Термоэлектрический преобразователь тэп какой градуировки является образцовым

Метрология и стандартизация

Метроло́гия — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов с заданной точностью и достоверностью; нормативная база для этого — метрологические стандарты.

Метрология состоит из трёх основных разделов:

• Теоретическая или фундаментальная — рассматривает общие теоретические проблемы (разработка теории и проблем измерений физических величин, их единиц, методов измерений).
• Прикладная — изучает вопросы практического применения разработок теоретической метрологии. В её ведении находятся все вопросы метрологического обеспечения.
• Законодательная — устанавливает обязательные технические и юридические требования по применению единиц физической величины, методов и средств измерений.

Стандартиза́ция — деятельность по разработке, опубликованию и применению стандартов, по установлению норм, правил и характеристик в целях обеспечения безопасности продукции, работ и услуг для окружающей среды, жизни, здоровья и имущества, технической и информационной совместимости, взаимозаменяемости и качества продукции, работ и услуг в соответствии с уровнем развития науки, техники и технологии, единства измерений, экономии всех видов ресурсов, безопасности хозяйственных объектов с учётом риска возникновения природных и техногенных катастроф и других чрезвычайных ситуаций, обороноспособности и мобилизационной готовности страны.

Стандартизация направлена на достижение оптимальной степени упорядочения в определенной области посредством установления положений для всеобщего и многократного применения в отношении реально существующих или потенциальных задач.

За реализацию норм стандартизации отвечают органы стандартизации, наделенные законным правом руководить разработкой и утверждать нормативные документы и другие правила, придавая им статус стандартов.

В области промышленности стандартизация ведет к снижению себестоимости продукции, поскольку:

• позволяет экономить время и средства за счет применения уже разработанных типовых ситуаций и объектов;
• повышает надежность изделия или результатов расчетов, поскольку применяемые технические решения уже неоднократно проверены на практике;
• упрощает ремонт и обслуживание изделий, так как стандартные узлы и детали — взаимозаменяемые (при условии, что сборка осуществлялась без пригоночных операций).

На нашем сайте предоставлены учебные материалы для студентов, по метрологии и стандартизации. Суммарно около

Если вам нужна помощь в написании работы, то рекомендуем обратиться к профессионалам. Более 70 000 авторов готовы помочь вам прямо сейчас. Бесплатные корректировки и доработки. Узнайте стоимость своей работы.

Термопары. Типы, характеристики, конструкции, производство

Скачать полную версию в формате PDF

Введение

Термопара (термоэлектрический преобразователь) — устройство, применяемое для измерения температуры в промышленности, научных исследованиях, медицине, в системах автоматики.

Основное назначение термопар – измерение температуры. Температура — физическая величина, количественно характеризующая меру средней кинетической энергии теплового движения молекул какого-либо тела или вещества. Из анализа определения температуры можно сделать вывод, что данная физическая величина не может быть измерена непосредственно. Судить об изменении температуры какого-либо объекта можно по изменению других физических свойств данного объекта (например, объема, давления, электрического сопротивления, термо-ЭДС, интенсивности излучения и др.).

Для обеспечения единства измерений температуры в качестве международного стандарта в 1968 году была принята Международная Практическая Температурная Шкала МПТШ-68 (в настоящее время стандартом является уточненная в 1990 году версия шкалы — ITS-90 (МТШ -90), использующая в качестве опорных (реперных) точек температуры изменения агрегатного состояния определенных веществ, которые могут быть воспроизведены. Помимо этого, стандарт определяет типы эталонных средств измерения во всем диапазоне температур. Перечень некоторых реперных точек МТШ-90 приведен в таблице Таблица 1.

Таблица 1 Краткий перечень реперных точек МТШ-90

Реперная точка	Температура, К	Температура, °С
Точка затвердевания золота	1337,33	1064,18
Точка затвердевания серебра	1234,93	961,78
Точка затвердевания цинка	692,677	419,527
Тройная точка воды	273,16	0,01
Тройная точка кислорода	54,3584	–218,7916
Точка плавления галлия	302,9146	29,7646

В зависимости от диапазона измеряемых температур различают две основные группы методов измерения: контактные (собственно термометрия) и бесконтактные (пирометрия или термометрия излучения). Бесконтактные способы применяются, как правило, для измерения очень высоких температур. Измерение температуры с помощью термопар относится к контактному способу измерения.

Принцип действия термопары основан на термоэлектрическом эффекте или эффекте Зеебека. К достоинствам термопар, как средств измерения температуры, можно отнести высокую точность измерения значений температуры, большой температурный диапазон измерения, их простоту устройства и надежность.

Термопары классифицируются по материалам, из которых они изготовлены, а также по классу точности (допуска) (см. Глава 4, §3).

Глава 1 Устройство термопары

§1 Принцип работы термопары. Эффект Зеебека

Принцип работы термопары основан на термоэлектрическом эффекте. Явление термоэлектричества было открыто немецким физиком Т. Зеебеком (T. Seebeck) в 1821 г. и также получило название эффект Зеебека.

Эффект Зеебека состоит в следующем: если соединить два проводника (термоэлектрода) из разнородных металлов или сплавов таким образом, чтобы они образовали замкнутую электрическую цепь (Рисунок 1), и затем поддерживать места контактов (спаи) при различной температуре, то в цепи будет протекать постоянный ток. Цепь, которая состоит только из двух различных проводников (термоэлектродов), называется термоэлементом или термопарой. —>

Электродвижущая сила, вызывающая ток в цепи, называется термо-ЭДС Зеебека и в первом приближении зависит только от материала термоэлектродов и разности температур спаев.

Термоэлектрод, по которому ток идет от горячего спая к холодному, договорились считать положительным, от холодного к горячему – отрицательным. При обозначении термопары, например ТХА (термопара хромель-алюмель), на первом месте в названии указывается материал положительного электрода, на втором – отрицательного.

Таким образом, зная температуру одного спая (обычно ее поддерживают постоянной, например, равной 0 °С) и измеряя ток или напряжение в цепи, можно однозначно определить неизвестную температуру другого спая.

Стоит заметить, что величина термо-ЭДС составляет милливольты при разности температур в 100 К (173,15 °С) и температуре холодного спая в 0 °С (например, пара медь-константан дает 4,25 мВ, платина-платинородий — 0,643 мВ).

§2 Термоэлектрический термометр. Конструкции термопар

Правильнее говорить, что температуру измеряют не с помощью термопары, а с помощью термоэлектрического термометра. Чувствительным элементов такого термометра является термопара; термометрической величиной – термо-ЭДС, возникающая в термопаре; термометрическим свойством – изменение термо-ЭДС с изменением температуры;.

Основными факторами, от которых зависит конструкция термопары, являются условия ее эксплуатации. При конструировании того или иного термоэлектрического преобразователя учитываются такие факторы, как агрегатное состояние вещества, температуру которого требуется измерять, «агрессивность» внешней среды, диапазон измеряемых температур, тепловая инерционность и другие.

• Концы двух термоэлектродов соединяются между собой в одной точке, образуя рабочий спай. Соединение происходит, как правило, с помощью электродуговой сварки, а термоэлектроды перед сваркой скручивают между собой. В специальных случаях вместо сварки может применяться пайка. Термоэлектроды из тугоплавких металлов, например, в вольфрам-рениевых или вольфрам-молибденовых термопарах, часто соединяют только скруткой без дальнейшей сварки.
• Термоэлектроды должны быть соединены между собой только в рабочем спае. По всей остальной длине требуется их электрическая изоляция друг от друга.
• Способ изоляции термоэлектродов зависит от верхнего температурного предела применения термоэлектрического термометра. Если указанный предел не превышает 100-120 °С, то может применяться любая изоляция, в том числе воздушная. При температурах до 1300 °С изоляцию выполняют с помощью фарфоровых одно- и двухканальных трубок или бус. При более высоких температурах электроизоляционные свойства пирометрического фарфора сильно ухудшаются, а сам он размягчается. В связи с этим при более высоких температурах используют трубки из окиси алюминия (до 1950 °С) и из окиси магния, окиси бериллия, двуокиси тория и двуокиси циркония (выше 2000 °С).
• В зависимости от среды, в которой осуществляется измерение температуры, термопара может иметь наружную защитную трубку-чехол с закрытым концом. Данная трубка может быть металлической, керамической или металлокерамической. Она должна обеспечивать механическую стойкость термоэлектрического термометра, отсутствие механического напряжения термоэлектродов, гидроизоляцию, а в некоторых случаях герметичность термометра. Материал защитной трубки-чехла должен выдерживать длительное пребывание при температуре верхнего предела применения данной конструкции термопары, а также быть химически стойким к среде, в которой осуществляются измерения, обладать хорошей теплопроводностью. Защитная трубка-чехол должна быть газонепроницаемой и нечувствительной к действию резких изменений температуры.

Рисунок 1. Термоэлектрический термометр

• погружаемые;
• поверхностные.

• изготовляемые без чехла;
• со стальным чехлом (до t ≈ 600 °С);
• с чехлом из специального жаростойкого сплава (до t ≈ 1000-1100 °С);
• с фарфоровым чехлом (до t ≈ 1300 °С);
• с чехлом из тугоплавких сплавов (t ≈ 2000 °С и более).

• с неподвижным штуцером;
• с подвижным штуцером;
• с подвижным фланцем.

• с обыкновенной головкой;
• с водозащищенной головкой;
• со специальной заделкой выводных концов (без головки).

• защищенные от воздействия неагрессивных и агрессивных сред;
• незащищенные (применяются, когда измеряемая среда не оказывает вредного влияния на термоэлектроды).

• негерметичные;
• герметичные, предназначенные для работы при различных условных давлениях и температурах.

• вибротрясоустойчивые;
• ударопрочные;
• обыкновенные.

• однозонные;
• многозонные.

• с большой инерционностью – до 3,5 минут;
• со средней инерционностью – до 1 минуты;
• малоинерционные – до 40 секунд;
• с ненормированной инерционностью.

Длина рабочей части термопары может быть различной: от 120 до 1580 мм для однозонных термоэлектрических преобразователей, до 20000 мм – для многозонных.

Рисунок 2. Термопары с коммутационными головками, в защитном корпусе

§3 Удлиняющие (компенсационные) провода для термопар

Согласно принципу работы термопары, описанному в Глава 1, §1, свободные концы термопары (холодный спай) должны находиться при постоянной температуре, желательно близкой к 0 °С. К этим концам присоединяют соединительные провода, которые идут к измерительному прибору. Если располагать свободные концы в головке термоэлектрического термометра (см. Рисунок 2), то выполнить данное условие практически невозможно. Головка термометра может находиться при очень высоких температурах, а также эти температуры могут меняться из-за изменения состояния среды, в которой осуществляются измерения. Также не всегда возможно разместить измерительный прибор в непосредственной близости от термопары. Таким образом, возникает необходимость в удалении точек подключения измерительного прибора (свободных концов термопары) от непосредственного места измерения температуры. Данную задачу решают с помощью компенсационных (удлиняющих) проводов.

В простейшем случае компенсационные провода могут быть изготовлены из тех же сплавов, что и термоэлектроды. Но, как правило, провода, выводимые из головки термометра, будут находиться при температурах гораздо более низких, чем термоэлектроды. Этот факт позволяет заменить дорогостоящие термоэлектродные сплавы со специальными свойствами на более дешевые сплавы. Необходимо только обеспечить условия, исключающие возможность образования паразитных (наведенных) термо-ЭДС. О данных условиях будет рассказано далее.

