Основы термоэлектричества

Метод измерения температуры термопарами основан на явлении Зеебека: в электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых различныхпроводников, возникает электрический ток, если в местах контактов поддерживается различная температура. Схема, иллюстрирующая принцип работы термопары (эффект Зеебека) представлена на рис. 1

Упрощенно возникновение ТЭДС в металлах и сплавах можно объяснить, опираясь на теорию электронного газа П. Друде. В модели, предложенной П. Друде, металл рассматривается как решетка атомов, на внешних орбиталях которых находятся валентные электроны, слабо связанные электромагнитными силами с ядром атома. Валентные электроны можно считать свободными частицами, так как они легко могут переходить от одного атома к другому. Эти электроны в металлах называют электронами проводимости. Система свободных электронов при отсутствии внешних воздействий находится в равновесии. Средняя скорость электронов равновесной системы равна нулю, хотя каждый из электронов обладает конечной энергией и скоростью, пропорциональной локальной температуре металла.

При изменении температуры вдоль проводника система электронов отклоняется от равновесного состояния. Средняя скорость электронов в области горячего конца проводника становится отличной от нуля, а вектор скорости направлен в сторону области с более низкой температурой. Поскольку электроны являются носителями заряда, наличие такой скорости приведет к возникновению электрического тока. Но электрическая цепь разомкнута, и поэтому электрический ток существует лишь до тех пор, пока в более холодной области не накопится заряд, достаточный для создания замедляющего электрического поля. Это поле противодействует дальнейшему накоплению заряда и в точности компенсирует влияние градиента температуры на среднюю скорость электронов. Когда достигается новое равновесное состояние, электрический ток в цепи исчезает.

Таким образом, при наличии градиента температуры в проводнике возникает электрическое поле, направленное навстречу градиенту температуры. Различие в числе электронов на концах проводника и ток в цепи существуют до тех пор, пока есть градиент температуры. Соответственно градиент потенциала электрического поля, собственно и являющийся ТЭДС, не может возникнуть без температурного градиента. Это основной механизм возникновения ТЭДС который называетсядиффузионной составляющей ТЭДС. Она доминирует в чистых металлах при температурах выше температуры Дебая и является основной составляющей ТЭДС, возникающей во всем температурном диапазоне применения для сплавов, содержащих несколько процентов легирующих элементов. 

Величина ТЭДС E_A(T), возникающей на однородном участке проводника A, определяется как:

, (1)

где S_A(T) – локальная чувствительность участка проводника.
Из выражения (1) следует, что:

. (2)

Формула (2) выражает абсолютный коэффициент Зеебека локального участка – физическую характеристику любого электропроводящего материала, которая не зависит от наличия других материалов в цепи.

Зависимость ТЭДС от температуры для термопары, состоящей из изотропных термоэлектродов, представляется в интегральном виде:

. (3)

Коэффициент Зеебека пары проводников АВ S_AB представляет собой разность коэффициентов Зеебека материала А и материала В:

. (4)

Коэффициент Зеебека S_AB, характеризующий изменение E_AB в зависимости от температуры, называют также коэффициентом ТЭДС, дифференциальной ТЭДС или чувствительностью термопары. Для большинства пар металлов и сплавов S_AB имеет порядок 10–5–10–4 В/К.

На практике электроды термопар на разных участках своей длины имеют неодинаковый коэффициент ТЭДС. Это проявление неоднородности физических свойств реальных материалов и сплавов, обусловленной колебаниями их состава и структуры, получило название термоэлектрической неоднородности (ТЭН). Исходная ТЭН термоэлектродной проволоки возникает при ее изготовлении, развивается в процессе изготовления термопар и представляет собой, как правило, небольшие колебания ТЭДС. У отработавших некоторое время термопар ТЭН термоэлектродов является результатом наложения исходных неоднородностей и неоднородностей, развивающихся в процессе эксплуатации вследствие ряда причин: изменения состава сплава за счет избирательного окисления, испарения или связывания в соединения отдельных элементов сплава; поглощения элементов извне при взаимодействии с изолирующими материалами и окружающей средой; рекристаллизации, роста зерна; превращений в твердом состоянии (упорядочения, распада твердого раствора). Неоднородность может возникнуть в любое время в процессе использования термопары.

