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.

ДТПХ011

ДТПХ021

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.

ДТПХ054

ДТПХ065

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.

Кабельная термопара с одной парой термоэлектродов

Кабельная термопара с двумя парами термоэлектродов

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. Монтажную часть датчиков можно изгибать.
	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
Вид рабочего спая	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
Вид рабочего спая	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	850
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	>1100
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
Нержавеющая аустенитная сталь AISI321	600	Движущиеся газообразные среды, воздействие механических нагрузок, режим теплосмен	850
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

Класс допуска и погрешности измерения термоэлектрических преобразователей ОВЕН ДТП

НСХ	Класс допуска	Диапазон измерения	Пределы допускаемых отклонений ТЭДС от НСХ
К (ХА) N(НН)	2	-40…+333 °C включ.	± 2,5 °C
	2	св. 333…+1300 °C	± 0,0075t°C
	1	0…+375 °C включ.	± 1,5 °C
	1	св. 375…+1300 °C	± 0,004t°C
L (ХК)	2	-40…+360 °C включ.	± 2,5 °C
L (ХК)	2	св. 360…+600 °C	± (0,700 + 0,005t) °C
J (ЖК)	1	-40…+375 °C включ.	± 1,5 °C
J (ЖК)	1	св. 375…+750 °C	± 0,004t°C
S(ПП)	2	0…+600 °C включ.	1,5 °C
S(ПП)	2	св. 600…+1600 °C	0,0025t°C
t – значение измеряемой температуры °C

Химическая стойкость арматуры термопар ОВЕН, изготовленной из стали AISI 316 Ti

Температура, ⁰С	Концентрация серной кислоты H2SO4, %
Температура, ⁰С	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