Схема термоэлектрической цепи, которая получается при наличии удлиняющих проводов, представлена на рисунке Рисунок 3. —>

Провода, удовлетворяющие условию EAB(T₁; T₀) = ECD(T₁; T₀), называются удлиняющими (компенсационными). Такие провода, соединенные с термоэлектродами и соединительными проводами, развивают при небольших температурах (не более 100-150 °С) термо-ЭДС, равную термо-ЭДС термопары. Основное назначение компенсационных проводов – отведение свободных концов термопары в зону с известной и постоянной температурой.

В качестве примера можно рассмотреть термопару платинородий-платина (ТПП). Для данной термопары в качестве удлиняющих используются провода, изготовленные из меди и медно-никелевого сплава (0,6% Ni + 99,4% Cu). При T₁ = 100 °С и T₀ = 0 °С они развивают такую же термо-ЭДС, как и платинородий с платиной – 0,64 мВ. В данном случае применение удлиняющих проводов позволит использовать меньшее количество дорогостоящих платинородия и платины.

Конструкция компенсационных проводов представлена на рисунке Рисунок 4. —>

§4 Основные источники погрешностей измерений с помощью термопар

• Изменение термо-ЭДС в процессе работы термопары. Данное явление получило название термоэлектрической нестабильности термоэлектродных сплавов. Установлено, что в процессе эксплуатации все термоэлетродные сплавы изменяют свою термо-ЭДС, что приводит к изменению показаний термопар. При относительно низких температурах или при кратковременной эксплуатации изменения термо-ЭДС могут быть незначительными и не увеличивать погрешность измерений. При высоких температурах или длительной эксплуатации термопар нестабильность может достигать больших значений, что приводит к существенному снижению точности измерений. Основными причинами, вызывающими термоэлектрическую нестабильность, являются: взаимодействие термоэлектродов с окружающей средой; взаимодействие электродов с изолирующими и защитными материалами; взаимодействие термоэлектродов друг с другом; внутренние процессы, протекающие в термоэлектродных сплавах при изменении температуры, воздействии радиации, электромагнитных полей, высокого давления.
• На точность измерений может оказывать влияние сопротивление изоляции термоэлектродов. Под влиянием высоких температур может понизиться электрическое сопротивление изоляции термоэлектродов, что, в свою очередь, может привести к существенному искажению показаний термопары.
• К возникновению погрешностей измерений может привести неправильный выбор измерительного прибора. При уменьшении диаметра термоэлектродов возрастает удельное сопротивление (сопротивление на единицу длины) цепи. Такой же эффект наблюдается и при повышении температуры. Если входное сопротивление измерительного прибора не соответствует сопротивлению подключенной цепи, то могут возникнуть большие погрешности измерений.
• Причиной возникновения погрешностей может стать изменение температуры свободных концов термопары. Эта температура может изменяться в процессе измерения либо может отличаться от температуры свободных концов во время градуировки термопары.
• Погрешность измерения может возникнуть из-за того, что электроды термопары имеют различные значения термо-ЭДС вдоль своей длины. Данное явление называется термоэлектрической неоднородностью термоэлектродных сплавов и возникает из-за неоднородности физических свойств металлов и сплавов, из которых изготовлены электроды термопары. Неоднородность физических свойств обусловлена колебаниями состава и структуры материалов. Причинами таких колебаний могут быть радиоактивное облучение, механическое или электромагнитное воздействие на непосредственно электроды или заготовки, из которых они изготовлены, химические реакции, протекающие в процессе изготовления или эксплуатации электродов термопары.
• Погрешности в определении градуировочной характеристики эталонных термопар.
• Отклонение градуировочной характеристики термопар от стандартной градуировочной таблицы.

Глава 2 Типы термопар и их параметры

§1 Термопара хромель-алюмель (ТХА)

Основные свойства и области применения
Одна из самых распространенных термопар, применяемых в промышленности и научных исследованиях. Позволяет длительно измерять температуры до 1100 °С и кратковременно – до 1300 °С. Также используется для измерения низких температур вплоть до -200 °С (70К). Термопара хромель-алюмель предназначена для работы в инертных и окислительных средах, может использоваться для измерений в сухом водороде и кратковременно в вакууме. Термоэлектрическая характеристика данной термопары практически линейная, чувствительность составляет порядка 40 мкВ/°С. Термопара хромель-алюмель является наиболее устойчивой среди термопар других типов в условиях реакторного облучения.

К недостаткам данной термопары можно отнести высокую чувствительность к деформации термоэлектродов и обратимую нестабильность термо-ЭДС.

Термопара ХА производится в соответствии с ГОСТ 3044-84, термоэлектродная проволока для данной термопары – ГОСТ 1790—2016 и рядом технических условий.
Данная термопара применяется для измерения температуры в промышленных печах, нагревательных устройствах, энергосиловом оборудовании, а также в многообразной научной аппаратуре и лабораторных приборах.

Материал термоэлетродов
В термопаре ХА положительным электродом является проволока из никелевого сплава хромель НХ 9,5 (ГОСТ 492-2006), отрицательным – проволока из никелевого сплава алюмель НМцАК 2-2-1 (ГОСТ 492-2006).

Рекомендуемая рабочая среда
Термопара хромель-алюмель предназначена для измерения температуры в окислительных и инертных средах. Содержание кислорода (O2) в окислительной среде должно быть не менее 2-3% или его присутствие должно быть практически исключено. В противном случае в хромеле резко увеличивается селективное окисление хрома, его концентрация уменьшается, что приводит к существенному изменению уменьшению термо-ЭДС данного сплава. Термопара ХА может применяться и в восстановительной или переменной окислительно-восстановительной атмосфере, если имеет надежный защитный чехол (см. Глава 1§2).

Изоляция и защита
В качестве изоляционных материалов для термопары хромель-алюмель могут быть использованы: фарфор, асбест, стекловолокно, кварц, эмали, высокоогнеупорные окислы.

Рекомендации по эксплуатации
Наиболее частыми причинами выхода термопары хромель-алюмель из строя являются: разрушение термоэлектрода из алюмеля вследствие его интеркристаллитной коррозии и охрупчивания; разрушение термоэлектрода из хромеля вследствие его коррозии (коррозия типа «зеленой гнили»).

Интеркристаллитная коррозии и охрупчивание сплава алюмель происходит в результате нагрева термоэлектрода до температуры 650-820 °С в атмосфере, содержащий серу. Источниками появления серы могут являться: топливо печей, остатки масел и эмульсий в защитных чехлах термопары, некоторые сорта асбеста, цемента и других материалов, из которых могут быть изготовлены защитные чехлы. Предотвратить интеркристаллитную коррозию алюмеля можно, только полностью исключив попадание серы в атмосферу, окружающую термоэлектроды.

Коррозия сплава хромель может быть вызвана селективным внутренним окислением хрома (входит в состав данного сплава) вследствие работы термоэлектрода в атмосфере, содержащей пары воды или CO (слабоокислительная атмосфера). Предотвратить коррозию хромеля можно путем применения вентилируемых защитных чехлов большого диаметра или чехлов с помещенными внутри геттерами.

§2 Термопара хромель-копель (ТХК)

Основные свойства и области применения
Одна из самых распространенных термопар, применяемых в промышленности и научных исследованиях. Термопара хромель-копель позволяет проводить измерения температуры в инертных и окислительных средах до 800 °С длительно и до 1100 °С кратковременно. Нижний предел измеряемых температур ограничен -253 °С. В связи с наличием в промышленности термопары хромель-алюмель термопара хромель-копель применяется, как правило, для длительных измерений до 600 °С. Термопары данного типа обладают наибольшей чувствительностью из всех промышленных термопар. Чувствительность термопары ХК превышает 81 мкВ/°С при температурах выше 200 °С. Также данная термопара имеет практически линейную градуировочную характеристику. ТХК свойственна исключительно высокая термоэлектрическая стабильность при температурах до 600 °С. К недостаткам термопар данного типа можно отнести высокую чувствительность к деформации термоэлектрода.

Градуировка термопар хромель-копель осуществляется по градуировочным таблицам в соответствии с ГОСТ 3044-77. Проволока для термоэлектродов поставляется по ГОСТ 1790—2016 и ряду технических условий.

Термопары хромель-копель широко распространены в различных областях промышленности и при проведении научных исследований; часто используются для измерения малых разностей температур.

Материал термоэлетродов
В термопаре ХК положительным электродом является проволока из никелевого сплава хромель НХ 9,5 (ГОСТ 492-2006), отрицательным – проволока из медно-никелевого сплава копель МНМц 43-0,5 (ГОСТ 492-2006).

Рекомендуемая рабочая среда
Основной рабочей средой термопары ХК является окислительная среда или содержащая инертные газы. Термопара также может использоваться в вакууме при высокой температуре, но непродолжительное время. Постоянное использование термопары хромель-копель в указанной среде может привести к селективному испарению хрома из положительного электрода.

Для использования данной термопары в атмосфере, содержащей серу, в восстановительной, переменной окислительно-восстановительной, а также в слабокислой атмосфере требуется хорошая (газоплотная) защита. В атмосфере, содержащей хлор или фтор, термопара хромель-копель может работать при температурах до 200 °С.

§3 Термопара железо-константан (ТЖК)

Основные свойства и области применения
Термопары данного типа широко используются в промышленности и научных исследованиях. Термопара железо-константан позволяет проводить измерения в восстановительных, окислительных, а также инертных средах и вакууме. Термопара ЖКн позволяет измерять как положительные температуры (до 1100 °С), так и отрицательные (до -203 °С). Следует отдельно заметить, что именно измерение положительных совместно с отрицательными температурами является рекомендуемым применением термопары данного типа. Использование данных термопар для измерения исключительно отрицательных температур не рекомендуется, так как существуют аналоги с лучшими характеристиками. При длительном применении максимальная рабочая температура составляет 750 °С, при кратковременном – 1100 °С.

Термопары данного типа имеют высокую чувствительность, которая составляет 50-65 мкВ/°С. Также стоит отметить их сравнительно низкую стоимость. К недостаткам термопар данного типа можно отнести высокую чувствительность к деформации термоэлектродов, а также низкую коррозионную стойкость железного термоэлектрода.

Материал термоэлетродов
В термопаре ЖКн положительный электрод выполнен из технически чистого железа (малоуглеродистой стали), отрицательный – из медно-никелевого сплава константан МНМц 40-1,5 (ГОСТ 492-2006). Стоит заметить, что специально для термометрии железную проволоку не изготовляют, используется проволока, предназначенная для других целей.

Рекомендуемая рабочая среда
Термопара железо-константан устойчиво работает в окислительной и восстановительной атмосферах. При температурах около 769 °С и 910 °С железо, из которого изготовлен положительный электрод термопары, претерпевает магнитное и α↔γ-превращения, которые влияют на термоэлектрические свойства. В связи с вышесказанным термопара, находившаяся при температурах выше 760 °С даже в течение короткого временного интервала, не может использоваться для дальнейших точных измерений при температурах ниже 760 °С, так как ее показания могут не соответствовать градуировочной таблице.

Срок службы термопары зависит от поперечного сечения термоэлетродов. Диаметр электродов термопары следует выбирать прямопропорционально измеряемой температуре. В некоторых источниках приводятся следующие рекомендации по выбору диаметра электродов термопар в чехлах для длительного измерения температуры: 760 °С – 3,2 мм; 590 °С – 1,6 мм; 480 °С – 0,8 мм; 370 °С – 0,3-0,5 мм.

При температурах больших 500 °С использование термопары ЖКн в атмосфере, содержащей серу, возможно только при наличии надежной газоплотной защиты.