Любой неоднородный термоэлектрод можно рассмотреть, как цепь нескольких локально однородных участков произвольной длины и с заданными температурами на концах. В этом случае напряжение, возникающее на концах термопары, – это сумма ТЭДС от всех участков с различной температурой на концах (см. формулу 3). На участках с постоянной температурой ТЭДС не генерируется.

                       (5)

Применение методики поверки, изложенной в ГОСТ 8.338-2002, при периодической поверке ранее эксплуатировавшихся, а значит неизбежно приобретших термоэлектрическую неоднородность термоэлектрических преобразователей, зачастую приводит к заведомо ложным результатам. Так реально поверка по ГОСТ 8.338-2002 производится при глубине погружения 250-300 мм и её результаты будут действительны только для этой глубины погружения, при этом термопары в условиях эксплуатации помещаются в печь на 500мм и более. Участок основного градиента температур, как правило, приходится на часть термопары, расположенную в зоне футеровки печи. Что иллюстрирует рисунок 2. Следовательно, участок длиной 250-300 мм расположен в зоне практически равномерной температуры и генерируемая на нём величина термо-э.д.с. значительно меньше, чем на участке основного градиента. Можно утверждать, что термопара, помещенная в печь на большую глубину, чем при поверке, будет давать показания ближе к истинным, а результат поверки нельзя учитывать в качестве поправки к её показаниям.  Тем более нельзя применять ранее использовавшуюся термопару на глубине погружения меньшей той, при которой проводилась поверка.

 

Градуировка термопары

Согласно ГОСТ 8.585 и МЭК 60574 градуировки термопар имеют буквенные коду K,J,N, T, S, R, B в зависимости от химического состава термоэлектродов. В следующей таблице приведены обозначения градуировок термопар, диапазон в котором нормирована НСХ каждого типа градуировки термопар и цветовая маркировка удлинительных проводов термопар.

Тип датчика	Эскиз провода	НСХ нормирована в диапазоне температур	Цветовая маркировка по МЭК 60584:3-2007	Номинальный состав
ХА (К)		От -200	«+» Зеленый	Хромель
		До 1370	«-» Белый	Алюмель
НН (N)			«+» Розовый
			«-» Белый
ЖК (J)			«+» Черный
			«-» Белый
МК (Т)			«+» Коричневый
			«-» Белый
ПП(S)
ПП (R)
ПР (B)
ХК (L)			«+» Зеленый
			«-» Желтый

 

Кабельные термопары

В своем производстве, "ПК"Тесей" использует кабельные термопары. Она представляет собой гибкую металлическую трубку с размещёнными внутри нее одной, двумя или тремя парами термоэлектродов, расположенными параллельно друг другу. Пространство вокруг термоэлектродов заполнено уплотненной мелкодисперсной минеральной изоляцией. Термоэлектроды кабельной термопары со стороны рабочего торца попарно сварены между собой, образуя один, два или три рабочих спая. Рабочий торец заглушен с помощью сварки, либо имеет открытый спай. Свободные концы термоэлектродов подключаются к клеммам головки датчика температуры или к удлиняющим проводам. Высокая плотность изоляции кабельной термопары позволяет навивать её на цилиндр радиусом, равным пятикратному диаметру кабеля, без изменения технических характеристик термопары. Например, термопару диаметром 3 мм можно навить на трубу диаметром 30 мм. При этом не происходит замыкания электродов между собой или с оболочкой. Надежная изоляция обусловлена технологией изготовления тер-мопарного кабеля. Из окиси магния или алюминия методом сухого прессования изготавливают двухканальные бусы, в которые вставляют термоэлектроды, сборку помещают в трубу диаметром около 20 мм и многократно протягивают через фильеры, проводя промежуточный отжиг в среде водорода или аргона.

Главные преимущества кабельных термопар.

