3.2 Требования, предъявляемые к материалу термоэлектродов

Термопару можно изготовить комбинируя бесчисленное множество различных материалов: чистых металлов, их сплавов, полупроводниковых и тугоплавких соединений.

К термоэлектродным материалам предъявляются ряд требований: высокое значение развиваемой ТЭДС; стабильность характеристики в течение значительного периода времени и высоких температур; воспроизводимость и линейная зависимость ТЭДС от температуры; однородность термоэлектрических свойств по длине проводника (для восстановления рабочего спая без переградуировки и для изменения глубины его погружения); легкость технологической обработки и получения сплава одинакового состава; химическая инертность; хорошие экономические показатели.

Большое значение развиваемой ТЭДС определяет высокое значение чувствительности устройства (коэффициент преобразования термопары) ΔE/ΔT, т. е. отношения приращения ТЭДС ΔE к величине изменения температуры ΔT, вызвавшее данное приращение сигнала. Данный показатель для технических термоэлектрических термометров находится в пределах 0,01…0,10 мВ/°С. Чем больше это значение, тем менее чувствительный, но более дешевый и надежный вторичный прибор можно использовать в комплекте с термопарой.

Однако все применяемые ТП не отвечают в полной степени этим требованиям. Выбор материалов термоэлектродов в значительной степени определяется уровнем температуры, давлением и агрессивным воздействием измеряемой среды. Значительный опыт эксплуатации различных термопар привел к тому, что в настоящее время количество применяемых в технике измерений материалов невелико. Основные стандартизованные типы термопар и их характеристики приведены в таблице 3.1 [6].

Медь-копелевые и медь-медноникелевые (типа T) ТП применяются главным образом для измерения низких температур в промышленной и лабораторной практике. Применение этих термопар для температуры менее – 200 °С осложняется существенным уменьшением коэффициента преобразования с уменьшением температуры. При температуре свыше 400 °С начинается существенное окисление меди, что ограничивает применение этих термометров.

Железо-медноникелевые ТП типа J применяются в широком диапазоне температур от – 200 до + 700 °С, а кратковременно – и до 900 °С. Они имеют большой коэффициент преобразования (0,055 мВ/°С), но верхний предел ограничен из – за окисления материала термопары.

Хромель-копелевые ТП обладают наибольшим коэффициентом пре-образования (0,07…0,09 мВ/°С). Для ТП с термоэлектродами диаметром менее 1 мм верхний предел длительного применения менее 600 °С. (так при диаметре 0,2…0,3 мм только 400 °С). Верхний предел применения определяется также стабильностью характеристик копелевого термоэлектрода.

Никельхром-медноникелевые (тип E) и никельхром-никельалюминие-

вая (ранее назывались хромель-алюмелевыми) типа K термопары применяются для измерения температур различных сред в широком диапазоне от 200...1000 °С (кратковременное измерение 1300 °С). Термоэлектрод из ни-

кельалюминиевой проволоки менее устойчив к окислению, чем никельхромовый. Верхние пределы измерения также зависят от диаметров термоэлектродов. Для термоэлектродов диаметром 3…5 мм верхний предел длительного применения составляет 1000 °С, а для диаметра 0,2 мм он состав-

ляет не более 600 °С.

Все выше перечисленные ТП из неблагородных материалов хорошо

Таблица 3.1

Основные характеристики термоэлектрических преобразователей

Обозначение промышленного термопреобразователя	Обозна- чение ти- па термо- пары но- вое (старое)	Химический состав термоэлектродов		Пределы измерений С			ТЭДС, мВ при t = 100С t0 = 0С
		положительный	отрицательный	нижний	длитель-ный	кратковременный
Медь–медьнике- левые (медь–кон- стантановые)	Т (ТМК)	Медь М1(Сu)	Сплав константан 55% Cu +45% Ni, Mn, Fe	– 200	+ 700	900	4,28
Железо-медь–ни- келевые (железо–константановые	J (ТЖК)	Железо (Fe)	Сплав константан 55% Cu +45% Ni, Mn, Fe	– 200	+ 700	900	5,27
Хромель–копеле- пелевые	L (ТХК)	Сплав хромель 90,5%Ni+9,5%Cr+	Сплав копель 56% Cu +44% Ni	– 300	+ 600	800	6,88
Никель-хром –медьникелевые (хромель-конст- антановые)	E (ТХКн)		Сплав константан 55% Cu +45% Ni, Mn, Fe	– 200	+ 700	900	6,32
Никельхром – ни- кельалюминиевая (хромель-алюме- левая)	K (ТХА)	Сплав хромель 90,5% Ni+9,5%Cr+	Сплав алюмель 94,5 % Ni + 5,5% Al, Si, Mn, Co	– 200	+ 1000	1300	4,09
Платинородий – платиновая	S (ТПП10)	Сплав платинородий 90%Pt + 10%Rh	Платина Пл Т (Pt)	0	+1300	1600	0,65
	R (ТПП13)	Сплав платинородий 87%Pt + 13%Rh	Платина Пл Т (Pt)	0	+1300	1600	0,65

