Рисунок 2a — Компенсация холодного спая
Точное проведение КХС имеет решающее значение для точности измерения температуры. Точность КХС зависит от двух факторов: точности измерения эталонной температуры и близости точки эталонного измерения к холодному спаю. Во многих измерительных преобразователях используется изотермическая клеммная колодка (часто выполненная из меди) со встроенным прецизионным термистором, ТС или транзистором для измерения температуры колодки.
СОВЕТ: Следует использовать полевые измерительные преобразователи, а не преобразователи с подключением проводами напрямую к диспетчерской.
Изготовление термопар
Процесс начинается с выбора высококачественной проволоки из материала, который требуется для термопары изготавливаемого типа. Проволоки соединяются различными способами, включая скручивание, сжатие, пайку, в т.ч. и высокотемпературную, а также различные виды сварки (например, сварка узким швом и сварка встык). Чтобы получить наилучшие рабочие характеристики горячий спай должен быть механически прочным, электрически непрерывным, не загрязнен никакими химическими примесями материалов, использующихся при сварке или пайке. При изготовлении высококачественных термопар большое внимание уделяется выбору марки проволоки и контролю процесса изготовления.
См. рисунок 3a.
Совет: Спай, полученный путем скручивания проволок, очень быстро теряет свои свойства, и использовать такой способ получения спая не рекомендуется.
Рисунок 3a — Способы изготовления горячего спая
3.1 Типы спаев
Спаи термопар изготавливаются в различных конфигурациях, каждая из которых имеет свои преимущества для применения в определенных системах. Спаи могут быть заземленными или незаземленными, а двухэлементные термопары могут быть изолированными или неизолированными. См. рисунок 3.1a.
Рисунок 3.1a — Конфигурации горячих спаев
Заземленные спаи термопар образуются, если спай термопары соединяется с оболочкой первичного преобразователя. Заземленные спаи обладают лучшей теплопроводностью, что, в свою очередь, повышает быстродействие. Однако заземление также делает цепи термопар более подверженными влиянию электрических шумов, которые могут искажать сигнал напряжения термопары, если контрольно-измерительный прибор не обеспечивает развязку. (Все высококачественные измерительные преобразователи и платы ввода/ вывода предусматривают электрическую развязку в стандартной комплектации). Заземленный спай также в большей степени подвержен загрязнению химическими примесями со временем.
Незаземленные спаи получаются тогда, когда элементы термопары не соединяются с оболочкой первичного преобразователя, а окружены изолирующим порошком. Незаземленные спаи имеют несколько меньшее быстродействие, чем заземленные спаи, но менее чувствительны к электрическим шумам.
Термопары с открытым спаем имеют горячий спай, выступающий из загерметизированного конца оболочки, обеспечивая высокое быстродействие. Герметизация препятствует попаданию влаги или других загрязнений внутрь оболочки. Обычно такие термопары применяются только в некоррозионных газах, например, в воздуховодах.
3.2 Термопары с двумя чувствительными элементами
Термопары с двумя чувствительными элементами бывают трех разных видов. См. рисунок 3.1a.
Изолированные конструкции имеют место в тех случаях, когда два независимых спая термопары размещаются в одной оболочке. Изолированные спаи могут давать неодинаковые показания температуры, но могут выявлять дрейф показаний вследствие загрязнения одного из элементов химическими примесями. Если один из спаев выходит из строя, это не обязательно влияет на второй спай.
Неизолированные конструкции имеют место, когда два спая термопары помещаются в одну оболочку и все четыре проволоки термопары физически соединяются. Неизолированные спаи дают одинаковые показания температуры для повышения достоверности измерения в данной точке. Однако если один из спаев выходит из строя, это вероятнее всего означает, оба спая отказали одновременно.
Термопара в системе газового контроля
Существует два варианта работы датчика фронта горения. Первый используется в современных котлах, оснащенных электронной автоматикой контроля и управления процессом отопления. Как правило, контакт от термопары заведен в блок розжига. Напряжение от термоЭДС, поступающее на плату, открывает электронный ключ на базе тиристора или транзистора. А тот, в свою очередь, открывает электромагнитный клапан подачи газа.
В момент включения котла, в течение 20-25 секунд, пока спай не прогрелся, электронный ключ в открытом состоянии удерживается за счет конденсатора. Если от термопары не поступило напряжение на ключ, конденсатор разряжается, закрывается клапан, подача газа прекращается.
Второй вариант используется в старых напольных газовых котлах без электронных компонентов. Включение выполняется нажатием кнопки и механическим разблокированием магнитного клапана. Если розжиг газовой горелки состоялся, и на термопаре появилось термоЭДС, то сгенерированное напряжение блокирует клапан в открытом положении.
Типы термопар
Существует много типов термопар, в которых используются различные сочетания металлов. Эти сочетания имеют разные выходные характеристики, которые определяют диапазон температур, в котором можно применять ту или иную термопару, и соответствующий выходной сигнал напряжения. См. рисунок 4a и таблицу 4b. Чем больше амплитуда напряжения на выходе, тем выше разрешение измерения, что повышает повторяемость и точность результатов. Существуют соотношения между разрешением измерения и диапазоном температур, которые делают отдельные типы термопар подходящими для определенных диапазонов и применений.