§4 Термопара вольфрам-рений (ТВР)

Основные свойства и области применения
Термопара вольфрам-рений является одной из лучших среди промышленных термопар для измерения температур выше 1800 °С. Термопара ВР используется для измерения температур до 3000 °С. Нижний предел измеряемых температур, как правило, ограничен 1300 °С. Рабочей атмосферой является аргон, азот, гелий, сухой водород или вакуум. Термо-ЭДС при 2500 °С составляет 34 мВ для термопар из сплавов ВР5/20 и ВАР5 /ВР20 и 22 мВ для термопар из сплава ВР10/20, чувствительность термопар – 7-10 и 4-7 мкВ/°С соответственно.

Термопары вольфрам-рений обладают хорошими механическими свойствами при высоких температурах, могут работать при воздействии больших знакопеременных нагрузках, а также при частых и резких теплосменах. Термопары данного типа неприхотливы при изготовлении и монтаже, так как сравнительно мало чувствительны к загрязнениям.

Среди недостатков термопар ВР можно выделить плохую воспроизводимость термо-ЭДС; нестабильность термо-ЭДС в условиях облучения; значительное падение чувствительности при температурах выше 2400 °С.

Стоит заметить, что термопара из сплавов ВАР5/ВР20 дает более точный результат при длительных измерениях, чем термопара из сплавов ВР5/20.

Градуировка термопар вольфрам-рений осуществляется по градуировочным таблицам в соответствии с ГОСТ 3044-77. Проволока для термоэлектродов из сплавов ВР5, ВАР5 и ВР20 изготовляется по техническим условиям. Термоэлектродная проволока из сплава ВР10 серийно не производится.

Термопары ВР применяют в отраслях промышленности, связанных с высокими температурами. Например, вольфрам-рениевая термопара используется для измерения температуры при производстве тугоплавких металлов, твердых сплавов и керамики, при выплавке и разливке сталей и сплавов, для измерения температуры газовых потоков и низкотемпературной плазмы в газотурбинных двигателях, МГД-генераторах, а также в атомной энергетике.

Материал термоэлетродов
В вольфрам-рениевых термопарах материалами для электродов служат сплавы ВР5 – положительный термоэлектрод и ВР20 – отрицательный; ВАР5 – положительный термоэлектрод и ВР20 – отрицательный или ВР10 – положительный термоэлектрод и ВР20 – отрицательный.

Рекомендуемая рабочая среда
Термопары вольфрам-рений предназначены для длительного измерения температуры в чистых инертных средах, сухом водороде и вакууме. Даже небольшое количество кислорода существенно уменьшает срок службы термопары. В окислительных средах термопары данного типа могут быть использованы только для измерения температуры в быстротекущих процессах. При значениях температуры выше значений, при которых начинается катастрофическое окисление, срок службы термопары исчисляется минутами.

Использование термопар ВР не рекомендуется в атмосфере влажного водорода и углеродсодержащих восстановительных средах. Реакция вольфрам-рениевых сплавов с парами углеводородов начинается уже при 1000 °С. Взаимодействие с углеродом может привести к охрупчиванию термоэлектродов и существенному увеличению нестабильности термопары. Возникновение хрупкости наблюдается уже при 1700 °С. Контакт с углеродом понижает предельную измеряемую температуру до 2500 °С. Однако, существуют случаи использования термопары вольфрам-рений в высокотемпературных печах с графитовыми нагревателями. Общий вывод можно сформулировать следующим образом: срок службы термопары зависит в большой степени от характера атмосферы, материала изоляции и рабочей температуры.

Изоляция и защита
Для изоляции термоэлектродов используют керамику из BeO, HfO2, ThO2, Y2O3. Окись бериллия может использоваться при температурах, не превышающих температуру плавления данного материала (~2570 °С). BeO является самым часто употребляемым изолятором для термопар ВР. Следует отметить, что необходимо использовать BeO чистотой не менее 99,9%.

Для измерения температур ниже 1600 °С электроды термопары изолируют окисью Al2O3 чистотой 99,5% или MgO. При этом керамика должна быть прокалена для удаления органических и неорганических примесей.

При очень высоких температурах используют термопары с неизолированными теромэлектродами. В окислительных средах для защиты термопары используют главным образом металлические чехлы из Nb, Ta, Mo и сплавов Mo- Re, W-Re с покрытиями. Термопара с термоэлектродами, покрытыми иридием, может кратковременно эксплуатироваться на воздухе (30-40 часов при температуре 2000-2400 °С).

§5 Термопара вольфрам-молибден (ВМ)

Основные свойства и области применения
Термопара предназначена для измерения высоких температур. Измерения с помощью термопары вольфрам-молибден (ВМ) могут проводиться в инертных средах, среде водорода или вакууме. Диапазон измеряемых температур составляет 1400-1800 °С, предельная рабочая температура ~2400 °С. Термопара ВМ имеет чувствительность 6,5 мкВ/°С в указанном диапазоне температур. Термоэлектроды имеют высокую механическую прочность. При изготовлении, монтаже и эксплуатации термопары не предъявляются жесткие требования к соблюдению химической чистоты. Термопара вольфрам-молибден является самой дешевой в изготовлении среди прочих термопар пригодных для измерения высоких температур.

Среди недостатков термопары ВМ можно выделить плохую воспроизводимость термо-ЭДС; небольшую величину термо-ЭДС и чувствительности; инверсию полярности; охрупчивание после нагрева при высоких температурах.

Основная область применения термопары ВМ – кратковременные измерения температуры жидких сталей, сплавов и шлаков в различного рода печах, конверторах и ковшах. Стоит заметить, что с появлением термопар вольфрам-рений (см. Глава 2§4) и платинородий-платинородий (см. Глава 2§7) термопара вольфрам-молибден стала использоваться для измерения температур в процессах выплавки и разливки только неответственных сплавов.

Проволока для изготовления термоэлектродов из вольфрама и молибдена поставляется по техническим условиям.

Материал термоэлетродов
Для изготовления термоэлектродов термопар ВМ используются металлы технической чистоты. Металлы высокой чистоты, как правило, не применяются, так как значительно увеличивают стоимость термопары и предъявляют повышенные требования к отсутствию загрязнения. Положительный электрод в термопаре вольфрам-молибден сделан из вольфрама, отрицательный – из молибдена (по причине инверсии полярности данное утверждение справедливо для температур выше 1400 °С). Для изготовления вольфрамовой проволоки используют штабики марки ВРН, для изготовления молибденовой проволоки – штабики марки МЧ.

Рекомендуемая рабочая среда Термопара вольфрам-молибден служит для измерения температуры в среде водорода, инертных газов или вакууме. Вольфрам и молибден начинают окисляться на воздухе при температуре около 400 °С. С ростом температуры процесс окисления усиливается. Указанные металлы не вступают в реакцию с водородом вплоть до температуры плавления и инертными газами. При этом ни водород, ни инертные газы не должны содержать окисляющих примесей. Обычный диапазон рабочих температур термопары ВМ в условиях промышленной эксплуатации составляет 1400-1800 °С. В специальных случаях данный диапазон может быть расширен до 2100 °С. При этом рекомендуется использовать термопару без изоляции, так как при температурах больше 2000 °С молибден и вольфрам начинают взаимодействовать со многими окислами, из которых обычно изготовляют изоляцию.

Если электроды защищены с помощью керамики и термопара имеет защитный колпачок, то с ее помощью можно проводить кратковременные измерения температуры в окислительных средах и расплавленных металлах.

Изоляция и защита
Термоэлектроды термопар вольфрам-молибден для разовых измерений температуры жидкой стали изолируют глиноземистой керамикой (Al2O3) и защищают кварцевыми наконечниками.

§6 Термопары платинородий-платина (ТПП)

Основные свойства и области применения
Термопары платинородий-платина являются одними из самых распространенных для измерения температур до 1600 °С. К данному типу относятся термопары, изготовленные из платины и сплава платины c родием (10% Rh), и из платины и сплава платины с родием (13% Rh). Термопары ПП предназначены для выполнения измерений температуры в окислительных и инертных средах. Предельная рабочая температура при длительных измерениях составляет 1400 °С, при кратковременных – 1600 °С. Термопары платинородий-платина имеют практически линейную термоэлектрическую характеристику в области температур 600-1600 °С, чувствительность 10-12 мкВ/°С (10% Rh) и 11-14 мкВ/°С (13% Rh). Другими достоинствами данных термопар являются высокая точность измерений, хорошая воспроизводимость и стабильность термо-ЭДС. Стоит заметить, что термопары данного типа выступают в качестве эталонных приборов для воспроизведения Международной практической температурной шкалы (МПТШ) в области температур от 630,74 до 1064,43 °С.

К недостаткам термопар ПП можно отнести высокую стоимость, нестабильность работы в условиях облучения, высокую чувствительность к загрязнениям металлическими и неметаллическими примесями при изготовлении, монтаже и эксплуатации.

Термопары платинородий-платина используются в различных отраслях промышленности и науки, где требуется высокая точность и надежность измерений.

Градуировка термопары ПР (10% Rh) осуществляется по ГОСТ 3044-77, термоэлектродная проволока изготовляется по ГОСТ 10821-75. Термоэлектродная проволока для термопар ПР (13% Rh) изготовляется по техническим условиям.

Материал термоэлетродов
Для изготовления термопары ПП используются сплавы платины с родием ПР10 или ПР13, содержащие 10% и 13% родия (Rh) соответственно и чистая платина.

Положительным является термоэлектрод, изготовленный из платинородия, отрицательным – из платины.

Рекомендуемая рабочая среда
Термопара платинородий-платина предназначена для измерения температуры в окислительных и инертных средах. При наличии защиты термопары данного типа могут быть использованы для измерений в восстановительных средах и средах, содержащих пары мышьяка, серы, свинца, цинка, фосфора.

На практике термопары ПП редко применяются для измерения температур ниже 0 °С. Дело в том, что чувствительность термопары данного типа падает при понижении температуры и становится равной нулю при -138 °С. Тем не менее, в некоторых стандартах термо-ЭДС термопар нормируется при температурах до -50 °С. Термопары платинородий-платина не используются для измерения температур в диапазоне 0-300 °С, а для температур 300-600 °С применяются только для получения сравнительных данных.

Верхний температурный предел кратковременного применения термопары ПП ограничивается 1600 °С, долговременного применения – 1400 °С. При температурах больших 1400 °С происходит стремительный рост зерен платинового термоэлектрода. При наличии хорошей защиты термопару можно использовать для длительных измерений при температурах до 1500 °С.

Изоляция и защита
Изоляцией для термоэлектродов рабочих термопар вплоть до температуры 1200 °С могут служить кварц, фарфор, муллит, силлиманит, огнеупорный фарфор. Термоэлектроды образцовых термопар изолируют плавленым кварцем. Если термопара используется для измерения температур до 1400 °С, то в качестве изоляции применяется керамика с повышенным содержанием Al2O3. В слабоокислительной и восстановительной атмосфере при температурах больше 1200 °С, а также во всех случаях применения термопар при температурах больше 1400 °С следует использовать керамику из высокочистой окиси алюминия. При работе в восстановительной атмосфере иногда в качестве изоляции применяют окись магния.

Внутренние чехлы для термопар, как правило, изготовляют из тех же материалов, из которых сделана изоляционная керамика. Обязательным условием является газоплотность таких материалов.

Для защиты рабочих спаев термопар, предназначенных для разовых измерений температуры жидких сталей и сплавов, применяются кварцевые наконечники.

