Нагревостойкие термопарные провода
Изолированный нагревостойкий термопарный провод применяется в промышленной и лабораторной термометрии как контактное средство измерения высоких температур в газодинамике. В качестве токоведущих жил провода используется жаростойкая проволока из термопарных сплавов, обладающих высокими и стабильными значениями электродвижущей силы, пропорциональными значениям измеряемой температуры.
Количество сплавов и их комбинаций, применяемых для создания термопарных проводов, невелико. Чаще всего используются такие сплавы, как алюмель, хромель и копель, а так же их комбинации – термопары: хромель-алюмель и хромель-копель. Термопарные провода из перечисленных сплавов способны с высокой точностью измерять температуру технологических и научных процессов в интервале от 200°С до 1100°С с погрешностью не более ±1 % в течение 100 часов беспрерывной эксплуатации.
Рисунок 1. Катушки с термопарным нагревостойким проводом.
Конструкция термопарного провода
Любой нагревостойкий термопарный провод конструктивно состоит из одной или нескольких жил термоэлектродной проволоки, покрытых изоляционной оболочкой. Одножильный провод представляет собой одну термоэлектродную жилу из сплавов хромель, копель или алюмель, на которую нанесена термостойкая изоляция. Двужильный провод состоит из двух параллельно уложенных и изолированных друг от друга проволок разных сплавов, например, в сочетании хромель-копель или хромель-алюмель, заключенных в скрепляющую внешнюю оболочку (кожух). Специальные изделия могут иметь в своей конфигурации до десяти и более изолированных друг от друга и от внешней оболочки проволок.
Рисунок 2. Двужильный термопарный нагревостойкий провод.
Марки термоэлектродных сплавов
Выбор марки сплава проволоки для токоведущей жилы термопарного провода, главным образом, определяется диапазоном температур, в котором ему предстоит работать. Для каждого сплава стандартами и техническими условиями определён верхний предел температуры эксплуатации в окислительных и инертных средах, в постоянном и кратковременном режиме, а так же установлена температура плавления материала. К наиболее распространенным термоэлектродным сплавам относятся:
- алюмель марки НМцАК 2-2-1 (сплав, состоящий из 93-96% никеля (Ni), до 1% кобальта (Co), до 2,5% алюминия (Al), до 2,2% марганца (Mn) и до 1,2% кремния (Si)). Максимальная рабочая температура алюмеля при длительной эксплуатации составляет 1000-1100°C, при кратковременной работе 1250°C, температура плавления равна 1430-1450°С.
- хромель марки Т НХ 9,5 (сплав никеля (Ni) с 9,5% хрома, плюс незначительные (до 1%) примеси углерода (C), железа (Fe) и кобальта (Co)). Диапазон рабочих температур хромеля составляет от 200°C до 1000°C (на воздухе), кратковременно может работать при температуре 1300°C, плавится хромель при 1400-1500°C.
- копель марки МНМц 43-0,5 (сплав на основе 57,5-55,5% меди (Cu) с добавлением 42,5-44,5% никеля (Ni) и кобальта (Co)). Максимальная рабочая температура копеля достигает 700°С, кратковременная равняется 800°С, температура плавления составляет около 1285°С.
Типы оболочек
Термопарные провода разных типов отличаются маркой сплава и сечением токоведущих жил, а главное – типом изоляционных оболочек, которые бывают гибкими и жёсткими. В основном для изоляции термопары от воздействия измеряемой среды применяют оплётку из стеклонитей повышенной нагревостойкости или помещают токоведущие жилы внутри бесшовных металлических трубок с минеральным наполнителем. Некоторые марки проводов покрываются стеклонитью не в один, а в два или три слоя, дополнительно экранируются оплёткой из лужёной медной или никелевой проволоки.
Материалы изоляции
Наиболее широкое распространение в качестве изоляции высокотемпературного нагревостойкого термопарного провода получила гибкая и очень прочная на растяжение оболочка из кремнезёмной нити. Этот материал не впитывает жидкость, устойчив к механическим воздействиям, обладает крайне низкой диэлектрической проницаемостью, не теряет физических свойств при высоких температурах. Температурная стойкость оболочки из кремнеземной нити (ТУ 5952-148-05786904-99) равна 1000°С при долговременной эксплуатации, а кратковременно она может выдерживать температуру до 1200°С.
