Звоните нам по телефону

Оптимизация характеристик термопары

Хотя термопары просты по форме и функциям, они должны подходить для сферы использования и обращаться с ними нужно с осторожностью, чтобы обеспечить оптимальные характеристики и точность.

Самым распространенным датчиком в тепловой системе является термопара, которая чувствительна к изменению условий процесса нагрева, достаточно надежна и предлагает требуемую точность при умеренной стоимости. Термопары прочны и могут использоваться в широком диапазоне рабочих температур - от минусовых до более 2200⁰C. Однако на успешное применение термопары влияет сочетание многих факторов, включая чистоту материала термопары и качество изготовления, температурное воздействие, термоциклирование, химическое воздействие, применяемую защиту и механическое повреждение. Эта статья дает представление о выборе и применении термопар.





Все термопары не равны

Можно было бы подумать, что процесс скрепления пары проводов вместе для образования термопары приведет каждый раз к одному и тому же полезному устройству. Однако при выборе термопары следует учитывать несколько важных факторов, от типа материала до качества поставщика. Например, несоответствия материалов, связанные с производством, являются источником потери точности термопары, которая в данном случае определяется как величина ошибки, которая существует при измерении температуры. Несоответствия материалов могут возникать во время плавления металлов (либо при производстве сплавов, либо при сварке наконечников термопары), во время холодной штамповки, такой как обжимка, волочение и сгибание, а также во время термообработки и охлаждения. Большинство производителей термопар предоставляют информацию о допусках начальной калибровки для своих термопар.  Например, стандартный допуск для термопары типа K при температуре 1100⁰C составляет около 8⁰C. В критических высокотемпературных процессах могут потребоваться специальные допуски 4⁰C для обеспечения благоприятного результата процесса.

Выбор подходящей термопары

Выбор подходящей термопары требует, чтобы потребности были определены и согласованы с соответствующим типом термопары. Например:

  • Какую максимальную и минимальную температуру увидит термопара?
  • Что такое топочная атмосфера?
  • Каковы технические характеристики процесса и допустимые отклонения от ошибок?
  • Как долго длится процесс измерения?
  • Каков ожидаемый срок службы термопары?
  • Есть ли ограничения по стоимости?
  • Имеют ли пользователи опыт правильного управления термопарами?
Например, термопара, используемая для обеспечения долгосрочного контроля и управления процессом, может быть проводом меньшего сечения (более толстым), имеющим лучшую механическую защиту и защиту от коррозии, чем термопара периодической нагрузки, которая может быть менее дорогой и достаточно гибкой, но может иметь более короткий срок службы. Если у пользователей термопар ограниченный опыт или если устройства не могут обслуживаться часто, более надежная система термопар с дополнительной инженерной защитой может быть лучшим выбором.


Типичные отказы термопары

Стили термопар

Двумя наиболее распространенными типами термопар в металлообрабатывающей промышленности являются стандартные промышленные термопары с неизолированным проводом (также называемые термопарами с шариками) и термопары с минеральной изоляцией в металлической оболочке (также называемые MI, MIMS и MgO).

Термопары с неизолированным проводом - самый старый тип используемых термопар, обычно конструируются с использованием двух разнородных металлических проводов, разделенных непроводящими керамическими изоляторами. Их относительно легко сделать и, как правило, они имеют самые низкие первоначальные затраты. Они также требуют наибольшего внимания как в плане частоты обслуживания, так и в отношении постоянных деталей. Используются два основных типа соединений: скрученные и стыковые. 

Скрученные и стыковые соединения

Хотя механическое соединение, такое как скрутка, может обеспечить необходимый контакт между двумя разнородными проводами для работы термопары, для увеличения срока службы обычно требуется более прочное соединение. Закон промежуточных температур гласит, что если два разнородных однородных металла производят значение термоэдс, оно будет оставаться постоянным, если в цепь будет введен третий материал, при условии, что оба конца этого материала имеют одинаковую температуру. Это позволяет сваривать горячий спай.