Рекомендации по эксплуатации
Термопары ПП очень чувствительны к различного рода химическим загрязнениям, которые могут быть причиной охрупчивания и снижения прочности, а также возникновения сильного дрейфа показаний термопары. Особенно чувствителен к загрязнениям платиновый электрод. Источниками загрязнения могут стать материалы, из которых изготовлена изоляция и защитный чехол, нагревательное устройство и его атмосфера, предметы, находящиеся в непосредственной близости от термопары.

Рекомендации для предотвращения загрязнения термоэлектродов. Термоэлетроды должны быть изолированы одной двухканальной керамической трубкой по всей рабочей длине. Между изолирующей трубкой и керамическим защитным чехлом, так же как между термоэлектродами и трубкой, должны быть достаточные, хорошо вентилируемые зазоры. Следует тщательно очистить термоэлектроды от следов смазки и жира перед их помещением в изолирующую и защитную керамику. Металлические чехлы должны быть также очищены от грязи, остатков смазки, стружки и др. Перед монтажом все компоненты термопары – электроды, изолирующую и защитную керамику и чехлы – необходимо отжечь при высокой температуре. Конструкция термопары должна быть такой, чтобы термоэлектроды не служили опорой для изолирующей керамики. Данная рекомендация особенно важна для термопар, устанавливаемых вертикально.

§7 Термопары платинородий-платинародий (ТПР)

Основные свойства и области применения
Термопара ПР предназначена для измерения температуры в окислительных и нейтральных средах. Также возможно ее использование в вакууме. Максимальная рабочая температура при длительных измерениях составляет 1600 °С, при кратковременных – 1800 °С. При температурах выше 1200 °С термопара платинородий-платинородий имеет линейную термоэлектрическую характеристику, чувствительность 10,5-11,5 мкВ/°С и хорошую стабильность термо-ЭДС. Термопара ПР может применяться без удлиняющих проводов благодаря низкой чувствительности в области температур 0-100 °С.

В сравнении с термопарами платинородий-платина термопара платинородий-платинородий имеет немного меньшую термо-ЭДС, при этом с ее помощью можно измерять более высокие температуры. Термопара ПР имеет большую механическую прочность, большую стабильность при высоких температурах, меньшую склонность к росту зерна и охрупчиванию, а также меньшую чувствительность к загрязнению.

Термопара ПР активно используется в областях, где необходимо длительное измерение температуры выше 1400 °С. К таким областям относятся металлургия, стеклоплавильная, цементная промышленность, производство огнеупоров. Также термопары данного типа применяются в образцовых термометрах.

Градуировка термопары платинородий-платинородий осуществляется по ГОСТ 3044-77, термоэлектродная проволока изготовляется по ГОСТ 10821-75.

Материал термоэлетродов
Для изготовления термопары ПР используются сплавы платины с родием ПР30 и ПР6, содержащие 30% и 6% родия (Rh) соответственно. Чистота платины и родия, которые используются в производстве сплавов, должна быть больше или равна 99,95%.

Положительным является термоэлектрод, изготовленный из платинородия ПР30, отрицательным – из платинородия ПР6.

Рекомендуемая рабочая среда
Термопары платинородий-платинородий используются в окислительных и нейтральных средах, а также в вакууме. Максимальная рабочая температура термопары ПР определяется температурой плавления отрицательного термоэлектрода, изготовленного из сплава ПР6 (1820 °С) и составляет 1800 °С (по ГОСТ 3044-77 и ГОСТ 6616-74 при кратковременных измерениях). При длительных измерениях рабочая температура ограничивается значением 1600 °С.

Без надежной защиты нельзя использовать термопары данного типа в восстановительных атмосферах и атмосферах, содержащих пары металлов и неметаллов.

Изоляция и защита
Для изоляции и защиты термопар ПР применяют керамику из Al2O3 высокой чистоты.

Рекомендации по эксплуатации
Причины выхода термопар платинородий-платинородий из строя вследствие охрупчивания, снижения механической прочности или исключительно большого дрейфа термо-ЭДС, как правило, совпадают с причинами аналогичных проблем, возникающих у термопар платинородий-платина. Но выход из строя термопар ПР происходит значительно реже по сравнению с термопарами ПП, так как сплавы платины с родием менее подвержены химическим загрязнениям и росту зерна, чем чистая платина, из которой изготовляют отрицательный электрод термопары ПП.

§8 Сводная таблица типов термопар

Сводная таблица содержит основные параметры термопар, имеющих стандартные градуировки. В данную таблицу не включены термопары с индивидуальными градуировками, например, термопара вольфрам-молибден (см. Глава 4, §3).

Таблица 8 Сводная таблица типов термопар

Тип термопары	Материалы термоэлектродов		Диапазон рабочих температур, °С	Цветовая кодировка
	положительного	отрицательного
ТПП (S) Глава 2, §6	Платинородий (10% Rh)	Платина	0 – 1300 (1600)
ТПП (R) Глава 2, §6	Платинородий (13% Rh)	Платина	0 – 1300 (1600)
ТПР (B) Глава 2, §7	Платинородий (30% Rh)	Платинородий (6% Rh)	600 – 1700
ТХК (L) Глава 2, §2	Хромель	Копель	-200 – 700 (900)
ТХА (K) Глава 2, §1	Хромель	Алюмель	-200 – 1200 (1300)
ТЖК (J) Глава 2, §3	Железо	Константан	-200 – 750 (900)
ТВР (A) Глава 2, §4	Вольфрам-рений (5% Re)	Вольфрам-рений (20% Re)	0 – 2200 (2500)

• в столбце «Диапазон рабочих температур» в скобках указана предельная рабочая температура при кратковременном применении;
• в столбце «Цветовая кодировка» описана цветовая кодировка, принятая Международной электротехнической комиссией (МЭК).

Глава 3 Материалы для термопар

§1 Требования, предъявляемые к термоэлектродным сплавам

• Термо-ЭДС термоэлектродных сплавов, образующих термопару, должна быть достаточно большой для того, чтобы ее можно было измерить с необходимой точностью. Желательно, чтобы величина термо-ЭДС линейно зависела от величины температуры.
• Температура плавления термоэлектродных сплавов должна быть выше максимальной рабочей температуры термопары. Разница между указанными температурами должна составлять не менее 50 °С.
• Термоэлектродные сплавы должны обладать коррозионной стойкостью в рабочей среде термопары. Данное требование не всегда может быть выполнено, поэтому в таких случаях термоэлектроды защищают от воздействия среды с помощью защитного чехла.
• Термоэлектродные сплавы должны отличаться воспроизводимыми и однородными свойствами при производстве их в промышленных масштабах.
• Сплавы для термопар должны сохранять свою термоэлектрическую характеристику неизменной в процессе градуировки и эксплуатации.
• Сплавы для термопар должны обладать хорошей пластичностью и прочностью.

§2 Никелевые и медно-никелевые сплавы

Никелевые и медно-никелевые сплавы нашли широкое применение в изготовлении термоэлектродов термопар и компенсационных проводов. Наиболее востребованными при производстве термопар являются никелевые сплавы алюмель и хромель, медно-никелевые – копель и константан.

Алюмель
Никелевый сплав, предназначенный для производства термоэлектродов термопар и компенсационных проводов. Используется в термопарах ХА (хромель-алюмель) в качестве отрицательного электрода (см. Глава 2§1). Марка данного сплава имеет следующее обозначение: НМцАК 2-2-1.

Химический состав
Основным химическим элементом, входящим в состав сплава алюмель, является никель (Ni). Помимо никеля сплав НМцАК 2-2-1 содержит 0,6-1,2% кобальта (Co); 1,6-2,4% алюминия (Al); 1,8-2,7% марганца (Mn); 0,85-1,50% кремния (Si). Сумма примесей, в состав которых входят мышьяк (As), углерод (C), железо (Fe), фосфор (P), свинец (Pb), сера (S) и некоторые другие вещества, составляет 0,7%.

Таблица 9 Физические свойства сплава алюмель

Свойство	Значение
Температура плавления, °С	1400
Плотность, кг/м3	8670
Удельное электрическое сопротивление, Ом·м·10 8	33±5
Средний температурный коэффициент электросопротивления (20-100 °С), °С -1 ·10 4	23,9
Средний температурный коэффициент термического расширения (20-100 °С), °С -1 ·10 6	12,0
Магнитные свойства	Слабо ферромагнитен
Температура Кюри, °С	170

Таблица 11 Механические свойства сплава алюмель

Свойство	Значение
Предел прочности, МПа	550-660
Предел текучести, МПа	190-230
Относительное удлинение, %	28-38
Поперечное сужение, %	68-78
Твердость по Бринеллю	120-130

Хромель
Никелевый сплав, предназначенный для производства термоэлектродов термопар и компенсационных проводов. Используется в термопарах ХА (хромель-алюмель), ХК (хромель-копель) в качестве материала положительного электрода (см. Глава 2§2). Марка данного сплава имеет следующее обозначение: НХ 9,5.

Химический состав
Основным химическим элементом, входящим в состав сплава хромель, является никель (Ni). Помимо никеля сплав НХ 9,5 содержит 0,6-1,2% кобальта (Co) и 9,0-10,0% хрома (Cr). Сумма примесей, в состав которых входят мышьяк (As), углерод (C), железо (Fe), фосфор (P), свинец (Pb), сера (S) и некоторые другие вещества, составляет 1,4%.

Таблица 12 Физические свойства сплава хромель

Свойство	Значение
Температура плавления, °С	1430
Плотность, кг/м 3	8730
Удельное электрическое сопротивление, Ом·м·10 8	68±5
Средний температурный коэффициент электросопротивления (20-100 °С), °С -1 ·10 4	4,1
Средний температурный коэффициент термического расширения (20-100 °С), °С -1 ·10 6	13,1
Магнитные свойства	Парамагнитен
Температура Кюри, °С	-120

Таблица 14 Механические свойства сплава хромель

Свойство	Значение
Предел прочности, МПа	620-720
Предел текучести, МПа	210-240
Относительное удлинение, %	24-34
Поперечное сужение, %	67-77
Твердость по Бринеллю	140-150

Копель
Медно-никелевый сплав, предназначенный для производства термоэлектродов термопар и компенсационных проводов. Используется в термопарах ХК (хромель-копель) в качестве материала отрицательного электрода (см. Глава 2§2). Марка данного сплава имеет следующее обозначение: МНМц 43-0,5.

Химический состав
Основными химическими элементами, входящими в состав сплава копель, являются никель (Ni), кобальт (Co) и медь (Cu). Содержание никель + кобальт (Ni + Co) составляет 42,5-44,0%, остальное – медь (Cu). Помимо никеля сплав МНМц 43-0,5 содержит 0,1-1,0% марганца (Mn). Сумма примесей, в состав которых входят мышьяк (As), углерод (C), железо (Fe), фосфор (P), свинец (Pb), сера (S) и некоторые другие вещества, составляет 0,6%.

Таблица 15 Физические свойства сплава копель

Свойство	Значение
Температура плавления, °С	1220
Плотность, кг/м 3	8920
Удельное электрическое сопротивление, Ом·м·10 8	48
Средний температурный коэффициент электросопротивления (20-100 °С), °С -1 ·10 4	-0,1
Средний температурный коэффициент термического расширения (20-100 °С), °С -1 ·10 6	14,9
Теплопроводность при 100 °С, Вт/м·К	21
Удельная теплоемкость при 20 °С, кДж/кг·К	0,40

Таблица 17 Механические свойства сплава копель

Свойство	Значение
Предел прочности, МПа	450
Относительное удлинение, %	40
Поперечное сужение, %	75
Твердость по Бринеллю	90

Константан
Медно-никелевый сплав, предназначенный для производства термоэлектродов термопар и компенсационных проводов. Используется в термопарах ЖКн (железо-константан) в качестве материала отрицательного термоэлектрода (см. Глава 2§3). Марка данного сплава имеет следующее обозначение: МНМц 40-1,5.

