Малюнок 1. Термопарасхема: A, B - різні провідники, T і T + dT - температури спаїв
Спрощено виникнення ТЕДС в металах і сплавах можна пояснити, спираючись на теорію електронного газу П. Друде. У моделі, запропонованої П. Друде, метал розглядається як решітка атомів, на зовнішніх орбіталях яких знаходяться валентні електрони, слабо пов'язані електромагнітними силами з ядром атома. Валентні електрони можна вважати вільними частинками, так як вони легко можуть переходити від одного атома до іншого. Ці електрони в металах називають електронами провідності. Система вільних електронів при відсутності зовнішніх впливів знаходиться в рівновазі. Середня швидкість електронів рівноважної системи дорівнює нулю, хоча кожен з електронів володіє кінцевою енергією і швидкістю, пропорційною локальної температури металу.
При зміні температури вздовж провідника система електронів відхиляється від рівноважного стану. Середня швидкість електронів в області гарячого кінця провідника стає відмінною від нуля, а вектор швидкості спрямований в бік області з більш низькою температурою. Оскільки електрони є носіями заряду, наявність такої швидкості призведе до виникнення електричного струму. Але електричний ланцюг розімкнути, і тому електричний струм існує лише до тих пір, поки в більш холодної області не накопичиться заряд, достатній для створення уповільнює електричного поля. Це поле протидіє подальшому зростанню заряду і в точності компенсує вплив градієнта температури на середню швидкість електронів. Коли досягається новий рівноважний стан, електричний струм в ланцюзі зникає.
Таким чином, при наявності градієнта температури в провіднику виникає електричне поле, спрямоване назустріч градієнту температури. Різниця в числі електронів на кінцях провідника і струм в ланцюзі існують до тих пір, поки є градієнт температури. Відповідно градієнт потенціалу електричного поля, власне і є ТЕДС, не може виникнути без температурного градієнта. Це основний механізм виникнення ТЕДС який називаетсядіффузіонной складової ТЕДС. Вона домінує в чистих металах при температурах вище температури Дебая і є основною складовою ТЕДС, що виникає у всьому температурному діапазоні застосування для сплавів, що містять кілька відсотків легуючих елементів.
Величина ТЕДС EA (T). виникає на однорідному ділянці провідника A, визначається як:
де SA (T) - локальна чутливість ділянки провідника.
З виразу (1) випливає, що:
Формула (2) виражає абсолютний коефіцієнт Зеєбека локального ділянки - фізичну характеристику будь-якого електропровідного матеріалу, яка не залежить від наявності інших матеріалів в ланцюзі.
Залежність ТЕДС від температури для термопари, що складається з ізотропних термоелектродів, представляється в інтегральному вигляді:
Коефіцієнт Зеєбека пари провідників АВ SAB являє собою різницю коефіцієнтів Зеєбека матеріалу А і матеріалу В:
Коефіцієнт Зеєбека SAB. характеризує зміну EAB в залежності від температури, називають також коефіцієнтом ТЕДС, диференціальної ТЕДС або чутливістю термопари. Для більшості пар металів і сплавів SAB має порядок 10-5-10-4 В / К.
На практиці електроди термопар на різних ділянках своєї довжини мають неоднаковий коефіцієнт ТЕДС. Це прояв неоднорідності фізичних властивостей реальних матеріалів і сплавів, зумовленої коливаннями їх складу і структури, отримало назву термоелектричної неоднорідності (ТЕН). Вихідна ТЕН термоелектродного дроту виникає при її виготовленні, розвивається в процесі виготовлення термопар і являє собою, як правило, невеликі коливання ТЕДС. У відпрацьованих деякий час термопар ТЕН термоелектродів є результатом накладення вихідних неоднорідностей і неоднорідностей, що розвиваються в процесі експлуатації внаслідок ряду причин: зміни складу сплаву за рахунок виборчого окислення, випаровування або зв'язування в з'єднання окремих елементів сплаву; поглинання елементів ззовні при взаємодії з ізолюючими матеріалами і навколишнім середовищем; рекристалізації, зростання зерна; перетворень в твердому стані (упорядкування, розпаду твердого розчину). Неоднорідність може виникнути в будь-який час в процесі використання термопари.
