Конструкции и монтаж термопар
2 месяца назад
2 мин.
0
Конструкции и монтаж термопар
Конструкция и способ монтажа термопары являются критически важными факторами, определяющими погрешность измерения, тепловую инерционность, ресурс и электрическую надёжность датчика. Даже при идентичных термоэлектродах различия в конструкции и установке способны изменить динамику отклика в несколько раз и ввести систематическую ошибку в измерение температуры.
Погружные термопары
Предназначены для прямого измерения температуры газов, жидкостей и расплавов. Термоэлектроды заключены в герметичную защитную оболочку.
Ключевые конструктивные параметры:
- материал оболочки;
- диаметр зонда;
- тип спая (заземлённый, незаземлённый, открытый);
- длина погружения.
Погружные термопары формируют измерение за счёт теплопроводности среды, поэтому глубина установки должна превышать не менее 10–20 диаметров оболочки для исключения искажения от теплопроводности фланца или штуцера.
Поверхностные термопары
Используются для измерения температуры стенок корпусов, трубопроводов, нагревательных элементов. Конструкция ориентирована на минимизацию теплового сопротивления контакта.
Критические параметры:
- усилие прижатия;
- теплопроводность контактного слоя;
- влияние конвективных потоков окружающего воздуха.
Основной источник ошибки — тепловое шунтирование через крепёж и охлаждение поверхности воздухом.
Быстродействующие термопары
Применяются в динамических измерениях. Отличаются:
- минимальным диаметром оболочки;
- малой тепловой массой горячего спая;
- открытым или заземлённым спаем.
Достигается минимальная тепловая инерция, но резко снижается механическая и химическая стойкость.
Типы спаев и их влияние на измерение
- Заземлённый спай — минимальное тепловое сопротивление, максимальная скорость отклика, высокая чувствительность к электромагнитным помехам.
- Незаземлённый спай — электрическая развязка от оболочки, повышенная помехоустойчивость, увеличенная тепловая инерция.
- Открытый спай — максимальная скорость, нулевая защита от среды.
Выбор типа спая — это компромисс между динамикой, электрической изоляцией и стойкостью к среде.
Материалы защитных оболочек
Материал оболочки определяет:
- допустимую рабочую температуру;
- химическую стойкость;
- механическую прочность;
- теплопередачу.
Применяются:
- аустенитные нержавеющие стали — универсальные среды;
- инконель и жаропрочные никелевые сплавы — высокие температуры;
- керамика — экстремальные температуры и агрессивные газы;
- тантал, молибден — вакуум и специальные процессы.
Несовместимость оболочки и термоэлектродов приводит к диффузии и паразитной термо-ЭДС.
Термогильзы как элемент защиты и метрологии
Термогильза обеспечивает:
- механическую защиту;
- разгерметизацию при замене датчика;
- стандартизацию монтажного узла.
Однако наличие гильзы вносит:
- дополнительное тепловое сопротивление;
- увеличение постоянной времени датчика;
- запаздывание сигнала.
При высоких скоростях потока форма гильзы выбирается с учётом гидродинамических нагрузок и резонансных вибраций.
Монтаж в потоках газов и жидкостей
Правила установки:
- ориентация чувствительного элемента против направления потока;
- исключение стагнационных зон;
- исключение завихрений за элементами конструкции;
- учёт скорости потока при выборе диаметра зонда.
Нарушение этих условий приводит к систематической ошибке до нескольких процентов.
Вибрации и термоциклические нагрузки
Вибрационные нагрузки вызывают:
- усталостное разрушение термоэлектродов;
- микротрещины в керамических изоляторах;
- нестабильность спая.
Термоциклирование приводит к:
- рекристаллизации структуры сплавов;
- ускоренному дрейфу термо-ЭДС;
- деградации контактных соединений.
Электрические аспекты монтажа
Монтаж должен обеспечивать:
- постоянство электрической схемы термоэлектродов;
- отсутствие паразитных соединений;
- минимизацию температурных градиентов в зоне переходов;
- правильное использование компенсационных кабелей.
- Нарушение этих требований приводит к формированию дополнительных термопар в зонах соединений.
Типовые монтажные ошибки:
- недостаточная глубина погружения;
- монтаж в зоне теплового фланца;
- контакт спая с оболочкой при незаземлённой конструкции;
- механическое сжатие защитной трубки;
- использование медных удлинителей без компенсации;
- расположение соединений в зоне температурного градиента.