Объяснение типов термопар: тип K, J, T, E, N, R, S и как выбрать правильный

А термопара является наиболее широко используемым датчиком температуры в системах управления промышленными процессами, системах электрического отопления и производственном оборудовании. Принцип его действия прост: два разнородных металлических провода, соединенных на одном конце (измерительный спай), генерируют небольшое напряжение, пропорциональное разнице температур между измерительным спаем и эталонным концом (холодным спаем). Это термоэлектрическое напряжение — эффект Зеебека — измеряется подключенным прибором, который преобразует показания напряжения в значение температуры на основе стандартизированной калибровочной кривой термопары для этого типа термопары.

Важным практическим моментом для инженеров, разработчиков оборудования и групп по закупкам является то, что «термопара» — это не отдельный продукт, а семейство стандартизированных типов датчиков, каждый из которых определяется определенной парой сплавных проводов и каждый имеет отдельный температурный диапазон, выходную чувствительность, химическую совместимость и профиль точности. Выбор термопары для промышленного нагрева означает выбор правильного типа для температурного диапазона, технологической среды и требований к точности. Выбор неправильного типа приводит к неточным показаниям температуры или преждевременному отказу датчика, что ухудшает качество процесса и увеличивает затраты на техническое обслуживание.

В этом руководстве объясняются основные стандартизированные типы термопар, сравниваются их ключевые рабочие параметры и предоставляется практическая основа для подбора типа термопары к требованиям применения.

Как стандартизируются типы термопар

Типы термопар стандартизированы на международном уровне: стандарт IЭC 60584 определяет справочные таблицы (зависимость ЭДС от температуры) для основных типов термопар с буквенным обозначением, используемых во всем мире. AНСI/ASТM E230 — эквивалентный стандарт США, а DIN EN 60584 — гармонизированный европейский стандарт. Каждый тип термопары обозначается одной заглавной буквой (К, Дж, T, E, N, Р, S, Б, C), которая идентифицирует конкретную пару сплавов, используемую для двух ее проводников. Поскольку буквенные обозначения и справочные таблицы стандартизированы на международном уровне, термопара типа K от одного производителя и термопара типа K от другого производителя взаимозаменяемы в одном и том же приборе для измерения температуры — при условии, что оба изготовлены в соответствии со стандартной калибровочной таблицей.

В пределах каждого типа термопары допуски точности определены в двух или трех классах (Класс 1, Класс 2, Класс 3 согласно IEC 60584-2), где Класс 1 представляет собой самый жесткий допуск, а Класс 3 применяется к более низким температурным диапазонам. Выбранный класс должен соответствовать требованиям к точности процесса — указание класса 1 там, где достаточно класса 2, приводит к ненужным затратам; использование класса 2 в прецизионном процессе, где необходим класс 1, приводит к неточному контролю температуры.

Основные типы термопар: свойства и применение

Тип К (хромель/алюмель)

Тип K является наиболее широко используемым типом термопар во всем мире: сочетание широкого температурного диапазона, достаточной точности, хорошей стойкости к окислению и низкой стоимости делает его спецификацией по умолчанию для большинства промышленных применений измерения температуры, где не требуется никаких специфических свойств другого типа.

Диапазон температур: От –200°C до 1260°C (непрерывная эксплуатация при температуре до 1100°C рекомендуется для калибров проводов, обычно используемых в промышленных термопарах). Выходная чувствительность примерно 41 мкВ/°C при 500°C.

Сплавы проволоки: Положительный проводник — хромель (около 90% никеля, 10% хрома); Отрицательный проводник — алюмель (около 95% никеля, 2% марганца, 2% алюминия, 1% кремния).

Сильные стороны: Широкий температурный диапазон; хорошая устойчивость к окислительным атмосферам; стабильная калибровка в течение длительного периода эксплуатации в чистой среде; хорошая линейность на большей части диапазона; самая низкая стоимость распространенных типов; широчайшая доступность совместимых инструментов, разъемов и удлинителей.

Ограничения: Подвержен коррозии «зеленой гнили» в средах с низким содержанием кислорода и серой — хром в положительном проводнике избирательно окисляется в этих условиях, вызывая калибровочный дрейф. Не подходит для использования в восстановительных, сернистых или вакуумных средах без защиты. Обладает гистерезисом в диапазоне 300–600°C (незначительный эффект циклической калибровки).

