамики или стальные трубки, покрытые слоем туго­ плавкой эмали.

Из специальных термопар следует указать на многозонюю термопару, применяемую для позонного измерения температуры в вертикальных аппаратах (колонны синтеза аммиака, метанола

58

и др.). Чехол такой термопары представляет собой трубу, в кото­

рой помещен пучок изолированных сдна от другой термопар различной длины.

Крышка снята

--------- 088

Рис. 26. Термопара в защитной арматуре с передвижным фланцем:

~ винты для крепления термоэлектродов в зажимах; 11 — винты для крепления про­ водов, и — крышка; 13 — прокладка; 14 — штуцер для вывода; 15 — асбестовый шнур;

16 — винт для цепочки

Холодные спаи каждой термопары укреплены под винтами фарфоровой контактной колодки. Соединительные провода выве­

дены из арматуры термопары через специальные сальниковые уплотнения.

§ 17« Способы компенсации изменения температуры холодных спаев термопары

Правильное измерение температуры возможно лишь при постоянстве температуры холодных спаев; это условие обеспечи­ вается с помощью соединительных проводов и специальных термо-

5 9