Продолжение таблицы 3.1

Обозначение про мышленного тер- мопреобразовате- ля	Обозна- чение но- вое (старое)	Химический состав термоэлектродов		Пределы измерений С			ТЭДС, мВ при t = 100С t0 = 0С
		положительный	отрицательный	нижний	длитель-ный	кратковременный
Платинородий– платинородий	B (ТПР)	Сплав платинородий 70%Pt+30%Rh	Сплав платинородий 94% Pt + 6% Rh	300	+1600	1800	1,45
Никель-хромкре- мний – никель-кремниевые (ник- росил–нисило- вые)	N (ТНН)	Сплав никросил (83,49…84,89) % Ni+(13,7…14,7)% Cr+(1,2…1,6)%Si+0,15% Fe + 0,05%С+0,01% Mg	Сплав нисил (94,98…95,53)% Ni +0,02%Cr +(4,2… 4,6)%Si +0,15% Fe+ 0,05%С+(0,05…0,2%Mg	– 270	+1300	1300	4,1
Вольфрамрений– вольфрамренивые	А-1, А-2, А-3 (ТВР)	Сплав вольфрам-рений 95% W + 5% Re	Сплав вольфрам-рений 80% W + 20% Re	0 0 0	+2200 +1800 +1800	2500	1,33
Медь – копелевая	М (ТМК)	Медь (Cu)	Сплав копель 56% Cu +44% Ni	– 200	100	300	3,25

работают в инертной и восстановительной атмосфере, а в окислительной их срок службы ограничен. Кроме того хромель-копелевые и никельхром-никельалюминиевые термопары отличаются достаточно высокой стабильностью градуировочной характеристики при высокой интенсивности ионизирующих излучений. Хромель-копелевые ТП имеют существенно нелинейную характеристику по сравнению с хромель-алюмелевой термопарой. Все они развивают значительную ТЭДС, (особенно ТХК), дешевы, хорошо противостоят окислению в воздушной среде и являются самыми распространенными.

Платинородий-платиновые ТП (типа S, R) могут длительно работать в интервале температур от 0 до 1300 °С, а кратковременно – до 1600 °С. Эти термопары сохраняют стабильность градуировочной характеристики в окислительной и нейтральных средах. В восстановительной атмосфере работать не могут, так как происходит существенное изменение ТЭДС. Так же отрицательно воздействует на ТП контакт с углеродом (науглероживание проволоки искажает термоэлектрическую характеристику платины и приводит к погрешностям в измерении), парами металлов, соединениями углерода и кремния, а также рядом других материалов, загрязняющих термоэлектроды. Этот ТП является наиболее точным и используется также в качестве образцовых рабочих эталонов и термометров 1-го, 2-го и 3-го разрядов.

Платинородий-платинородиевые ТП (типа B) применяются длительно интервале температур от 300 до 1600 °С, а кратковременно – до 1800°С. Они отличаются большей стабильностью градуировочной характеристики, чем типа S, но также плохо работают в восстановительной атмосфере. В связи с тем, что ТЭДС, развиваемая этой термопарой в интервале температур 0…100 °С незначительна, при технических измерениях их можно применять без термостатирования свободных концов.

Вольфрамрений-вольфрамрениевые ТП предназначены для длительного измерения температуры от 0 до 2200 °С и кратковременно до 2500 °С в вакууме, в нейтральной и восстановительной средах.