Рисунок 4a — Зависимости э.д.с. термопары от температуры для широко используемых типов термопар
Таблица 4b — Подробная таблица термопар
| нсх | Термоэлектрод | Сочетание металлов | Максимальная температура применения | Возможный диапазон температур | |
| °C | °F | ||||
| B | р N | платинородий платинородий | 1825 | 3320 | от 0 до 1820°С от 32 до 3308°F |
| Е | Р N | хромель константан | 1220 | 2230 | от-270 до 1 000°С от-454 до 1832Т |
| J | Р N | Железо Константан | 1220 | 2230 | от-200 до 1200°С от -328 до 2192Т |
| К | Р N | Хромель алюмель | 1400 | 2550 | от-270 до 1372°С от-454 ДО2501Т |
| N | Р N | Нихросил нисил | 1340 | 2440 | от -270 до 1300°С от-454 до 2372Т |
| R | Р N | платинородий платина | 1770 | 3215 | от-50 до 1768°С от -58 до 3214°F |
| S | Р N | платинородий платина | 1770 | 3215 | от-50 до 1768°С от -58 до 3214°F |
| Т | Р N | медь константан | 1080 | 1980 | от-270 до 400°С от-454 до 752°F |
КАКОВЫ ДИАПАЗОНЫ ИЗМЕРЯЕМЫХ ТЕМПЕРАТУР ДЛЯ ТЕРМОПАР?
Существует много типов термопар, в которых используются различные сочетания металлов. Эти сочетания имеют разные выходные характеристики, которые определяют диапазон температур, в котором можно применять ту или иную термопару, и соответствующий выходной сигнал напряжения. Чем больше амплитуда напряжения на выходе, тем выше разрешающая способность измерения, что повышает повторяемость и точность результатов. Существуют соотношения между разрешением измерения и диапазоном температур, которые делают отдельные типы термопар подходящими для определенных диапазонов и применений.
Есть типы термопар, которые способны измерять очень низкие температуры, до — 270°C (-464°F), и другие типы, способные измерять температуры до 1768°C (3214°F).
4.1 Термопары типа K, хромель — алюмель
• Хромель (Chromel®) — это сплав, состоящий на 90% из никеля и на 10% из хрома, а Алюмель (Alumel®) — это сплав, содержащий 95% никеля, 2% марганца, 2% алюминия и 1% кремния.
• Термопары типа K — одни из самых распространенных термопар общего назначения, имеющие чувствительность приблизительно 41 мВ/ °C.
• Термоэлектрод из сплава Chromel® имеет положительный потенциал относительно термоэлектрода из сплава Alumel®.
• Это недорогие термопары, их диапазон измеряемых температур составляет от -270°C до +1372°C (от -454°F до +2501°F) и характеристика относительно линейна.
• Содержание никеля делает сплав магнитным и, как и в случае других магнитных металлов, выходной сигнал термопары отклоняется, когда материал достигает своей температуры Кюри, которая составляет примерно 350°C (662°F) для термопар типа K. Температура Кюри — это температура, при которой магнитный материал претерпевает серьезное изменение своих магнитных свойств, что вызывает существенное смещение выходного сигнала.
• Такие термопары можно использовать в постоянно окислительных или нейтральных средах.
• В основном они используются при температурах выше 538°C (1000°F)
• Воздействие серы приводит к преждевременному отказу термопар.
• Эксплуатация при определенных низких концентрациях кислорода вызывает отклонение
в работе, которое называется преимущественным окислением хрома в положительном термоэлектроде, что приводит к состоянию, которое принято называть “зеленой гнилью” и которое вызывает большой отрицательный уход калибровки, наиболее серьезно проявляющийся в диапазоне 816 — 1038 °C (1500 — 1900°F). Это состояние можно предотвратить / уменьшить с помощью вентиляции или инертного уплотнения защитной трубки.
• Не рекомендуется подвергать термопару воздействию температур, циклически меняющихся так, что они становятся выше и ниже 1000 °C (1800 °F), потому что в этом случае выходной сигнал меняется из-за эффектов гистерезиса.
СОВЕТ: Исторически сложилось так, что термопары типа K предлагается использовать всегда, если только нет причин для применения других типов термопар.
4.2 Термопара типа J, железо — константан
• Диапазон измеряемых температур термопар типа J уже, чем у термопар типа К, от -200 до +1200 °C (от 346 до 2193 °F), но у них выше чувствительность, которая составляет порядка 50 мкВ/ °C.
• Они имеют очень близкую к линейной характеристику в диапазоне от 149 до 427 °C (от 300 до 800 °F), а при температуре ниже 0 °C (32 °F) становятся хрупкими
• При температуре Кюри железа, которая составляет 770 °C (1418 °F), происходит резкое и имеющее постоянный характер измерение выходной характеристики, которое определяет практически достижимый верхний предел температуры.
• Железо подвержено окислению при температурах выше 538 °C (1000 °F), что отрицательно влияет
на точность термопар. В таких условиях следует использовать только проволоку крупного диаметра.
• Термопары типа J подходят для применения в вакууме, в восстановительной или инертной среде.
• При использовании в окислительной среде срок службы термопар сокращается.
• Оголенные элементы не должны подвергаться воздействию сред, в которых присутствует сера, при температурах выше 538°C (1000°F)
4.3 Термопары типа E, хромель — константан)
• Хромель — это сплав, состоящий из 90% никеля и 10% хрома, и из него изготавливается положительный термоэлектрод
• Константан — это сплав, обычно состоящий из 55% меди и 45% никеля
• Термопары типа E имеют диапазон измеряемых температур от -270 до 1000°C (от -454°F до 1832°F)
• Это немагнитные термопары, и они имеют наибольшее изменение выходного напряжения в зависимости от температуры среди всех стандартных типов термопар (68 мкВ/ °C)
• Они также имеют большую тенденцию к дрейфу показаний по сравнению с другими типами.