Химический состав
Основными химическими элементами, входящими в состав сплава константан, являются никель (Ni), кобальт (Co) и медь (Cu). Содержание никель + кобальт (Ni + Co) составляет 39,0-41,0%, остальное – медь (Cu). Помимо никеля сплав МНМц 40-1,5 содержит 1,0-2,0% марганца (Mn). Сумма примесей, в состав которых входят мышьяк (As), углерод (C), железо (Fe), фосфор (P), свинец (Pb), сера (S) и некоторые другие вещества, составляет 0,9%.

Таблица 18 Физические свойства сплава константан

Свойство	Значение
Температура плавления, °С	1220
Плотность, кг/м 3	8920
Удельное электрическое сопротивление, Ом·м·10 8	48
Средний температурный коэффициент электросопротивления (20-100 °С), °С -1 ·10 4	-0,1
Средний температурный коэффициент термического расширения (20-100 °С), °С -1 ·10 6	14,9
Теплопроводность при 100 °С, Вт/м·К	21
Удельная теплоемкость при 20 °С, кДж/кг·К	0,40

Таблица 20 Механические свойства сплава алюмель

Свойство	Значение
Предел прочности, МПа	450
Относительное удлинение, %	40
Поперечное сужение, %	75
Твердость по Бринеллю	90

§3 Тугоплавкие металлы и сплавы

Тугоплавкие металлы и сплавы нашли широкое применение в изготовлении термоэлектродов термопар для измерения высоких температур. Наиболее востребованными при производстве термопар являются вольфрам-рениевые сплавы ВР, тугоплавкие металлы вольфрам и молибден.

Сплавы вольфрам-рений
Наиболее распространенными вольфрам-рениевыми сплавами для производства термопар являются сплавы ВР5 и ВР20. Данные сплавы служат для изготовления термоэлектродов для термопар ВР (вольфрам-рений – вольфрам-рений) (см. Глава 2§4).

Химический состав
Основным компонентом, входящим в состав сплавов ВР является вольфрам (W). В зависимости от марки каждый сплав содержит разное количество рения (Re). Так сплав ВР5 содержит 5±0,5% рения (Re), ВР20 — 20±0,5% рения (Re). Содержание примесей и присадок в данных сплавах не должно превышать 0,1%.

Вольфрам
Тугоплавкий металл вольфрам нашел применение при производстве высокотемпературных термопар. Для указанных целей используют вольфрам технической чистоты марки ВРН. Данный тугоплавкий металл применяется для изготовления положительных электродов термопары ВМ (вольфрам-молибден) (см. Глава 2§5).

Химический состав
Вольфрам марки ВРН содержит не менее 99,85% вольфрама (W) и не более 0,040% молибдена (Mo), 0,005% кремния (Si), 0,011% кальция (Ca), 0,005% никеля (Ni), 0,013% железа + алюминия (Fe + Al).

Молибден
Тугоплавкий металл молибден нашел применение при производстве высокотемпературных термопар. Для указанных целей используют молибден технической чистоты марки МЧ. Данный тугоплавкий металл применяется для изготовления отрицательных электродов термопары ВМ (вольфрам-молибден) (см. Глава 2§5).

Химический состав
Молибден марки МЧ содержит не менее 99,85% вольфрама (W) и не более 0,040% молибдена (Mo), 0,005% кремния (Si), 0,011% кальция (Ca), 0,005% никеля (Ni), 0,013% железа + алюминия (Fe + Al).

§4 Благородные металлы и сплавы

Платина
Благородный металл платина используется для производства термопар, обладающих высокой точностью измерений. Для данных целей применяется чистая платина марки ПлТ. Из платины изготовляют отрицательные термоэлектроды в термопарах ПП (платинородий-платина).

Таблица 11 Механические свойства сплава алюмель

—
—

Платинородий
Сплав платины и родия, используемый для производства электродов термопар. Наиболее широкое распространение в данной области получили сплавы платины с родием марок ПР10, ПР13, ПР6, ПР30. Сплавы ПР10, ПР13 используются в термопарах ПП (платинородий-платина). Из данных сплавов изготовляют положительные термоэлектроды. Сплавы ПР30 и ПР6 используются в термопарах ПР (платинородий-платинородий). Из данных сплавов изготовляют положительные и отрицательные термоэлектроды соответсвенно.

Таблица 11 Механические свойства сплава алюмель

—
—

Глава 4 Производство термопар

§1 Производство термоэлектродной проволоки

Термоэлектродная проволока служит для изготовления электродов термопар. Данная проволока изготовляется в соответствии с требованиями государственных стандартов или технических условий в зависимости от типа термопары. Стандарты и технические условия регламентируют химический состав, физические свойства сплавов, из которых изготовляется проволока, а также ее механические свойства, размеры и предельные отклонения по ним.

Например, проволока для термопар хромель-алюмель должна соответствовать требованиям ГОСТ 1790—2016. В соответствии с указанным стандартом для изготовления термоэлектродов используется проволока следующих диаметров 0,2; 0,3; 0,5; 0,7; 1,2; 1,5; 3,2; 5 мм. Также данный стандарт регламентирует диаметры проволоки для термоэлектродов термопар хромель-копель, хромель-константан. ГОСТ 1791-67 определяет диаметры проволоки, из которой изготавливаются удлиняющие провода к термопарам хромель-копель, хромель-алюмель и платинородий-платина. Согласно указанному стандарту проволока может иметь диаметр 0,20; 0,30; 0,40; … 1,00; … 2,50 мм. ТУ 11-75 регламентирует размеры проволоки для изготовления электродов термопар вольфрам-рений. Выпускается проволока диаметром 0,10; 0,20; 0,35 и 0,50 мм.

Термоэлектродную проволоку заданного диаметра получают при выполнении технологической операции протяжки. В зависимости от требуемого диаметра проволоки в качестве заготовки используется либо пруток, либо проволока большего диаметра, чем тот, который требуется изготовить. Протяжка может осуществляться в несколько этапов. В зависимости от материала, из которого изготовлена проволока, процесс протяжки может осуществляться совместно с подогревом, а также при наличии смазки. После протяжки проволока может подвергаться дополнительной термической или химической обработке для удаления смазки и улучшения свойств. Например, термопарную проволоку для электродов и удлиняющих проводов термопар ХА, ХК отжигают. Более подробно ознакомиться с процессом изготовления термопарной проволоки из вольфрама и молибдена можно в статьях [8] и [9].

§2 Подбор пары

В процессе изготовления термопары возникает необходимость подбирать пару термоэлектродов, изготовленных из разных сплавов, таким образом, чтобы минимизировать отклонения реальной термо-ЭДС, развиваемой термопарой при заданных температурах, от стандартных значений. В настоящее время существует ряд методик, позволяющих выполнять такой подбор.

Для обеспечения подбора электродов, образующих пару, необходимо знать их термоэлектрические свойства при работе с одним и тем же эталонным термоэлектродом. В качестве эталонного термоэлектрода используется электрод, изготовленный из чистой платины.

• данный металл обладает высокой химической инертностью;
• данный металл имеет хорошо изученные физические свойства;
• данный металл имеет достаточно высокую температуру плавления.

§3 Градуировка и поверка термопар

Основным назначением термопары является измерение температуры. Изменение температуры приводит к возникновению термо-ЭДС в электрической цепи, в которую входят электроды термопары. Таким образом, измерительный прибор, также входящий в электрическую цепь, определяет изменение термо-ЭДС (см. Глава 1§1). Но конечная цель – определить температуру. Соответственно, необходимо сопоставить конкретные значения термо-ЭДС конкретным значениям температуры. Шкала термоэлектрического термометра должна отображать градусы.

• с номинальными статическими характеристиками преобразования (стандартные градуировки );
• с индивидуальными градуировками (нестандартные градуировки).

Для термопар с индивидуальными градуировками не существует зависимости термо-ЭДС от температуры, определяемой государственными стандартами. Для каждой термопары из данной группы необходимо проводить градуировку. Методы градуировки таких термопар совпадают с методами градуировки стандартных термопар. Примерами таких термоэлектрических преобразователей являются термопары вольфрам-молибден, вольфрам-тантал, карбид титана-графит и некоторые другие.

В силу различных факторов показания конкретной термопары могут отличаться от показаний, регламентированных стандартом (причины возникновения погрешностей измерений описаны в Глава 1§4). В связи с этим необходимо выполнять поверку термопар. Данная операция выполняется для новых термопар стандартных типов с целью определения их класса точности и с заданной периодичность для всех термопар в процессе эксплуатации для контроля точности измерений. Для термопар стандартных типов поверка осуществляется в соответствии с требованиями стандарта ГОСТ 8.338-2002 «Преобразователи термоэлектрические. Методики поверки».

• метод непосредственного сличения;
• разностный (дифференциальный) метод;
• метод поэлектродного сличения;
• по реперным точкам.

Разностный (дифференциальный) метод [13]
Разностный метод дает более высокую точность по сравнению с методом непосредственного сличения. В данном методе измеряется разность термо-ЭДС между эталонной и поверяемой термопарами. Термо-ЭДС поверяемой термопары получается расчетным путем на основе измеренной разности термо-ЭДС и термо-ЭДС эталонной термопары. Данный метод применяется в том числе и для поверки эталонных термопар.

Метод поэлектродного сличения [14]
Метод поэлектродного сличения заключается в том, что при определенных температурах, устанавливаемых в нагревателе по показаниям эталонной термопары, измеряются термо-ЭДС между одноименными электродами эталонной и поверяемой термопар. На основе полученных значений термо-ЭДС вычисляют термо-ЭДС поверяемой термопары. Данный метод применяется в том числе и для поверки эталонных термопар.

Метод поверки в реперных точках [14]
Данный метод предусматривает поверку термопар в точках плавления (затвердевания) чистых металлов и применяется для поверки эталонных термопар высших разрядов.

• точка затвердевания меди (1084,620 °С);
• точка затвердевания алюминия (660,323 °С);
• точка затвердевания цинка (419,527 °С).

• точка затвердевания меди – 10574 ± 30 мкВ;
• точка затвердевания алюминия – 5860 ± 17 мкВ;
• точка затвердевания цинка – 3447 ± 14 мкВ.

В случае невыполнения требований поверки термопара отбраковывается или переводится в более низкий класс точности. Межповерочные интервалы (частота поверки) регламентируются нормативными документами (стандартами, техническими условиями и другими) для соответствующих типов термопар.

Заключение

В данной статье рассмотрены различные аспекты, связанные с термопарами – назначение, принцип работы, типы, производство.

Термоэлектрические термометры, в основе которых лежат термопары, в настоящее время являются одними из самых распространенных средств измерения температуры. Об этом свидетельствует большое количество типов термопар, а также конструкций термоэлектрических термометров, описанных в данной статье.

Наличие локальных и международных стандартов, регламентирующих требования к термопарам, существенно упрощает их выбор и эксплуатацию.

Описание принципа работы термопары и процесса ее производства позволяет получить базовый набор знаний, полезный при непосредственной работе с термоэлектрическими термометрами.

Авторы надеются, что приведенный в статье материал будет интересен и полезен читателям. Свои замечания и предложения читатели могут присылать на адрес info@metotech.ru.