• широкий диапазон рабочих температур. Это самый высокотемпературный из контактных датчиков;
• малый показатель тепловой инерции, позволяющий применять их для регистрации быстропротекающих процессов;
• универсальность применения для различных условий эксплуатации, хорошая технологичность, малая материалоемкость;
• способность выдерживать большие рабочие давления;
• изготовление на их основе термопреобразователей в защитных чехлах блочно-модульного исполнения, обеспечивающих дополнительную защиту термоэлектродов от воздействия рабочей среды и создающих возможность оперативной замены термочувствительного элемента.

Датчик температуры выполненный на основе термопарного кабеля удобен в эксплуатации, его конструкцияпозволяет изгибать кабель, монтировать в труднодоступных местах, в кабельных каналах, при этом длина ТП может достигать нескольких сотен метров. Термопары можно приваривать, припаивать или просто прижимать к поверхности для измерения ее температуры.

Общие советы по выбору термопар из неблагородных металлов

• ниже нуля – тип Т
• комнатные температуры – тип К, Т
• до 300 °С – тип К
• от 300 до 600°С – тип N
• выше 600 °С – тип К или N

Подключение термопары.

Рабочий конец термопары погружается в среду, температуру которой требуется измерить. Свободные концы подключаются ко вторичному прибору. Для подключения термопары к модулю ввода используют специальные термопарные провода, выполненные из того же материала, что и сама термопара. Для этой цели можно использовать и обычные медные провода, однако в этом случае необходим выносной датчик температуры холодного спая, который должен измерять температуру в месте контакта термопары с медными проводами.

Рисунок 4. Схема подключения термопары

Схема подключения термопар к клеммам головки для одной (Рис.5) и двух пар (Рис.6) термоэлектродов.

Рисунок5	Рисунок6

Погрешность измерений термопарой. Расчёт неопределенности результатов измерения температуры

Основные нормативные документы, касающиеся неопределенности измерений:

Руководство по оцениванию неопределенности в измерении (документ принят Международной Организацией по Стандартизации, Женева, 1993).
ГОСТ Р 54500.1-2011 Неопределенность измерения. Часть 1. Введение в руководства по неопределенности измерения
ГОСТ Р 54500.3-2011 Неопределенность измерения. Часть 3. Руководство по выражению неопределенности измерения
EA-4/02 Выражение неопределенности измерения при калибровке.

Бюджет неопределенности измерений

На неопределенность результатов измерений температуры термопарами влияют многие факторы, основные из них это:

1. неопределенность измерения термо-ЭДС регистрирующим прибором;
2. класс допуска термопары;
3. неопределенность калибровки термопары, т.е. определения её индивидуальной статистической характеристики (ИСХ);
4. термоэлектрическая характеристика удлинительной линии, соединяющей термопару с регистрирующим прибором;
5. изменение дифференциальной чувствительности (коэффициента Зеебека) термопары во времени (дрейф) и по длине, обусловленное возникновением и развитием термоэлектрической неоднородности (ТЭН).

Характеристики источников неопределенности измерения температуры термоэлектрическим преобразователем представлены в таблице 2. Бюджет неопределенности составлен в соответствии указанными выше нормативными документами. Для пояснения вкладов каждого из источников в суммарную неопределенность полезно привести выдержку из РМГ-43, касающуюся неопределенностей типа B:

«Наиболее распространенный способ формализации неполного знания о значении величины заключается в постулировании равномерного закона распределения возможных значений этой величины в указанных (нижней и верхней) границах [(bi–;bi+) для i-й входной величины]. При этом стандартную неопределенность, вычисляемую по

типу В – uB(xi), определяют по формуле   ,  а для симметричных границ (±bi) – по формуле  » (где xi – оценка i-й входной величины).»

