Термопары типа ТХК широко применяются в промышленности благодаря высокой чувствительности и точности измерений. Давайте разберемся, что из себя представляют эти полезные приборы.
1. Общее описание термопар ТХК
Термопара ТХК представляет собой термоэлектрический преобразователь, состоящий из двух разнородных проводников - положительного (хромель) и отрицательного (копель). Эта пара металлов образует замкнутую электрическую цепь, в которой при нагревании одного спая возникает термоЭДС. Величина термоЭДС зависит от разности температур между спаем и свободными концами термопары и определяет значение измеряемой температуры.
К достоинствам термопар ТХК относятся:
- высокая чувствительность;
- широкий диапазон измеряемых температур;
- компактные размеры;
- простота конструкции;
- долговечность.
Эти качества обусловливают широкое применение термопар ТХК для измерения температуры в промышленности, энергетике, научных исследованиях.
2. Принцип действия термопар
Принцип действия термопар основан на эффекте Зеебека - возникновении термоЭДС в замкнутой электрической цепи, состоящей из двух разнородных проводников, контакты между которыми находятся при разных температурах.
В термопаре ТХК такими проводниками являются хромель и копель. При нагревании точки их контакта (рабочего спая) до температуры T1 и охлаждении другого контакта (холодного спая) до температуры T2 возникает разность потенциалов - термоЭДС. Ее значение прямо пропорционально разности температур ΔT = T1 - T2 и определяется только свойствами материалов хромеля и копеля.
Измеряя величину термоЭДС, можно точно определить температуру рабочего спая T1, если известна температура холодного спая T2. Так реализуется прямое преобразование температуры в электрический сигнал.
3. Конструкция термопар ТХК
Конструктивно термопара ТХК состоит из следующих элементов:
- термоэлектроды из хромеля и копеля;
- изоляция термоэлектродов;
- рабочий спай;
- холодный спай;
- защитная арматура.
Термоэлектроды из хромеля и копеля изготавливаются из специальных сплавов на основе никеля и меди и имеют разный термоэлектрический потенциал. Их длина может варьироваться от нескольких сантиметров до нескольких метров.
Для предотвращения контакта и короткого замыкания термоэлектроды изолируются друг от друга с помощью керамических или стеклянных трубок.
Рабочий спай представляет собой контакт термоэлектродов, который подвергается нагреву. Холодный спай располагается в месте соединения термопары с измерительным прибором.
Для защиты от внешних воздействий термоэлектроды помещаются в металлическую или керамическую арматуру.
4. Типы термопар ТХК
Существует несколько разновидностей термопар ТХК, которые отличаются конструкцией и способом изготовления:
- Проволочные - состоят из термоэлектродов в виде проволок диаметром до 1 мм.
- Термопары с кабельным выводом - термоэлектроды заключены в кабель для подключения к приборам.
- Компактные - миниатюрные термопары с термоэлектродами малого сечения.
- Гибкие - термоэлектроды выполнены из тонкой проволоки и заключены в гибкую оболочку.
- Виброустойчивые - специальная конструкция для работы в условиях вибрации.
- Фторопластовые - с фторопластовой изоляцией для химически агрессивных сред.
- Керамические - с керамической защитной арматурой, устойчивые к высоким температурам.
Выбор конкретного типа термопары ТХК зависит от условий и задач измерения температуры.
5. Области применения термопар ТХК
Благодаря своим характеристикам термопары ТХК широко используются:
- В промышленных печах и сушилках для контроля температурных режимов.
- В энергетике для измерения температуры в котлах, турбинах, теплообменниках.
- В металлургии для контроля температуры плавки металлов.
- В химической промышленности для мониторинга химических реакций.
- В пищевой промышленности для контроля температурных режимов приготовления.
- В бытовых газовых приборах для контроля пламени.
- В системах автоматического регулирования температуры.
- В научных исследованиях для точных температурных измерений.
По сравнению с другими типами термопар, ТХК наиболее часто используются для высокоточных измерений небольших перепадов температур.
6. Достоинства и недостатки термопар ТХК
К достоинствам термопар ТХК можно отнести:
- Высокая чувствительность - до 80 мкВ/°C.
- Широкий диапазон измеряемых температур - от -200 до +800 °C.
- Высокая точность измерений - погрешность 0,5-1,5%.
- Малые габариты и вес.
- Простота конструкции и эксплуатации.
- Долговечность и надежность.
- Устойчивость к агрессивным средам при использовании специальных покрытий.
- Низкая стоимость по сравнению с другими термопарами.
К недостаткам термопар ТХК относят:
- Ограничение верхнего предела измеряемых температур значением 800°C.
- Необходимость использования специальных компенсационных проводов.
- Для точных измерений требуется периодическая поверка.
- Нестабильность характеристик при длительной работе на предельных температурах.
- Подверженность электромагнитным наводкам.
Тем не менее, достоинства термопар ТХК значительно перевешивают их недостатки в большинстве областей применения.
7. Технические характеристики термопар ТХК
Термопары ТХК характеризуются следующими техническими параметрами:
- Диапазон измеряемых температур: от -200 до +800°C.
- Пределы допускаемой абсолютной погрешности: ±0,5°C (кл. доп. 1); ±1,5°C (кл. доп. 2).
- Чувствительность: 80 мкВ/°C и выше.
- Длина термоэлектродов: от нескольких см до нескольких м.
- Диаметр термоэлектродов: 0,2...1 мм.
- Длина монтажной части: 30...500 мм.
