3.4 Устройство термоэлектрического преобразователя

Термопара расположена в специальной защитной арматуре, обеспечивающей защиту термоэлектродов от механических поврежений и воздействия измеряемой среды. На рисунке 3.6 показана конструкция технического ТП. Арматура включает защитный чехол 1, гладкий или с непод-вижным штуцером 2, и головку 3, внутри которой расположено контакт-ное устройство 4 с зажимами для соединения термоэлектродов 5 с прово-дами, идущими от измерительного прибора к термометру. Термоэлектроды по всей длине изолированы друг от друга и от защитной арматуры керамическими трубками (бусами) 6.

Основным вопросом при конструировании термопар промышленного типа является выбор материала защитного корпуса, в котором монтируется чувствительный элемент – горячий спай термопары, и материала изоляции термоэлектродов. Защитный корпус должен оградить термопару от действия горячих химически активных газов и жидкостей. Поэтому он дол-жен быть герметичен, хорошо проводить тепло, быть механически прочным и устойчивым к воздействию температуры и активной среды. Кроме того, он не должен выделять при нагреве газов, разрушающих термопару.

а

б

в

Рис. 3.5 − Схемы включения термоэлектрических термометров, где

а – параллельное; б – последовательное (термобатарея); в – для измерения разности температур (дифференциальное)

Чаще всего корпус изготавливают из обычной (для температур до 600°С) или легированной (для температур до 1100°С) стали. Для темпера-тур до 1400 °С корпус изготавливают из кварца и фарфора, однако эти материалы дороги и механически непрочны. При более высоких температурах используют керамические (карбофракс, алунд, диборид циркония и другие).

В качестве термоэлектродов используется проволока диаметром 0,5 мм (благородные металлы) и до 3 мм (не благородные металлы). Спай на рабочем конце 7 термопары образуется сваркой, пайкой или скручиванием. Последний способ используется для вольфрам-рениевых и вольфрам-мо-либденовых термопар. Конструкцией предусмотрена возможность в про-

Рис. 3.6 − Схема общего вида термоэлектрического преобразователя.

цессе эксплуатации извлекать из защитной арматуры термоэлектроды в сборе для поверки или замены. Головка снабжена уплотнением, исключающим попадание пыли и влаги во внутреннюю полость устройства. Термоэлектрические термометры выпускаются двух типов: погружаемые и поверхностные. У последних рабочий спай приводится в непосредственный контакт с измеряемой поверхностью. Промышленность изготавливает устройства различных модификаций, отличающихся по назначению и условиям эксплуатации, по материалу защитного чехла, по способу установки термометра в точке измерения по герметичности и защищенности от действия измеряемой среды, по устойчивости к механическим воздействиям, по степени тепловой инерционности и т. п.

Конструктивное оформление ТП весьма разнообразно, что позволяет их применять в различных условиях. Имеется также унифицированная арматура, которая обеспечивает взаимозаменяемость ряда моделей термоэлектрических термометров с термометрами сопротивления. Каждая модель изготавливается с различной длиной погружаемой (монтажной) части ТП, которая изменяется от 40 до 2000 мм.

Большое распространение в последнее время получают термоэлектрические преобразователи кабельного типа [3]. Они представляют собой два термоэлектрода, помещенные в гибкую тонкостенную защитную трубку оболочку (рис. 3.7). Пространство между термоэлектродами и оболочкой заполняется специальной изолирующей засыпкой (порошок MgO или Аl₂О₃). Оболочка изготавливается из нержавеющей или жаропрочной стали. Выпускаются хромель-алюмелевые и хромель-копелевые термопреобразователи с изолированным (рис. 3.7,а) и неизолированным (рис. 3.7,6) спаями. Длина таких термопар составляет до 25 м. Они применяются в интервале температур от – 50 до 900 ^оС (в оболочке из жаропрочной стали –

Рис. 3.7 − Устройство ТП кабельного типа:

а) - с изолированным; б) – с неизолированным спаями

до 1100°С) при давлении до 40 МПа в технологических процессах различных отраслей промышленности. Достоинство кабельных термопар состоит в том, что в процессе монтажа их можно изгибать (радиус гиба равен 5 диаметрам), а малый диаметр позволяет укладывать их в труднодоступные каналы. Основные параметры и размеры кабельных термопреобразователей приведены в таблице 3.2.

Кроме того, кабельные термопары защищены от воды, пара, пыли, имеют высокую вибропрочность, работают в условиях агрессивных сред и мощных радиационных полей, позволяющие им работать в энергетических

реакторах АЭС, имеют повышенную стойкость к тепловым ударам, вибрации, и механическим нагрузкам, малый показатель тепловой инерции и повышенный в 2…3 раза рабочий ресурс.

Таблица 3.2

Технические характеристики кабельных термопреобразователей

Тип	КТХАС	КТХКС	КТХАСп
Диапазон измерения, °C	-40...+800	-40...+600	-40...+1000
Тип ТЭП	ХА(К)	ХК(L)	ХА(К)
Класс допуска	1, 2	2	1, 2
Материал защит- ной оболочки	12Х18Н10Т	12Х18Н10Т	ХН78Т
Возможные диметры (D), мм	1,5; 3; 4; 5; 6	1,5; 3; 4; 5; 6	1,5; 3; 4; 5; 6
Возможные длины (L), мм	320, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3200, 4000, 5000, 5600, 6300, 7100, 8000, 9000, 10000,11000, 12500, 18000, 25000.

На рис. 3.8 изображена тонкопленочная термопара, q-тепловой поток, вызываемый разностью температур T₁ и T₂ между горячим и холодным источниками тепла. Длина ветвей l термопары уменьшена до длин порядка 0,01…1,0 микрона. Соединив термопары в последовательные электрические цепочки, получается термопарная поверхность у которой ветви термопар превращаются в тонкие пленки, формируемые на основе пленоных технологий микроэлектроники (напыление, электролиз и т.д.). Пленки из железа и никеля формируются на медной подложке, образующей спай. Внутреннее сопротивление такой термопарной поверхности как источника ЭДС будет на много порядков меньше (в миллионы раз), чем существующих термопар. А через большие, ничем не ограниченные поверхности таких термопар можно даже при малых перепадах температур пропускать большие тепловые потоки. Для придания термопарной поверхности необходимых прочностных свойств ее можно изготавливать многослойной. Получается она методом последовательного напыления слоев. На рисунке 3.9 изображена многослойная термопарная поверхность. Такая конструкция позволяет также получать достигнутые значения КПД термопар уже при очень малых перепадах температур. Многослойная же термопара позволяет дополнительно увеличить КПД. Методами нанотехнологий на толщине термопарной поверхности в 1 мм можно нанести более 10 ты-

Рис. 3.8 − Схема тонкопленочной термопарной поверхности

Рис. 3.9 − Вид многослойной термопарной поверхности

сяч слоев отдельных термопар, что дает значительное увеличение КПД. Большие поверхности позволят получить значительные мощности экологически чистой энергии.

Заслуживает также внимание графит-вольфрамовая термопара (рисунок 3.10), которая может быть изготовлена с относительно небольшим наружным диаметром и работать в очень агрессивных средах.

Рис. 3.10 − Графито-вольфрамовый термоэлектрический термометр, где1-графитовый наконечник; 2- вольфрамовый стержень; 3-окись алюминня; 4-графитовая

трубка; 5 - холодильник; 6 - изолятор; 7 - контактная гильза; 8, 9 - прижимные пружинаы, 10 - нажимной винт