Конструкция термоэлектрических преобразователей постоянного и кратковременного действия. Требования предъявляемые к термопарам

Термометры термоэлектрические представляют собой чувствительные элементы в виде двух проводов из разнородных металлов или полупроводников со спаянными концами. Действие термоэлектрического преобразователя основано на эффекте Зеебека - появлении термоЭДС в контуре, составленном из двух разнородных проводников, спаи которых нагреты до различных температур. При поддержании температуры одного из спаев постоянной можно по значению термоЭДС судить о температуре другого спая. Спай, температура которого должна быть постоянной, принято называть холодным, а спай, непосредственно соприкасающийся с измеряемой средой - горячим. В наименовании термоэлектрического преобразователя всегда принято ставить на первое место название положительного термоэлектрода, а на второе - отрицательного. Термопреобразователи различают: По способу контакта с измеряемой средой - погружаемые, поверхностные. По условиям эксплуатации - стационарные, переносные, разового применения, многократного применения, кратковременного применения. По защищенности воздействия окружающей среды - обыкновенные, водозащитные, защищенные от агрессивных сред, взрывозащищенные, защищенные от других механических воздействий. По герметичности к измеряемой среде - негерметичные, герметичные. По числу термопар - одинарные, двойные тройные. По числу зон - однозонные, многозонные. Если температуру холодного спая поддерживать постоянной, то термоЭДС будет зависеть только от степени нагрева рабочего конца термопреобразователя, что позволяет отградуировать измерительный прибор в соответствующих единицах температуры. В случае отклонения температуры свободных концов от градуировочного значения, равного 0°С, к показаниям вторичного прибора вводиться соответствующая поправка. Температуру свободных концов учитывают для того, чтобы знать величину поправки.

Для вывода свободных концов термопреобразователя в зону с постоянной температурой служат удлиненные термоэлектродные провода. Они должны быть термоэлектрически идентичны термоэлектродам термопреобразователя.

Вес важнейшие характеристики термоэлектрического термометра: величина сигнала, чувствительность, диапазон измеряемых темпера­тур, ресурс, стабильность и др., зависят в основном от свойств мате­риалов, образующих чувствительный элемент термометра — термо­пару. Для изготовления термопары принципиально возможно пользоваться парой любых разных металлов и сплавов, однако целесообразно использовать только определенные, так называемые термоэлектродные сплавы, которые получили распространение в измерительной технике.

Одной из главных причин того, что для термопар используются вполне определенные сплавы является многообразие и сложность предъявляемых к ним следующих требований.

1. T. э. д. с. термоэлектродных сплавов, образующих термопару должна быть достаточно большой для того, чтобы ее можно было измерить с необходимой точностью. Она должна быть непрерывной и однозначной функцией температуры, без экстремумов в интервале температур, для которого предназначена термопара. Желательно чтобы эта функция была максимально близка к линейной.

У термопар, для которых не требуются поправки на температу­ру свободных концов, необходимо, чтобы величина т. э. д. с. в опре­деленном интервале температур была ничтожно малой.

2. Температура плавления термоэлектродных сплавов должна быть выше максимальной температуры, при которой термопара должна работать. Необходимо, чтобы температура плавления спла­ва превышала максимальную температуру эксплуатации не менее чем на 50—150 °С. Это превышение может быть и большим, если при высоких температурах прочность термоэлектродных сплавов резко падает и (или) они активно взаимодействуют с окружающей средой и пр.

3. Термоэлектродные сплавы должны быть коррозионно-устойчи­выми в тех средах и при тех температурах, при которых должна работать термопара. В большинстве случаев речь идет о стойкости на воздухе, а когда речь идет о других средах, то часто оказыва­ется необходимым, чтобы наряду с коррозионной стойкостью в этих средах была обеспечена также стойкость на воздухе. Этому требо­ванию термоэлектродные сплавы далеко не всегда удовлетворяют, поэтому термоэлектроды термопар стремятся защитить от воздействия внешней среды.