Таблица 2. Бюджет неопределенности измерений

Источник неопределенности	Обозначение	Тип и вид распределения неопределенности		Вклад в суммарную неопределённость
Случайные эффекты при измерении	uСКО	тип А, нормальное распределение		uСКО
Расширенная неопределенность (k=2, 95%) регистрирующего прибора	uприбора	тип В, равномерное симметричное распределение
Разрешающая способность прибора	uр.с.	тип В, равномерное асимметричное распределение
Расширенная неопределенность (k=2, 95%) компенсации температуры опорных спаев	uопор	тип В, равномерное симметричноераспределение
Нестабильность прибора за межповерочный интервал (МПИ)	uдрейф_приб	тип В, равномерное симметричноераспределение
Расширенная неопределенность (k=2, 95%) влияние температуры окружающей среды на измерительный прибор	uокр_приб	тип В, равномерное симметричноераспределение
Расширенная неопределенность (k=3, 99,7%) класса допуска удлинительных проводов	uпровода	тип В, равномерное симметричноераспределение
Расширенная неопределённость индивидуальной статической характеристики ТП	uДТ	uДТ = uИСХ  в случае индивидуальной градуировки датчика uДТ = uКД  в случае поверки ТП на соответствие классу допуска
Расширенная неопределенность (k=3, 99,7%) калибровки ТП	uИСХ	тип В, нормальное распределение
Расширенная неопределенность класса допуска ТП	uКД	тип B, равномерное симметричноераспределение
Расширенная неопределенность (k=3, 99,7%) влияние температуры окружающей среды на датчик температура	uокр_ДТ	тип В, равномерное симметричноераспределение
Нестабильность ТП за межповерочный интервал (МПИ)	uдрейф	тип В, равномерное симметричноераспределение
Неоднородность ТП	uТЭН	тип В, равномерное симметричноераспределение
Тепловой контакт со средой	uПЕЧЬ	тип В, равномерное симметричноераспределение
Самонагрев датчиков серии ТС	UНагр	тип В, равномерное асимметричное распределение
Расширенная неопределенность измерения температуры, °C		uТ

Расширенная неопределенность измерения uТ определяется по формулам:

 /1/

при измерении термопарами с индивидуальной градуировкой

или    /2/

при измерении термопарами без индивидуальной градуировки.

Стабильность термопар

Многочисленные исследования показали более высокую стабильность кабельных ТП по сравнению с обычными проволочными. Так, изменение показаний кабельных термопар типа ХК диаметром 4 мм (диаметр электрода 0,85 мм) при 425 ±10°С за 10000 часов не превышает 0,5°С, а за 25000 часов составляет +1,15°С, тогда как для проволочных достигает 1°С за 10000 часов.

Сравнительные испытания термопар типа ХА показали, что изменение термо-э.д.с. кабельной термопары наружным диаметром 3 мм (диаметр термоэлектродов 0.65 мм) при температуре 800°С за 10000 часов составляет примерно 2,5°С, тогда как у обычной термопары ТХА с термоэлектродами диаметром 3,2 мм оно достигает 3°С, а при диаметре электродов 0,7 мм превышает 200–250 мкВ (5-6°С) при тех же условиях.

Изменение термо-э.д.с. кабельных термопар в оболочке из высоко-никелевых сплавов при 980°С также вдвое меньше, чем у обычной термопары при той же температуре за 5000 ч. Изменение показаний проволочной термопары ТХА с электродами диаметром 3.2 мм достигает 11°С за 1000 ч при температуре 1093°С, а при 1200°С – 12,5°С за 200 ч. Повышенная стабильность кабельных термопар объясняется затруднением окисления термоэлектродов из-за ограниченного количества кислорода внутри кабеля, а также дополнительной защитой термоэлектродов от воздействия рабочей среды металлической оболочкой и оксидом магния.

 

Изменение термо-э.д.с. термопарного кабеля: КТМС-ХА (1) и термопара ХА в обычном исполнении (2) при 800°С. Диаметр электродов – 0,7 мм

Изменение термо-э.д.с. термопарных кабелейКТМС-ХА после нагрева на воздухе при 800°С.Цифры на рисунке — диаметр кабелей, мм

Точность термопар, производимых "ПК "Тесей".

