Термопары. Проволока для изготовления термопар
Термопара представляет собой традиционный, достаточно давно используемый тип термоэлектрического датчика. В настоящее время термопары являются наиболее распространенным средством для измерения температуры в самых разных отраслях промышленности. В частности, они широко применяются в химической промышленности, металлургии, теплоэнергетике, атомной энергетике, жилищно-коммунальном хозяйстве и многих других отраслях. Термопары могут использоваться для измерения и контроля температуры твердых, жидких и газообразных сред. Этот тип датчиков позволяет измерять температуру в широком диапазоне с довольно высоким уровнем точности, легко интегрируется в самые разнообразные сети автоматики, может применяться для работы с агрессивными средами. Кроме этого, термопары отличаются доступной ценой и простотой в эксплуатации.
Термопара – это термоэлектрический преобразователь, в основе действия которого лежит эффект Зеебека, или термоэлектрический эффект. Томас Зеебек - немецкий физик, сделал ряд важных открытий в области оптики, акустике, термодинамике, электричестве. Суть этого эффекта заключается в возникновении электродвижущей силы и изменении разности потенциалов у спаянных проводников из разных материалов пропорционально изменению температуры среды, в которую они помещены. Таким образом, термопара представляет собой достаточно простой датчик, состоящий из двух разных проводников, спаянных или сваренных между собой. Точка спая называется «горячий контакт» и помещается в среду, температура которой измеряется датчиком. Два свободных конца спаянных проводников, являющих собой («холодный контакт»), подключаются к регистрирующему устройству. Обычно такое подключение выполняется при помощи компенсационного провода, который также изготовляется из термопарной проволоки. В результате разности температур между «горячим контактом» и «холодным контактом» в цепи термопары возникает термоЭДС, величина которой напрямую зависит от температуры. Таким образом, измеряя напряжение на концах проводников, можно с высокой точностью определять температуру рабочей среды.
Для изготовления термопар используется проволока различных металлов и сплавов. Следует понимать, что термопары эксплуатируются в достаточно сложных условиях. Они применяются для измерения высоких (до 2500 градусов) и низких (от -200 градусов) температур. Кроме этого, данный тип датчика применяется для измерения температуры агрессивных рабочих сред. При этом термопара должна обеспечивать высокую точность измерения и сохранение своих рабочих параметров в течение длительного периода. Исходя из этого определяются основные требования, предъявляемые по отношению к термопарной проволоке. Она должна обладать высокой жаростойкостью и относительно низкой плотностью, а также – средним температурным коэффициентом линейного сопротивления. Большое значение имеют показатели, характеризующие электротехнические свойства проволоки, используемой для изготовления термопар. К таким показателям относится высокое значение удельного электрического сопротивления и минимальный температурный коэффициент электрического сопротивления. Самой же основной характеристикой термопарной проволоки является высокое значение и стабильность термоэлектродвижущей силы.
Обеспечивать соблюдение всех этих требований способны далеко не все электротехнические материалы. В настоящее время термопарная проволока изготавливается из благородных металлов и их сплавов, а также – из сплавов ряда неблагородных цветных металлов. Из благородных металлов наиболее широко для изготовления термопарной проволоки используется платина в чистом виде и в сплаве с родием. Платинородий-платиновые и платинородий-родиевые теромопары – наиболее распространенный тип термоэлектрических датчиков из благородных металлов. Они обеспечивают измерения при рекомендованной рабочей температуре до 1350-1500 градусов. Главным преимуществом этих типов термопар является высокая точность измерений. Однако проволока для термопар с использованием платины отличается высокой стоимостью. К тому же, платинородиевая проволока может окисляться при высоких температурах. Такие изменения могут приводить к ухудшению эксплуатационных показателей термопары и снижению стабильности.
Термопарная проволока из сплавов неблагородных цветных металлов пользуется широчайшим применением в современной промышленности для изготовления термопар и компенсационных проводов. Термопары из этих видов проволоки обеспечивают достаточный уровень точности измерений и обладают высокой чувствительности. При этом они довольно просты в эксплуатации и могут использоваться в составе взрывозащищенного оборудования. Сегодня проволока для термопар изготавливается из нескольких разновидностей сплавов цветных металлов. Их свойства и характерные особенности позволяют выпускать термопары, охватывающие широкий диапазон измерений температуры, которые могут использоваться в самых разных температурных условиях. В настоящее время к числу наиболее распространенных материалов для изготовления термопарной проволоки можно отнести такие сплавы, как хромель, алюмель, копель, фехраль, константан, а также сплавы вольфрама с рением ВР5 и ВР20.
Хромель Т (НХ9,5)– сплав, содержащий 8,7-10% хрома, 89-91% никеля, а также примеси Si, Cu, Mn, Co. Обладает плотностью 8710 кг/м3 и температурой плавления около 1400-1500 градусов. Удельное электрическое сопротивление сплава составляет 0,5 мкОм•м.
Алюмель (НМЦАк2-2-1) - состоит из никеля (93-96%), алюминия (1,8-2,5%), марганца (1,8-2,2%), кремния (0,8-1,2%). Этот сплав обладает схожими с хромелем показателями плотности и температуры плавления.
Копель (МНМц43-0,5) – имеет в своем составе (39-41 %) - никель, (2-3 %) – железо, остальная часть – медь. Этот сплав отличается более высокой плотностью (около 8900 кг/м3) и низкой температурой плавления (порядка 1220-1290 градусов).
Фехраль (Х23Ю5Т) - сплав, состоящий из (12-15 %)- хрома, (3,5-5,5 %)- алюминия, (1 %)- кремния, (0,7 %)- марганца и остальной части железа, характеризуется температурой плавления около 1450 градусов. Также фехраль имеет невысокую плотность (1100-1300 кг/м3). Недостатком сплава являет хрупкость и сложность обработки.
Константан (МНМЦ40-1,5) –(сплав очень похожий на Копель) - состоит из (39-41 %) - никеля, (1-2 %) - марганца и остальной части меди. Его плотность составляет 8800-8900 кг/м3, а температура плавления – около 1260 градусов. Проволока из константана дает высокую термоэлектродвижущую силу в термопарах с хромелем, железом, медью.
Проволока из перечисленных выше сплавов в различных комбинациях позволяет создавать термопары с разными характеристиками. Например, термопара хромель-алюмель измеряет температуру в диапазоне от -200 до 1000 градусов, хромель-копель – от -200 до 800 градусов, хромель-константан – от -40 до 800 градусов.
Сплавы ВР5 и ВР20 (ВР 5/20, ВР5/ВР20) - характеризуются максимально высокой температурой плавления. Составляющие их металлы (вольфрам и рений) относятся к числу наиболее тугоплавких. В сплаве ВР5 содержится 5 % рения, в сплаве ВР20 – около 20 %. Термопары из вольфрам-рениевой проволоки позволяют осуществлять измерения наиболее высоких температур (до 2500 градусов).
Промышленность предлагает различные типы термопар, которые могут работать в различных условиях от отрицательных температур до очень высоких. Без термопар уже трудно представить процесс измерения температуры. В настоящее время термопары получили очень широкое распространение, как в бытовых приборах, так и в промышленной технике.