Датчики температуры. Обзор
Термопары. Справочная информация
В общем случае термопара представляет собой два термоэлектрода из различных металлов, спаянных между собой. Один спай – «рабочий» – помещают в измеряемую среду, другой – «холодный» – должен находиться при температуре 0 °С. Если температуры спаев не равны, то в цепи термопары возникает ЭДС, прямо пропорциональная разности этих температур. Рабочий спай защищается от прямого соприкосновения со средой защитной арматурой.
В современных АСУ ТП нет необходимости поддерживать холодный спай при 0 ⁰С – поправку на его температуру рассчитывает вторичный прибор, к которому подключена термопара.
Компания ОВЕН выпускает термопары двух видов: проволочные и на основе КТМС.
Проволочные термопары изготавливаются по традиционной технологии. Два термоэлектрода (проволоки) вставляются в керамические изоляторы или оплетаются кремнеземной нитью. Затем формируется «рабочий» спай. По сути, это уже готовый конструктив простых датчиков температуры – бюджетных бескорпусных термопар ДТПХхх1.
Также такие термопары играют роль сенсоров в более конструктивно сложных моделях датчиков. Проволочный измерительный узел (УИ) помещается внутрь защитной арматуры из различных сталей, а пространство между УИ и арматурой заполняется кварцевым песком. Подобные исполнения имеют термопреобразователи с кабельным выводом ДТПХхх4 и с коммутационной головкой ДТПХхх5.
Термопары на основе КТМС изготавливаются по более прогрессивной технологии.
КТМС – Кабель Термопарный с Минеральной изоляцией в Стальной оболочке. Конструктивно КТМС состоит из гибкой металлической трубки, в которую помещены термоэлектроды (см. рис.). Пространство между термоэлектродами и стальной жаростойкой оболочкой заполнено плотной дисперсной минеральной изоляцией – оксидом магния.
Справочная таблица размеров КТМС
| Параметр | Значение | |||||
| Наружный диаметр защитной оболочки, d, мм | 1,5 | 2 | 3 | 4,5 | ||
| Количество термоэлектродов | 2 | 2 | 2 | 4 | 2 | 4 |
| Диаметр термоэлектродов C, мм | 0,25 | 0,36 | 0,49 | 0,46 | 0,74 | 0,73 |
| Толщина защитной оболочки, S, мм | 0,18 | 0,22 | 0,35 | 0,33 | 0,51 | 0,51 |
Ассортиментный ряд термопар ОВЕН на основе КТМС
 | Модификации с кабельным выводом ХХ4 - универсальные конструктивные исполнения датчиков для измерения температуры в труднодоступных местах, печах, прессах, для применения в пищевой промышленности и т.п. Рекомендуются на замену моделей 011, 021, 031. |
 | Модификации с коммутационной головкой ХХ5 предназначены для измерения температуры быстропротекающих процессов. Рекомендуются к использованию при производстве строительных материалов, в металлургии, нефтегазовой отрасли. Монтажную часть датчиков можно изгибать. |
 | Модульные высокотемпературные и химически стойкие термопары имеют разборную конструкцию. Вставка из КТМС устанавливается в чехлы из жаростойких сталей и сплавов (ХН45Ю, 15Х25Т) или керамики (корунд). Широко применяются в металлургической и фарфорово-фаянсовой промышленностях, при обжиге кирпича, измерении температуры дымовых газов и т.п. |
 | Термопарные вставки могут использоваться как самостоятельные датчики температуры, так и вставляться в металлические или керамические защитные чехлы для дополнительной защиты термопар. Являются сменным элементом модульных высокотемпературных термоэлектрических преобразователей. Монтажную часть датчиков можно изгибать. |
Преимущества термопар из КТМС по сравнению с проволочными термопарами
низкий показатель тепловой инерции (2 сек – для КТМС диаметром 4,5 мм) для регистрации быстропротекающих процессов;- высокая стабильность и увеличенный рабочий ресурс (превышение в 2-3 раза по сравнению с обычными);
- возможность изгиба, монтажа в труднодоступных местах и кабельных каналах (60-100 м);
- разные варианты установки: приваривать, припаивать или крепить термопару (хомутом, на винт) к поверхности;
- для дополнительной защиты термоэлектродов от воздействия окружающей среды термопары могут производиться в защитных чехлах.
Показатель тепловой инерции термопар на основе КТМС (без защитного чехла)
Не превышает значений, указанных в таблице (в зависимости от вида рабочего спая и наружного диаметра рабочей части d, мм):
| Вид рабочего спая | Показатель тепловой инерции термопреобразователя, с | ||||
| d = 1,5 | d=2,0 | d = 3,0 | d = 4,5 | d = 6,0 | |
| Изолированный от оболочки КТМС | 0,4 | 0,5 | 1,0 | 2,0 | 4,0 |
| Неизолированный от оболочки КТМС | 0,15 | 0,25 | 0,5 | 1,0 | 3,0 |
Показатель тепловой инерции термопар на основе КТМС (в защитных чехлах D=12 и 20 мм)
Не превышает значений, указанных в таблице (в зависимости от вида рабочего спая и наружного диаметра погружной части D, мм):
| Вид рабочего спая | Показатель тепловой инерции термопреобразователя, с | ||
| D = 12 мм, керамический чехол (корунд) | D = 20 мм, керамический чехол (корунд) | D = 20 мм, металлический чехол | |
| Изолированный от арматуры | 30 | 90 | 50 |
| Неизолированный от арматуры | - | - | 30 |
По ТУ 4211-022-46526536-2009 электрическое сопротивление изоляции между цепью чувствительного элемента и металлической частью защитной арматуры термоэлектрических преобразователей с изолированным рабочим спаем должно быть не менее, МОм:
- 100 – при температуре (25 ±10) °С и относительной влажности от 30 до 80 %;
- 1,0 – при температуре 35 °С и относительной влажности 98 %;
- 1,0 – при температуре верхнего предела измерения до 300 °С;
- 0,09 – при температуре верхнего предела измерения до 400 °С
- 0,07 – при температуре верхнего предела измерения до 600 °С;
- 0,025 – при температуре верхнего предела измерения до 800 °С;
- 0,005 – при температуре верхнего предела измерения до 1000 °С;
- 0,005 – при температуре верхнего предела измерения до 1200 °С.
