Принципы работы термопар

ТЕРМОПАРА ТИПА K (хромель/алюмель) от 200°C до +1260°C / от -328°F до +2300°F

Это наиболее распространенный тип термопары, обеспечивающий самый широкий диапазон рабочих температур. Термопары типа K, как правило, подходят для большинства применений, поскольку они изготовлены на основе никеля и обладают хорошей коррозионной стойкостью.

•1. Положительная ветвь немагнитна (желтая), отрицательная ветвь магнитная (красная).

•2. Традиционный выбор основного металла для работы при высоких температурах.

•3. Подходит для использования в окислительной или инертной атмосфере при температурах до 1260°C (2300°F).

•4. Уязвим к воздействию серы (воздерживаться от воздействия серосодержащей атмосферы).

•5. Лучше всего работает в чистой окислительной атмосфере.

•6. Не рекомендуется использовать в условиях частичного окисления в вакууме или при чередовании циклов окисления и восстановления.

Состоит из положительной ветви, состоящей примерно из 90% никеля, 10% хрома, и отрицательной ветви, состоящей примерно из 95% никеля, 2% алюминия, 2% марганца и 1% кремния. Термопары типа K являются наиболее распространенными термопарами общего назначения. с чувствительностью приблизительно 41 мкВ/°C, хромель положительный по сравнению с алюмелем. Он недорогой, и доступен широкий выбор датчиков в диапазоне от -200°C до +1260°C / от -328°F до +2300°F. Тип K был определен в то время, когда металлургия была менее развита, чем сегодня, и, следовательно, характеристики разных образцов значительно различаются. Один из составляющих металлов, никель, обладает магнитными свойствами; характеристика термопар, изготовленных из магнитного материала, заключается в том, что они претерпевают ступенчатое изменение выходного сигнала, когда магнитный материал достигает точки отверждения (около 354 ° C для термопар типа K).

Термопара типа K (хромель/алюмель)

Термопары типа K обычно работают в большинстве приложений, поскольку они изготовлены на основе никеля и обладают хорошей коррозионной стойкостью. Это наиболее распространенный тип калибровки датчика, обеспечивающий самый широкий диапазон рабочих температур. Благодаря своей надежности и точности термопара типа К широко используется при температурах до 2300°F (1260°C). Этот тип термопары должен быть защищен подходящей металлической или керамической защитной трубкой, особенно в восстановительной атмосфере. В окислительных средах, таких как электрические печи, защита труб не всегда необходима, когда подходят другие условия; тем не менее, рекомендуется для чистоты и общей механической защиты. Тип K, как правило, дольше, чем тип J, потому что проволока JP быстро окисляется, особенно при более высоких температурах.

Диапазон температур:
• Провод термопарного класса, от −454° до 2,300°F (от −270 до 1,260°C)

• Удлиняющий провод, от −32° до 392°F (от 0 до 200°C)

• Температура плавления, 2550°F (1400°C)

Точность (в зависимости от того, что больше):
• Стандарт: ± 2.2°C% или ± 75%

• Особые пределы погрешности: ± 1.1°C или 0.4%

Отклонения в сплавах могут повлиять на точность термопар. Для термопар типа K первый класс допуска составляет ± 1.5 K в диапазоне от -40 до 375 °C. Однако расхождения между термопарами одного производства очень малы, и при индивидуальной калибровке может быть достигнута гораздо более высокая точность.

Металлургические изменения могут привести к дрейфу калибровки на 1–2°C в течение нескольких часов, увеличиваясь со временем до 5°C. Доступен специальный класс типа K, который может сохранять предельную точность до десяти раз дольше, чем обычный класс.

Применение термопар типа K

Термопары типа K используются для измерений во многих различных средах, таких как вода, слабые химические растворы, газы и сухие помещения. Двигатели, масляные обогреватели и котлы являются примерами мест, где их можно найти. Они используются в качестве термометров в больницах и пищевой промышленности.

Плюсы и минусы термопары типа K

Плюсы
•Хорошая линейность ЭДС к температуре измерения.

• Хорошая устойчивость к окислению при температуре ниже 1000°C (1600°F).

•Самая стабильная среди термопар из недорогого материала.

Минусы
• Не подходит для восстановления атмосферы, но выдерживает пары металлов.

• Старение характеристики ЭДС по сравнению с термопарами из благородных материалов (B, R и S).

Почему стоит выбрать термопару типа K

Соединение хромелевых и алюмелевых проводов имеет диапазон от -270 ° C до 1260 ° C и выходное напряжение от -6.4 до 54.9 мВ в максимальном диапазоне температур. Это одно из основных преимуществ термопары типа k по сравнению с другими термопарами в целом или другими преобразователями температуры, такими как термистор или датчик температуры сопротивления (RTD).