Будь-неоднорідний термоелектроди можна розглянути, як ланцюг кількох локально однорідних ділянок довільної довжини і з заданими температурами на кінцях. У цьому випадку напруга, що виникає на кінцях термопари, - це сума ТЕДС від всіх ділянок з різною температурою на кінцях (див. Формулу 3). На ділянках з постійною температурою ТЕДС не генерується.
Можна стверджувати, що термопара, вміщена в піч на велику глибину, ніж при перевірці, буде свідчити ближче до істинних, а результат перевірки не можна враховувати як поправки до її показаннями. Тим більше не можна застосовувати раніше використовувалася термопару на глибині занурення меншою тієї, при якій проводилася перевірка.
градуювання термопари
Згідно ГОСТ 8.585 і МЕК 60574 градуювання термопар мають літерні коду K, J, N, T, S, R, B в залежності від хімічного складу термоелектродів. У наступній таблиці наведено позначення градуювань термопар, діапазон в якому нормована НСХ кожного типу градуювання термопар і кольорове маркування подовжувальних проводів термопар.
кабельні термопари
У своєму виробництві, "ПК" Тесей "використовує кабельні термопари. Вона являє собою гнучку металеву трубку з розміщеними всередині неї однієї, двома або трьома парами термоелектродів, розташованими паралельно один одному. Простір навколо термоелектродів заповнене ущільненої дрібнодисперсного мінеральною ізоляцією. Термоелектродах кабельної термопари з боку робочого торця попарно зварені між собою, утворюючи один, два або три робочих спаяний. Робочий торець заглушений за допомогою зварювання, або має відкритий спай. Вільні кінці т рмоелектродов підключаються до клем головки датчика температури або до подовжують проводам. Висока щільність ізоляції кабельної термопари дозволяє навивати її на циліндр радіусом, рівним п'ятикратному діаметру кабелю, без зміни технічних характеристик термопари. Наприклад, термопару діаметром 3 мм можна навити на трубу діаметром 30 мм. При цьому не відбувається замикання електродів між собою або з оболонкою. Надійна ізоляція обумовлена технологією виготовлення тер-мопарного кабелю. З окису магнію або алюмінію методом сухого пресування виготовляють двоканальні намиста, в які вставляють термоелектроди, складання поміщають в трубу діаметром близько 20 мм і багаторазово простягають через фільєри, проводячи проміжний відпал в середовищі водню або аргону.
Головні переваги кабельних термопар.
- широкий діапазон робочих температур. Це самий високотемпературний з контактних датчиків;
- малий показник теплової інерції, що дозволяє застосовувати їх для реєстрації швидкоплинних процесів;
- універсальність застосування для різних умов експлуатації, хороша технологічність, мала матеріаломісткість;
- здатність витримувати великі робочі тиски;
- виготовлення на їх основі термопреобразователей в захисних чохлах блочно-модульного виконання, що забезпечують додатковий захист термоелектродов від дії робочого середовища і створюють можливість оперативної заміни термочутливого елемента.
Датчик температури виконаний на основі термопарного кабелю зручний в експлуатації, його конструкціяпозволяет згинати кабель, монтувати в важкодоступних місцях, в кабельних каналах, при цьому довжина ТП може досягати декількох сотень метрів. Термопари можна приварювати, припаювати або просто притискати до поверхні для вимірювання її температури.
Загальні поради щодо вибору термопар з неблагородних металів
- нижче нуля - тип Т
- кімнатні температури - тип К, Т
- до 300 ° С - тип До
- від 300 до 600 ° С - тип N
- вище 600 ° С - тип До або N
Робочий кінець термопари занурюється в середу, температуру якої потрібно виміряти. Вільні кінці підключаються до вторинного приладу. Для підключення термопари до модуля введення використовують спеціальні термопарниє дроти, виконані з того ж матеріалу, що і сама термопара. Для цієї мети можна використовувати і звичайні мідні дроти, проте в цьому випадку необхідний виносний датчик температури холодного спаю, який повинен вимірювати температуру в місці контакту термопари з мідними проводами.