Эти параметры не распространяются на термопреобразователи с неизолированным спаем.
Материалы монтажных частей арматуры термопар
Рекомендуемая температура и условия применения термопар ДТП в зависимости от материала арматуры
| Материал арматуры монтажной части ДТП | Рекомендуемые температуры применения, °С | Условия применения | Температура окалинообразования, °С | Особенности применения |
| Нержавеющие аустенитные стали 12Х18Н10Т 08Х18Н10Т AISI304 | 800 | Неподвижные окислительные или нейтральные жидкие, газообразные среды
| 850 | Неустойчивы в серосодержащих средах, в серной, соляной, фтороводородной (плавиковой), горячей фосфорной, кипящих органических кислотах |
| 600 | воздействие механических нагрузок | |||
| Нержавеющая аустенитная сталь 10Х23Н18 | 900 | Неподвижные, движущиеся окислительные или нейтральные газообразные среды, воздействие механических нагрузок | 1050 | Стойкость к коррозии при высоких температурах; стойкость к воздействию агрессивных сред . Широко применяется в нефтехимии. |
| Нержавеющая Тугоплавкая аустенитная сталь сталь AISI310 (российский аналог: 20Х25Н20С2) | 1100 | Неподвижные окислительные или нейтральные газообразные среды
| >1100 | Хорошая сопротивляемость окислению и воздействию серы, устойчива к кислым водным растворам, хлорной коррозии, к цианистым и нейтральным расплавам солей при высоких температурах. Устойчива в атмосфере, содержащей СО2, при температуре до 900 °С |
| 1050 | Движущиеся газообразные среды, воздействие механических нагрузок, режим теплосмен | |||
| Нержавеющая аустенитная сталь AISI316 | 900 | Неподвижные, движущиеся окислительные или нейтральные газообразные среды, воздействие механических нагрузок, режим теплосмен | 925 | Хорошая сопротивляемость окислению и воздействию кислот. Резистентна к соленой воде, появлению каверн и раковин |
| Нержавеющая аустенитная сталь AISI321 | 800 | Неподвижные окислительные или нейтральные газообразные среды | 850 | Высокая стойкость к ряду агрессивных сред, включая горячие неочищенные нефтепродукты и газообразные продукты горения. Устойчива в атмосфере, содержащей СО2, при температуре до 650 °С |
| 600 |
Движущиеся газообразные среды, воздействие механических нагрузок, режим теплосмен | |||
| Нержавеющая Ферритная сталь 15Х25Т | 1000 | Неподвижные, движущиеся окислительные или нейтральные газообразные среды; воздействие механических нагрузок, режим теплосмен | 1050 | Для замены 12Х18Н10Т при повышенных температурах. Устойчива в серосодержащих средах. Не рекомендуется воздействие ударных нагрузок |
| Сплав на железо-никелевой основе ХН45Ю (ЭП 747) | 1100 | Неподвижные, движущиеся окислительные или нейтральные газообразные среды; воздействие механических нагрузок | 1300 | Не рекомендуется воздействие абразивных частиц, движущихся в высокоскоростном газообразном потоке |
| Керамика МКРц | 1100 | Высокотемпературные газообразные среды | - | Не рекомендуется воздействие механических нагрузок. |
| Корунд CER795 ( ≈ 95% Al2O3) | 1300 (1600 кратковременно) | Высокотемпературные газообразные среды | - | Высокая твердость и газоплотность. Не рекомендуется воздействие ударных нагрузок. |
| Карбид кремния SiC | 1250 | Расплавы солей (кроме хлорида бария); расплавы цветных металлов (кроме алюминия) | - | Высокая твердость и износостойкость
|
Химическая стойкость арматуры термопар ОВЕН, изготовленной из стали AISI 316 Ti
| Температура, ⁰С | Концентрация серной кислоты H2SO4, % | ||||||||||
| До 5-6 | 5-15 | 15-25 | 25-50 | 50-60 | 65-70 | 74-78 | 85 | 92,5-94 | 98-100 | Олеум 18-20 % SO3 | |
| 20 | 2 | 2 | 2 | 1 | 1 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| 40 | 2 | 2 | 1 | 0 | 0 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| 60 | 2 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 2 | 1 | 2 | 2 | 2 |
| 80 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 2 | 2 |
| 95 – 100 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 2 |
| 120 | – | – | – | – | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 2 |
| Ткип. при атмосферном давлении | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | – |
Что означают баллы в таблице
| Устойчивость | Скорость коррозии | Оценка |
| Стойкие | До 0,1 мм/год | 2 |
| Пониженно стойкие | До 1 мм/год | 1 |
| Контакт не рекомендуется | Свыше 1 мм/год | 0 |
Статьи о термопарах
Статьи о типах термопар
Применения термопар
