Производство термопар

Для термопар применяются сплавы с нормированными термоэлектрическими свойствами: хромель, алюмель, копель, константан, вольфрам-рений и другие материалы. Каждый сплав имеет свою технологию получения, режимы деформации и термообработки.

Термоэлектродная проволока отличается от обычной электротехнической проволоки тем, что для нее нормируются не только диаметр, поверхность и механические свойства, но и термоэлектрические характеристики. Проволока должна иметь стабильную термо-ЭДС по всей длине бухты и соответствовать заданной номинальной статической характеристике термопары.

Основные стандарты
При производстве и контроле термоэлектродной проволоки и компенсационных проводов применяются следующие нормативные документы:

• ГОСТ 1790-2016 - проволока из сплавов хромель, алюмель, копель и константан для термоэлектродов;
• ГОСТ 1791-2014 - проволока из никелевого и медно-никелевого сплавов для удлиняющих проводов;
• ГОСТ 492-2006 - никель, медно-никелевые сплавы, марки;
• ТУ 11-75 (СУ0.021.142 ТУ) - проволока вольфрам-рениевая термоэлектродная;
• ГОСТ 3044-84 - преобразователи термоэлектрические;
• ГОСТ Р 8.585-2001 - термопары, номинальные статические характеристики преобразования;
• ГОСТ 6616-94 - преобразователи термоэлектрические, общие технические условия
• технические условия изготовителей - для специальных размеров, повышенной точности и нестандартных исполнений.

Конкретный стандарт, марка сплава, диаметр проволоки и класс допуска указываются в заказе и сопроводительной документации.

Общая технология производства термоэлектродной проволоки
Производство проволоки из никелевых и медно-никелевых сплавов включает несколько основных операций.

Сначала готовят шихту из металлов требуемой чистоты. Для хромеля и алюмеля основой служит никель, для копеля и константана - медь и никель. Легирующие элементы вводят в строго заданном количестве, так как даже небольшое отклонение состава может изменить термоэлектрические свойства.

Плавку проводят в индукционных, вакуумно-индукционных или других печах, обеспечивающих контроль химического состава и минимальное загрязнение расплава. После разливки слитки зачищают, контролируют и подвергают гомогенизационному отжигу. Эта операция выравнивает состав по объему металла и уменьшает ликвацию - неравномерное распределение химических элементов в объеме металлического слитка, возникающее в процессе затвердевания расплава.

Далее заготовку деформируют: куют, прессуют или прокатывают до катанки. Затем выполняют холодное волочение через систему волок с постепенным уменьшением диаметра. Между проходами проводят промежуточные отжиги, снимающие наклеп и восстанавливающие пластичность.

На заключительном этапе проволоку отжигают, очищают от оксидов и технологических загрязнений, контролируют по диаметру, овальности, состоянию поверхности, механическим свойствам и термо-ЭДС. Готовая продукция наматывается в бухты или на катушки, маркируется и сопровождается паспортом качества.

Производство проволоки хромель
Хромель - никелевый сплав с хромом. Основная марка для термопар - НХ9,5. Сплав применяется как положительный термоэлектрод в термопарах ТХА и ТХК.

Проволока хромель производится по ГОСТ 1790-2016, марочный состав устанавливается по ГОСТ 492-2006. В отдельных случаях применяются технические условия предприятия.

Главная особенность производства хромеля - точное выдерживание содержания хрома и чистоты никелевой основы. Хром определяет жаростойкость и термоэлектрические свойства сплава, поэтому плавка ведется с тщательным контролем состава.

После плавки, разливки и гомогенизации металл прокатывают или куют, затем получают катанку и проволоку нужного диаметра волочением. Отжиги подбираются так, чтобы проволока сохраняла пластичность, но не теряла стабильности термо-ЭДС. Поверхность готовой хромелевой проволоки должна быть чистой, без трещин, плен, расслоений и следов загрязнений.

Производство проволоки алюмель
Алюмель - никелевый сплав, легированный марганцем, алюминием и кремнием. Основная марка - НМцАК2-2-1. Алюмель используется как отрицательный термоэлектрод в термопарах ТХА.

Проволока алюмель изготавливается по ГОСТ 1790-2016, марка сплава - по ГОСТ 492-2006.

Алюмель сложнее в производстве, чем хромель, из-за присутствия активных легирующих элементов. При плавке важно предотвратить окисление алюминия и марганца и получить однородное распределение компонентов в слитке.

После горячей деформации и волочения проволоку подвергают промежуточным и окончательным отжигам. Термообработка проводится в условиях, исключающих ухудшение поверхности и изменение состава поверхностного слоя. Готовая проволока контролируется по термо-ЭДС в паре с хромелем, так как именно стабильность пары хромель-алюмель определяет точность термопары ТХА.

Производство проволоки копель
Копель - медно-никелевый сплав с марганцем. Основная марка - МНМц43-0,5. Копель используется как отрицательный термоэлектрод в термопарах ТХК.