4. Термоэлектродные сплавы должны отличаться воспроизводи­мыми и однородными свойствами при производстве их в необходи­мых масштабах. В современном приборостроении легче использовать термоэлектродные сплавы с малой, но воспроизводимой т. э. д. с, чем сплавы с большой и плохо воспроизводимой т. э. д. с. Погреш­ность воспроизводимости т. э. д. с. (допуск на т. э. д. с.) термоэлек­тродных сплавов, образующих термопару, равную ±1 %, можно счи­тать приемлемой для некоторых видов промышленных термопар, хотя желательно, чтобы она была меньше.

5. Сплавы для термопар в процессе эксплуатации и градуировки должны сохранять свою термоэлектрическую характеристику неиз­менной. Величина нестабильности т. э. д. с. термопар служит крите­рием отказа при оценке их надежности. Желательно, чтобы неста­бильность т. э. д. с. промышленных высокотемпературных термопар не превышала 1 % от измеряемой величины после эксплуатации в течение 1000 ч. Во многих случаях и эта цифра представляется чрезмерно большой.

6. Сплавы для термопар должны быть достаточно пластичны­ми, чтобы из них было возможно изготавливать проволоку (в неко­торых случаях и другие виды полуфабрикатов), и вместе с тем достаточно прочными. Последнее требование особенно важно для термопар, подвергающихся механическим нагрузкам, особенно зна­копеременным.

1. Объяснить влияние колебаний температуры свободных концов термопары на ее показания по градуировочной кривой.

Так как градуировка свободных концов термопары ведется как правило при 0 °С, то отклонение температуры свободного конца приведет к изменению термо-ЭДС, что в свою очередь увеличит погрешность измерения. Если свободный конец термопары имеет температуру большую чем 0 °С, то тогда значение ТЭДС будет меньше, следовательно прибор покажет температуру меньшую чем действительная. Поэтому стоит избегать изменения температуры свободного конца термопары от градурировочного значения.

1. Классификация термоэлектрических термометров.

Типы термопар

Технические требования к термопарам определяются ГОСТ 6616-94.Стандартные таблицы для термоэлектрических термометров (НСХ), классы допуска и диапазоны измерений приведены в стандарте МЭК 60584-1,2 и в ГОСТ Р 8.585-2001.

платинородий-платиновые - ТПП13 - Тип R

платинородий-платиновые - ТПП10 - Тип S

платинородий-платинородий - ТПР - Тип B

железо-константановые (железо-медьникелевые) ТЖК - Тип J

медь-константановые (медь-медьникелевые) ТМКн - Тип Т

нихросил-нисиловые (никельхромникель-никелькремниевые) ТНН - Тип N.

хромель-алюмелевые - ТХА - Тип K

хромель-константановые ТХКн - Тип E

хромель-копелевые - ТХК - Тип L

медь-копелевые - ТМК - Тип М

сильх-силиновые - ТСС - Тип I

вольфрам и рений - вольфрамрениевые - ТВР - Тип А-1, А-2, А-3

Точный состав сплава термоэлектродов для термопар из неблагородных металлов в МЭК 60584-1 не приводится. НСХ для хромель-копелевых термопар ТХК и вольфрам-рениевых термопар определены только в ГОСТ Р 8.585-2001. В стандарте МЭК данные термопары отсутствуют. Тип L установлен только в немецком стандарте DIN и стандартные таблицы отличаются от таблиц для термопар ТХК.

В настоящее время стандарт МЭК 60584 пересматривается. Планируется введение в стандарт вольфрам-рениевых термопар типа А-1, НСХ для которых будет соответствовать российскому стандарту, и типа С по стандарту АСТМ [2].

В 2008 г. МЭК ввел два новых типа термопар: золото-платиновые и платино-палладиевые. Новый стандарт МЭК 62460 устанавливает стандартные таблицы для этих термопар из чистых металлов. Аналогичный Российский стандарт пока отсутствует.