Лучше всего для: Общепромышленное измерение температуры процесса; контроль температуры поверхности электронагревательного элемента и температуры процесса; контроль температуры духовки и печи; обработка пластмасс (литье под давлением, экструзия) температура цилиндра и горячеканального канала; пищевое и сушильное оборудование; системы вентиляции и кондиционирования; любое стандартное промышленное применение, где конкретные требования к свойствам не требуют использования другого типа.

Тип J (Железо/Константан)

Тип J был одним из первых стандартизированных типов термопар и до сих пор широко используется, особенно в существующем промышленном оборудовании, где он был исходной спецификацией, а замена обеспечивает совместимость калибровки.

Диапазон температур: От –40°C до 750°С (ограниченный верхний диапазон по сравнению с типом K; выше 760°C железный проводник быстро окисляется). Выходная чувствительность примерно 55 мкВ/°C при 300°C — немного выше чувствительности, чем у типа K в его рабочем диапазоне.

Сплавы проволоки: Положительный проводник — железо; Отрицательный проводник — константан (медно-никелевый сплав, примерно 55 % меди, 45 % никеля).

Сильные стороны: Более высокая выходная чувствительность, чем у типа K, в диапазоне низких и средних температур; подходит для использования в восстановительной или вакуумной атмосфере (где хромированный проводник типа К проблематичен); широко поддерживается устаревшим промышленным оборудованием; более низкая стоимость, чем типы благородных металлов.

Ограничения: Железный проводник ржавеет во влажной среде — не подходит для незащищенного использования во влажных или влажных условиях без защитной оболочки из нержавеющей стали; быстро окисляется при температуре выше 760°C; меньший срок службы, чем у Типа К, в окислительных средах при умеренных температурах из-за окисления железа; постепенно заменяется типом N в новых приложениях.

Лучше всего для: Промышленные процессы при низких и средних температурах; применение восстановительной или вакуумной атмосферы; замена существующего оборудования, первоначально обозначенного как Тип J; оборудование для литья пластмасс под давлением (историческая спецификация); печи термической обработки и отжига, работающие при температуре ниже 750°C.

Тип Т (Медь/Константан)

Тип T специально подходит для измерения низких и криогенных температур — комбинация сплава меди и константана надежно работает при температурах до –270°C (криогенная), а также подходит для использования при температуре до 350°C в стандартных промышленных приложениях.

Диапазон температур: от –270°С до 400°С. Выходная чувствительность примерно 46 мкВ/°C при 100°C.

Сплавы проволоки: Положительный проводник — медь; Отрицательный проводник — константан.

Сильные стороны: Отличная точность и стабильность при низких температурах; подходит для криогенных применений; устойчив к влаге и легкой коррозии; хорошая стабильность как в окислительной, так и в восстановительной атмосфере; высочайшая точность среди термопар из недрагоценных металлов в диапазоне от –200°C до 350°C.

Ограничения: Верхний температурный предел 400°С ограничивает использование низкотемпературными приложениями; медный проводник имеет высокую теплопроводность, что может вызвать ошибки проводимости в приложениях с крутыми градиентами температуры.

Лучше всего для: Криогенные и низкотемпературные измерения; контроль температуры охлаждения пищевых продуктов и морозильной камеры; фармацевтический мониторинг холодовой цепи; лабораторные и научные применения, требующие точности при низких температурах; влагостойкое измерение температуры в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и системах автоматизации зданий.

Тип Е (Хромель/Константан)

Тип E имеет самую высокую выходную чувствительность (ЭДС на градус) среди всех распространенных стандартизированных типов термопар — примерно 68 мкВ/°C при 300°C — что делает его лучшим выбором для применений, где необходима максимальная мощность сигнала для минимизации требований к чувствительности прибора или где необходимо точно разрешать небольшие разницы температур.

Диапазон температур: от –200°С до 900°С. Немагнитны (оба проводника представляют собой немагнитные сплавы).

Сплавы проволоки: Положительный проводник — Хромель; Отрицательный проводник — константан.

Сильные стороны: Самая высокая чувствительность среди стандартных типов недрагоценных металлов; немагнитная конструкция важна в приложениях вблизи сильных магнитных полей; хорошая стойкость к окислению; стабильная калибровка.

Ограничения: Не пригоден для восстановительной или вакуумной атмосферы (хромельный проводник); менее широко доступен, чем Тип K или J на ​​некоторых рынках; немного более высокая стоимость, чем Тип K.

