Материалы, применяемые для термопар

К материалам для термоэлектродов термопар кроме требования получения большого знамения термоЭДС предъявляются и другие требования. Пожалуй, наиболее важным из них является обеспечение взаимозаменяемости. Это означает, что термопары одного и того же типа должны иметь при одинаковых температурах одну и ту же термоЭДС. В этом случае замена термопары не должна привести к перенастройке или переградуировке измерительного прибора. Поскольку термопары часто используются в очень тяжелых условиях (высокие температуры, агрессивная среда и т. п.), порой их необходимо менять уже через 1—2 тыс. ч. А измерительные приборы способны работать годами, их менять при замене термопары нецелесообразно. К тому же в промышленности получили большое распространение так называемые обегающие системы автоматического контроля, когда на один и тот же измерительный прибор последовательно подаются сигналы от нескольких десятков термопар, контролирующих температуру в разных местах. Поэтому необходима стабильность и повторяемость свойств термопар. В табл. 2 приведены основные типы термопар, выпускаемых серийно, и их характеристики. В паре материалов первым указан положительный электрод.

Таблица 2. Зависимость термоЭДС от температуры для стандартных термопар (при температуре свободных концов 0 °С)

В зависимости от материала электродов термопары, получившие практическое применение, разделяются на две основные группы: из благородных и неблагородных металлов.

Наибольшее распространение из первой группы получила термопара типа ТПП. Один электрод ее изготовлен из платинородия (90 % платины и 10 % родия), другой — из чистой платины. Эта термопара может использоваться как образцовая. Достоинствами ее являются химическая стойкость к окислительной среде, взаимозаменяемость термоэлектродов, повторяемость характеристик. Недостаток — малое значение термоЭДС. Термопара типа ТПП может длительно работать при температуре 1300 ºС, термоЭДС ее при этой температуре составляет 13,152 мВ.

Для более высоких температур (длительно — до 1600 ºС, кратковременно— до 1800 °С) применяется термопара ТПР. Один электрод— платинородий (70 % платины и 30 % родия), другой электрод также платинородий (94 % платины и 6 % родия). При температуре 1800 ºС термоЭДС составляет 13,927 мВ.

Существенно большие значения термоЭДС имеют термопары из неблагородных металлов, материалом для электродов которых служат специально разработанные сплавы: хромель (89 % никеля, 9,8 % хрома, 1 % железа, 0,2 % марганца), алюмель (94 % никеля, 2,5 % марганца, 2 % алюминия, 1 % кремния, 0,5 % железа), копель (55 % меди, 45 % никеля).

Рис. 2. Зависимости термоЭДС от температуры

Наибольшее распространение получили термопары типа ТХА (хромель—алюмель) и типа ТХК (хромель—копель). Зависимость термоЭДС этих термопар от температуры показана на рис. 10.2. Хромель-алюмелевые термопары применяют для измерения температур в пределах от -50 до 1000 °С. Они способны работать в окислительной среде, поскольку образуемая при нагреве тонкая защитная пленка препятствует проникновению кислорода внутрь металла. Зависимость термоЭДС от температуры для термопар ТХА близка к линейной. Хромель-копелевые термопары имеют самую высокую чувствительность: 6,95 мВ на 100 ºС. Однако диапазон измеряемых температур (от -50 до 600 °С) несколько ниже, чем у термопар типа ТХА. Несколько хуже у термопар типа ТХК и линейность характеристики. Их достоинством является более высокая влагостойкость.

Термопара типа ТНС (электроды выполнены из сплавов НС-СА) применяется в диапазоне температур от 300 до 1000 °С. ТермоЭДС ее невелика — всего 13,39 мВ при 1000 ºС. Но характерной особенностью этой термопары является то, что на точность ее работы почти не влияет температура холодного спая. Объясняется это тем, что термоЭДС термопары типа ТНС в диапазоне низких температур (до +200 °С) практически близка к нулю. Следовательно, изменения температуры холодного спая, вызванные обычными погодными колебаниями в помещении и даже на улице, почти не влияют на результаты измерения.

Кроме перечисленных материалов для термопар используются и другие, менее распространенные, но имеющие свои достоинства. Для измерения высоких температур применяют термопару из тугоплавких металлов — вольфрама и молибдена. Достоинством термопар медь—копель и железо—копель является низкая стоимость.

Конструктивно термопары выполняются в специальной арматуре, обеспечивающей защиту электродов от действия горячих химически агрессивных газов и паров, электрическую изоляцию выводов. Для защиты термопар из неблагородных металлов применяют стальные трубки диаметром 21 мм и с максимальной глубиной погружения до 2 м.

Для защиты термопар из благородных металлов применяются кварцевые и фарфоровые трубки диаметром 8 и 20 мм. Для изоляции используют асбест (до 300 °С), кварц (до 1000 °С), фарфор (до 1400 °С).

Так как термопары являются датчиками генераторного типа, то их в принципе можно использовать и для получения электроэнергии. Измерительные термопары для этой цели практически непригодны, поскольку их термоЭДС невелика. Но термопары с электродами из полупроводниковых материалов имеют термоЭДС, на порядок большую (до 65 мВ на 100 °С). С помощью таких термопар может осуществляться, например, и преобразование солнечной энергии в электрическую. Нашли применение они в быту: термогенераторы используются для питания радиоприемников. КПД полупроводниковых термоэлементов достигает 10 %. Для целей измерения полупроводниковые термопары пока не применяются из-за нелинейности характеристики, малой механической прочности и сравнительно малого (до 500 °С) температурного диапазона.