Применение термоэлектродных проводов и кабелей при тепловом контроле

Измерение температуры с помощью термопар, являющееся одним из основных направлений в тепловом контроле, используется в различных отраслях производства, таких, например, как энергетика, нефтепереработка, металлургия, нефтехимия и многих других.

Термопары широко применяют для измерения температуры различных объектов, а также в автоматизированных системах управления и контроля. Простота, удобство монтажа, возможности измерения локальной температуры, малая инерционность, возможность измерения малых разностей температур — эти и другие достоинства обеспечили широкое применение термопар.  

Немного теории об измерении температуры с помощью термопар

В основу способа измерения температуры с помощью термопар положены термоэлектрические явления, основанные на существовании определенной зависимости между термоэлектродвижущей силой (термо-ЭДС), возникающей в цепи, составленной из разнородных проводников, и температурой их соединения.

Напомним основные положения, объясняющие данные явления.

В металлах имеются свободные электроны, количество которых в единице объема различно для разных материалов. При повышении температуры концентрация электронов возрастает, и они начинают «передвигаться» из мест повышенной концентрации (горячий конец проводника) в места пониженной концентрации (холодный конец проводника). В результате возникает термо-ЭДС между отрицательно заряженным холодным концом проводника и положительно заряженным горячим (эффект Томсона).

Если же два однородных, но разных по природе проводника, имеющих одинаковую температуру, соединить, то в месте контакта возникнет термо-ЭДС вследствие разности концентраций свободных электронов в каждом из проводников (эффект Зеебека).

Рисунок 1 — Цепь идеальной термопары

Учитывая оба фактора, определяющих термо-ЭДС идеальной термопары (рис.1), состоящей из двух различных термоэлектродных проволок a и b, контактирующих в двух точках, имеющих различные температуры t₀ и t (t > t₀), можно записать, что суммарное термо-ЭДС в цепи равна:

E_ab (t₀, t) = e_ab (t) — e_ab (t₀)         (1)
где e — ЭДС, определяемые суммарным эффектом, то есть возникающими в местах соприкосновения проводников a и b ЭДС, зависящими также от температуры места соприкосновения.

При неравенстве t₀ и t, суммарная термо-ЭДС определяется разностью двух значений функций при температурах t₀ и t, не зависящих от длины, диаметра термоэлектродов и их удельных электрических сопротивлений:

E_ab(t₀, t) = f (t) — f(t₀)           (2)

Если поддерживать температуру, например t₀, постоянной, то термо-ЭДС, согласно формуле (2) будет функцией только t.

Следовательно, проградуировав термопару, можно по значению измеренной термо-ЭДС найти соответствующую ей температуру из данных, полученных при градуировке.

На практике не всегда удается выполнить условие постоянства температуры свободных концов t₀ = const. В связи с этим при измерении температуры необходимо вводить поправку к определенной термо-ЭДС термопары при изменении температуры свободных концов с t до t₁ .

Но для того, чтобы в значительной степени исключить влияние режима работы измеряемого объекта (например, нагревательной печи) на температуру свободных концов термопары, необходимо удалить их от места нагрева на значительные расстояния. Для этого необязательно применять длинные термопары, целесообразнее удлинять их гибкими изолированными проводами.

Эти провода должны быть термоэлектрически идентичны термоэлектродам термопары, в связи с чем их называют термоэлектродными удлинительными проводами. Иногда для их обозначения применяют термин «компенсационные», что, при этом, противоречит ГОСТ 15845-70 «Кабели, провода и шнуры. Термины и определения».

Удлинительные провода и кабели

В цепь термопары термоэлектродные провода и кабели включаются с соблюдением знака полярности по схеме, приведенной на рис. 2. Как видно из схемы, холодные спаи термопары А(аb) отодвинуты от измеряемого объекта на длину термоэлектродных проводов Б(сd). 

 Рисунок 2 — Схема включения удлинительных термоэлектродных проводов в цепь термопары

Применение нашли два типа удлинительных приводов и кабелей: суммарной и поэлектродной компенсации термо-ЭДС термопар.

Удлинительные провода и кабели суммарной компенсации должны развивать термо-ЭДС, равную термо-ЭДС термопары, для которой они предназначены (например, медь — ТП для платинородий-платиновой термопары). Таким образом, для данного случая должно быть обеспечено равенство:

 E_ab(t, t₀) =E_cd(t, t₀)(3)

Совершенно очевидно, что это равенство должно сохраняться только в пределах возможных изменений температуры свободных концов.

При этом паразитные термо-ЭДС, возникающие в холодных спаях термопары, взаимно компенсируются.

Однако, когда температура обоих концов электродов термопары, не только непостоянна, но и неодинакова, применяется второй тип удлинительных проводов — с поэлектродной компенсацией. В заданном интервале температур электроды таких проводов развивают с третьим электродом, например платиной, ту же термо-ЭДС, что и соответствующие электроды термопары.

Этот тип проводов изготовляется в случае недефицитности материалов с теми же термоэлектродами, что и подключаемая термопара (например, хромель-копелевыми для одноименной термопары), что равноценно удлинению самой термопары с целью вывода холодных спаев в удаленную от объекта зону с низкой температурой.

Однако применение удлинительных проводов термоэлектродных материалов не всегда целесообразно, так как это может привести к перерасходу дорогостоящих дефицитных или благородных металлов, из которых изготовлена термопара.

Термоэлектродные материалы

При производстве термоэлектродов термопар используют хромель Т, алюмель, копель, медь, константан, сплавы вольфрама, рения, молибдена и ряд других материалов.

Для изготовления термоэлектродных удлинительных проводов и кабелей применяют медь, константан, хромель К, алюмель, копель и другие различные сплавы.

С целью улучшения механических и термоэлектрических свойств проводов токопроводящие жилы изготавливают из отожженной проволоки. 

1. Медь — один из главных материалов для токопроводящих жил вследствие ее высокой электропроводимости и пластичности. Механические и электрические свойства меди находятся в большой зависимости от глубины термической обработки.
2. Хромель применяется двух типов: хромель Т для термопарных и хромель К для удлинительных проводов и кабелей. Минимальные температуры длительного (от нескольких сотен часов) и кратковременного (до 100 часов) применения хромелевых термоэлектродов зависят от диаметра проволоки. Это связано с тем, что в окислительной среде на поверхности проволоки появляются окислы хрома, вследствие чего термоэлектрический потенциал хромеля снижается, что приводит к уменьшению термо-ЭДС термопары. Наиболее сильно этот эффект проявляется у термоэлектродов малого диаметра.
3. Алюмель. С изменением температуры среды физико-механические и электрические свойства алюмелевой проволоки значительно меняются. Так, с увеличением температуры проводимость алюмелевой проволоки уменьшается.
4. Копель применяется в термоэлектродных проводах и кабелях в сочетании со сплавом хромель и медью. Копелевая проволока имеет достаточно высокие механические свойства, характеризуется более низкой жаростойкость, чем хромель и алюмель. С ростом температуры электрическое сопротивление копели меняется, а с увеличением степени отжига оно падает.
5. Константан применяется в основном в удлинительных проводах и кабелях. Характерная особенность константана — незначительный температурный коэффициент сопротивления α. Практически он применяется равным нулю, что является достоинством сплава.

Ржанников А.А.                              Опубликовано в журнале Кабель — news №10 2007