Лучше всего для: Аpplications requiring maximum sensitivity at low temperature differences; magnetic field environments where iron-conductor types are unsuitable; sub-zero temperature measurement with high sensitivity.

Тип N (никросил/нисил)

Тип N был разработан как более стабильная альтернатива типу K, устраняя некоторые известные ограничения стабильности калибровки типа K при повышенных температурах. В нем используются сплавы, специально разработанные для минимизации механизмов калибровочного дрейфа (ближнего порядка, селективного окисления), которые влияют на тип K при температуре выше 300°C.

Диапазон температур: от –200°C до 1300°C. Выходная чувствительность примерно 39 мкВ/°C при 600°C.

Сильные стороны: Лучшая долговременная стабильность калибровки, чем у типа K, при температуре выше 300°C; лучшая стойкость к высокотемпературному окислению, чем Тип К; более устойчив к гистерезису в диапазоне 300–600°С.

Лучше всего для: Высокотемпературные промышленные процессы, где долгосрочная стабильность калибровки имеет решающее значение; замена типа K в приложениях, где дрейф является постоянной проблемой при техническом обслуживании; печи и обжиговые печи, работающие в диапазоне 600–1200°C.

Тип R и Тип S (Платина-Родий / Платина)

Типы R и S представляют собой термопары из благородных металлов — в обоих используются сплавы на основе платины (Тип R: 13% родий/платина положительный; Тип S: 10% родий/платина положительный; в обоих используется отрицательный проводник из чистой платины). Их конструкция из благородных металлов обеспечивает им характеристики стабильности и точности, с которыми не могут сравниться типы из недрагоценных металлов, но при значительно более высокой цене.

Диапазон температур: От 0°C до 1600°C (тип R и S). Тип B (30 % Rh/Pt / 6 % Rh/Pt) рассчитан на температуру до 1700°C.

Сильные стороны: Выдерживает высокие температуры до 1600°C; отличная стабильность калибровки при повышенных температурах; высокая точность (допуск класса 1 ±1°C или 0,25%); подходит для использования в окислительной и инертной атмосфере; Международная температурная шкала ITS-90 использует тип S в качестве одного из определяющих инструментов интерполяции между 630,74°C и 1064,43°C.

Ограничения: Очень высокая стоимость (стоимость платинородиевого сплава); низкая выходная чувствительность (около 10 мкВ/°C при 1000°C — требуется чувствительная аппаратура); подвержен загрязнению восстановительными газами и парами металлов (в большинстве промышленных сред необходимо защищать керамическими или платиновыми оболочками); хрупкий — нельзя использовать без защиты в условиях механических ударов или вибрации.

Лучше всего для: Печи для производства стекла; керамические печи; обработка драгоценных металлов; лабораторные калибровочные эталоны; любой высокотемпературный процесс, превышающий возможности типов недрагоценных металлов, где точность измерения оправдывает дополнительные затраты.

Таблица сравнения типов термопар

Конструкция термопар: неизолированные провода, с минеральной изоляцией и сборные типы

Помимо типа сплава, физическая конструкция термопары в сборе определяет ее скорость срабатывания, механическую прочность и пригодность для различных условий установки:

Термопары с голыми проводами представляют собой простейшую форму: два провода термопары приварены к измерительному наконечнику и проходят без защиты или с основной керамической изоляцией. Они имеют самый быстрый тепловой отклик (нет защитной массы между наконечником и измеряемой средой) и используются в приложениях, где быстрый отклик имеет решающее значение, а окружающая среда не требует механической защиты — измерение температуры газового потока, исследовательские приложения и мониторинг процессов с коротким сроком службы.

Термопары с минеральной изоляцией и металлической оболочкой (MIMS) (также называемые термопарами с минеральной изоляцией или кабелями с минеральной изоляцией) состоят из проводов термопар, упакованных в минеральный порошок оксида магния (MgO) внутри бесшовной металлической оболочки (нержавеющая сталь, инконель или другие сплавы). Изоляция MgO обеспечивает электрическую изоляцию между проводниками и оболочкой, а металлическая оболочка обеспечивает механическую защиту и химическую стойкость. Термопары MIMS представляют собой стандартную промышленную конструкцию: они прочные, виброустойчивые, доступны в небольших диаметрах (внешний диаметр 1–12 мм) и могут быть изогнуты для установки сложной геометрии. Доступен с заземленным измерительным спаем (приваренным к оболочке для более быстрого реагирования), незаземленным (изолированным от оболочки для электрической изоляции) или открытым (выступающим за пределы оболочки для более быстрого реагирования).