1. Современные типы термоэлектрических преобразователей.

Большое распространение в последнее время получают термоэлектрические преобразователи кабельного типа [3]. Они представляют собой два термоэлектрода, помещенные в гибкую тонкостенную защитную трубку оболочку (рис. 3.7). Пространство между термоэлектродами и оболочкой заполняется специальной изолирующей засыпкой (порошок MgO или Аl₂О₃). Оболочка изготавливается из нержавеющей или жаропрочной стали. Выпускаются хромель-алюмелевые и хромель-копелевые термопреобразователи с изолированным (рис. 3.7, а) и неизолированным (рис. 3.7, 6) спаями. Длина таких термопар составляет до 25 м. Они применяются в интервале температур от– 50 до 900 ^оС (в оболочке из жаропрочной стали –

Рис. 3.7 − Устройство ТП кабельного типа:

а) - с изолированным; б) – с неизолированным спаями

до 1100°С) при давлении до 40 МПа в технологических процессах различных отраслей промышленности. Достоинство кабельных термопар состоит в том, что в процессе монтажа их можно изгибать (радиус гиба равен 5 диаметрам), а малый диаметр позволяет укладывать их в труднодоступные каналы. Основные параметры и размеры кабельных термопреобразователей приведены в таблице 3.2.

Кроме того, кабельные термопары защищены от воды, пара, пыли, имеют высокую вибропрочность, работают в условиях агрессивных сред и мощных радиационных полей, позволяющие им работать в энергетических реакторах АЭС, имеют повышенную стойкость к тепловым ударам, вибрации, и механическим нагрузкам, малый показатель тепловой инерции и повышенный в 2…3 раза рабочий ресурс.

На рис. 3.8 изображена тонкопленочная термопара, q -тепловой поток, вызываемый разностью температур T ₁ и T ₂ между горячим и холодным источниками тепла. Длина ветвей l термопары уменьшена до длин порядка 0,01…1,0 микрона. Соединив термопары в последовательные электрические цепочки, получается термопарная поверхность у которой ветви термопар превращаются в тонкие пленки, формируемые на основе пленоных технологий микроэлектроники (напыление, электролиз и т.д.). Пленки из железа и никеля формируются на медной подложке, образующей спай. Внутреннее сопротивление такой термопарной поверхности как источника ЭДС будет на много порядков меньше (в миллионы раз), чем существующих термопар. А через большие, ничем не ограниченные поверхности таких термопар можно даже при малых перепадах температур пропускать большие тепловые потоки. Для придания термопарной поверхности необходимых прочностных свойств ее можно изготавливать многослойной. Получается она методом последовательного напыления слоев. На рисунке 3.9 изображена многослойная термопарная поверхность. Такая конструкция позволяет также получать достигнутые значения КПД термопар уже при очень малых перепадах температур. Многослойная же термопара позволяет дополнительно увеличить КПД. Методами нанотехнологий на толщине термопарной поверхности в 1 мм можно нанести более 10 ты-

Рис. 3.8 − Схема тонкопленочной термопарной поверхности

Рис. 3.9 − Вид многослойной термопарной поверхности

сяч слоев отдельных термопар, что дает значительное увеличение КПД. Большие поверхности позволят получить значительные мощности экологически чистой энергии.

Заслуживает также внимание графит-вольфрамовая термопара (рисунок 3.10), которая может быть изготовлена с относительно небольшим наружным диаметром и работать в очень агрессивных средах.

Рис. 3.10 − Графито-вольфрамовый термоэлектрический термометр, где1-графитовый наконечник; 2 - вольфрамовый стержень; 3-окись алюминня; 4 - графитовая

трубка; 5 - холодильник; 6 - изолятор; 7 - контактная гильза; 8, 9 - прижимные пружинаы, 10 - нажимной винт