В промышленности и научной сфере важнейшее значение имеет измерение температур различных сред при помощи термометров тех или иных конструкций.
Одним из наиболее распространенных, универсальных и точных типов данных устройств являются термоэлектрические (термопарные) термометры, принцип действия которых основан на так называемом эффекте Зеебека. Сущность данного эффекта состоит в генерировании электрического сигнала на наружных концах двух погруженных в измеряемую среду электродных проводников – положительного и отрицательного. Для их изготовления используется специальная термопарная проволока из металлов/сплавов с различными химико-термическими характеристиками.
При соединении в единую конструкцию плюсового и минусового электродов образуется термопара, погружаемые в измеряемую среду концы которой называются рабочей зоной. Если к наружным выводам термопары подключить электроизмерительный прибор (милливольтметр) со шкалой, градуированной в градусах Цельсия, (Фаренгейта или Кельвина), стрелка датчика будет отображать изменения температурных параметров измеряемой среды.
Диапазон измеряемых с помощью таких термометров температур чрезвычайно широк. В зависимости от свойств используемой термопарной проволоки он варьируется в пределах от -200 до +2500°С. Точность измерения у термопарных датчиков также очень высока и может достигать значения 0,01°С. Термоэлектронные термометры широко используются в промышленных системах управления и контроля, а также при измерении температурных характеристик газообразных, жидких, твердых, сыпучих и пористых сред.
Термопары с электродами из благородных/неблагородных металлов
Максимальная долговечность и точность присуща термометрам с электродами из благородных металлов (золото, платина, палладий, родий и др.), а также их сплавов. Однако такие устройства слишком дороги, в результате чего сфера их практического применения ограничена.
Основным достоинством термоэлектронных термометров с электродами из неблагородных металлов и их сплавов (железа, меди, никеля, хромели, копели, константана и т.д.) является ценовая доступность, простота изготовления, широкий спектр измерений. Типы задействованных в них термопар получили повсеместное распространение во всех производственно-хозяйственных отраслях.
Однако «неблагородным» термопарам присущи и свои слабые стороны. В частности, они подвержены коррозии, другим агрессивным воздействиям. К существенным недостаткам можно причислить и нарушение однородности молекулярной структуры вследствие наличия посторонних примесей и термического старения, что вызывает погрешности в градуировке до 5°С и более.
Использование сплавов хромель и константан для изготовления термопар
Одними из наиболее востребованных являются термоэлектрические термометры, в которых электроды термопар выполняются из сплавов хромель и константан. Их популярность обусловлена, прежде всего, минимальными значениями температурного коэффициента омического сопротивления и стабильно высокими показателями термо-ЭДС.
Хромель – термоэлектродный сплав, включающий в себя около 90% никеля, 9−10% хрома, а также, суммарно, до 1,5% меди, кобальта, марганца, железа и кремния. При этом по большей части используется термопарная хромелевая проволока НХ9,5 (ГОСТ 492-2006), Ø 0,2 – 3,2 мм.
Показатель удельной плотности сплава составляет 8,7 г/см³, а температура плавления – 1460°C. Значения коэффициентов, характеризующих удельное сопротивление и линейное расширение – соответственно, 0,65 мкОм·мм2/м и 12,7·10-6 °C-1.
Способность хромелевой проволоки сохранять стабильность термо-ЭДС при температуре до 1000°C на воздухе позволяет использовать ее в виде положительного электрода хромель-алюмелевых, хромель-копелевых, хромель-константановых и других хромелевых термопар.
Константан (от лат. constanta – постоянство) — термически стабильный сплав золотистого цвета на основе меди (Cu) (около 60%) с добавлением никеля (Ni) (38—42%) и марганца (Mn) (до 2%).
Важнейшее практическое достоинство данного материала заключается в том, что его удельное сопротивление постоянно, откуда и пошло само название константан. Оно напрямую связано с колебаниями температуры. При 20°С электросопротивление составляет 0,48 мкОм·мм2/м.