Два наиболее распространенных метода соединения - это скрутка и сварка или стыковая сварка. Скручивание соединения может замедлить реакцию системы из-за дополнительной массы провода. Однако сварно-витой стык механически более прочен. Обратите внимание, что яркие чистые провода образуют соединение, где бы они ни соприкасались. Это означает, что по мере старения термопары фактическое расположение спая может измениться от двух ярких проводов, соприкасающихся в одном месте на скручивании, до плавленой части спая, которая может находиться дальше вниз по термопаре. Сваренные встык термопары обеспечивают более высокую чувствительность, быстрее реагируют на изменения температуры и могут считаться более точными, поскольку имеется только одна точка контакта. В промышленных термопарах с шариками должна быть постоянная длина скрутки. Более длинное или короткое скручивание может сдвинуть горячий спай на сантиметр или больше. Также требуются последовательные методы закрепления. 

Выбор изолятора

Изоляторы используются для отделения двух проводов друг от друга, что предотвращает нежелательное вторичное измерительное соединение в другом месте термопары. Материал изолятора может повлиять на общий срок службы и производительность системы. В высокотемпературных печах рекомендуется использовать изоляторы из оксида алюминия при использовании проволоки из благородных металлов, например платины, поскольку кремний в изоляторе может разрушать благородные металлы. Ниже приведены несколько советов по использованию и обслуживанию стандартных промышленных термопар с шариками:

  • Используйте защитные трубки при измерении температуры в агрессивных средах.
  • При замене термопар всегда проверяйте защитную трубку. На что обращать внимание: проверьте наличие микроотверстий на огнеупорной линии, трещин в кончике трубки и нагара или загрязнения на наружной поверхности трубы. Выбор сплава трубки важен, и материал может не подходить для применения, если происходит чрезмерный износ.
  • Осмотрите термопару после снятия с защитной трубки. Загрязнение поверхности провода может существенно повлиять на характеристики термопары, поскольку генерируемая ЭДС концентрируется на поверхности провода, и сигнал будет ослаблен, если провод не чистый и не яркий. Зеленый цвет термопар типа K указывает на старение и изменение химического состава сплава (зеленая гниль). Оранжевый цвет (оксид железа) на термопарах типов J и K указывает на протекающую защитную трубку или загрязнение влагой. Мягкий пушистый черный цвет может быть результатом загрязнения углеродом. Жесткая черная шкала на наконечнике термопары типа K указывает на перегрев термопары. Кончик может даже выглядеть опухшим. Обесцвечивание изолятора на серебро указывает на протекание защитной трубки.
  • При использовании защитной трубки вставляйте термопару так, чтобы она не касалась дна или стенок защитной трубки. Глубина вставки должна быть как минимум в 4-10 раз больше наружного диаметра защитной трубки.
  • Не допускайте чрезмерного изгиба или залома термопар, поскольку холодная обработка вызывает перекристаллизацию микроструктуры, что влияет на точность.
  • В применениях, где температурные диапазоны позволяют использовать термопары типа K с шариками, например, при повторяющихся термоциклах от 980 до 430⁰C в печи с подом, срок службы термопары можно увеличить, выбрав провод более низкого калибра или используя минерально -изолированную термопару в металлической оболочке.
  • Всегда заменяйте колпачок защитной трубки. Защитные трубки, заполненные мусором, приводят к ошибочным показаниям температуры.
  • Избегайте изменения глубины погружения термопары после первоначальной установки. Это особенно верно для рабочих температур выше 500⁰C.
  • Следите за тем, чтобы датчик не располагался слишком близко к любому инфракрасному нагревательному элементу.
  • Всегда используйте термокомпенсационные провода самого большого практичного сечения для обеспечения оптимального срока службы, отклика, стабильности и производительности.
  • Разработайте программу профилактического обслуживания и зафиксируйте срок службы и причину отказа каждой термопары.
  • Не используйте платиновую проволоку для поддержки чего-либо, кроме ее собственного веса, в термопарах из благородных металлов и используйте хомут для поддержки веса изоляторов. Платиновая проволока практически не имеет прочности при высоких температурах. Использование платиновой проволоки 26 калибра допустимо при температурах ниже 1300⁰C. Тем не менее, при температурах выше 1300 ° С рекомендуется использовать провод сечением 24 или более. Во всех случаях платиновая проволока должна оканчиваться только стыковой сваркой, так как материал может деформироваться и выйти из строя при скручивании.




