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.
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 требует, чтобы потребности были определены и согласованы с соответствующим типом термопары. Например:
Типичные отказы термопары
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.
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.
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:
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:
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.
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:
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
