Стандартные и нестандартные термоэлектрические термометры

Устройство термоэлектрических термометров

Термоэлектрический термометр (ТТ) – это измерительный преобразователь,

чувствительный элемент которого (термопара) расположен в специальной защитной

арматуре, обеспечивающий защиту термоэлектродов от механических повреждений и

воздействия измеряемой среды. На (рис. 4) показана конструкция технического

ТТ. Арматура включает защитный чехол 1, гладкий или с неподвижным штуцером 2,

и головку 3, внутри которой расположено контактное устройство 4 с зажимами

для соединения термоэлектродов 5 с проводами, идущими от измерительного

прибора к термометру. Термоэлектроды по всей длине изолированы друг от друга

и от защитной арматуры керамическими трубками (бусами) 6.

Защитные чехлы выполняются из газонепроницаемых материалов, выдерживающих

высокие температуры и агрессивное воздействие среды. При температурах до 1000

⁰С применяют металлические чехлы из углеродистой или нержавеющей стали,

при более высоких температурах – керамические: фарфоровые, карбофраксовые,

алундовые, из диборида циркония и т. п.

В качестве термоэлектродов используется проволока диаметром 0.5 мм

(благородные металлы) и до 3 мм (неблагородные металлы). Спай на рабочем

конце 7 термопары образуется сваркой, пайкой или скручиванием. Последний

способ используется для вольфрам-рениевых и вольфрам-молибденовых термопар.

Термоэлектрические термометры выпускаются двух типов: погружаемые,

поверхностные. Промышленность изготавливает устройства различных модификаций,

отличающихся по назначению и условиям эксплуатации, по материалу защитного

чехла, по способу установки термометра в точке измерения, по герметичности и

защищенности от действия измеряемой среды, по устойчивости к механическим

воздействиям, по степени тепловой инерционности и т. п.

Стандартные и нестандартные термоэлектрические термометры

Для измерения в металлургии наиболее широко применяются ТТ со стандартной

градуировкой: платинородий-платиновые (ТПП), платинородий-платинородиевые

(ТПР), хромель-алюмелевые (ТХА), хромель-капелевые (ТХК), вольфрамрений-

вольфрамрениевые (ТВР). В ряде случаев используют также ТТ с нестандартной

градуировкой: медь-константановые, вольфрам-молибденовые (ТВР) и др. На (рис.

5) приведены градуировочные кривые ряда термопар.

В условиях длительной эксплуатации при высоких температурах и агрессивном

воздействии сред появляется нестабильность градуировочной характеристики,

которая является следствием ряда причин: загрязнения материалов

термоэлектродов примесями из защитных чехлов, керамических изоляторов и

атмосферы печи; испарения одного из компонентов сплава; взаимной диффузии

через спай. Величина отклонения может быть значительной и резко увеличивается

с ростом температуры и длительностью эксплуатации. Указанные обстоятельства

необходимо учитывать при оценке точности измерения температуры в

производственных условиях.

Поверка технических ТТ

Поверка ТТ сводится к определению температурной зависимости термо-ЭДС и

сравнению полученной градуировки со стандартными значениями.

Градуировка производится двумя методами: по постоянным точкам или сличениям.

Градуировка по постоянным (реперным) точкам является наиболее точной и

применяется для образцовых термопар. Поверяемую термопару помещают в тигель с

металлом высокой чистоты, установленной в печи, и регистрируют площадку на

кривой изменения термо-ЭДС по мере повышения или понижения температуры

металла. Данная площадка соответствует температуре плавления или

кристаллизации металла, причем более предпочтительно вести градуировку по

точке кристаллизации. В качестве реперных металлов используют золото,

палладий, платину и др.

Методом сличения проводится градуировка образцовых термопар второго разряда и

технических ТТ. Он заключается в непосредственном измерении термо-ЭДС

градуируемой термопары при постоянной температуре свободных концов t₀

=0 ⁰C и различных температурах t₂ рабочего спая, причем

последняя определяется с помощью образцового термометра (термопары, пирометра

излучения). На (рис. 6) приведена схема установки для градуировки ТТ методом

сличения с образцовой термопарой. Металлический блок служит для обеспечения

равенства температур рабочих спаев образцовой и поверяемой термопар. Измерения

термо-ЭДС производят с помощью переносного потенциометра с точностью измерения

(отсчета) не хуже 0.1 мВ. Отсчет проводится после 10 минут выдержки при данной

температуре.