Список литературы

• https://ru.wikipedia.org/wiki/Термопара — Термопара
• Гарсия В. – Измерение температуры: теория и практика
• https://slovari.yandex.ru/~книги/БСЭ/Термометрия/ — Термометрия
• Преображенский В.П. – Теплотехнические измерения и приборы…
• Зимин Г.Ф. – Поверка и калибровка термоэлектрических преобразователей…
• https://ru.wikipedia.org/wiki/Геттер_(газопоглотитель) — Геттер (газопоглотитель)
• http://metallurgicheskiy.academic.ru/2094/Газоплотность – Газоплотность
• Никонов Н.В. – Вольфрам. Свойства, применение, производство, продукция (http://www.metotech.ru/articles/art_volfram_1.pdf)
• Никонов Н.В. – Термопары. Типы, характеристики, конструкции, производство (http://www.metotech.ru/articles/art_molibden_1_web.pdf)
• https://ru.wikipedia.org/wiki/Градуировка — Градуировка
• http://temperatures.ru/pages/graduirovochnye_tablicy — Градуировочные таблицы для термопар (НСХ)
• ГОСТ Р 8.585-2001 «Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования»
• ГОСТ 8.338-2002 «Преобразователи термоэлектрические. Методики поверки»
• ГОСТ Р 8.611-2005 «Преобразователи термоэлектрические платинородий-платиновые эталонные 1, 2 и 3-го разрядов. Методика поверки»
• https://ru.wikipedia.org/wiki/Температурный_коэффициент_электрического_сопротивления — Температурный коэффициент электрического сопротивления
• https://ru.wikipedia.org/wiki/Коэффициент_теплового_расширения — Коэффициент теплового расширения
• https://ru.wikipedia.org/wiki/Ферромагнетизм — Ферромагнетизм
• https://ru.wikipedia.org/wiki/Парамагнетики — Парамагнетики

телефоны:
8 (800) 200-52-75
(495) 366-00-24
(495) 504-95-54
(495) 642-41-95

Термоэлектрические преобразователи температуры. Теория, практика, развитие

В статье описаны основные типы и области применения термоэлектрических преобразователей температуры. Рассматриваются основные характеристики термоэлектрических преобразователей на основе благородных, тугоплавких и неблагородных металлов, а также кабельных термопреобразователей.

Преобразователи термоэлектрические, основные типы и области применения

Широкому применению в промышленности и научных исследованиях термоэлектрические преобразователи (далее ТП) обязаны в первую очередь своей простоте, удобству монтажа, возможности измерения локальной температуры. К числу достоинств ТП относятся также широкий диапазон измеряемых температур, малая инерционность, возможность измерения малых разностей температур.

Межгосударственный стандарт ГОСТ 6616-94 «Преобразователи термоэлектрические. Общие технические условия» введён в действие в качестве государственного стандарта РФ с 1 января 1999 г. В этом стандарте определены понятия термоэлектрического преобразователя и термопары. Термоэлектрические преобразователи — устройства с металлическими термопарами в качестве термочувствительных элементов, предназначенные для измерения температуры от минус 270 до плюс 2500°С. Термопара — два проводника из разнородных материалов, соединённых на одном конце и образующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры. В стандарте нормализованы требования к двенадцати типам ТП, некоторые из них представлены в табл. 1.

Примечания. 1. Указанные буквенные обозначения номинальной статической характеристики (НСХ) термопар соответствуют обозначениям стандарта МЭК 584-1, кроме термопары хромель-копель (L), ненормируемой данным стандартом. 2. Термоэлектродные материалы обычно поставляются в соответствии с пределами допускаемых отклонений, нормированных для температур выше –40°С. Для измерения низких температур при заказе термоэлек тродных материалов должны быть оговорены требования на допускаемые отклонения, соответствующие, как правило, 3 классу. 3. По стандарту ФРГ DIN 43710 тип L соответствует термопаре Fe-CuNi (железо-медь-никель), отрицательный термоэлектрод которой ближе по составу к копелю. Её значение термоэдс (Е) немного больше, чем у термопары железо-константан (J).

В ГОСТ 6616-94 п. 5.5 приведено требование: конструкция ТП и применяемые материалы должны обеспечивать стабильность ТП при воздействии температуры верхнего значения рабочего диапазона измерения в течение 2 часов. Изменение НСХ ТП не должно быть более 1/2 допускаемых отклонений [1]. Указанное требование не учитывается многими специалистами, полагающими, что на верхнем пределе рабочего диапазона измеряемых температур ТП будет работать если не тысячи, то хотя бы сотни часов, так как в прежнем издании ГОСТ 6616-74 указывался диапазон измеряемых температур при длительном применении термопар. Вообще принято считать работу ТП длительной, если он работает от нескольких сотен до тысяч часов и за этот срок изменение статической характеристики термопары по отношению к номинальной характеристике не превышает 1%. Кратковременным применением считается работа ТП длительностью до 100 часов. За это время статическая характеристика термопары также не должна измениться больше чем на 1% [2]. На наш взгляд, в ГОСТ 6616 необходимо ввести конкретные определения сроков работы, увязав их с ГОСТом 5632-72 «Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные», фактически регламентирующим срок службы защитных чехлов ТП. В этом стандарте под кратковременным сроком работы условно понимают время службы детали до 100 ч; под ограниченным сроком работы — от 100 до 1000 ч; под длительным сроком работы — от 1000 до 10 000 ч, под весьма длительным сроком работы — время, значительно большее 10 000 ч (обычно от 50 000 до 100 000 ч).

Указанное положение ГОСТ 6616-94 позволяет производителям заявлять фактически завышенный верхний предел рабочего диапазона измеряемых температур. Например, для ТП типа ТХА в чехлах из стали 15Х25Т заявляют верхний предел рабочего диапазона измеряемых температур 1200°С. Однако при этой температуре показания будут достоверными лишь в течение нескольких часов из-за свойств термоэлектродов, а защитный чехол разрушится через несколько десятков часов, так как температура начала интенсивного окалинообразования у этой стали 1050°С.

Необходимо также помнить, что все показатели надёжности (средний срок службы, наработка на отказ, гарантийные обязательства) нормируются для номинальной температуры применения — наиболее вероятной температуры эксплуатации ТП. Как правило, её принимают за 75% от верхнего предела рабочего диапазона измеряемых температур.

В табл. 2 приведены рекомендуемые рабочие атмосферы для различных типов термопар, а также их дифференциальная чувствительность в указанных диапазонах температур [3].

Из табл. 2 следует, что универсальными термопарами являются медь-константановая и железо-константановая. Первая не нашла широкого применения в промышленности из-за узкого диапазона температур в области выше 0°С. Она используется в основном для измерения низких температур. Термопара типа J широко используется на Западе, но в России также не нашла широкого применения, по-видимому, из-за отсутствия производства высокочистого термоэлектродного железа. Кроме того, к недостаткам термопары можно отнести плохую коррозионную стойкость железного электрода и высокую чувствительность к деформации.

Преобразователи термоэлектрические на основе благородных и тугоплавких металлов

Термопреобразователи вольфрамрений-вольфрамрениевые ТВР имеют самый высокий предел длительного применения — 2200°С, но только в неокислительных средах, так как на воздухе уже при температуре 600°С происходит очень быстрое окисление и разрушение термоэлектродов. Термопара устойчива в аргоне, гелии, сухом водороде и азоте, а также в вакууме. Основной недостаток — плохая воспроизводимость термоэдс, вынуждающая группировать термоэлектродные пары по группам с номинальными статическими характеристиками А-1, А-2, А-3.

В металлургическом производстве и при термообработке в диапазоне 1000-1600°С чаще всего используются платинородий-платиновые термопреобразователи ТПП10 и ТПР. Модификация ТПП13 широко применяется на Западе. Термопары ТПП10 используются также в качестве эталонных средств. По совокупности свойств платина и платинородиевые сплавы являются уникальными материалами для термопар. Их основное свойство —хорошее сопротивление газовой коррозии, особенно на воздухе при высоких температурах. Указанное свойство в сочетании с высокой температурой плавления и достаточно большой термоэдс, хорошей совместимостью со многими изолирующими и защитными материалами, а также с хорошей технологичностью и воспроизводимостью метрологических характеристик, делает их незаменимыми при изготовлении электродов термопар для измерения высоких температур в окислительных средах. Эти сплавы устойчивы в аргоне и гелии, не растворяют азот и водород, не образуют нитридов и гидридов, не взаимодействуют с СО и СО₂. Тем не менее, применять платинородий-платиновые термопреобразователи в восстановительных атмосферах не рекомендуется, так как в этом случае происходит загрязнение платины и платинородиевого сплава элементами, восстановленными из защитной или изолирующей керамики (обычно оксидной). До 1200°С платина и её сплавы с родием практически не взаимодействуют с огнеупорными материалами. При более высоких температурах чистота огнеупорного материала влияет на стабильность термопар. Наличие примеси SiO₂ (окись кремния) в материале ведет к изменению термоэдс (рис. 1, [4]), а в восстановительной атмосфере уже при температуре выше 1100°С разрушает платину из-за образования силицидов Pt₅Si₂ и легкоплавкой (830°С) эвтектики Pt-Pt₅Si₂, отлагающейся по границам зёрен.

Эта реакция возможна только в присутствии углерода и серы и осуществляется путем восстановления SiO₂ до Si, который в присутствии СО соединяется с серой, образуя газообразный SiS₂, а последний реагирует с платиной. Таким образом, реакция протекает через газовую фазу и не требует обязательного контакта термоэлектродов с кварцем. Окись кремния SiO₂ может быть восстановлена водородом до SiO (газ), который также реагирует с платиной. Вообще кремний — основная причина охрупчивания и разрушения термопар. Он, как и некоторые другие элементы: Zn, Sn, Sb, Pb, As, Bi, P, В, S — относится к платиновым ядам [5]. Сера и углерод обычно присутствуют в остатках смазочных масел и охлаждающих эмульсий, использующихся при изготовлении металлической защитной арматуры чехла. Пары железа, хрома и марганца также представляют опасность для платиновых термоэлектродов, особенно в вакууме. Взаимодействие с парами металлов приводит к сильному дрейфу термоэдс и преждевременному разрушению термопары. По этой причине платиновые термопары никогда не устанавливают непосредственно в металлические чехлы. Верхний температурный предел длительного применения термопары ТПП10, равный 1300°С, лимитируется ростом зёрен в платиновом электроде. При температурах выше 1400°С этот рост приобретает катастрофический характер. В указанном диапазоне используется термопара ТПР с меньшей дифференциальной чувствительностью, но с пределом рабочих температур до 1600°С. Эта термопара механически более прочна, менее склонна к росту зерна и охрупчиванию, менее чувствительна к загрязнению. Кроме того, малая чувствительность термопары в диапазоне 0-100°С делает возможным её применение с медными удлинительными проводами.

Для устойчивой работы термопар из платины и её сплавов необходима надежная изоляция термоэлектродов высокочистой оксидной керамикой, а также защита корундовыми чехлами хорошего качества и с толщиной стенки 5 мм и более для минимизации диффузии газов и паров металлов через стенку. К сожалению, такие газоплотные корундовые чехлы имеют сравнительно невысокую термостойкость. Стойкость к термоударам повышается при снижении толщины стенки и использовании керамики c пониженным содержанием Al₂O₃ (70-80%) и пористостью 5-10%. Такие корундовые чехлы выдерживают температурный скачок до 250°С.

При наличии в высокотемпературной газовой среде абразивных твердых частиц и необходимости высокой термостойкости наружный чехол платиновой термопары может быть выполнен из самосвязанного карбида кремния. Для кауперов доменных печей при наличии избыточного давления рабочей среды защитные чехлы термопар изготавливаются герметичными, вывод термоэлектродов осуществляется через резиновое уплотнение для исключения прорыва газов в головку в случае разрушения чехла. Недостатком данной конструкции является вероятность разрушения внутреннего корундового чехла от термоудара при установке ТП на объекте из-за существенного различия коэффициентов теплопроводности и термического расширения корунда и карбида кремния. В результате происходит практически мгновенное разрушение платинового электрода из-за взаимодействия с кремнием, содержащимся в чистом виде в количестве около 6% в карбиде кремния.