Его способность работать в суровых условиях окружающей среды и в различных атмосферах делает его предпочтительным по сравнению с другими устройствами преобразования температуры.

Температурный диапазон типа K

Устройства термопары должны использовать соответствующий провод, потому что разные провода измеряют разные диапазоны температур. Тип K популярен из-за его широкого температурного диапазона. Из четырех основных типов термопар тип К охватывает самый широкий диапазон от-200 ° С в 1,260 ° C (примерно от минус 328°F до 2,300°F).

Защита провода термопары типа K или изоляционный материал

При защите или изоляции керамическими шариками или изоляционным материалом.

Благодаря своей надежности и точности тип К широко используется при температурах до 1260°C (2300°F). Рекомендуется защищать термопары этого типа подходящей металлической или керамической защитной трубкой, особенно в восстановительной атмосфере. В окислительных средах, таких как электрические печи, защита труб не всегда необходима, когда подходят другие условия; тем не менее, рекомендуется для чистоты и общей механической защиты. Тип K, как правило, дольше, чем тип J, потому что проволока JP (железная) быстро окисляется, особенно при более высоких температурах.

При защите уплотненной минеральной изоляцией и наружной металлической оболочкой (МГО).

Тип K можно использовать при температуре от -35 до 1260°C (от -32 до 2300°F). Если область применения находится в диапазоне от 600 до 1100°F, мы рекомендуем тип J или N из-за ближнего порядка, который может вызвать дрейф от +2° до +4°F за несколько часов. Тип К относительно устойчив к радиационному переносу в ядерной среде. Для применения при температуре ниже 0°C (32°F) обычно требуется выбор специального сплава.

Пределы погрешности типа K

Чувствительность термопарной проволоки и пределы погрешности учитываются при выборе типа. Тип K имеет более высокую погрешность, чем другие типы термопарных проводов; производители, которые выбирают этот тип, обычно готовы пожертвовать точностью ради широкого диапазона чувствительности. Тип K имеет погрешность, связанную с процентом от измеренной температуры. Это примерно 0.75 ‰ или 2.2 ° C, в зависимости от того, что больше.

Термоэлектрическое напряжение типа K

Тип K имеет экспоненциально возрастающее напряжение, разница в напряжениях становится легче и точнее измеряется при более высоких температурах. При очень низких температурах от минус 260°С до минус 250°С напряжения термопары типа К отличаются всего на одну-две тысячных милливольта на каждый градус Цельсия. При экстремально высоких температурах около 1,350°C напряжение отличается примерно на 3.3 сотых милливольта на градус Цельсия.

Покрытие провода термопары типа K

Проволочные зонды без покрытия быстрее реагируют на температуру. Провода с покрытием имеют разное время отклика в разных средах. Некоторые химические вещества испытуемых могут повредить открытые датчики и провода. Незаземленная термопара типа К шириной 1/4 дюйма в оболочке реагирует на изменение температуры воды примерно за 2.25 секунды. Неизолированный провод термопары срабатывает чуть более 0.6 секунды.

Термопарные соединения типа K

Заземленная термопара

Это самый распространенный стиль соединения. Термопара заземляется, когда оба провода термопары и оболочка свариваются вместе, образуя одно соединение на наконечнике зонда. Заземленные термопары имеют очень хорошее время отклика, потому что термопара вступает в непосредственный контакт с оболочкой, что позволяет легко передавать тепло. Недостатком заземленной термопары является то, что термопара более чувствительна к электрическим помехам. Это связано с тем, что оболочка часто соприкасается с окружающей средой, создавая путь для помех.

Незаземленная термопара

Термопара не заземлена, когда провода термопары сварены вместе, но изолированы от оболочки. Провода часто разделяют минеральной изоляцией.

Открытые термопары (или «термопары с неизолированным проводом»)

Термопара подвергается воздействию, когда провода термопары свариваются вместе и непосредственно вводятся в процесс. Время отклика очень быстрое, но оголенные провода термопар более подвержены коррозии и деградации. Если ваше приложение не требует открытых соединений, этот стиль не рекомендуется.

Датчик проводника термопары типа K

Проводники для термопар бывают разных размеров. В зависимости от вашего применения выбранный манометр будет влиять на характеристики термопары. Чем больше размер датчика, тем большую тепловую массу будет иметь термопара с соответствующим уменьшением отклика. Чем больше размер калибра, тем выше стабильность и срок службы. И наоборот, датчик меньшего размера будет иметь более быстрый отклик, но может не обеспечить требуемой стабильности или срока службы.