Термоэлектрические преобразователи - термопары, как и термопреобразователи сопротивления, являются наиболее распространенными средствами измерения температуры.

Термоэлектрический метод измерения температуры основан на зависимости термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), развиваемой термопарой от температуры ее рабочего конца. ТермоЭДС возникает в цепи, составленной из двух разнородных проводников (электродов) А и В (рис. 1, а), если значения температуры мест соединения t и t0 не равны (при равенстве температур термоЭДС равна нулю). Возникающая в цепи термопары ЭДС является результатом действия эффектов Зеебека и Томпсона. Первый связан с появлением ЭДС в месте спая двух разнородных проводников, причем величина ЭДС зависит от температуры спая. Эффект Томпсона связан с возникновением ЭДС в однородном проводнике при наличии разности температур на его концах.

Развиваемая термоЭДС зависит от значения обеих температур t и t0, причем она увеличивается с ростом разности (t - t0). В силу этого термоЭДС термопары условно обозначается символом E(t, t0).

Рис. 1. Цепи термопар:

а — соединение двух проводников; б, в — варианты включения третьего проводника; г, д варианты включения измерительного прибора ИП

Очевидно, что температуру с помощью термопары можно измерить, если выполнить следующие условия:

• рабочий конец термопары поместить в контролируемую среду, а температуру другого спая (свободных концов) стабилизировать;

• измерить термоЭДС, развиваемую термопарой;

• иметь градуировочную характеристику E(t, t0) термопары — зависимость термоЭДС от температуры рабочего конца (т.е. измеряемой температуры) при определенном значении t0.

Для понимания дальнейшего материала обратимся к «теореме о третьем проводнике». Суть ее (без доказательства) следующая: включение в цепь термопары третьего проводника из любого материала «С» (на всех схемах он изображен волнистой линией) не вызывает искажения термоЭДС, если температуры мест присоединения этого проводника одинаковы. Поэтому термоЭДС, развиваемые в схемах (рис. 1, б, в), будут одинаковыми, если только будут равны между собой температуры t' и t", т.е. при соблюдении условия t' = t". На основании изложенного можно представить два способа включения измерительного прибора (ИП) в цепь термопары: в разрыв свободных концов (рис. 1, г) или в разрыв электрода (рис. 1, д).

Два любых разнородных проводника могут образовать термопару, но не любая термопара может использоваться для практических температурных измерений. К материалам для термопар (термоэлектродным материалам) предъявляется ряд требований: жаропрочность, химическая стабильность, воспроизводимость материалов (для обеспечения взаимозаменяемости термопар), заключающаяся в одинаковой зависимости термоЭДС термопары от температуры.

Теперь обратимся к терминологии. Термопара — это соединение двух разнородных проводников — электродов. Для практического использования термопары ее электроды должны быть изолированы и помещены в защитную арматуру. Такая конструкция называется термоэлектрическим преобразователем. По определению «термоэлектрический преобразователь» (ТЭП) — это термопреобразователь, действие которого основано на зависимости термоэлектродвижущей силы термопары от температуры.

Термопара является основным элементом средств измерения температуры — термоэлектрических преобразователей (ТЭП).

В соответствии с ГОСТ Р50431-92 в табл. 1 приведены пределы длительного (кратковременного) применения для различных термопар ТЭП, имеющих следующие обозначения:

ТВР (А) — вольфрамрений-вольфрамрениевые;

ТПР (В) — платинородий-платинородиевые;

ТПП (S, R) — платинородий платиновые;

ТХА (К) — хромель-алюмелевые;

TXK (L) — хромель-копелевые;

ТХК (Е) — хромель-константановые;

THH (N) — никросил-нисиловые;

ТМК (T) — медь-константановые;

ТЖК (J) — железо-константановые.

Таблица 1