Материалы, применяемые для термопар

К материалам для термоэлектродов термопар кроме тре­бования получения большого значения термоЭДС предъявляются идругие 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. 10.2 приведены основные типы термопар, выпускаемых серийно, и их характеристики. В паре материалов первым указан положительный электрод

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. Не достаток—малое значение термоЭДС. Термопара типа lllll мо­жет длительно работать при температуре 1300°С, термоЭДС ее при этой температуре составляет 13,152 мВ.

Для более высоких температур (длительно — до 1600°С, крат­ковременно—до 1800°С) применяется термопара ТПР. Один элек­трод—платинородий (70% платины и 30% родия), другой элек-

трод также платинородий (94% плати­ны и 6% родия). При температуре 1800°С 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).

Наибольшее распространение получи­ли термопары типа ТХА (хромель-алю-мель) и типа ТХК (хромель-копель). За­висимость термоЭДС этих термопар от температуры показана на рис. 10.2. Хро-

мель-алюмелевые термопары применяют дли измерении icmncpa-тур в пределах от —50 до 1000^СС. 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°С. 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°С. 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 идругие, 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 целен измерения полу­проводниковые термопары пока не применяются из-за нелинейно­сти характеристики, малой механической прочности и сравнитель­но малого (до 500°С) температурного диапазона.