• Такие термопары рекомендуется использовать в постоянно окислительных или инертных средах.
• Пределы их погрешностей при использовании при температурах ниже нуля не установлены.
4.4 Термопары типа T, медь — константан
• Термопары типа T имеют чувствительность 38 мкВ/
°C и диапазон измеряемых температур от -270°C до 400°C (от -454°F до 752°F)
• Их можно использовать в окислительных, восстановительных или инертных средах, а также в вакууме
• Они имеют высокую стойкость к коррозии во влажной среде.
• Такие термопары демонстрируют хорошую линейность характеристики и обычно используются при температурах от очень низких (криогенных) до средних.
4.5 Термопары типа N, нихросил — нисил
• Нихросил — это никелевый сплав, содержащий 14,4% хрома, 1,4% кремния и 0,1% магния, и являющийся положительным плечом в термопаре
• Нисил — это сплав никеля и 4,4% кремния
• Термопара типа N — это самая новая конструкция, одобренная международными стандартами, и ее применение во всем мире растет.
• Эти сплавы позволяют термопарам типа N достигать значительно более высокой термоэлектрической стабильности, чем у термопар из основных металлов типа E, J, K и T.
• Термопары типа N имеют чувствительность 39 мкВ/
°C и возможный диапазон температур от -270°C до 1300Т(от -454 °F до 2372 °F)
• Термопары типа N надежно эксплуатировались в течение продолжительного времени при температурах по крайней мере до 1200 °C (2192 °F)
• Некоторые исследования показали, что в окислительных средах термоэлектрическая стабильность термопар типа N примерно такая же, как у термопар из благородных металлов типа R и S при температурах примерно до 1200 °С (2192 °F)
• Термопары типа N не следует использовать в вакууме или восстановительных средах, или в средах которые меняются с восстановительных на окислительные.
4.6 Термопары типов R и S, платинородий-платина
• Термопары типа R (платина-13% родия / платина) и типа S (платина-10% родия / платина) имеют возможный температурный диапазон от -50 до 1768°C (от 58°F до 3214°F)
• Оба эти типа имеют чувствительность порядка 10 мкВ/ °C и таким образом не подходят для применения при низких температурах, где лучше использовать другие типы.
• Поскольку они изготавливаются из платинового сплава, они достаточно дорогие и обычно используются при очень высоких температурах, где другие термопары работают плохо.
• Благодаря высокой стабильности, термопары типа S используются для определения Международной температурной шкалы между точкой замерзания сурьмы (630,5°C / 1166,9°F) и точкой плавления золота (1064,43°C (1945,4°F))
• Для правильной установки требуется, чтобы термопара была защищена неметаллической защитной трубкой и керамическими изоляторами.
• Длительное воздействие высоких температур вызывает рост зерен металла и может привести
к механическому отказу и отрицательному уходу показаний из-за диффузии родия в термоэлектрод из чистой платины, а также из-за улетучивания родия.
• Вообще термопары типа R используются в промышленности, а термопары типа S в основном используются в лабораториях.
4.7 Термопары типа B, платинородий — платинородий
• Термопары типа B (платина-30% родия / платина-6% родия) имеют возможный диапазон температур примерно от 0 °C до 1820 °C (от 32 °F до 3308 °F).
• Термопары типа B обычно размещаются в чистом воздухе / окислительных средах, но не должны подвергаться воздействию восстановительных сред.
• Повышенное содержание родия в термопарах типа B помогает уменьшить рост зерна, позволяя несколько увеличить температурный диапазон по сравнению с термопарами типа R и S..
Термопара (термоэлектрический преобразователь) — устройство, применяемое в промышленности, научных исследованиях, медицине, в системах автоматики для измерения температуры. Термопара (термоэлектрический преобразователь) — это два проводника из разных материалов, спаянных с одной стороны (горячий спай) и свободных с другой стороны (холодный спай- условный спай). Приспособление несложное, и принцип действия тоже – когда термопара нагревается или охлаждается, разные металлы меняют температуру с разной скоростью, и разница позволяет возникнуть термоэлектродвижущей силе (ЭДС), или, говоря другими словами, происходит эффект Зеебека. Благодаря этому удается измерить температуру.
Непосредственное участие в измерении ложится на горячий спай, а свободные концы подключаются к измерительному прибору. Главной характеристикой термопар, является их Тип, который определяется разновидностью спаянных металлов.
На прибор от термопары поступает напряжение в милливольтах, которое он сопоставляет с таблицей напряжений (согласно типу термопары), таблица заложена в памяти прибора и отражает текущее значение измерения.