Термопары, монтируемые в защитную гильзу вставьте в отдельно установленную защитную гильзу (трубку с закрытым концом, прикрепленную к технологическому сосуду или трубе), а не непосредственно контактируйте с измеряемой средой. Защитная гильза защищает термопару от эрозии потока, давления и химического воздействия, а также позволяет снимать и заменять термопару без остановки процесса. Немного более медленный температурный отклик, чем у типов с прямым погружением, но необходим для процессов с высоким давлением и высокой скоростью.

Часто задаваемые вопросы

Могу ли я заменить термопару типа K на термопару типа N, не меняя ничего больше?

Вы можете заменить термопару типа K на тип N механически — физические размеры термопары могут быть идентичными. Однако калибровочные таблицы для типов K и N различаются (они дают разные значения ЭДС при одной и той же температуре), а это означает, что прибор для измерения температуры, подключенный к термопаре, необходимо переконфигурировать для входа типа N, чтобы отображать правильную температуру. Если прибор настроен на тип K и подключена термопара типа N, отображаемая температура будет неправильной, обычно на несколько градусов ниже фактической при высоких температурах. Всегда меняйте конфигурацию прибора и удлинительного провода (для термопар типа N требуется удлинительный провод типа N) при изменении типа термопары.

В чем разница между проводом термопары и удлинителем термопары?

Проволока термопары представляет собой фактический чувствительный сплав, используемый в измерительном наконечнике. Она должна быть парой сплавов, соответствующей назначенному типу термопары (хромель/алюмель для типа K и т. д.), и должна непрерывно простираться от измерительного спая до эталонного спая (клеммы прибора), не создавая между ними переход из разнородных металлов. Удлинительный провод (также называемый компенсационным кабелем для типов более низкого класса) используется для передачи сигнала термопары от головки термопары к прибору на большие расстояния при меньших затратах — в нем используются сплавы, выбранные так, чтобы термоэлектрические свойства точно соответствовали исходным сплавам термопар в диапазоне температур окружающей среды прокладки проводки (обычно 0–200 ° C). Использование обычного медного провода или удлинительного провода неправильного типа между термопарой и прибором приводит к ошибке измерения в точке соединения и дает неправильные показания температуры.

Как узнать, что термопара нуждается в замене?

Отказ и деградация термопары имеют несколько идентифицируемых индикаторов: внезапный отказ разомкнутой цепи (прибор отображает показания неисправности, обычно максимальную шкалу или код ошибки — провод термопары сломался в месте, подверженном коррозии или механическом напряжении); постепенный дрейф калибровки (показания прибора все больше отличаются от эталонного измерения — сплавы термопар изменили состав из-за окисления, загрязнения или роста зерен при повышенной температуре); прерывистые показания, которые изменяются хаотично (частичный разрыв провода термопары, который устанавливает и разрывает контакт с движением - приводит к скачкам или колебаниям показаний прибора). Плановая замена, основанная на рекомендованном производителем сроке службы в зависимости от температуры установки и окружающей среды, позволяет избежать непредвиденных сбоев в управлении процессом из-за неисправности термопары во время производства.

Термопары от электрического нагревательного элемента Xinghua Yading

Xinghua Yading Электрический нагревательный элемент Co., Ltd. , Синхуа, Цзянсу, производит промышленные термопары типа K, типа J, типа T, типа E, типа N и благородных металлов, в конфигурации с минеральной изоляцией (MIMS) и в собранном виде. Материалы оболочки включают нержавеющую сталь 304/316, Inconel 600/601 и другие сплавы для применения в условиях высоких температур и агрессивных сред. Доступны стандартные и специальные конфигурации наконечников, диаметры оболочек от 1 мм до 12 мм и типы соединительных головок. Термопарные сборки для систем электронагрева, литьевого оборудования, промышленных печей и контроля температуры процесса. OEM-производство по индивидуальным спецификациям и конфигурациям для конкретного применения.

Свяжитесь с нами и сообщите диапазон температур вашего применения, технологическую атмосферу, требуемый класс точности, материал оболочки и механическую конфигурацию, чтобы получить рекомендации и предложение по техническим характеристикам термопары.

Сопутствующие товары: Термопара | Картриджный нагреватель | Ленточный обогреватель | Горячий нагреватель бегунка | Погружной нагреватель