Термопара — это датчик температуры из двух электродов разных металлов или сплавов, соединенных в рабочем спае: при нагреве спая на свободных концах появляется термоЭДС, по величине которой прибор вычисляет температуру. Типы термопар различаются парой термоэлектродов, а пара задает диапазон измеряемых температур, чувствительность и среду, в которой датчик проработает долго.
В промышленности чаще всего встречается тип K (ТХА). Для печей выше 1300 °C берут платиновые R, S и B, для холода — медь-константановую T.
Термопара работает на эффекте Зеебека: в проводнике, концы которого находятся при разной температуре, возникает термоЭДС, и у каждого материала она своя. Если соединить два разных электрода, их термоЭДС не компенсируют друг друга, и на свободных концах появляется напряжение, зависящее от разности температур рабочего и свободного концов.
Из одного материала термопару не собрать: термоЭДС обеих ветвей окажутся равными и взаимно вычтутся. Сигнал небольшой — у типа K около 40 мкВ на градус, у платиновых R и S в несколько раз меньше.
Из этого следуют две практические вещи. Термопара измеряет разность температур, поэтому температуру свободных концов нужно знать и учитывать. А ЭДС формируется не в точке спая, а на тех участках электродов, где есть перепад температуры. Если металл в этой зоне изменился от окисления или загрязнения, показания уходят, хотя спай цел.
Рабочий («горячий») спай — место сварки электродов, его располагают в точке измерения. Свободные («холодные») концы выводят на клеммы головки датчика, а оттуда сигнал идет к контроллеру, регистратору или преобразователю. Электроды изолируют керамическими трубками или порошком и помещают в защитную арматуру: металлический чехол, а для высоких температур — керамический.
Внутри чехла спай бывает изолированным или заземленным. Изолированный спай электрически отделен от корпуса и меньше страдает от наводок. Заземленный приварен к чехлу без изоляции: тепло доходит до него быстрее, но такой датчик чувствителен к контурам заземления. Встречаются сдвоенные исполнения — две термопары в одном чехле для резервирования.
Кабельные термопары (КТМС) сделаны из термопарного кабеля: электроды лежат в спрессованном оксиде магния внутри тонкой металлической оболочки. Кабель гнется по месту и быстро реагирует благодаря малому диаметру. Термопары для промышленных процессов выпускают в общепромышленном, взрывозащищенном и высокотемпературном исполнении: защитная арматура разная, а стандартные типы электродов те же.
Буквенные обозначения приняты в МЭК 60584-1, русские — в ГОСТ Р 8.585-2001. Стандарт задает номинальную статическую характеристику (НСХ) — зависимость ЭДС от температуры для каждого типа. В таблице указаны диапазоны, на которые распространяются таблицы НСХ; рабочий диапазон конкретного датчика уже и приводится в его паспорте. Первым в паре указан положительный электрод.
| Тип | По ГОСТ | Электроды (+ / −) | Диапазон НСХ, °C | Допустимая атмосфера | Ограничения |
|---|---|---|---|---|---|
| K | ТХА | хромель / алюмель | −270…+1372 | окислительная, инертная | «зеленая гниль» в среде с недостатком кислорода при 800–1050 °C; гистерезис в зоне 250–600 °C; сера |
| J | ТЖК | железо / константан | −210…+1200 | восстановительная, инертная, вакуум | железо окисляется на воздухе выше ~500 °C и ржавеет во влажной среде |
| N | ТНН | нихросил / нисил | −270…+1300 | окислительная, инертная | без защиты не работает в восстановительной и серосодержащей среде |
| T | ТМКн | медь / константан | −270…+400 | окислительная, восстановительная, инертная, влажная | медь быстро окисляется выше ~350 °C |
| E | ТХКн | хромель / константан | −270…+1000 | окислительная, инертная | не для восстановительной среды |
| R | ТПП13 | платинородий (13 % Rh) / платина | −50…+1768 | окислительная, инертная | загрязняется в восстановительной среде и парах металлов, нужна керамическая защита |
| S | ТПП10 | платинородий (10 % Rh) / платина | −50…+1768 | окислительная, инертная | те же, что у R |
| B | ТПР | платинородий (30 % Rh) / платинородий (6 % Rh) | 0…+1820 | окислительная, инертная | ЭДС близка к нулю до ~50 °C, ниже 600 °C не применяют |
По материалу электродов виды термопар делят на две группы: неблагородные — из сплавов никеля, железа и меди, и благородные — из платины и ее сплавов с родием. Неблагородные дешевле и дают больший сигнал, благородные стабильнее при высоких температурах.