Оболочка термопары типа K

316 из нержавеющей стали

Максимальная температура: 1650. Лучшая коррозионная стойкость среди аустенитных марок нержавеющей стали. Широко используется в пищевой и химической промышленности. При температуре от 900°F до 1600°F (от 482°C до 870°C) возможно повреждающее осаждение карбида.

316L нержавеющей стали

Максимальная температура: 1650°F (900°C). То же, что и нержавеющая сталь 316 (04), за исключением версии с низким содержанием углерода, позволяющей улучшить сварку и изготовление.

304 из нержавеющей стали

Максимальная температура: 1650°F (900°C). Наиболее широко используемый низкотемпературный материал оболочки. Широко используется в пищевой, химической и других отраслях промышленности, где требуется коррозионная стойкость.

Промышленность: При температуре от 900 до 1600°F (от 480 до 870°C) возможно повреждающее осаждение карбида. Самый дешевый из доступных коррозионностойких материалов оболочки.

304L нержавеющей стали

Максимальная температура: 1650°F (900°C). Низкоуглеродистая версия нержавеющей стали 304 (02). Низкое содержание углерода позволяет сваривать и нагревать этот материал в диапазоне от 900 до 1600°F (от 480 до 870°C) без ущерба для коррозионной стойкости.

310 из нержавеющей стали

Максимальная температура: 2100°F (1150°C). Механическая и коррозионная стойкость аналогичны, но лучше, чем у 304 SS. Очень хорошая термостойкость.

Этот сплав содержит 25% хрома, 20% никеля. Не такой пластичный, как 304 SS.

321 из нержавеющей стали

Максимальная температура: 1600°F (870°C). Аналогичен 304 SS, за исключением того, что титан стабилизирован против межкристаллитной коррозии.

Этот сплав предназначен для преодоления склонности к осаждению углерода в диапазоне температур от 900 до 1600°F (от 480 до 870°C). Используется в аэрокосмической и химической промышленности.

446 из нержавеющей стали

Максимальная температура: 2100°F (1150°C). Ферритная нержавеющая сталь с хорошей стойкостью к серосодержащим средам при высоких температурах.

Хорошая коррозионная стойкость к азотной кислоте, серной кислоте и большинству щелочей. 27% содержания хрома придает этому сплаву самую высокую термостойкость среди всех ферритных нержавеющих сталей.

Inconel 600

Максимальная температура: 2150°F (1175°C). Наиболее широко используемый материал оболочки термопары. Хорошая жаропрочность, коррозионная стойкость, стойкость к коррозионному растрескиванию под действием ионов хлорида и стойкость к окислению при высоких температурах.

Не используйте в средах, содержащих серу. Хорошо работает в азотирующих средах.

Inconel 601

Максимальная температура: 2150°F (1175°C) непрерывно, 2300°F (1260°C) кратковременно. Аналогичен сплаву 600 с добавлением алюминия для превосходной стойкости к окислению. Предназначен для защиты от высокотемпературной коррозии.

Этот материал хорош в науглероживающих средах и имеет хорошую прочность на разрыв при ползучести. Не использовать в вакуумных печах! Подвержен межкристаллитному разрушению при длительном нагреве в диапазоне температур от 1000 до 1400°F (от 540 до 760°C).

Inconel 800

Максимальная температура: 2000°F (1095°C). Широко используется в качестве материала оболочки нагревателя. Минимальное использование в термопарах. Превосходит сплав 600 по сере, цианистым солям и расплавленным нейтральным солям.

В некоторых случаях подвержен межкристаллитному разрушению при воздействии температуры в диапазоне от 1000 до 1400°F (от 540 до 7607°C).

Как измерить температуру термопарой типа K

Цепь термопары содержит два спая из сплава, проволочные соединители и устройство измерения напряжения. Когда два перехода испытывают разную температуру, через цепь протекает измеряемый ток. Ток связан с температурным перепадом. Поскольку измерение является относительным, для расчета абсолютной температуры необходимо знать одну из температур. В первых термопарах один спай поддерживался при 0°C путем погружения его в баню с ледяной водой. Сегодня один из спаев, «холодный спай», электрически компенсирован для поддержания стандарта. Другой спай, «горячий спай», подвергается воздействию измеряемой среды.

Сбор данных с термопары типа K

Термопару типа K можно подключить к вольтметру для простого сбора данных. В этом случае выход представляет собой напряжение, и считыватель должен преобразовать уровень напряжения в температуру, используя формулу преобразования. Для записи данных термопару можно подключить к регистратору данных или системе сбора данных для хранения собранных данных. В этих случаях можно использовать схему преобразования или программную операцию для расчета температуры с использованием выходного напряжения.