Термопары с минеральной изоляцией MIMS

Наиболее распространенной изоляцией, используемой для термопар с минеральной изоляцией и металлической оболочкой, является оксид магния (MgO). Термопары в металлической оболочке состоят из пары проводов, упакованных в огнеупорный материал и заключенных в металлическую оболочку. Как правило, они могут выдерживать неблагоприятные условия значительно дольше, чем термопары без покрытия. Хотя их первоначальная стоимость часто более чем вдвое превышает стоимость стандартной сборки термопары с неизолированным проводом, они становятся все более популярными благодаря простоте замены и увеличенному сроку службы. MgO часто содержат вставные клеммы, которые исключают возможность изменения полярности. Они доступны с тремя типами экспонирования термопар, которые можно рассмотреть на иллюстрации ниже. 




Самый распространенный - незаземленный, когда сварной валик изолирован от оболочки. Хотя этот тип имеет несколько более медленную реакцию на изменения температуры технологического процесса, он также имеет меньший риск того, что электрический шум будет мешать сигналу от источника. Заземленные термопары имеют более быстрый отклик и могут успешно использоваться там, где электрические помехи не являются проблемой. MgO с открытым наконечником обеспечивают самый быстрый отклик, но срок службы данных термопар значительно уменьшается из-за этого.

Существуют различные сорта чистоты огнеупорного наполнителя. Так называемый стандартный сорт содержит 96% оксида магния с остальным остатком SiO2 и обеспечивает более высокое сопротивление изоляции. Как правило, чем выше температура процесса, тем важнее чистота огнеупора. Уровень чистоты 96% подходит для датчиков нагрузки при температурах ниже 850⁰C. MgO более высокой чистоты (минимум 99,4%) лучше использовать в системах, в которых используется платина, поскольку примеси в огнеупоре могут значительно повлиять на срок службы платины. Изоляция высокой чистоты также лучше подходит для долгосрочной защиты от износа, даже если сопротивление изоляции ниже. MgO высокой чистоты следует использовать в вакуумных системах для обеспечения длительного срока службы и постоянной точности.

Содержание влаги в огнеупоре в оболочке должно быть минимальным, чтобы предотвратить внутреннюю коррозию измерительного элемента. Химически связанная влага в MgO выделяется при более высоких температурах и конденсируется в холодном конце рукава. Влага также может существенно повлиять на сопротивление керамической изоляции внутри датчика до точки, где образуется вторичный переход. Хотя в большинстве спецификаций обсуждается проверка сопротивления при комнатной температуре, реальное воздействие влаги не происходит, пока датчик не достигнет высоких температур. Спецификация сопротивления изоляции при высоких температурах иногда используется для контроля влажности. Некоторые эпоксидные смолы, используемые для защиты от влаги, могут разрушать провод термопары, сокращая срок службы MgO.

Мелкодисперсный керамический материал в термопаре MgO должен быть очень плотно упакован, чтобы свести к минимуму пустоты, чтобы исключить контакт между проводом или оболочкой. Когда проволока и огнеупорная оболочка обжимаются или раскатываются до нужного размера, их также необходимо должным образом термически обработать и равномерно охладить, чтобы устранить влияние любой холодной обработки термопары. Термопара должна быть упакована в герметичную пластиковую упаковку, чтобы предотвратить загрязнение посторонней влажностью, если предполагается длительное хранение. Кроме того, MgO не следует хранить во влажной среде в течение длительного периода времени.