Таблица для Тип K (NiCr-Ni)
| Typ K Temp. oC | 0 | -10 | -20 | -30 | -40 | -50 | -60 | -70 | -80 | -90 |
| -200.00 | -5,891 | -6,035 | -6,158 | -6,262 | -6,344 | -6,404 | -6,441 | -6,458 | ||
| -100.00 | -3,553 | -3,852 | -4,138 | -4,410 | -4,669 | -4,912 | -5,141 | -5,354 | -5,550 | -5,730 |
| 0 | -0,392 | -0,777 | -1,156 | -1,527 | -1,889 | -2,243 | -2,586 | -2,920 | -3,242 | |
| 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | |
| 0 | 0,397 | 0,796 | 1,203 | 1,611 | 2,022 | 2,436 | 2,850 | 3,266 | 3,681 | |
| 100 | 4,095 | 5,549 | 4,919 | 5,327 | 5,733 | 6,137 | 6,539 | 6,939 | 7,338 | 7,737 |
| 200 | 8,137 | 8,537 | 8,938 | 9,341 | 9,745 | 10,151 | 10,560 | 10,969 | 11,381 | 11,793 |
| 300 | 12,207 | 12,623 | 13,039 | 13,456 | 13,874 | 14,292 | 14,712 | 15,132 | 15,552 | 15,974 |
| 400 | 16,395 | 16,818 | 17,241 | 17,664 | 18,088 | 18,513 | 18,938 | 19,363 | 19,788 | 20,214 |
| 500 | 20,640 | 21,066 | 21,493 | 21,911 | 22,346 | 22,772 | 23,198 | 23,624 | 24,050 | 24,476 |
| 600 | 24,902 | 25,327 | 25,751 | 26,176 | 26,599 | 27,022 | 27,445 | 27,867 | 28,288 | 28,709 |
| 700 | 29,128 | 29,547 | 29,965 | 30,383 | 30,799 | 31,214 | 31,629 | 32,042 | 32,455 | 32,866 |
| 800 | 33,277 | 33,686 | 34,095 | 34,502 | 34,909 | 35,314 | 35,718 | 36,121 | 36,524 | 36,925 |
| 900 | 37,325 | 37,724 | 38,122 | 38,519 | 38,915 | 39,310 | 39,703 | 40,096 | 40,488 | 40,879 |
| 1000 | 41,269 | 41,657 | 42,045 | 42,432 | 42,817 | 43,202 | 43,585 | 43,968 | 44,349 | 44,729 |
| 1100 | 45,108 | 45,486 | 45,863 | 46,238 | 46,612 | 46,985 | 47,356 | 47,726 | 48,095 | 48,462 |
| 1200 | 48,828 | 49,192 | 49,555 | 49,916 | 50,276 | 50,633 | 50,990 | 51,344 | 51,697 | 52,049 |
| 1300 | 52,398 | 52,747 | 53,093 | 53,439 | 53,782 | 54,125 | 54,466 | 54,807 |
Таблица для Тип J (Fe-CuNi)
| Typ J Temp. oC | 0 | -10 | -20 | -30 | -40 | -50 | -60 | -70 | -80 | -90 |
| -200,00 | -7,890 | -8,096 | ||||||||
| -100,00 | -4,632 | -5,016 | -5,426 | -5,801 | -6,159 | -6,499 | -6,821 | -7,122 | -7,402 | -7,659 |
| 0 | 0,000 | -0,501 | -0,995 | -1,481 | -1,960 | -2,431 | -2,892 | -3,344 | -3,785 | -4,215 |
| 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | |
| 0 | 0 | 0,507 | 1,190 | 1,536 | 2,058 | 2,585 | 3,115 | 3,649 | 4,186 | 4,725 |
| 100 | 5,269 | 5,812 | 6,590 | 6,907 | 7,457 | 8,008 | 8,560 | 9,113 | 9,667 | 10,222 |
| 200 | 10,777 | 11,332 | 11,887 | 12,442 | 12,998 | 13,553 | 14,108 | 14,663 | 15,217 | 15,771 |
| 300 | 16,325 | 16,879 | 17,432 | 17,984 | 18,537 | 19,089 | 19,640 | 20,192 | 20,743 | 21,295 |
| 400 | 21,846 | 22,397 | 22,949 | 23,501 | 24,054 | 24,607 | 25,161 | 25,716 | 26,272 | 26,829 |
| 500 | 27,388 | 27,949 | 28,511 | 29,075 | 29,642 | 30,210 | 30,782 | 31,356 | 31,933 | 32,513 |
| 600 | 33,096 | 33,683 | 34,273 | 34,867 | 35,464 | 36,066 | 36,671 | 37,280 | 37,893 | 38,510 |
| 700 | 39,130 | 39,754 | 40,382 | 41,013 | 41,647 | 42,283 | 42,922 | 43,563 | 44,207 | 44,852 |
| 800 | 45,498 | 46,144 | 46,790 | 47,434 | 48,076 | 48,716 | 49,354 | 49,989 | 50,621 | 51,249 |
| 900 | 51,875 | 52,496 | 53,115 | 53,729 | 54,341 | 54,948 | 55,553 | 50,155 | 56,753 | 57,349 |
| 1000 | 57,942 | 58,533 | 59,121 | 59,708 | 60,293 | 60,876 | 61,459 | 62,039 | 62,619 | 63,199 |
| 1100 | 63,777 | 64,355 | 64,933 | 65,510 | 66,087 | 66,664 | 67,240 | 67,815 | 68,390 | 68,964 |
| 1200 | 69,536 |
Таблица для Тип L (Fe-CuNi)
| Typ L Temp. oC | 0 | -10 | -20 | -30 | -40 | -50 | -60 | -70 | -80 | -90 |
| -200,00 | -8,15 | |||||||||
| -100,00 | -4,75 | -5,15 | -5,53 | -5,9 | -6,26 | -6,6 | -6,93 | -7,25 | -7,56 | -7,86 |
| 0 | 0 | -0,51 | -1,02 | -1,53 | -2,03 | -2,51 | -2,98 | -3,44 | -3,89 | -4,33 |
| 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | |
| 0 | 0 | -0,52 | -1,05 | -1,58 | -2,11 | -2,65 | -3,19 | -3,73 | -4,27 | -4,82 |
| 100 | 5,37 | 5,92 | 6,47 | 7,03 | 7,59 | 8,15 | 8,71 | 9,27 | 9,83 | 10,39 |
| 200 | 10,95 | 11,51 | 12,07 | 12,63 | 13,19 | 13,75 | 14,31 | 14,88 | 15,44 | 16 |
| 300 | 16,56 | 17,12 | 17,68 | 18,24 | 18,8 | 19,36 | 19,92 | 20,48 | 21,04 | 21,6 |
| 400 | 22,16 | 22,72 | 23,29 | 23,86 | 24,43 | 25 | 25,57 | 26,14 | 26,71 | 27,28 |
| 500 | 27,85 | 28,43 | 29,01 | 29,59 | 30,17 | 30,75 | 31,33 | 31,91 | 32,49 | 33,08 |
| 600 | 33,67 | 34,26 | 34,85 | 35,44 | 36,04 | 36,64 | 37,25 | 37,85 | 38,47 | 39,09 |
| 700 | 39,72 | 40,35 | 40,98 | 41,62 | 42,27 | 42,92 | 43,57 | 44,23 | 44,89 | 45,55 |
| 800 | 46,22 | 46,89 | 47,57 | 48,25 | 48,94 | 49,63 | 50,32 | 51,02 | 51,72 | 52,43 |
Периодически у многих клиентов возникают проблемы с определением типа термопары, когда нет описательных характеристик и необходимо подобрать замену или аналог. Решить ее довольно просто, главное знать принципы классификации термопар. В системе классификации термоэлементов есть цветовая маркировка изоляции проводников.