Термопара типа K Значение

Как и все термопары, они недороги, имеют малое время реакции, малы по размеру и надежны.

Они могут точно измерять экстремальные температуры. В зависимости от того, где они произведены, они находятся в диапазоне от -270 ° до 1,370 ° C или по Цельсию с погрешностью от 0.5 до 2 ° C. Их чувствительность составляет примерно 41 микровольт на градус C.

Типы K обычно используются при температурах выше 540 ° C. Чтобы ограничить чрезмерную ошибку, рекомендуется использовать в окислительной или полностью инертной атмосфере в диапазоне от -200 ° до 1,260 ° C.

Все термопары имеют некоторые недостатки. Перед использованием их необходимо очень тщательно откалибровать. Их выходные сигналы очень малы, поэтому у них могут быть проблемы с шумом. Они подвержены стрессу, деформации и коррозии, особенно с возрастом. Однако типы K имеют особые проблемы.

Рекомендации по термопаре типа K

Термопары типа K стабильны только в течение коротких периодов времени при определенных температурах, после чего они имеют тенденцию дрейфовать в положительном направлении. Размер дрейфа зависит от температуры. Например, при 1,093 °C их показания могут отличаться на целых пять градусов. Попеременное или циклическое воздействие при температуре ниже 371° и выше 760°С приводит к нестабильным измерениям. Длительное воздействие от 427° до 649°C заставляет их стареть быстрее.

Хромельный элемент подвержен так называемой «зеленой гнили». Когда это происходит, хром окисляется, зеленеет и подвергается коррозии. Это происходит в средах с пониженным содержанием кислорода от 815° до 1,040°C. Такие среды с обедненным кислородом называются восстановительными, и термопары К-типа никогда не должны использоваться ни в восстановительных, ни в циклически окисляющих и восстановительных средах. Кроме того, их не следует использовать в серосодержащих средах, поскольку они станут хрупкими и быстро сломаются. Присутствие хрома делает их непригодными для вакуума, за исключением коротких периодов времени. Это связано с тем, что может произойти испарение.

Обходной путь типа K

Проблемы можно свести к минимуму, если использовать их при рекомендуемых температурах и окружающих условиях. Тщательная калибровка, их установка с соответствующими разъемами и проводами, а также использование компенсационных цепей также помогают. Типы K, разработанные для уменьшения ошибок, включают те, которые хорошо изолированы, предварительно состарены или отожжены при температурах выше их рабочих температур. Некоторые пользователи также часто заменяют их. Другие переключаются на тип N, который был специально сконструирован как улучшение по сравнению с K.

ТЕРМОПАРЫ: ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Термопара представляет собой устройство, состоящее из двух разных проводов, соединенных на одном конце, называемых конец соединения or измерительный конец. Два провода называются термоэлементы или ножки термопары: два термоэлемента различаются как положительные и отрицательные. Другой конец термопары называется хвостовой конец or конец ссылки (Фигура 1). Конец перехода погружается в среду, температура которой T₂ должен быть измерен, что может быть, например, температура печи около 500 ° C, в то время как хвостовая часть поддерживается при другой температуре T₁, например, при температуре окружающей среды.

Из-за разницы температур между концом соединения и хвостовым концом можно измерить разность напряжений между двумя термоэлементами на хвостовом конце: таким образом, термопара представляет собой преобразователь температуры-напряжения.

Зависимость температуры от напряжения определяется следующим образом:

Уравнение1

где ЭДС — электродвижущая сила или напряжение, создаваемое термопарой на конце, Тл.₁ и т₂ – температуры эталонного и измерительного концов соответственно, С₁₂ называется коэффициентом Зеебека термопары, а S₁ и S₂ являются Коэффициент Зеебека из двух термоэлементов; в Коэффициент Зеебека зависит от материала, из которого изготовлен термоэлемент. Глядя на уравнение 1 можно заметить, что:

1. нулевое напряжение измеряется, если два термоэлемента изготовлены из одних и тех же материалов: для изготовления датчика температуры необходимы разные материалы,
2. нулевое напряжение измеряется, если нет разницы температур между хвостовым концом и концом соединения: для работы термопары необходима разница температур,
3. коэффициент Зеебека зависит от температуры.

Чтобы прояснить первый пункт, рассмотрим следующий пример (рис. 2): когда к двум концам одиночной никелевой проволоки прикладывается разность температур, на самой проволоке возникает падение напряжения. Конец проволоки при наибольшей температуре, Т₂, называется горячим концом, а конец с самой низкой температурой, T₁, называется холодным концом.