Марочный состав копеля нормируется по ГОСТ 492-2006, термоэлектродная проволока производится по ГОСТ 1790-2016 или по техническим условиям.

При производстве копеля основное внимание уделяется равномерному распределению никеля и марганца в медной основе. Плавка ведется из чистой шихты, так как примеси серы, кислорода и посторонних металлов ухудшают технологичность и термоэлектрические свойства.

Копель хорошо обрабатывается давлением. После разливки слитки проходят гомогенизацию, горячую прокатку и многократное волочение. При получении малых диаметров применяются промежуточные отжиги и качественные волочильные смазки. Готовая копелевая проволока должна иметь стабильную термо-ЭДС в паре с хромелем.

Производство проволоки константан
Константан - медно-никелевый сплав с марганцем. Основная марка - МНМц40-1,5. В термометрии он применяется как отрицательный электрод в термопарах ТЖК в паре с железом, а также используется в компенсационных проводах и измерительных цепях.

Химический состав константана описан в ГОСТ 492-2006. Термоэлектродная проволока производится по ГОСТ 1790-2016 или по согласованным ТУ.

Технология изготовления константана близка к производству копеля: плавка медно-никелевой шихты, легирование марганцем, разливка, гомогенизация, горячая прокатка, холодное волочение и отжиг. Для термоэлектродного применения особенно важны чистота металла и однородность состава по длине проволоки. Это обеспечивает стабильную характеристику пары железо-константан.

Производство проволоки вольфрам-рений
Вольфрам-рениевая проволока применяется для высокотемпературных термопар ТВР. Основные марки:

• ВР5 - вольфрам с 5 % рения;
• ВР20 - вольфрам с 20 % рения.

Проволока производится по ТУ 11-75 (СУ0.021.142 ТУ) и другим специализированным техническим условиям для тугоплавких металлов.

В отличие от никелевых и медно-никелевых сплавов, вольфрам-рениевые материалы получают преимущественно методами порошковой металлургии. Это связано с очень высокой температурой плавления вольфрама и особенностями обработки тугоплавких металлов.

Производство начинается с получения и контроля порошков вольфрама и рения. Порошки дозируют, смешивают, прессуют в заготовки и спекают в водороде, вакууме или другой защитной среде. После спекания полуфабрикат подвергают горячей деформации: ковке, прокатке или обжатию.

Проволоку получают последовательным волочением, обычно при повышенных температурах и с промежуточными термообработками. Готовая ВР проволока контролируется по диаметру, поверхности, прочности, химическому составу и термоэлектрическим характеристикам. Такие сплавы предназначены для работы в вакууме, инертных и восстановительных средах. В окислительной атмосфере при высоких температурах вольфрам-рений требует специальной защиты.

После изготовления и контроля проволоки производится сборка термопары. Конструкция датчика выбирается по температуре, рабочей среде, давлению, скорости потока, наличию вибрации и требованиям к монтажу.

Основные операции производства термопары:

• подготовка и очистка термоэлектродов;
• резка проволоки в размер;
• сварка рабочего спая;
• изоляция электродов;
• установка в защитную арматуру;
• монтаж головки, разъема или кабельного вывода;
• герметизация;
• контроль электрических и метрологических характеристик.

Рабочий спай выполняют контактной, аргонодуговой, микроплазменной, лазерной или другой сваркой. Для обычных промышленных термопар часто достаточно сварки в защитной атмосфере. Для тугоплавких материалов требуются вакуум, водород или инертная среда.

Производство термопар ТХА, ТХК, ТЖК и ТВР
Технология изготовления термопары зависит прежде всего от материала термоэлектродов. Наиболее заметно отличаются термопары на основе никелевых и медно-никелевых сплавов - ТХА, ТХК, ТЖК - и высокотемпературные термопары из вольфрам-рения - ТВР.

Термопары из никелевых и медно-никелевых сплавов: ТХА, ТХК, ТЖК
К этой группе относятся:

• ТХА - хромель-алюмель: хромель НХ9,5 и алюмель НМцАК2-2-1;
• ТХК - хромель-копель: хромель НХ9,5 и копель МНМц43-0,5;
• ТЖК - железо-константан: железо и константан МНМц40-1,5.

Производство таких термопар начинается с подготовки проволоки. Ее разматывают, правят, режут в размер и очищают от технологических загрязнений. Затем из двух термоэлектродов формируют пару и сваривают рабочий спай. После сварки проверяют прочность соединения, отсутствие трещин, непроваров и посторонних включений.

Материалы термопар ТХА, ТХК и ТЖК достаточно пластичны, поэтому из них изготавливают разные конструкции: проволочные датчики с керамической изоляцией, термопары в защитных металлических чехлах, кабельные термопары с минеральной изоляцией. В качестве изоляции применяются керамические трубки и бусы, стекловолокно, кремнеземные материалы, оксид магния. Защитная арматура обычно выполняется из нержавеющих, жаростойких или конструкционных сталей.