Одна из основных областей применения сплава – изготовление отрицательного электрода термопар, имеющих рабочую температуру до 450—550°C. Для изготовления электродов обычно применяется константановая проволока марки МНМц40−1,5 и проволока из сплава копель МНМц43−1,5. При этом, стоит отметить, что не рекомендуется применять константановые термопары для серосодержащих сред, поскольку сера оказывает разрушительное воздействие на никелевый компонент сплава.
Термопары с электродами из константана и рекомендации к их применению
Железо-константановые термопары (ТЖКн, тип J)
Буквенное обозначение НСХ – J. Материал положительного электрода – технически чистое железо (Fe), отрицательного – сплав константан (45% Сu + 45% Ni, Mn, Fe). Коэффициент термо-ЭДС, мкВ/°С (в температурном диапазоне, °С) – 50-64 (0-800). Рабочий спектр температур, °С - от –200 до +750. Максимальная температура при не долговременном использовании, °С – 900.
- Рекомендации к применению:
- оптимальный вариант для использования в разреженной атмосфере;
- возможно применение в восстановительной/окислительной средах;
- рекомендован для замеров предельно низких температур, близких к 0°К;
- предельная температура применения +550°С (при более высоких температурных значениях выводы быстро окисляются;
- погрешность показаний увеличивается по мере термического старения.
Рисунок 1. Железо-константановая термопара (тип J)
Хромель-константановые термопары (ТХКн, тип Е)
Буквенное обозначение НСХ – Е. Материал положительного электрода – сплав хромель (90,5% Ni + 9,5% Сr), отрицательного – сплав константан (45% Сu + 40% Ni, Mn, Fe). Коэффициент термоЭДС, мкВ/°С (в температурном диапазоне, °С) – 59-81 (0-600). Рабочий спектр температур, °С - от –200 до +700. Максимальная температура при не долговременном использовании, °С – 900.
- Рекомендации к применению:
- наивысшая чувствительность среди всех термопар, используемых в промышленности;
- требование по термоэлектрической однородности материалов электродов;
- возможность производить измерения измерений в широком температурном спектре (от –42 до +880 °C).
Медь-константановые термопары (ТМКн, тип Т)
Хромель-константановые термопары (ТХКн, тип Е)
Буквенное обозначение НСХ – Т. Материал положительного электрода – Медь (Сu), отрицательного – сплав константан (45% Сu + 40% Ni, Mn, Fe). Коэффициент термо-ЭДС, мкВ/°С (в температурном диапазоне, °С) – 59-81 (0-600). Рабочий спектр температур, °С – от -200 до +700. Максимальная температура при не долговременном использовании, °С – 900.
- Рекомендации к применению:
- возможно применение в восстановительной/окислительной, а также вакуумной средах;
- может использоваться для измерений при температурах ниже 0 °С (не чувствительны к высокой влажности);
- возможно применение в средах с избытком или дефицитом О2;
- подходит для измерений в температурном диапазоне от 250 до 300°C;
- нежелательно применять при значениях температур, превышающих 450°С.
Удлиняющие (компенсационные) провода для термопар
Необходимо, чтобы свободные оконечности холодного спая термопары, подсоединяемые к измерительному прибору, находились при постоянной температуре, близкой к 0°С. В случае их подсоединения непосредственно к контактам электротермометра выполнение данного условия не представляется возможным. Это обуславливает потребность в использовании с данной целью удлиняющих компенсационных проводов, подвергаемых охлаждению до нулевой температуры.
Для изготовления таких проводов применяют металлы/сплавы, имеющие сходные с электродами термопары значения термоэлектродвижущей силы. В недорогих константановых термопарах это провода из тех же материалов, что и электроды. Диаметр компенсационных проводов, как правило, составляет от 1,0 до 1,5 мм.
Применение на практике
Термоэлектронные термометры на основе термопар железо-константан, хромель-константан и медь-константан находят широкое практическое применение в промышленных системах управления и контроля, а также при измерении температурных характеристик газообразных, жидких, твердых, сыпучих и пористых сред.
Они, в частности, используются при замере температур в печах, газгольдерах, газовых турбинах, ряде ДВС и других промышленных установках. С их помощью также осуществляют управление температурным режимом в различных промышленных и бытовых отопительных приборах, поскольку поступающий от термопары электрический сигнал удобно корректировать посредством электронных реостатов.