Градуировка термопары и классы допуска с обозначениями к1 и к2 соответствуют требованиям стандарта ASTM E 230, являющего более строгим к допустимым величинам отклонений от НСХ по сравнению с российским ГОСТ Р 8.585-2001 и международным МЭК 60584-1. Для датчиков КТХА и КТНН введен дополнительный повышенный класс точности с обозначением к0. Пределы допускаемых отклонений термо-э.д.с. от НСХ преобразователя, выраженные в температурном эквиваленте, в зависимости от диапазона рабочих температур не превышают значений, указанных в таблице ниже.

Тип датчика температуры	Диапазон измерений1, °С		Условное обозначение класса первичного преобразователя	Пределы допускаемых отклонений ТЭДС от НСХ, °С
	от	до
КТХА КТХА Ex	– 40	+250	к0	± (0,5 + 0,002 · |t|)
	+250	+1100		± 0,004 · |t|
	– 40	+275	к1	± 1,1
	+275	+1100		± 0,004 · |t|
	– 40	– 110	к2	± 0,02 · |t|
	– 110	+293		± 2,2
	+293	+1300		± 0,0075 · |t|
КТХК КТХК Ex	– 40	+375	к1	± 1,5
	+375	+600		± 0,004 · |t|
	– 100	+360	к2	± 2,5
	+360	+800		± (0,7 + 0,005 · |t|)
КТНН КТНН Ex	– 40	+250	к0	± (0,5 + 0,002 · |t|)
	+250	+1100		± 0,004 · |t|
	– 40	+275	к1	± 1,1
	+275	+1250		± 0,004 · |t|
	– 200	– 110	к2	± 0,02 · |t|
	– 110	+293		± 2,2
	+293	+1300		± 0,0075 · |t|
КТЖК КТЖК Ex	– 40	+275	к1	± 1,1
	+275	+760		± 0,004 · |t|
	– 40	+293	к2	± 2,2
	+293	760		± 0,0075 · |t|
КТМК КТМК Ex	– 40	+125	к1	± 0,5
	+125	+370		± 0,004 · |t|
	– 100	– 66	к2	± 0,015 · |t|
	– 66	+135		± 1,0
	+135	+400		± 0,0075 · |t|

Показатели надежности термопар.

Надежность – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

Примечание: надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определенные сочетания этих свойств.

Термопары относятся к неремонтируемым и невосстанавливаемым изделиям.

Надежность термопар в условиях и режимах эксплуатации, установленных в ТУ 4211-002-10854341-2013, характеризуется следующими показателями:

• вероятность безотказной работы;
• назначенный срок службы;
• средний срок службы.

Показатели надежности термопар установлены в соответствии с ГОСТ 27883 и учитывают условия эксплуатации ДТ:

• температура применения;
• температура и влажность окружающей среды;
• вибрационные и ударные нагрузки;
• химическая агрессивность среды к материалу чехла датчика.

Назначенный срок службы равен интервалу между поверками (ИМП). При успешном прохождении термопарой периодической поверки, назначенный срок службы продлевается на величину следующего ИМП. В зависимости от наличия и уровня факторов, датчики температуры разделены на четыре группы эксплуатации

Показатели надежности и группы эксплуатации кабельных термопар

Группа условий эксплуатации	Вероятность безотказной работы	Интервал между поверками / Назначенный срок службы	Средний срок службы
I	0,95 за 40 000 часов	5 лет	10 лет
II	0,95 за 16 000 часов	2 года	4 года (6 лет)
III	0,95 за 8 000 часов	1 год	2 года
IV	Не нормирована	Не нормирован	Не нормирован

Отказом ДТ считают:

• превышение допустимой величины дрейфа при периодической или внеочередной поверках;
• разрушение защитной арматуры или нарушение целостности оболочки кабеля;
• обрыв или короткое замыкание цепи чувствительного элемента;
• снижение значения электрического сопротивления изоляции между цепью чувствительного элемента и металлической частью защитной арматуры или оболочкой кабеля ниже допустимых значений.

Средний срок службы указан с вероятностью безотказной работы 0,8 за указанный период

Увеличенный средний срок службы с вероятностью безотказной работы 0.6 за указанный период