Например, европейская классификация по сплавам для термопар Тип L (Fe-CuNi) и Тип J (Fe-CuNi) одинаковая, очень важно понимать что они не взаимозаменяемые и напряжение на выходе при одной и той же температуре у этих термопар будет разное. Таблица стандартов по цветовой маркировке изоляции проводов будет очень полезна в определении типа термопары, если нет никакой маркировки.
Также необходимо отметить разновидность исполнения сенсорной части (горячего спая) термопар. Они бывают с изолированным и неизолированным рабочим спаем.
Показатель быстродействия при измерении температуры у неизолированной термопары выше, чем у изолированной. Но при этом усложняется схема подключения и требуются изолированные модули ввода. Поскольку разница в быстродействии не столь существенна, в основном используются термопары с изолированным спаем.
Как и все измерители температуры, термопары имеют классификацию по точности.
Для примера классы точности Тип K и Тип J, самых распространенных в использовании термопар
Класс 1: ±1.5 °C или ±0.004 x T (Тип K: -40 до +1000 °C), (Тип J :-40 до +750 °C)
Класс 2: ±2.5 °C или ±0.0075 x T (Тип K: -40 до +1200 °C), (Тип J :-40 до +750 °C)
Технические характеристики наиболее популярных термоэлектрических преобразователей (термопар) в соответствии с ГОСТ 3044 приведены в таблице:
| Тип термопары | НСХ термопары | Материал положительного термоэлектрода | Материал отрицательного термоэлектрода | Диапазон измеряемых температур, °C | Рабочий диапазон температур, °C |
| ТХК Тип L | XK (L) | Сплав хромель НХ9,5 (90,5% Ni + 9,5% Cr) | Сплав копель МНМц 43-0,5 (56% Cu + 44% Ni) | -200…800 | -200…600 |
| ТХA Тип K | ХА (K) | Сплав хромель НХ9,5(90,5% Ni + 9,5% Cr) | Сплав алюмель НМц АК 2-2-1 (94,5% Ni + 5,5% Al, Si, Mn, Co) | -200…1300 | -200…1000 |
| ТЖК Тип J | ЖК (J) | Железо (Fe) | Сплав константан (55% Cu + 45% Ni, Mn, Fe) | -200…900 | -200…700 |
| ТПП Тип S | ПП (S) | Сплав платинородий ПР-10 (90% Pt + 10% Rh) | Платина (Pt) | 0…1600 | 0…1300 |
| ТПР Тип B | ПР (B) | Сплав платинородий ПР-30 (70% Pt + 30% Rh) | Сплав платинородий ПР-6 (94% Pt + 4% Rh) | 300…1800 | 300…1600 |
Многие клиенты заблуждаются в том, что если типу термопары соответствует рабочий диапазон, например, 1200оС, то все модели термопары с этим типом будут работать в данном диапазоне. Незащищенный спай термопары быстро выгорит, и термопара выйдет из строя. Именно поэтому, сообразно задачам в измерении и рабочим диапазонам, есть разные по конструктиву и степени защиты модели термопар. Самой распространенной защитой для спая/термопары является металлический чехол или гильза из сплава Инконель 600 (2.4816, жаропрочный сплав на никелевой основе). Изоляцией для спая служит окись магния (MgO), сжатая под давлением. Такая защита делает термопару устойчивой к самым экстремальным условиям эксплуатации (повышенное давление, вибрация, сотрясения), позволяет выдерживать высокие механические нагрузки и обеспечивает долгий срок службы термопары, а также в зависимости от диаметра позволяет термопаре быть гибкой.