Самый универсальный тип: широкий диапазон, сигнал близок к линейному. Его ставят в печи, котлы, газоходы, на термообработку. Слабые места — «зеленая гниль» при недостатке кислорода (хром в хромеле окисляется избирательно, ЭДС падает) и гистерезис до нескольких градусов в зоне 250–600 °C.
Работает в восстановительной среде и вакууме, где K деградирует. Распространен в термопластавтоматах и старом оборудовании, рассчитанном на НСХ J. Избегать стоит окислительной атмосферы выше ~500 °C — железный электрод покрывается окалиной — и влажной среды, особенно при отрицательных температурах.
Разработан как более стабильная замена K. Кремний в сплавах образует плотную оксидную пленку, поэтому при длительной работе на 1000–1200 °C дрейф меньше, а гистерезиса, характерного для хромеля, нет. Напрямую подменить K типом N нельзя: у них разные НСХ, прибор придется перенастроить.
Основной тип для низких температур и влажной среды: холодильная техника, пищевые процессы, лаборатории. Среди неблагородных у него самый жесткий допуск — ±0,5 °C в классе 1. Ограничение — верх около 350 °C. Медь хорошо проводит тепло, поэтому короткий датчик отводит тепло от точки измерения и занижает показания.
У E самая высокая чувствительность среди стандартных типов — около 60 мкВ/°C. Это удобно, когда нужно различить малые перепады температуры, в том числе в области отрицательных температур. В восстановительной среде E не применяют: хромель деградирует так же, как у K.
Платинородиевые электроды выдерживают окислительную атмосферу до 1600 °C и выше и почти не дрейфуют, если их не загрязнить. Загрязнение — главный риск: восстановительная среда, пары металлов, кремний из неподходящей керамики меняют состав платины. Поэтому электроды закрывают газоплотным керамическим чехлом.
R и S близки по свойствам, у R немного выше ЭДС. B отличается тем, что оба электрода — сплавы с родием: это повышает стабильность при 1600–1700 °C. При комнатной температуре ЭДС типа B близка к нулю, так что ошибка компенсации холодного спая на нем почти не сказывается.
Выше 1200–1300 °C неблагородные электроды быстро окисляются, и выбор сужается до R, S и B. Класс допуска 2 по МЭК 60584-1 нормирован у R и S до 1600 °C, у B — от 600 до 1700 °C. Для вакуумных печей и инертной среды существуют вольфрам-рениевые ТВР с НСХ до 2500 °C, но на воздухе вольфрам сгорает.
Керамическая арматура хрупка и боится теплового удара: датчик вводят в горячую печь постепенно и защищают от механических нагрузок. Под такие задачи в каталоге выделены термопары для высокотемпературных применений.
НСХ типов K, E, N и T начинаются от −270 °C, но у самого нуля чувствительность резко падает. Для диапазона −200…+40 °C МЭК 60584-1 предусматривает класс допуска 3. На практике в холоде чаще ставят T — медь-константан устойчив к влаге. E выбирают, когда нужен больший сигнал. J ниже нуля не применяют: конденсат вызывает коррозию железного электрода.