Кроме стандартных ТП находят применение и нестандартные, которые, либо не отвечают требованиям воспроизводимости, либо не имеют достаточно стабильную градуировочную характеристику. Разработаны ряд термопар из тугоплавких неметаллических соединений (полупроводников), которые устойчивы при температуре выше 1500°С в углеродсодержащих газах, даже при измерениях выше 1700°С и не требуется защитной арматуры. В ряде случаев, особенно при высокотемпературных исследованиях, начали использовать термоэлектрические термометры из тугоплавких соединений, таких как борид циркония, карбид титана, графит, дисилицид вольфрама и т. п.

К ним относятся высокотемпературные термометры:

– дисилицид молибдена – дисилицид вольфрама для измерения температуры агрессивных газовых сред и некоторых расплавов в интервале температур до 1700 °С;

– углерод–борид циркония для измерения металлов до температур до 1800 °С;

– углерод – карбид титана для измерения неокисленных газовых сред до 2500 °С;

– карбид ниобия – карбид циркония для измерения в восстановительной и инертной среде или вакууме до 3000 °С.

Для измерения низких температур (до – 270 °С) в промышленных установках применяют золотожелезо – никельхромовую термопару, которая практически не меняет своего коэффициента преобразования в интервале температур – 200… – 270 °С.

3.3 Виды и назначение соединений термопар

Для измерения ТЭДС в цепь термоэлектрического термометра включают измерительный прибор, причем его включение вводит в цепь по крайней мере еще один, третий проводник (c), т. е. ТЭДС цепи, составленной из трех разнородных проводников, не отличается от ТЭДС цепи, составленной из двух проводников, если температура мест подсоединения третьего проводника равна температуре остальных концов. Таким образом, можно сделать следующие выводы: включение одного, двух или нескольких проводников в цепь термоэлектрического термометра (ТЭТ) не вызывает искажения ТЭДС термометра, если места подсоединения каждого из этих проводников будут иметь одинаковую температуру; рабочий конец ТП можно изготавливать путем сварки или пайки, если температура во всех точках спая будет одинакова.

ТЭДС при равенстве температур всех мест соединений будет

E_abC (t) = e_ab (t) + e_bC (t) + e_Ca (t)=0 (3.2)

В результате преобразований получается зависимость

E _abC (t, t₀ ) = e_ab (t) – e_ab (t₀), (3.3)

Могут быть использованы два варианта включения измерительного прибора ИП в цепь ТЭТ: в разрыв электрода (рис. 3.4,а) и в разрыв спая свободного конца (рис. 3.4,б), где ТП имеет один рабочий спай 1 и два свободных спая 2 и 3. При включении прибора в разрыв одного из термоэлектродов ТП имеет рабочий 1, свободный 2 и два нейтральных (3 и 4) при постоянной температуре спая t. При неравенстве температур спаев 2 и 3 (рис. 3.3,а) или 3 и 4 (рис. 3.4,б) в контуре образуется паразитная ТЭДС.

Для решения отдельных задач измерений температуры применяют различные способы соединения термопар и вторичных приборов. Так для увеличения коэффициента преобразования ТП применяют последовательное включение (рис. 3.5а), нескольких n термопар (термобатарею), дающих в n раз больше ТЭДС отдельной термопары. Термобатарея используется, если температура t измеряемого объекта незначительно отличается от температуры t₀ свободных концов ТП, для измерения низких температур, а также для уменьшения погрешности измерения:

E (t,t₀) = e₁(t₁, t₀) + e₂(t₂, t₀) + e₃(t₃, t₀) +…+ e_n(t_n, t₀) (3.4)

а б

Рис. 3.4 − Схемы включения измерительного прибора:

а – к свободным концам термопары; б – в разрыв термоэлектрода

Параллельное включение n термопар, имеющих одинаковые сопротивления, дает ТЭДС, среднюю между ТЭДС отдельных термопар (рис. 3.5б):

E = [e₁(t₁, t₀) + e₂(t₂, t₀) + e₃(t₃, t₀) +…+ e_n(t_n, t₀)] / n (3.5)

Дифференциальное соединение (рис. 3.5 в) служит для замера разности температур в двух точках одновременно: включение термопар навстре-

чу друг другу

E (t₁,t₂) = e(t₁) – e(t₂) (3.6)

Здесь спаи 1 и 2 являются рабочими и располагаются в средах соответственно с температурой t₁ и t₂, а спаи 3 и 4 – нейтральные с одинаковой температурой t₀.