В целом к недостаткам платинородиевых ТП можно отнести уже упоминавшуюся высокую чувствительность термоэлектродов к любым загрязнениям, появляющимся при изготовлении, монтаже или эксплуатации ТП, а также их высокую стоимость.

Подробная информация о защите ТП при высоких температурах содержится в [6].

Преобразователи термоэлектрические на основе неблагородных металлов

Наиболее распространёнными в России типами термоэлектрических преобразователей являются хромель-копель (тип L) и хромель-алюмель (тип К).

Преобразователь термоэлектрический хромель-копелевый ТХК (тип L) обладает наибольшей дифференциальной чувствительностью из всех промышленных ТП, применяется для точных измерений температуры, а также для измерений малых температурных разностей. ТП свойственна исключительно высокая термоэлектрическая стабильность при нагревах до 600°С, обусловленная тем, что изменения термоэдс хромелевого и копелевого термоэлектродов направлены в одну и ту же сторону и компенсируют друг друга. Технический ресурс термопар может составлять несколько десятков тысяч часов. Так, у термопар с диаметрами термоэлектродов от 0,5 до 3,2 мм при их выдержке в течение 10 000 часов при 400-600°С максимальные изменения градуировки составили 0,5-1°С [3]. К недостаткам ТХК можно отнести относительно высокую чувствительность к деформации.

Преобразователь термоэлектрический хромель-алюмелевый ТХА (тип К) является самым распространенным термопреобразователем в промышленности и научных исследованиях. ТП предназначен для измерения температуры до 1100°С (длительно) и 1300°С (кратковременно) в окислительных и инертных средах. Термопреобразователь широко используется во всех отраслях промышленности в печах, нагревательных устройствах, энергосиловом оборудовании. Номинальная статическая характеристика ТХА близка к линейной, дифференциальная термоэдс около 40 мкВ/°С во всём диапазоне измеряемых температур. Главное преимущество ТХА по сравнению с другими термопарами из неблагородных металлов состоит в значительно большей стойкости к окислению при высоких температурах. Технический ресурс термопар при температурах менее 850°С ограничивается только дрейфом термоэдс, так как жаростойкость хромеля и алюмеля позволяет использовать их при этих температурах десятки тысяч часов.

К недостаткам ТХА относятся присущие ей два вида нестабильности термоэдс: обратимая циклическая нестабильность и необратимая нестабильность, накапливающаяся со временем.

Обратимая нестабильность в интервале температур 250-550°С обусловлена протеканием в хромеле превращений по типу ближнего упорядочения раствора атомов хрома в атомной решетке никеля. В результате этих превращений термопары ХА после нагрева при 250-550°С увеличивают термоэдс относительно номинальных значений (рис. 2, [3]). Этот рост исчезает (структура решетки разупорядочивается) после нагрева при более высоких температурах. Величина обратимого изменения термоэдс зависит от предыдущей истории термоэлектродов: температур градуировки, скорости охлаждения, а также от градиента температурного поля, в котором находится термопара. Изменение может достигать 3-4°С. Для него полезно использовать хромель, подвергнутый предварительной термообработке «на упорядочение» при 425-475°С в течение 6 ч [3], однако исключить его полностью не представляется возможным, если термопарой измеряют температуру в широком диапазоне.

Необратимая нестабильность зависит от многих факторов, таких как химический состав самих сплавов, свойства окружающей атмосферы, защитных и изоляционных материалов. Величина нестабильности в значительной степени зависит от температуры и времени нагрева, а также от числа и характера термоциклов. При температурах до начала интенсивного окисления хромеля и алюмеля (ниже 850°С) в окислительной атмосфере изменение термоэдс не превышает 1% за десятки тысяч часов и практически не зависит от диаметра термоэлектродов до 800°С. Изменение термоэдс значительно возрастает с увеличением температуры до 1000°С, при этой температуре существенный дрейф отмечается уже за 800-1000 часов (рис. 3, [3]), а при температуре в 1200°С превышает 1% уже через 200 часов (рис. 4, [7]).

Основной причиной изменения термоэдс в окислительной атмосфере является изменение химического состава термоэлектродов из-за избирательного окисления компонентов сплавов. В результате селективного окисления в хромеле подокалинные слои обедняются хромом, а в алюмеле — алюминием и марганцем. Снижение концентрации легирующих элементов ведёт к уменьшению термоэдс электродов. Вид кривых на рисунках 3 и 4 обусловлен в основном специфическим изменением термоэдс алюмеля. Термоэдс хромеля в начальной стадии окисления (на протяжении 3000-5000 часов при 950°С) возрастает, так как содержание хрома в сплаве изначально (9,5%) больше по сравнению с концентрацией, отвечающей максимальной термоэдс (8,5-8,75%).

Учитывая изложенное, применять один и тот же преобразователь ТХА во всем диапазоне измеряемых температур нецелесообразно, так как это ухудшает точность измерений. Термопарой, которую используют для точного измерения температур до 500°С, не следует измерять более высокие температуры, и наоборот, термопарой, использовавшейся при температурах выше 900°С, нецелесообразно измерять температуры 300-600°С. Кроме того, не рекомендуется уменьшать глубину погружения термопары в рабочую среду, так как возникающие при высоких температурах локальные неоднородности материала термоэлектродов могут попасть в зону градиента температур, что приведет к дополнительному изменению термоэдс и, соответственно, к дополнительной ошибке измерений. Согласно законам термоэлектрических цепей увеличение глубины погружения в зону равномерного температурного поля частично приводит к восстановлению первоначальных показаний термопреобразователя, так как в этом случае термоэдс возникает на участках электродов, ранее не подвергавшихся воздействию температуры или подвергавшихся в меньшей степени.

Существенное влияние на стабильность термоэдс оказывает состав окружающей среды. Уже в слабо восстановительной атмосфере (содержание О₂ менее 2-3%), особенно в присутствии паров воды или СО, селективное окисление хрома протекает значительно интенсивнее, чем в окислительной атмосфере. Это приводит к резкому снижению его концентрации в сплаве (на поверхности образуется зелёная окись хрома — «зелёная гниль») и существенному уменьшению его термоэдс. Этот процесс особенно заметно проявляется при температурах от 800 до 1050°С. Вообще в восстановительных средах термопары ХА очень нестабильны. Изменение термоэдс всегда отрицательно, а её значение гораздо больше изменений термоэдс в окислительной среде, так как наряду с процессом окисления хрома протекает реакция карбидообразования. Эксплуатация термопар возможна лишь в чехлах, конструкция которых обеспечивает защиту от углерода атмосферы. Необходимо учитывать, что восстановительная атмосфера может создаваться непосредственно у электродов, например, при наличии углерода в материале изоляции электродов или материале чехла. Чехлы из нержавеющей стали не всегда являются надёжной защитой в водороде, окиси углерода и графитосодержащей атмосфере. Длительное пребывание в вакууме при высоких температурах также значительно уменьшает термоэдс хромеля вследствие испарения хрома.

В атмосфере, содержащей серу, алюмель охрупчивается при 650-820°С из-за интеркристаллитной коррозии. При более высоких температурах взаимодействие алюмеля с сернистыми соединениями приводит к его сильной общей коррозии. Исключить взаимодействие алюмеля с серой непросто, так как её источниками могут быть топливо печей, остатки масла и эмульсий в защитных чехлах, некоторые сорта цемента и асбеста. Влияние серы и её соединений на алюмель — самая распространённая причина преждевременного выхода из строя хромель-алюмелевых термопар.

Особое место среди различных причин, влияющих на стабильность показаний термопар ХА, занимают термические напряжения, возникающие под действием либо длительных статических нагрузок на термоэлектроды, либо в результате термоциклирования. Причиной изменения термоэдс являются остаточные микронапряжения. Они увеличиваются с ростом степени деформации и с ростом степени статической нагрузки. Поэтому не рекомендуется резко вынимать ТП из объекта, так как даже одноразовое извлечение его из среды с температурой 1100°С может вызвать изменение статической характеристики на десятки градусов.

Все перечисленные проблемы использования термопары ХА инициировали внедрение и стандартизацию ведущими промышленными странами термопары нихросил-нисил ТНН (тип N), разработанной в лаборатории материаловедения министерства обороны Австралии в 60-х годах ХХ века. Похожая термопара сильх-силин была разработана в СССР, но она так и не получила широкого применения. Материалы термоэлектродов нихросил и нисил демонстрируют существенно лучшую стабильность термоэдс по сравнению со сплавом ХА за счет увеличения концентрации хрома и кремния в никеле, а также введения в нисил магния, которые перевели процесс окисления материала термоэлектродов из внутреннего межкристаллитного в поверхностный. Образующаяся на термоэлектродах защитная пленка окислов подавляет дальнейшее окисление. Увеличение содержания хрома в нихросиле до 14,2% фактически устранило обратимую нестабильность, характерную для хромеля. Однако некоторые исследователи [8] всё же наблюдали обратимую нестабильность термопары НН, но её максимум смещался к температуре 700°С (в хромеле — 400°С). Эта нестабильность определяется не структурными превращениями малого порядка, а скорее микроструктурой металлического зерна сплава, наличием примесей, в частности, образованием и распадом в нихросиле карбидов хрома Cr23C6, а также интерметаллидных фаз в нисиле, в зависимости от температуры [9]. Отжиг термоэлектродов при 1100°С в течение 1-2 ч с последующим резким охлаждением на воздухе снимает все обратимые изменения. Абсолютная величина обратимой нестабильности в целом меньше, чем в термопаре ХА. Долговременная стабильность проволочной термопары НН, как отмечается всеми исследователями, существенно лучше, чем у ТХА. Изменение термоэдс термопары НН с термоэлектродами диаметром 3,2 мм за 1100 ч на воздухе при температуре 1200°С не превышает 100 мкВ, тогда как у ТХА за 300 ч достигает 300 мкВ [10] (рис. 5). В работе [10] делается вывод о существенной необратимой нестабильности термопары ХА при температурах выше 1050°С, а изменение термоэдс ТНН при диаметре термоэлектродов не менее 2,5 мм и температуре до 1200°С такое же, как у термопар из драгоценных металлов (ТПП, ТПР). Новые термопарные сплавы также показали высокую радиационную стойкость из-за отсутствия активирующихся примесей Mn, Co, Fe.

Для сравнения приведены изменения термоэдстермопар хромель-алюмель с диаметром термоэлектродов 3,2 мм для температур 1077 и 1202°С, предварительно отожжённых в течение 80 часов при постоянной температуре (температура отжига та же, что и при калибровке термопар) [9].

Автор-разработчик термопары НН, д-р Ноэл Берли (Австралия), показывает перспективность её применения в качестве универсального средства измерения температур в диапазоне 0−1230°С, что повысит точность промышленных измерений, качество конечного продукта и, в конечном счете, эффективность всего производства [10].

Кабельные термоэлектрические преобразователи

В настоящее время во всём мире широкое распространение получили термоэлектрические преобразователи, изготавливаемые из термопарного кабеля. Ведущие мировые производители, такие как ABB, Ari, JUMO, Pyrotenax, Siemens, Thermocoax, TRM, 90-95% объёмов термоэлектрических преобразователей производят из кабеля. Он представляет собой гибкую металлическую трубку с размещёнными внутри неё одной или двумя парами термоэлектродов, расположенными параллельно друг другу. Пространство вокруг термоэлектродов заполнено сильно уплотнённой мелкодисперсной минеральной изоляцией (рис. 6).