Термопара и термосопротивление измеряют температуру разными способами. Термопара сама генерирует термоЭДС, а термометр сопротивления меняет сопротивление чувствительного элемента, и прибор измеряет его, пропуская ток. Поэтому термопара работает до 1800 °C и выше, а термосопротивление точнее и стабильнее в области до нескольких сотен градусов.
| Параметр | Термопара | Термометр сопротивления (платиновый) |
|---|---|---|
| Диапазон | от −270 до +1820 °C в зависимости от типа | −200…+850 °C по ГОСТ 6651-2009 |
| Допуск при 100 °C | ±1,5 °C (K, класс 1) | ±0,35 °C (класс A) |
| Инерционность | ниже: спай точечный, особенно заземленный | выше: элемент протяженный, измеряет среднюю температуру по длине |
| Подключение | компенсационные провода, компенсация холодного спая | медный кабель, 3- или 4-проводная схема |
| Стоимость | неблагородные дешевле, платиновые дороже | средняя |
Если процесс укладывается в −50…+400 °C и важна точность (теплоучет, пищевые и фармацевтические процессы), рассматривают термометры сопротивления. Термопару выбирают для высоких температур, быстрых процессов и мест, куда протяженный элемент не помещается.
Таблицы НСХ составлены для свободных концов при 0 °C. На клеммах прибора обычно 20–40 °C, поэтому прибор измеряет эту температуру встроенным датчиком и добавляет поправку. Без компенсации холодного спая показания занижаются примерно на величину температуры клемм.
Чтобы холодный спай оказался у прибора, от головки датчика тянут компенсационные или удлинительные провода: в своем диапазоне они повторяют термоэлектрические свойства электродов. Медный кабель от головки переносит свободные концы в саму головку, где температура меняется вместе с цехом. Ошибка в полярности компенсационного провода дает погрешность, которая плавает вместе с температурой головки.
Длинная милливольтовая линия собирает наводки. Проблему снимают преобразователи температуры: их ставят в головку датчика или на DIN-рейку. Преобразователь компенсирует холодный спай, линеаризует НСХ и выдает унифицированный сигнал 4–20 мА, который идет по обычному медному кабелю.
Типы термопар подбирают по шести параметрам, и порядок важен: температура и среда отсекают большую часть вариантов сразу.
Дрейф — самый незаметный отказ: датчик работает, но ЭДС постепенно уходит из-за окисления, диффузии и загрязнения электродов в зоне перепада температуры. Проверка в калибраторе его не всегда выявляет, если измененный участок окажется вне зоны перепада. Надежнее сравнить показания на месте с контрольным датчиком. Признак неоднородности — показания меняются, когда датчик погружают глубже.
Обрыв случается от термоциклов, вибрации и истончения окисленных электродов. Окисление особенно опасно для J на воздухе, для K при недостатке кислорода и для T выше 350 °C, а негерметичный чехол пускает среду к электродам. Для бытовых газовых котлов отдельно разобрана проверка и замена термопары из системы контроля пламени.
Самый распространенный тип термопары — K (ТХА, хромель-алюмель). Он перекрывает диапазон от отрицательных температур до 1200 °C в рабочем режиме, работает в окислительной среде, а электроды, компенсационные провода и входы приборов под НСХ K есть практически у всех производителей. Ограничения — восстановительная среда и гистерезис в зоне 250–600 °C.
Заменить термопару K на J без перенастройки нельзя: у типов разные НСХ, и прибор, настроенный на K, покажет неверную температуру. Нужно сменить тип входа контроллера или преобразователя и компенсационные провода. Кроме того, J хуже переносит окислительную среду выше 500 °C, поэтому в печи вместо K она прослужит меньше.
Чаще всего термопара показывает неверно из-за несовпадения типа датчика и настройки прибора, неправильных или перепутанных по полярности компенсационных проводов, отказа компенсации холодного спая, малой глубины погружения или дрейфа электродов. Заземленный спай может давать наводки через контур заземления. Проверку начинают с типа НСХ и схемы подключения, затем сравнивают показания с контрольным датчиком.