Ярким примером такой термопары, которая достаточно универсальна в своем прикладном характере, является термопара в жаропрочной оболочке MKG/E:
| Термопара Тип K (NiCr-Ni), стекловолоконный кабель Модель: MKG/E | ||
| Термопара MKG/E заключена в жаропрочную оболочку из сжатой под давлением окиси магния. Это делает ее устойчивой к самым экстремальным условиям эксплуатации.читать подробнее… | |
Стандарты на цвета проводников термопар
Проводники термопар состоят из двух отдельных термоэлектродов (положительного и отрицательного), имеющих цветную изоляцию. Ввиду эффекта Зеебека провода термопар имеют определенную полярность, поэтому положительные и отрицательные провода необходимо подключать к правильным клеммам. Имеются разнообразные стандарты на цвета изоляции проводников для идентификации каждого типа
термопар. См. таблицу 5a В разных стандартах используются уникальные цвета проводов, чтобы отличать положительные и отрицательные выводы. В Северной Америке обычно отрицательный вывод имеет красную изоляцию в соответствии со стандартом ASTM E230. Но самым широко используемым в мире стандартом на провода термопар является IEC 60584, согласно которому отрицательный провод обычно белый. Ясно, что стандарты, согласно которым термопара изготовлена, должны быть известны, чтобы правильно подключать провода по их цветам. Существуют другие стандарты, используемые в различных странах, включая BS1843 (Великобритания и Чешская республика), DIN43710 (Германия), JIS-C1610 (Япония) и NFC 42-324 (Франция). См. таблицу 5a.
СОВЕТ: Пользователь должен проверить, какой стандарт используется на его предприятии, и убедиться в том, что цветовая кодировка доведена до сведения персонала, занимающегося установкой, пусконаладкой и техническим обслуживанием.
Как работает датчик пламени в газовом котле
По внешнему виду термопара напоминает обычную медную трубку с фиксирующей гайкой на конце. Несмотря на внешнюю простоту, устройство термопары газового котла оптимизировано для получения максимальной чувствительности и надежности датчика.
Термопара состоит из четырех частей:
- наконечник, головка или «горячий спай» термодатчика;
- медная трубка – удлинитель;
- защитная гильза;
- контакт, защищенный диэлектрической шайбой.
Наконечник – спай из двух разнородных металлов или сплавов. Две небольшие детали, одна из которых выглядит, как закругленный конус, вторая – тот же конус, но меньшего размера.
Внутренний конус наконечника из одного сплава, это может быть «копель», вставлен в наружную оболочку из «хромеля». Обе части под давлением спаиваются так, чтобы между ними получилась общая поверхность. Чем больше ее площадь, тем выше чувствительность термопары и ниже рабочая температура.
Гильза изготавливается из бронзы или латуни, ее задача – защищать шов между головкой термопары и медным удлинителем. Внутри медной трубки проложен проводник из меди, который выходит и заканчивается контактной площадкой с изолирующей диэлектрической шайбой. Этот конец вставляется в контактный разъем (+) на АОГВ и жестко фиксируется гайкой-штуцером. Горячий спай устанавливается на кронштейн рядом с запальным устройством.
Для газовых котлов используются АОГВ с термопарой, фиксируемой штуцером или электрической колодкой. Если есть возможность выбирать, то лучше предпочесть модель с гайкой-штуцером.
Проблема в том, что напряжение на термопаре крайне мало, для хром-копелевого спая оно не превышает 25 мВ. Это значит, что даже небольшое окисление поверхности контактов может стать причиной неустойчивой работы системы розжига газового котла. В тех моделях, где контактная площадка фиксируется гайкой-штуцером, таких проблем не возникает.
Точность термопар
На точность термопар влияют несколько факторов, включая тип термопары, ее диапазон измеряемых температур, чистоту
материала, электрические шумы (ЭМП и РЧП), коррозию, ухудшение свойств спая и процесс изготовления. Термопары выпускаются со стандартным классом допуска или специальным классом допуска, которые называются классом 2 и классом 1, соответственно. Наиболее часто применяемым международным стандартом является IEC-60584-2. В США чаще всего применяется стандарт ASTM E230. Каждый стандарт устанавливает пределы допусков, которым должны соответствовать изделия. См. таблицу 8a и таблицу 8b.
Таблица 8a — Требования к допускам термопар для обеспечения соответствия стандарту IEC 60584-2
| Типы | Класс точности 1 | Класс точности 2 | Класс точи ости 3 1) | |
| Тип Т | Температурный диапазон | -40 °С до +125 °С | -40 °С до+133 °С | -67 °С до +40 °С |
| Точность | ±0.5° С | ±1 °С | ±1 °С | |
| Температурный диапазон | 125 °С до 350 °С | 133 °С до 350 °С | -200 °С до -67 °С | |
| Точность | ±0.004 • | t | | ±0.0075 • | t | | ±0.015- | t | | |
| Тип Е | Температурный диапазон | -40 °С до +375 °С | -40 °С до +333 °С | -167 °С до +40 °С |
| Точность | ±1.5 °С | ±2.5 °С | ±2.5 °С | |
| Температурный диапазон | 375 °С до 800 °С | 333 °С до 900 °С | -200 °С до-167 °С | |
| Точность | ±0.004 • | t | | ±0.0075 • | t | | ±0.015- | t | | |
| Тип J | Температурный диапазон | -40 °С до +375 °С | -40 °С до +333 °С | — |
| Значение допуска | ±1.5 °С | ±2.5 °С | — | |
| Температурный диапазон | 375 °С до 750 °С | 333 °С до 750 °С | — | |
| Значение допуска | ±0.004 • | t | | ±0.0075 • | t | | — | |
| Тип К, Тип N | Температурный диапазон | 0°С до 1100 °С | -40 °С до +333 °С | -167 °С до +40 °С |
| Точность | ±1 °С | ±2.5 °С | ±2.5 °С | |
| Температурный диапазон | 1100°С до 1600°С | 333 °С до 1200 °С | -200 °С до-167 °С | |
| Точность | ±[1 +0,003 (t-1100)] °с | ±0.0075 • | t | | ±0.015- | t | | |
| Тип R, тип S | Температурный диапазон | 0°С ДО 1100 °С | 0 °С до +600 °С | — |
| Точность | ±1 °с | ±1.5 °С | — | |
| Температурный диапазон | 1100°С до 1600°С | 600 °С до 1600 °С | — | |
| Точность | ±[1 +0,003 (t-1100)] °с | ±0.0025 • | t | | — | |
| Тип В | Температурный диапазон | — | — | 600 °С до 800 °С |
| Точность | — | — | +4 °С | |
| Температурный диапазон | — | 600 °С до 1700 °С | 800 °С до 1700 °С | |
| Точность | — | ±0.0025 • | t | | ±0.005- | t | | |
1) Материалы термопар обычно поставляются таким образом, чтобы они отвечали производственным допускам, указанным в таблице для температур выше -40 °C. Однако эти материалы могут не укладываться в производственные допуски при низких температурах, указанных в колонке класса 3 для термопар типа T, E, K и N . Если требуется, чтобы термопары соответствовали предельным значениям класса 3, а также класса 1 или 2, заказчик должен указать это, поскольку в этом случае обычно требуется выбирать материалы
Допуски на значения э.д.с. в зависимости от температуры для термопар
ПРИМЕЧАНИЕ 1 — Допуски в этой таблице применяются к новым, практически однородным проводам термопар, обычно имеющим диаметр в диапазоне 0,25 — 3 мм и используемым при температуре, не превышающей рекомендуемые предельные значения таблицы 6 . Если изделия используются при более высоких температурах, эти допуски могут оказаться неприменимы.
