Термопарные сборки

Термопарная сборка обычно состоит из следующих компонентов: чувствительно­го элемента (спая), защитной трубки (керамической или металлической оболоч­ки), теплосборника (необходимого элемента прецизионных датчиков, изготав­ливаемого в виде просверленного стержня, хорошо отполированного с целью сни­жения коррозии) и выводов (контактов, имеющих разную форму соединения: скрученного типа, разомкнутого типа, в виде разъемов и т.д.). На рис. 16.18 пока­заны несколько примеров термопарных сборок. Проводники остаются либо ого­ленными, либо покрываются изоляционным материалом. Для работы в условиях высоких температур используются керамические изоляторы, обладающие доста­точной гибкостью. Проводники термопар без электрической изоляции могут быть источниками измерительных погрешностей. Назначение изоляторов также зак­лючается в защите от воздействия влаги, абразивных веществ, сильных перепа­дов температур, химических реагентов, механических напряжений и ядерного излучения. Для проведения прецизионных измерений необходимо учитывать свойства и ограничения используемых изоляционных материалов. Некоторые изоляторы обладают естественной влагонепроницаемостью. Тефлон, поливинил хлорид и некоторые типы полиимидов являются представителями этой группы.

 

 

 

 

-Рис. 16.18.Некоторые типы термопарных сборок.

 

При использовании изоляционных материалов волоконного типа для защиты от влаги применяют про­питки специальными составами на основе резины и силикона. Однако следует заметить, что даже при од­нократном воздействии очень вы­соких температур на такие матери­алы происходит испарение этой пропитки, и материал теряет свои защитные свойства.

К сожалению, изоляционные материалы не всегда могут предот­вратить попадание влаги внутрь сборки. Например, если термопара проходит через зоны высокой и низкой температуры, может произойти конденсация водяных па­ров, что может привести к возникновению погрешностей измерения. В этих слу­чаях требуется герметизация термопарной сборки.

Самыми распространенными изоляторами для термопар, работающих при высоких температурах, являются стекловолокно, волокнистое кварцевое стекло и асбест (который надо использовать с соответствующими мерами предосторож­ности, чтобы не нанести вред человеческому здоровью). В дополнение к этому термопары должны быть защищены от влияния агрессивных атмосфер. Защит­ные трубки выполняют две функции: предохраняют термопары от механического разрушения и экранируют проводники от окружающей среды. Защитные трубки выполняются из углеродистой стали (для работы в окислительной среде в темпе­ратурном диапазоне до 540°С), нержавеющей стали (для температур до 870°С), нержавеющей стали на основе трехвалентного железа (AISI400) и никелевых спла­вов типа Nichrome (Driver-Harris Company), Inconel (International Nickel Company) и т.д. (для работы в окислительных средах при температурах до 1150 °С).

Практически все термопары на основе металлических проводников либо под­вергаются высокотемпературной обработке, либо проходят специальную темпе­ратурную подготовку, целью которой является стабилизация характеристик тер­мопар. Обычно такой подготовки бывает достаточно, но иногда перед проведе­нием прецизионных измерений рекомендуется провести отжиг термопары. Хотя термопары новых типов на основе Pt и Pt/Rh отжигаются при изготовлении, во многих лабораториях перед проведением калибровки проводят дополнительный отжиг всех термопар R,S и В типов, который обычно заключается в электричес­ком нагреве термопары в воздухе. При этом термопары обычно закрепляются меж­ду двумя зажимными устройствами, расположенными довольно близко друг к другу, таким образом, чтобы при нагреве их натяжение было минимальным. Тем­пература нагрева проводников определяется при помощи оптического пиромет­ра. Большинство механических напряжений в проводниках значительно снижа­ется в течение первых нескольких минут прогрева при температуре 1400... 1500°С.

Тонкопленочные термопары формируются на основе соединения двух пле­нок разных металлов. Такие термопары бывают двух типов: в пленок на съемном носителе и в виде матрицы с датчиком, встроенным в тонкий многослойный ма­териал. Толщина металлической фольги, применяемой для изготовления термо­пар, составляет порядка 5 мкм, поэтому она обладает очень маленькой массой и теплоемкостью. Тонкая плоская термопара формирует плотный тепловой контакт с поверхностью измеряемого объекта. Термопары из фольги обладают хорошим быстродействием (типовое значение постоянной времени равно 10 мс) и могут использоваться с любым стандартным электронным интерфейсом. При измере­нии температуры датчиком, обладающим небольшой массой, всегда надо учиты­вать тепловые потери через соединительные провода. Поскольку пленочные тер­мопары имеют большую величину отношения длины к толщине (порядка 1000), тепловые потери на проводах обычно очень малы.

Для присоединения пленочных термопар к объекту разработано несколько способов. Это и применение различных цементирующих материалов, и плазмен­ное нанесение керамических покрытий. Для упрощения эксплуатации плоские термопары часто формируют на промежуточном носителе из полиимидной плен­ки, обладающем прочностью, гибкостью и постоянными геометрическими раз­мерами, а также устойчивостью к нагреванию и инертностью. В процессе крепле­ния термопары к объекту этот промежуточный слой просто удаляется при помо­щи небольшого нагрева. Освобожденная плоская термопара наносится на тон­кую пленку; формируя при этом изолированное соединение. При выборе цемен­тов для крепления термопар необходимо внимательно изучать их состав, чтобы там не было никаких коррозионных компонентов. Например, не рекомендуется использовать цементы на основе ортофосфорной кислоты в термопарах, в кото­рых одним из проводников является медь.