- Материал защитной арматуры: сталь, фторопласт, керамика.
- Класс защиты от внешних воздействий: до IP65.
- Сопротивление изоляции: не менее 1000 МОм при 20°С.
Конкретные характеристики зависят от типа и модификации термопары.
8. Материалы для изготовления термопар ТХК
Для изготовления термоэлектродов термопар ТХК используются специальные сплавы на основе никеля (хромель) и меди (копель):
- Хромель - сплав никеля с хромом, кремнием, марганцем.
- Копель - сплав меди с никелем.
Соотношение компонентов в сплавах строго регламентируется стандартами для обеспечения стабильности термоэлектрических свойств.
Для электрической изоляции применяются керамика, стекло, фторопласт. Материалы защитной арматуры - сталь, фторопласт, керамика. Также используются специальные расплавы для рабочего спая.
Выбор материалов определяется рабочими условиями и требуемыми характеристиками термопар.
9. Методы измерения термопарами ТХК
Термопары ТХК могут использоваться для:
- Точечных измерений - термопара устанавливается в одной точке объекта.
- Поверхностных измерений - термопара крепится на поверхности объекта.
- Измерений температуры среды - датчик или жидкую среду.
- Измерений температурных полей - используется несколько термопар, установленных в разных точках.
- Дифференциальных измерений - применяются две идентичные термопары ТХК.
Выбор метода зависит от задач измерения и условий эксплуатации.
10. Правила монтажа и эксплуатации термопар ТХК
Для обеспечения максимальной точности измерений термопарами ТХК необходимо соблюдать следующие правила монтажа:
- Термопару следует устанавливать так, чтобы рабочий спай был погружен в среду, температура которой измеряется.
- Рабочий спай должен быть чистым, без загрязнений.
- Термоэлектроды должны быть натянуты, без перегибов.
- Соединения должны быть прочно закреплены и защищены от влаги.
- Для компенсации температуры холодного спая необходимо использовать специальные компенсационные провода.
При эксплуатации важно соблюдать:
- Периодическую поверку термопар.
- Контроль целостности изоляции термоэлектродов.
- Защиту от механических повреждений и агрессивных сред.
- Исключение превышения предельных температур.
11. Метрологическое обеспечение термопар ТХК
Метрологическое обеспечение термопар ТХК включает:
- Первичную поверку при выпуске из производства.
- Периодическую поверку через установленные интервалы.
- Внеочередную поверку после ремонта.
- Калибровку - сличение показаний с эталонными приборами.
- Аттестацию методик поверки.
Поверка подтверждает соответствие термопары заявленным метрологическим характеристикам и позволяет корректировать ее погрешность.
12. Поверка и калибровка термопар ТХК
Для поверки термопар ТХК применяются следующие методы:
- Сличение показаний с эталонным термометром в жидкостных термостатах.
- Сравнение со стандартными образцами температуры.
- Измерение термоЭДС с помощью высокоточных вольтметров.
Калибровка выполняется путем сопоставления показаний термопары с эталонными приборами в нескольких контрольных точках диапазона.
13. Неисправности термопар ТХК и способы их устранения
К типичным неисправностям термопар ТХК относятся:
- Обрыв термопары - замена термопары.
- Короткое замыкание - замена изоляции.
- Негерметичность арматуры - ремонт или замена.
- Окисление контактов - зачистка контактов.
Для диагностики используются измерения электрического сопротивления термопары.
14. Тенденции развития термопар ТХК
Основные тенденции развития термопар ТХК:
- Создание термопар для работы при более высоких температурах.
- Повышение стабильности термоэлектрических характеристик.
- Улучшение защиты от электромагнитных полей.
- Миниатюризация термопар.
- Разработка более дешевых технологий производства.
Все эти усовершенствования позволят расширить области использования термопар ТХК.
15. Особенности применения термопар ТХК
При использовании термопар ТХК в различных областях необходимо учитывать ряд особенностей:
- В химической промышленности требуется применение термопар с инертными защитными покрытиями, устойчивыми к воздействию агрессивных сред.
- Для работы в условиях повышенных температур применяются специальные высокотемпературные модификации термопар ТХК.
- В пищевой промышленности используются термопары с допуском к контакту с пищевыми продуктами.
- При эксплуатации в условиях вибрации необходимо применение виброустойчивых термопар.
16. Методика выбора термопар ТХК
Выбор термопар ТХК осуществляется в следующей последовательности:
- Определение диапазона измеряемых температур.
- Выбор типа термопары (ТХК) в соответствии с требуемым диапазоном.
- Определение необходимой точности измерений.
- Выбор класса допуска термопары.
- Оценка условий эксплуатации и выбор конструкции термопары.
- Расчет оптимальной длины монтажной части.
- Выбор вспомогательных принадлежностей (компенсационные провода, защитные чехлы и т.д.).
17. Рекомендации по эксплуатации термопар ТХК
Для обеспечения надежной работы термопар ТХК рекомендуется:
- Периодически проверять сопротивление изоляции термоэлектродов.
- Следить за чистотой рабочего спая, при необходимости зачищать.
- Избегать механических нагрузок на термопару.
- Не допускать превышения предельных температур.
- Регулярно поверять метрологические характеристики.
18. Примеры применения термопар ТХК
Примеры использования термопар ТХК:
- Контроль температуры в печах для обжига керамики.
- Измерение температуры нагрева металла в прокатных станах.
- Мониторинг температурных режимов химических реакторов.
- Регулирование температуры в климатических камерах.