В качестве внешней оболочки термопроводов применяют ПВХ, фторопласт, силикон, свинец, латунь, а для специальных марок - металлические трубки из нержавеющей стали. Внутри трубок размещают токоведущие жилы из термоэлектродной проволоки, а затем изолируют их между собой и от оболочки, засыпая полость керамическим порошком. Такая оболочка повышает механическую прочность термопровода, но делает его более инертным – передача параметров температуры измеряемой среды технологических и лабораторных процессов происходит с заметным запаздыванием, что не всегда допустимо.
Сравнение термопарного провода (в изоляции) и термоэлектродной проволоки (без изоляции)
Наличие изоляции позволяет располагать термопары в самых сложных конструктивных узлах, избегая при этом риска искажения получаемых данных из-за диффузии примесей из окружающей атмосферы или контакта с поверхностью объекта. Изоляция делает термопары более устойчивыми к окислению, существенно замедляют процесс термического старения сплава токопроводящей жилы при длительном воздействии агрессивной рабочей среды и повышенной температуры. Изменение температуры у изолированного провода происходит более плавно, нежели у проволоки без изоляции. Плюс ко всему перечисленному, изоляция позволяет увеличить максимальную рабочую температуру термопары без увеличения диаметра термоэлектродной проволоки.
Характеристики термопарных проводов
Изолированные провода из термоэлектродных сплавов обладают очень большим диапазоном рабочих температур и высоким сопротивлением к электрическому пробою изоляции – не менее 750В. Они устойчивы к вибрациям, гибки, чувствительны, имеют достаточно низкую погрешность в градуировке, которая близка к линейной при измерении температур до 1100°С, и как правило, не превышает 0,2-0,3°С. Термопары в оболочке отличает простота изготовления, удобство монтажа и эксплуатации, прочность и надежность конструкции, невысокая стоимость и быстрая окупаемость.
Марки термопарных проводов
Все термопарные нагревостойкие провода в изоляционной оболочке производятся и маркируются в соответствии с национальными стандартами, определяющими температуру эксплуатации и конструкцию провода (число и диаметр жил), общий диаметр провода в оболочке, массу на 1 км провода и т.п.
К примеру, провода марок СФКЭ, КТМСФЭ и КТСФЭ изготавливаются по ТУ 16-505.944-76 в комбинированной оболочке из стеклонити и фторопласта, а их максимальная рабочая температура составляет +250 градусов. Марки проводов ПТВ, ПТГВ, ПТВВ, ПТВВт выпускаются в соответствии с ТУ 16.К19-04-91 в ПВХ-оболочке и имеют теплостойкость менее +105 градусов. Жёсткие термопарные провода марки КТМС по ТУ 16-505.757-75 защищает оболочка (трубка) из нержавеющей стали с минеральным наполнителем.
Популярные в прошлом провода ПТН, ПТНО и ПТНО-9СЮ, выпускаемые по отечественному стандарту ТУ 16-505.663-74 широко применялись в промышленности и науке. Они представляют собой одножильные и двужильные провода в изоляции из стеклонити и кварцевой нити с повышенной нагревостойкостью. ПТН и ПТНО с температурой эксплуатации до 600 °С выпускаются и в настоящее время. С 2008 года провода ПТНО-900 сняты с производства, также прекращен выпуск кварцевой нити необходимой для производства данных проводов. В качестве замены ПТНО-900 разработан новый современный провод ПТН-1100 (ТУ 3567-022-66158671-2016). ПТН-1100 обладает улучшенной температурной стойкостью (эксплуатация возможна до 1100 °С даже при малом диаметре проволоки от 0,2 мм.) и лучшей прочностью изоляции на истирание, при таких же габаритных размерах и массе.
Области применения термопарного провода
Области применения изолированного термопарного провода, как самого высокотемпературного из контактных датчиков, достаточно широки. Чаще всего нагревостойкий термопарный провод используют в качестве загрузочных термопар в оборудовании, контролирующем равномерность распределения тепла и значение температуры внутри промышленных и лабораторных печей различного типа: гомогенизации, отжига, старения, сушки и т.п. Термоэлектродные провода с изоляцией активно применяются для измерения температуры обрабатываемых деталей, заготовок и сырья. Специальные высоконагревостойкие вольфраморениевые термопары с рабочим режимом до 2500°С применяют для измерения температуры газа в ядерных реакторах, в камерах двигателей внутреннего сгорания и т.п.