Различия между этими термопарами связаны в основном с температурным диапазоном и рабочей средой. ТХА применяют при более высоких температурах в окислительных и нейтральных средах. ТХК отличается высокой термо-ЭДС и удобна для умеренных температур. ТЖК используется в печах, сушильных установках и термокамерах, но требует защиты железного электрода от интенсивного окисления.

Термопары из вольфрам-рениевых сплавов: ТВР
Термопары ТВР изготавливаются из проволоки ВР5 и ВР20. Это высокотемпературные датчики для вакуумных, инертных и восстановительных сред.

В отличие от ТХА, ТХК и ТЖК, в ТВР применяются тугоплавкие и более хрупкие материалы. Вольфрам-рениевая проволока чувствительна к загрязнениям и окислению, поэтому подготовка электродов и сварка выполняются с более жестким контролем. Рабочий спай формируют в вакууме, водороде или инертной атмосфере.

Для изоляции применяются высокоогнеупорные материалы: корундовая, алюмооксидная, магнезиальная или другая техническая керамика. Защитная арматура подбирается под конкретную среду. При высоких температурах в воздухе вольфрам-рений быстро окисляется, поэтому термопары ТВР не используют без специальной защиты.

Главное отличие производства ТВР от производства ТХА, ТХК и ТЖК заключается в необходимости исключать окисление и загрязнение на всех стадиях сборки. Если термопары из никелевых и медно-никелевых сплавов допускают широкий выбор конструкций, изоляции и защитных чехлов, то ТВР изготавливаются как специализированные высокотемпературные термопары для более жестких условий эксплуатации.

Изоляция и защитная арматура
Изоляция предотвращает электрическое замыкание термоэлектродов между собой и на корпус. Ее выбирают по температуре и условиям работы.

Для средних температур применяются стеклонить, кремнеземная нить, фторопласт, силиконовые материалы. Для высоких температур используются керамические трубки, керамические бусы, оксид магния в минерально-изолированном кабеле, корундовая и алюмооксидная керамика.

Защитная арматура предохраняет рабочий спай и электроды от механических повреждений, газовой среды, расплавов, абразивного износа и давления. В промышленности применяются:

• стальные и нержавеющие защитные чехлы;
• жаростойкие и жаропрочные сплавы;
• керамические трубки;
• кварцевые и корундовые элементы;
• специальные защитные узлы для вакуума и высокотемпературных печей.

Контроль готовых термопар
Готовая термопара должна соответствовать требованиям стандартов, технических условий и конструкторской документации. Контроль включает:

• проверку марки и полярности термоэлектродов;
• визуальный контроль рабочего спая;
• измерение сопротивления цепи;
• проверку сопротивления изоляции;
• контроль геометрических размеров;
• испытание герметичности при необходимости;
• проверку термо-ЭДС в контрольных температурных точках;
• оформление паспорта или сертификата качества.

Для ответственных применений термопары могут проходить индивидуальную калибровку с указанием фактических отклонений от номинальной статической характеристики.

Компенсационные провода применяются для соединения термопары с измерительным прибором. Они должны передавать термо-ЭДС без заметного искажения в установленном диапазоне температур.

Жилы компенсационных проводов изготавливаются из термоэлектродных или специальных компенсационных сплавов. После волочения и отжига проволоку скручивают, изолируют и маркируют. В зависимости от условий эксплуатации применяют изоляцию из ПВХ, фторопласта, силикона, стеклонити, кремнеземной нити, керамических материалов. Провода могут быть экранированными, бронированными, гибкими, термостойкими или химически стойкими.

Контроль включает проверку электрического сопротивления, сопротивления изоляции, соответствия полярности, термоэлектрической совместимости с термопарой и качества наружной оболочки.

НПК Метотехника поставляет термопары, термоэлектродную проволоку и сопутствующие материалы для промышленного применения.

К преимуществам производителя относятся:

• богатый опыт работы с термоэлектродными сплавами хромель, алюмель, копель, константан и вольфрам-рений;
• контроль качества материалов и готовых изделий;
• быстрая поставка проволоки для термоэлектродов и компенсационных проводов;
• подбор типа термопары, защитной арматуры и изоляции под температуру и среду;
• техническая консультация при выборе материалов;
• работа в соответствии с ГОСТ, ТУ.

Производство термопар - это сочетание металлургии сплавов, точного волочения проволоки, сварочных операций и метрологического контроля. Надежность датчика начинается с химически однородной термоэлектродной проволоки и завершается правильно выполненным рабочим спаем, качественной изоляцией и защитой от агрессивной рабочей среды. Поэтому при выборе термопары важно учитывать не только тип преобразователя, но и материал электродов, конструкцию, стандарт изготовления и условия эксплуатации. Подобрать термоэлектродную проволоку можно на странице Цены на термопары