Двумя основными методами производства термопар с оксидом магния являются методы наполнения порошком и измельчения изолятора. Заполнение методом «Power fill» дает менее дорогой, но худший продукт, имеющий более высокую вероятность образования пустот (более низкая плотность уплотнения) и неравномерного расстояния между проволоками. Измельченный изолятор обеспечивает равномерное уплотнение и разделение проводов, но обычно стоит дороже. Процесс более высокого качества может быть лучшим выбором, если приложение имеет вибрацию или термоциклирование. Ниже приведены несколько советов по использованию MgO:

  • Датчики MgO идеально подходят для мониторинга технологических нагрузок. Однако рекомендуется сводить изгибы к минимуму и сохранять радиусы изгиба как можно большими. Изгиб MgO снижает сопротивление изоляции в месте изгиба и вызывает нежелательную холодную обработку провода. Старайтесь не допускать изгибов под прямым углом и перегибов. Если сопротивление изоляции становится слишком низким, на изгибе образуется нежелательный вторичный измерительный переход. Как показывает практика, вы можете согнуть оправку в два раза больше диаметра датчика, но не можете сделать это вручную. Радиус изгиба должен составлять 25 мм или больше.
  • При установке MgO используйте правило, в 10 раз превышающее диаметр оболочки. Следует использовать погружение минимум в 10 раз больше наружного диаметра защитной трубки или кабеля MI.
  • В высокотемпературных печах неподдерживаемая горизонтальная управляющая пара MgO может не поддерживать себя и может опускаться.
  • В случаях, когда кожух печи горячий, используйте MgO консервативной длины. Эпоксидная смола на торцевом уплотнении MgO треснет, если термопара будет слишком короткой, а эпоксидная смола станет слишком горячей, что позволит влаге проникнуть на конец MgO, что приведет к ошибкам считывания и преждевременному выходу из строя.
Нагрузочные термопары

Покупка нагрузочных термопар большого диаметра может быть непрактичной, потому что они должны быть гибкими и используются только несколько раз, а затем выбрасываются. Проволока диаметром 3 мм имеет сопротивление примерно 20 Ом, а проволока диаметром 1,5 мм имеет сопротивление примерно 80 Ом. При повышении температуры электрическое сопротивление изоляции уменьшается, а сопротивление провода увеличивается. Длинные термопары в очень горячих средах могут привести к образованию нежелательного вторичного спая и ошибочно заниженным показаниям.

Удлинительный провод термопары

Провод, соединяющий термопару с прибором, может быть выполнен из того же материала, что и термопара, с теми же характеристиками. Однако это не всегда самый экономичный способ доставки сигнала к прибору, поэтому часто выбирается менее дорогой материал-заменитель. Провода для термопар имеют три основных сорта:

  • Проволока для термопар - из того же материала, что и сенсоры. Этот провод имеет характеристики ЭДС, соответствующие установленным температурам в зависимости от таблиц ЭДС.
  • Удлинительный провод - обычно используется для подключения датчика термопары к приборам. Этот провод имеет аналогичный химический состав и характеристики ЭДС, аналогичные материалам для термопар, в ограниченном диапазоне температур.
  • Компенсирующая марка - содержит сплавы, которые имеют характеристики ЭДС, аналогичные сплаву термопары. Компенсирующие материалы обычно являются недорогой альтернативой удлинительным выводным проводам. Примером может служить медно-никелевый сплав, используемый в качестве компенсационного свинцового провода для высокотемпературной термопары из платинового сплава.
  • Ключом к долгому сроку службы удлинительного провода является качество изоляции проводов и внешнего кожуха. Хотя это может значительно повлиять на цену провода, большое количество количества прядей волокна на см длины приводит к получению плотно намотанного и прочного провода.

Проблемы, связанные с удлинением проводов, часто встречающиеся в рабочих условиях, включают использование медного провода для подключения термопары к прибору, использование разъемов без компенсирующих контактов в областях температурных градиентов, изменение ориентации «+» и «-», отсутствие поддержки в системе, не соответствие типа калибровки в зависимости от возможностей контрольно-измерительной аппаратуры, наличие силовых и сенсорных проводов в одном кабелепроводе или в непосредственной близости друг от друга, а также электрические помехи, индуцированные в цепи термопары.

В компании Термоэлемент вы можете приобрести термопары типов К, J или L, изготовленные в различных формах с нужными вам размерами. Также у нас в каталоге доступны термокомпенсационные провода для удлинения вывода термопары. Если у вас остались вопросы – свяжитесь с нами по телефону или по электронной почте, мы разъясним все нюансы, связанные с выбором и эксплуатацией термопар.




Возврат к списку


Задать вопрос