Условные обозначения: 1 — оболочка кабеля; 2 — термоэлектроды; 3 — минеральная изоляция (MgO); d — наружный диаметр оболочки кабеля; S — толщина оболочки кабеля.

В России выпускают термопарный кабель с двумя типами термоэлектродов: КТМС-ХА и КТМС-ХК (кабель термопарный с минеральной изоляцией в стальной оболочке с хромель-алюмелевыми или хромель-копелевыми термоэлектродами) диаметром от 0,9 до 7,2 мм с изоляцией из электротехнического периклаза (основа MgO-98%) по ТУ 16-505.757-75 (табл. 3). Оболочка кабеля изготовлена из жаростойкой стали или сплава.

Термопарный кабель за счёт высокой плотности заполнения периклазом выдерживает изгиб на 180° вокруг цилиндра диаметром, равным пятикратному диаметру кабеля. Например, кабель диаметром 3 мм можно навить на трубу диаметром 15 мм. При этом не происходит замыкания электродов между собой или с оболочкой. Высокая плотность заполнения обусловлена технологией изготовления кабеля. Из порошка периклаза 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.

Одним из наиболее сложных и ответственных этапов в технологии изготовления термопары является сварка рабочего спая, так как она производится внутри оболочки кабеля и при её проведении могут возникать технологические дефекты в сварном шве. Дефектом рабочего спая термопары является наличие в нём микротрещин, непровара, пор, свищей, утонения электродов (рис. 7). Указанные дефекты приводят к преждевременному разрушению рабочего спая термопреобразователя, особенно при воздействии тепловых ударов и при эксплуатации термопар в режиме термоциклирования.

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 10 000 часов не превышает 0,5°С, а за 25 000 часов составляет +1,15°С [6], тогда как для проволочных достигает 1°С за 10 000 часов.

Сравнительные испытания [3] термопар типа ХА показали, что изменение термоэдс кабельной термопары наружным диаметром 3 мм (диаметр термоэлектродов 0,65 мм) при температуре 800°С за 10 000 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 (рис. 8, [3]).

Изменение термоэдс кабельных термопар в оболочке из высоконикелевых сплавов при 980°С также вдвое меньше, чем у обычной термопары при той же температуре за 5000 ч. Как уже отмечалось [7], 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. Экспериментальные исследования [11] кабельных термопар КТХА в жаростойкой оболочке также свидетельствуют об их более высокой стабильности (рис. 9, [11]), так как изменение термоэдс за 250 часов при температуре 1085±10°С не превысило 1°С, тогда как у проволочной термопары диаметром 3,2 мм [3] достигает 3°С при 1000°С. Повышенная стабильность кабельных термопар (рис. 10, [3]) 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.

Для кабельных термопар КТХА также важно использование предварительно стабилизированного кабеля, прошедшего отжиг «на упорядочение», особенно для термопар, предполагаемых к использованию в диапазоне температур 400-600°С. Так, в работе [12] авторами убедительно показано, что предварительный стабилизационный отжиг термоэлектродов термопары ТХА при 538°С снижает ее нестабильность в 4-5 раз. Использование таких термопар для измерения температуры в газовых турбинах позволяет увеличить тепловой кпд турбин от 0,5 до 2,0%.

Необходимо также отметить, что нестабильность кабельной термопары при заданной температуре незначительно зависит от диаметра кабеля, если он превышает 3 мм и более. Для малых диаметров (0,5-2,0 мм) она существенно возрастает при уменьшении диаметра оболочки и, соответственно, термоэлектродов. Связано это прежде всего с природой механизмов, вызывающих изменение статической характеристики кабельного ТП, существенно отличающейся от описанной для проволочных термопар.

Несомненным достоинством кабельных ТП является способность выдерживать большие рабочие давления. Так, по данным, приведённым в [6], термопара с оболочкой из ХН78Т диаметром 3 мм работоспособна при температуре 1000°С и давлении 8,7 МПа, а с оболочкой из 12Х18Н10Т при температуре 300°С — до 31,5 МПа.

Резюмируя всё сказанное о кабельных термопарах, можно ещё раз подчеркнуть их основные достоинства, такие как

• более высокие термоэлектрическая стабильность и рабочий ресурс по сравнению с проволочными термопреобразователями (в 2-3 раза);
• возможность изгиба, монтажа в труднодоступных местах, в кабельных каналах, при этом длина ТП может достигать 60-100 метров. Термопары можно приваривать, припаивать или просто прижимать к поверхности для измерения её температуры;
• малый показатель тепловой инерции, позволяющий применять их для регистрации быстропротекающих процессов;
• универсальность применения для различных условий эксплуатации, хорошая технологичность, малая материалоёмкость;
• способность выдерживать большие рабочие давления;
• возможность изготовления на их основе термопреобразователей в защитных чехлах блочно-модульного исполнения, обеспечивающих дополнительную защиту термоэлектродов от воздействия рабочей среды и создающих возможность оперативной замены чувствительного элемента.

Однако для того чтобы эти достоинства проявились в полной мере, необходимо строго соблюдать весьма непростые технологические процессы изготовления, требующие многократного контроля на всём своём протяжении и современного технологического оборудования. Изготовление кабельной термопары в кустарных условиях, плохая герметизация термоэлектродов внутри кабеля, сварка спая «угольком» на глазок, отсутствие современных методов промежуточного технологического контроля могут дать результат, противоположный желаемому. ●

Литература

1. Межгосударственный стандарт ГОСТ 6616-94. Преобразователи термоэлектрические. Общие технические условия. — Минск: Изд-во Стандартов, 1998.
2. Гордов А.Н., Жагулло О.М., Иванова А.Г. Основы температурных измерений. — М., Энергоатомиздат, 1992.
3. Рогельберг И.Л., Бейлин В.М. Сплавы для термопар: Справочник. — М.: Металлургия, 1983.
4. Каталог керамических изделий фирмы Haldenwanger Technische Keramik GmbH (ФРГ)// Measurement and Control Technical Ceramics., P. 13.
5. Свойства элементов: Справочник/ Под. ред. Дрица М.Е. — М.: Металлургия, 1997. — Т. 2. — С. 253.
6. Геращенко О.А., Гордов А.Н., Еремина А.К. и др. Температурные измерения: Справочник. — Киев: Наукова Думка, 1989.
7. Dahl A.I. The stability of base-metal thermocouples in air from 800 to 2200°F/ Proceedings «Thermometric metals and alloys». — Washington, USA: National Bureau of Standards. — P. 1238-1266.
8. Bentley R.E. Thermoelectric Hysteresis in Nichrosil and Nisil// J. Physics E: Science Instrumentation. — 1987. — Vol. 20. — P. 1368-1373.
9. Bentley R.E. Thermoelectric Hysteresis in Nickel-based Thermocouple Alloys// J. Physics D: Applied Physics. — 1989. — Vol. 22. — P. 1902-1907.
10. Burley N.A. Nicrosil/Nisil type N Thermocouple// J. Measurements&Control. — April 1989. — P. 130-133.
11. Каржавин А.В., Коломбет С.В., Улановский А.А. Новые методы и средства поверки термоэлектрических термометров в диапазоне температур 300-1100°С// Сб. докладов 1-й Всероссийской конференции «Температура-2001», г. Подольск, 13-15 ноября 2001 г.
12. Featherston J.M., Storar M.R. Improved operating efficiency through the use of stabilized thermocouples// Proceedings of international symposium «Temperature-2002. Its measurement and control in science and industry». — New York: American Institute of Physics. — 2002. — Vol. 7. — Part 1.

Статья печатается с сокращениями. Полную версию можно получить в фирме «Тесей».

Авторы — сотрудники фирмы «Тесей»
Телефон: (08439) 615-41, 633-76

Назначение, принцип действия и устройство тэп

ТЭП – это измерительный преобразователь температуры, в котором выходная величина формируется под воздействием термоэлектрического эффекта, и представляет собой механически прочную конструкцию удобную для монтажа. Чувствительным элементом ТЭП является термопара. Принцип действия термопары основан на термоэлектрическом эффекте. Термоэлектрический эффект заключается в том, что в замкнутой цепи, состоящей из 2-х или нескольких разнородных проводников возникает электрический ток, если хотя бы 2 места соединения (спая) проводников имеют разную температуру. Термоэлектрический эффект объясняется наличием в металле свободных электронов, число которых в единице объема различно для различных материалов. Уравнение термопары можно записать следующим образом: E(t,t) =e(t) –e(t), (1) где E(t,t) – результирующая ТЭДС термопары, состоящей из разнородных по составу проводников А и В; e(t),e(t) – ТЭДС, обусловленная контактной разностью потенциалов и разностью температур рабочего спая t и свободных концов t термопары. Из уравнения (1) следует, что ТЭДС зависит от двух температур t и t. При измерении температуры термоэлектрическим преобразователем t поддерживается постоянной, a t в этом случае является переменной. Тогда уравнение (1) можно записать таким образом: E(t,t)|_t=F(t). (2) Для стандартных ТЭП путем градуировки находится зависимость (2), которая является номинальной статической характеристикой (НСХ) ТЭП и представлена в виде таблиц (ГОСТР 8.585-2001) при t = 0°C. В эксплуатационных условиях t, как правило, не равна 0°С. С изменением t изменяется результирующая ТЭДС, что вызывает необходимость введения поправки на температуру свободных концов ТЭП. Допустим t >t = 0°C, в этом случае E(t,t)< E(t,t). Разность этих ТЭДС и представляет собой поправку на температуру свободных концов термопары E(t,t) —E(t,t)=E(t,t). (3) Следовательно, действительное значение ТЭДС равно E(t,t) = E(t,t) + E(t,t). (4) Конструктивное оформление ТЭП разнообразно. На рис.1 представлена конструкция ТЭП, которая чаще всего используются для измерения температуры в трубопроводах и других аппаратах, находящихся под давлением. Рис. 1. Конструкция ТЭП Для изоляции термоэлектродов и защиты их от вредного воздействия измеряемой среды, для обеспечения механической прочности термопары и удобства ее монтажа термопара помещается в защитную арматуру (рис. 1). Арматура состоит из электроизоляции 1 (керамические бусы, трубки и т. п.), металлического защитного чехла 2 и головки 3 с зажимами 4 для присоединения компенсационных проводов, соединяющих ТЭП с измерительным прибором (ИП). Термопара, помещенная в защитную арматуру, называется ТЭП. Основные номинальные статические характеристики (НСХ) стандартных технических ТЭП наиболее часто применяемых в энергетике и их метрологические характеристики приведены в табл.1. Таблица 1- Метрологические характеристики стандартных ТЭП

Тип ТЭП	НСХ	Материалы термоэлектродов	Класс допуска	Пределы измерения, °С	Допускаемая погрешность, ,°С
2	0 — 600
ТПП	S (ПП)	Платинородий — платина	1	600 -1600 0 — 1100 1100 — 1600
2	-40 — 333
ТХА	К (ХА)	Хромель-алюмель	1	333 — 1300 -40 — 375
375 — 1300
ТХК	L (XK)	Хромель — копель	2	-40 — 300 300 — 800

Примечания: 1. В формулах t -значение измеряемой температуры. 2. Пределы допускаемых погрешностей ТЭДС термоэлектрических преобразователей в мВ определяются по формуле =, (5) где — предел допускаемой абсолютной погрешности, рассчитанный по данным табл.1 для соответствующего диапазона и класса допуска; — чувствительность ТЭП, рассчитанная для измеренного значения температуры.