Малюнок 4. Схема підключення термопари
Схема підключення термопар до клем головки для однієї (Рис.5) і двох пар (Рис.6) термоелектродів.
Розширена невизначеність вимірювання Uт визначається за формулами:
при вимірюванні термопарами з індивідуальної градуировкой
при вимірюванні термопарами без індивідуального градуювання.
стабільність термопар
Численні дослідження показали більш високу стабільність кабельних ТП у порівнянні зі звичайними дротяними. Так, зміна показань кабельних термопар типу ХК діаметром 4 мм (діаметр електрода 0,85 мм) при 425 ± 10 ° С за 10000 годин не перевищує 0,5 ° С, а за 25000 годин становить + 1,15 ° С, тоді як для дротяних досягає 1 ° С за 10000 годин.
Порівняльні випробування термопар типу ХА показали, що зміна термо-е.р.с. кабельної термопари зовнішнім діаметром 3 мм (діаметр термоелектродів 0.65 мм) при температурі 800 ° С за 10000 годин становить приблизно 2,5 ° С, тоді як у звичайній термопари ТХА з термоелектроди діаметром 3,2 мм воно досягає 3 ° С, а при діаметрі електродів 0,7 мм перевищує 200-250 мкВ (5-6 ° С) при тих же умовах.
Зміна термо-е.р.с. кабельних термопар в оболонці з високо-нікелевих сплавів при 980 ° С також удвічі менше, ніж у звичайної термопари при тій же температурі за 5000 год. Зміна показань дротяної термопари ТХА з електродами діаметром 3.2 мм досягає 11 ° С за 1000 год при температурі 1093 ° С, а при 1200 ° С - 12,5 ° С за 200 ч. Підвищена стабільність кабельних термопар пояснюється ускладненням окислення термоелектродів через обмежену кількість кисню всередині кабелю, а також додатковим захистом термоелектродів від дії робочого середовища металевою оболонкою і оксидом магнію.
Зміна термо-е.р.с. термопарного кабелю: КТМС-ХА (1) і термопара ХА в звичайному виконанні (2) при 800 ° С. Діаметр електродів - 0,7 мм
Зміна термо-е.р.с. термопарних кабелейКТМС-ХА після нагрівання на повітрі при 800 ° С.Ціфри на малюнку - діаметр кабелів, мм
Точність термопар, вироблених "ПК" Тесей ".
Тип датчика температури
Діапазон ізмереній1, ° С
Показники надійності термопар.
Надійність - властивість об'єкта зберігати в часі у встановлених межах значення всіх параметрів, що характеризують здатність виконувати необхідні функції в заданих режимах і умовах застосування, технічного обслуговування, зберігання і транспортування.
Примітка. надійність є комплексним властивістю, яке в залежності від призначення об'єкта та умов його застосування може включати безвідмовність, довговічність, ремонтопридатність і збереженість або певні поєднання цих властивостей.
Термопари відносяться до неремонтіруемих і невідновлюваних виробів.
- ймовірність безвідмовної роботи;
- призначений термін служби;
- середній термін служби.
Показники надійності термопар встановлені відповідно до ГОСТ 27883 і враховують умови експлуатації ДТ:
- температура застосування;
- температура і вологість навколишнього середовища;
- вібраційні і ударні навантаження;
- хімічна агресивність середовища до матеріалу чохла датчика.
Призначений термін служби дорівнює інтервалу між перевірками (ІМП). При успішному проходженні термопарою періодичної повірки, призначений термін служби продовжується на величину наступного ІМП. Залежно від наявності та рівня факторів, датчики температури розділені на чотири групи експлуатації
Показники надійності і групи експлуатації кабельних термопар
Група умов експлуатації
Імовірність безвідмовної роботи