ПРИМЕЧАНИЕ 2 — При данной температуре, указанной в градусах °C, точность, указанная в °F, в 1,8 раза больше, чем точность, указанная в °C. В тех случаях, когда точность указывается в процентах, значение в процентах применяется к измеряемой температуре, выражаемой в градусах Цельсия. Чтобы определить точность в градусах Фаренгейта, умножьте точность в градусах Цельсия на 9/5.
ПРИМЕЧАНИЕ 3 — Внимание: Пользователи должны иметь информацию об определенных характеристиках материалов термопар, включая то, что зависимость э.д.с. от температуры может меняться со временем; следовательно, результаты испытаний и эксплуатационные характеристики, полученные на момент изготовления, не обязательно могут оставаться постоянными в течение всего продолжительного периода эксплуатации. Точности, указанные в этой таблице, применимы только к новым проводам, поставленным пользователю, и не учитывают изменений характеристик в ходе эксплуатации. Величина такого изменения будет зависеть от таких факторов, как размер термоэлектрода, температура, время воздействия и окружающая среда. Кроме того, следует заметить, что ввиду возможных изменений однородности, попытка повторной калибровки бывших в эксплуатации термопар вероятнее всего даст неправильные результаты, и проводить ее не рекомендуется. Но может оказаться целесообразным сравнение бывшей в употреблении термопары на месте с новыми или гарантированно обладающими хорошими точностными характеристиками термопарами, чтобы убедиться в ее пригодности для дальнейшей эксплуатации в условиях, в которых проводилось сравнение.
Таблица 8a — Требования к допускам термопар для обеспечения соответствия стандарту ASTM E230-11
| Температурный диапазон | Точность- эталонный спай при 0 °С [ 32 °F ] | |||||
| Тип термопары | °С | °F | Допустимое отклонение | Специальные допуски | ||
| °С (в зависимости от того, что больше) | °F | °С (в зависимости от того, что больше) | °F | |||
| T J *Е К или N R или S В | от 0 до 370 | от 32 до 700 | ±1,0 или ±0,75% | Примечание 2 | ±0,5 или ±0,4% | Примечание 2 |
| от 0 до 760 | от 32 до 1400 | ±2,2 или ±0,75% | ±1,1 или ±0,4% | |||
| от 0 до 870 | от 32 до 1600 | ±1,7 или ±0,5% | ±0,01 °С или ±0.,4% | |||
| От 0 до 1260 | от 32 до 2300 | ±2,2 °С или ±0,75% | ±1,1 Тили ±0,4% | |||
| от 0 до 1480 | от 32 до 2700 | ±1,5 °С или ±0,25% | ±0,6 °С или ±0,1% | |||
| от 870 до 1700 | от 1600 до 3100 | ±0,5% | ±0,25% | |||
| С | От 0 до 2315 | от 32 до 4200 | ±4,4 или 1% | Примечание 2 | Применимо примечание | |
| ТA *EA КA | от -200 до 0 | от -328 до 32 | ±1,0 или ±1.5% | В | ||
| от -200 до 0 | от -328 до 32 | ±1,7 или ±1% | В | |||
| от -200 до 0 | от -328 до 32 | ±2,2 или ±2% | В | |||
* Указанные стандартные допуски не применимы к термопарам типа E с минеральной изоляцией, с металлической оболочкой (MIMS). Стандартные допуски для термопар MIMS типа E соответствуют большему из значений ±2,2 °C или ±0,75% в диапазоне от 0 до 870 °C и большему из значений ±2,2 °C или ±2% в диапазоне от -200 до 0 °C.
A Термопары и материалы термопар обычно поставляются таким образом, чтобы они соответствовали допустимым отклонениям, указанным в таблице для температур выше 0 °C. Однако эти же материалы могут не укладываться в допуски при температурах ниже 0 °C во второй части таблицы. Если требуется, чтобы материалы соответствовали допускам, указанным для температур ниже 0° C, покупатель должен указать это при оформлении заказа. Обычно в этом случае требуется подбор материалов.
B Специальные допуски для температур ниже 0 °C трудно подтвердить ввиду ограниченного объема имеющейся информации.