Когда вольтметр с медными соединительными проводами используется для измерения падения напряжения на никелевом проводе, необходимо сделать два соединения на горячем и холодном концах между медным проводом и никелевым проводом; предполагая, что вольтметр находится при комнатной температуре T₁, один из медных проводов вольтметра испытает на себе такое же падение температуры от Т2 до Т1, как и никелевый провод. При попытке измерить падение напряжения на никелевой проволоке была изготовлена ​​термопара Ni-Cu, поэтому измеренное напряжение на самом деле представляет собой падение напряжения на никелевой проволоке плюс падение напряжения на медной проволоке.

ЭДС вдоль одного термоэлемента измерить нельзя: ЭДС, измеренная на хвостовой части на рис.1, представляет собой сумму падения напряжения на каждом из термоэлементов. Поскольку необходимы два термоэлемента, измерение температуры с помощью термопар является дифференциальное измерение.

Примечание: если бы провод на рисунке 2 был медным, то на вольтметре было бы измерено нулевое напряжение.

Измерение температуры с помощью термопар также является дифференциальное измерение потому что две разные температуры, T₁ и т₂, вовлечены. Желаемая температура – это температура на конце соединения, T₂. Чтобы иметь полезный преобразователь для измерения, монотонная ЭДС в зависимости от температуры на конце перехода T₂ необходимо соотношение, чтобы для каждой температуры на конце соединения создавалось уникальное напряжение на конце.

Однако из интеграла в уравнении 1 можно понять, что ЭДС зависит как от T₁ и т₂: как Т₁ и т₂ может изменяться независимо, монотонная ЭДС по отношению к T₂ взаимосвязь не может быть определена, если температура хвостовой части непостоянна. По этой причине хвостовая часть выдерживается в ледяной бане, состоящей из дробленого льда и воды в сосуде Дьюара: это обеспечивает контрольную температуру 0°C. Все зависимости напряжения от температуры для термопар относятся к 0°C.

Полученная измерительная система, необходимая для термопары, показана на рисунке 3.

Для измерения напряжения на хвостовике между термоэлементами и вольтметром подключают два медных провода: оба медных провода испытывают одинаковую разность температур и в результате падения напряжения на каждом из них равны друг другу и компенсируют вне в измерении на вольтметре.

Ледяная баня обычно заменяется в промышленном применении интегральной схемой, называемой компенсатор холодного спая: в этом случае хвостовая часть находится при температуре окружающей среды и допустимы колебания температуры в хвостовой части; на самом деле компенсатор холодного спая создает напряжение, равное напряжению термопары в диапазоне от 0°C до температуры окружающей среды, которое можно добавить к напряжению термопары на конце, чтобы воспроизвести зависимость напряжения от температуры термопары.

Эскиз термопары с компенсацией холодного спая показан на рисунке 4.

Следует подчеркнуть, что компенсация холодного спая не может точно воспроизвести зависимость напряжения от температуры термопары, а может только приблизить ее: по этой причине компенсация холодного спая вносит ошибку в измерение температуры.

На рис. 4 также показаны фильтрация и усиление термопары. Поскольку напряжение термопары представляет собой сигнал постоянного тока, удаление шума переменного тока посредством фильтрации полезно; кроме того, термопары выдают напряжение в несколько десятков мВ, поэтому требуется усиление. Небольшой диапазон напряжений для некоторых наиболее распространенных термопар (буквенное обозначение термопары) показан на рисунке 5, где сообщается их зависимость напряжения от температуры.

Термопары типов R, S и B используют термоэлементы на основе Pt и могут работать при температурах до 1700°C; однако они дороже, а их выходное напряжение ниже, чем у термопар типа K и типа N, в которых используются термоэлементы на основе никеля. Однако термопары на основе Ni могут работать при более низких температурах, чем термопары на основе Pt. В таблице 1 приведены примерные составы положительных и отрицательных термоэлементов буквенных термопар.

Все зависимости напряжение-температура обозначенных буквой термопар монотонны, но нелинейны. Например, выходное напряжение термопары типа N определяется следующими 10-градусными полиномами, где t — температура в градусах Цельсия:

Уравнение2

Коэффициенты Ci приведены в таблице 2.

Чтобы иметь линейную зависимость напряжения от температуры, коэффициент Зеебека должен быть постоянным с температурой (см. Уравнение 1); однако коэффициент Зеебека зависит от температуры, как показано, например, для термопары типа K на рисунке 6. Дополнительную информацию о зависимости напряжения от температуры для термопары с буквенным обозначением можно найти по адресу: