Конструкции термопар.
Конструктивное устройство термопар промышленного типа, применяемых для измерения температуры в печах, соляных ваннах, газоходах, рассмотрим на примере термопары, изображенной на рис.4.
Рис. 4. Конструкция термопар с термоэлектродами из неблагородных
металлов
Эта термопара с термоэлектродами из неблагородных металлов, расположенными в составной защитной трубе с подвижным фланцем для ее крепления. Рабочий спай 1 термопары изолирован от трубы фарфоровым наконечником 2. Термоэлектроды изолированы бусами 3. Передвижной фланец состоит из рабочего 4 и нерабочего 5 участков. Передвижной фланец 6 крепиться к трубе винтом. Головка термопары имеет литой корпус 7 с крышкой 8, закрепленной винтами 9. В головке укреплены фарфоровые колодки 10 (винтами 11) с «плавающими» (незакрепленными) зажимами 12, которые позволяют термоэлектродам удлиняться под воздействием температуры без возникновения механических напряжений, ведущих к быстрому разрушению термоэлектродов. Термоэлектроды крепятся к этим зажимам винтами 13, а соединительные провода – винтами 14. Эти провода проходят через штуцер 15 с асбестовым уплотнением.
Основным вопросом при конструировании термопар промышленного типа является выбор материала защитной трубы (арматуры) и изоляции. Защитная арматура термопары должна оградить ее от воздействия горячих, химически агрессивных газов, быстро разрушающих термопару. Поэтому арматура должна быть газонепроницаемой, хорошо проводящей тепло, механически стойкой и жароупорной. Кроме того, при нагревании она не должна выделять газов и паров, вредных для термоэлектродов.
При температурах, не превышающих 600С, обычно применяют стальные трубы без шва, при более высоких температурах (до 1100С) – защитные трубы из легированных сталей. Для уменьшения стоимости защитных труб их часто выполняют составными (сварными) из двух частей: рабочий участок трубы – из нержавеющей стали, а нерабочий – из обычной стали.
Для термопар из благородных металлов часто применяют неметаллические трубы (кварцевые, фарфоровые и т.д.); однако такие трубы механически непрочны и дороги. Фарфоровые трубы надлежащего состава можно использовать при температурах до 1300 - 1400С.
Применяя защитные трубы из карбида кремния и графита, необходимо учитывать, что при нагревании они выделяют восстанавливающие газы; поэтому помещаемые в них термопары (особенно термопары на платиновой основе) должны быть защищены дополнительным газонепроницаемом чехлом.
В качестве изоляции термоэлектродов друг от друга применяют асбест – до 300С; кварцевые трубки или бусы – до 1000С; фарфоровые трубки или бусы – до 1300-1400С. Для лабораторных термопар, используемых при измерении низких температур, применяют также теплостойкую резину – до 150С; шелк – до 100-120С; эмаль – до 150-200С.
Термоэлектроды термопары, помещаемые в защитную трубу, обычно выполняют жесткими, а соединение их с последующими частями измерительной цепи для удобства монтажа осуществляется гибкими проводами с надлежащей изоляцией. Соединительные провода А1В1 (рисунок 5), идущие от зажимов в головке термопары до места нахождения нерабочих спаев (до места соединения с проводами указателя), называется удлинительными термоэлектродами.
Удлинительные термоэлектроды для термопар из неблагородных металлов и других материалов выполняют из тех же материалов, что и термоэлектроды термопары. Для термопар из благородных металлов пользоваться удлинительными термоэлектродами из тех же металлов крайне невыгодно; кроме того, некоторые термоэлектроды не могут быть выполнены в виде гибких проводов. Поэтому удлинительные термоэлектроды в этих случаях изготавливают из неблагородных металлов и других материалов. Чтобы при включении удлинительных термоэлектродов из материалов, отличных от материалов основных термоэлектродов, не изменилась термо-э.д.с. термопары, необходимовыполнить два условия:
Удлинительные термоэлектроды должны быть термоэлектрически идентичны с основной ермопарой в диапазоне возможных температур нерабочего спая и места соединения термоэлектродов в головке термопары (примерно в диапазоне от 0 до 100С). иначе говоря, удлинительные
термоэлектроды в указанном интервале
температур должны иметь такую же термо-э.д.с., как и электроды основной термопары.
Места присоединения удлинительных термоэлектродов к основным термоэлектродам в головке термопары должны иметь одинаковую температуру.
При невыполнении хотя бы одного из этих условий возникает погрешность измерения.
Для термопары платинородий - платина применяются удлинительные термоэлектроды из меди и сплава ТП, образующие термопару,
Рис.5. Термоэлектрическая цепь с удлинительными термоэлектродами и термостатированными нерабочими спаями
платина в пределах до 150С. Такие же удлинительные термоэлектроды с измененными знаками полярности применяют для термопары вольфрам – молибден. Для термопары хромель – алюмель удлинительные термоэлектроды изготавливаются из мед
ии константана. Для термопары хромель – копель удлинительными являются основные термоэлектроды, но выполненные в виде гибких проводов.
Большое значение при измерении температуры с помощью термопар имеет их инерционность, определяемая как время, за которое показания термопары при переносе из среды с комнатной температурой (15-20С) в среду с температурой 100С достигают 97-98С. для термопары, приведенной на рисунке 4, инерционность составляет 5-8 минут.
Для уменьшения инерционности стремятся обеспечить наилучший тепловой контакт между рабочим спаем термопары и средой, температура которой подлежит измерению. Так, термопары типа той которая изображена на рисунке 4, но в которых рабочий спай вварен в дно трубы, имеют инерционность, не превышающую 2-3 минут, однако такие термопары быстрее выходят из строя, чем обычные.
Конструкции термопар, применяемых для измерения температуры жидкой стали (платинородий – платина, вольфрам-молибден), отличаются наличием специальных деталей (наконечников), защищающих рабочий конец термопары от воздействия агрессивных газов. Кроме того, в этих термопарах стремятся получить малую инерционность. Последняя обеспечивает возможность проведения быстрых (в пределах одной минуты) измерений, что в свою очередь способствует уменьшению воздействия агрессивной среды и сохранению термопары.