Тем не менее, при обсуждении поставки между покупателем и поставщиком рекомендуется руководствоваться следующими значениями для термопар типа E и T :
Тип E, от -200 до 0 °C, ±1,0 °C или ±0,5% (в зависимости от того, что больше)
Тип Т, от -200 до 0 °C, ±0,5 °C или ±0,8% (в зависимости от того, что больше)
Начальные значения допуска для термопар типа J при температурах ниже 0 °C и специальных допусков для термопар типа K при температурах ниже 0 °C не указаны из-за характеристик материалов. Данных по термопарам типа N при температурах ниже 0 °C в настоящее время нет.
Нюансы подключения и проверка
Проверочную процедуру приходится выполнять при неустойчивом, затянутом старте котла, или если электронный блок розжига неожиданно перейдет в непрерывный цикл старт-стоп. В последнем случае часто необоснованно предъявляют претензии к контактам на термопаре. В реальности виноват компенсирующий конденсатор блока розжига.
Обязательно нужно проверять новую термопару. Для этого достаточно подключить к центральному контакту (+) и медной трубке (-) щупы мультиметра. Выставить предел измерения 1 В или 0,1 В, нагреть спай свечкой или газовой зажигалкой. На экране должно быть не менее 18 мВ.
Старую термопару на котле с АОГВ можно проверить, не демонтируя устройство:
- откручивают гайку-штуцер блока АОГВ;
- зажечь папальник;
- подключить щупы и снять показания.
Этот метод позволяет снять наиболее точные данные. Мультиметр должен показать не менее 25-28 мВ.
Обращайте внимание на положение гильзы с головкой спая. Она должна стоять вертикально, а пламя запальника обтекать только верхние 3 мм термодатчика. Любые другие варианты ведут к перегреву или недогреву устройства.
Быстродействие измерения
Динамическое быстродействие первичного преобразователя может быть важно, если температура технологического процесса меняется быстро и в систему управления необходимо подавать быстро меняющиеся входные сигналы. Первичный преобразователь, установленный непосредственно в технологическую линию, будет иметь большее быстродействие, чем первичный преобразователь с защитной гильзой.
Важно отметить, что если никакой защитной гильзы не применяется, чувствительный элемент подвергается воздействию среды технологического процесса и его невозможно заменить, не прерывая потока, для чего часто требуется останавливать технологический процесс и опорожнять технологическую систему. Указания по проектированию на большинстве производств не позволяют использовать первичные преобразователи без защитных гильз. Такие установки гораздо менее безопасны с точки зрения возможной разгерметизации технологических установок, в них возможны более частые выходы из строя первичных преобразователей из-за воздействия неблагоприятных условий технологического процесса, и они часто требуют дорогостоящих остановок технологического процесса для замены отказавшего первичного преобразователя. Применение защитных гильз решает эту проблему.
Но если используется защитная гильза, очевидно, что время реакции увеличивается (быстродействие уменьшается) из-за возрастания тепловой массы узла. Ключом к оптимизации быстродействия является уменьшение массы при сохранении достаточной физической прочности, чтобы узел выдерживал давление технологического процесса и силы, создаваемые потоком среды. Защитные гильзы меньшего диаметра обеспечивают более высокое быстродействие, так как требуется нагревать и охлаждать меньшее количество материала. Также важно правильно установить первичный преобразователь, чтобы добиться высокого быстродействия. Первичный преобразователь должен быть достаточно длинным, чтобы его конец касался дна защитной гильзы для обеспечения хорошей теплопроводности. Диаметр первичного преобразователя также должен быть таким, чтобы он плотно входил в защитную гильзу и воздушный зазор между первичным преобразователем и защитной гильзой был минимален. Кроме того, быстродействие улучшается путем использования подпружиненного первичного преобразователя и заполнения пустот в гильзе теплопроводящим наполнителем. Характеристики измеряемой среды также влияют на быстродействие, особенно ее скорость потока и плотность. Быстро движущаяся среда передает тепло и меняющуюся температуру лучше, чем медленно движущаяся, а более плотные среды (жидкости) являются лучшими проводниками тепла, чем среды с малой плотностью (газы).
Сравнение быстродействия систем измерения температуры, использующих термопару без защитной гильзы или ТС без защитной гильзы в системе с текущей водой показало, что заземленный конец термопары имеет быстродействие примерно в 2 раза выше, чем подпружиненный датчик ТС. При измерениях в потоке воздуха ТС работает несколько быстрее, чем термопара.
Однако эти преимущества существенно нивелируются, если не исчезают полностью, когда первичный преобразователь устанавливается в защитную гильзу. Масса защитной гильзы настолько велика по сравнению с массой первичного преобразователя, что она очевидно оказывает доминирующее влияние на быстродействие системы.
При использовании первичного преобразователя диаметром 6 мм (1/4 дюйма) в системе измерения температуры воды, быстродействие термопары и ТС примерно одинаковое, а при использовании первичного преобразователя диаметром 3 мм, термопара несколько быстрее, чем ТС. При измерении температуры воздуха быстродействие термопар и ТС примерно одинаковое при использовании как 3-миллиметровых (1/8 дюйма), так и 6-миллиметровых первичных преобразователей.
Поскольку в очень малом количестве технологических процессов используются для измерения первичные преобразователи без защитных гильз, изначально присущее термопарам преимущество в быстродействии значительно нивелируется. Вдумчивый разработчик выбирает наилучший первичный преобразователь для данной системы, основываясь на множестве других факторов, и не руководствуется вводящими в заблуждение утверждениями, которые можно слышать так часто: «термопары всегда быстрее, чем ТС».
