Термоэлектродные материалы

Величина термо-ЭДС, развиваемая термопарой, зависит от материалов термоэлектродов [4,5,10]. В качестве термоэлектродов преимущественно применяют те металлы и сплавы, которые развивают сравнительно большие термо-ЭДС. Наряду с требованиями создания большой термо-ЭДС термоэлектроды должны обладать следующими свойствами:

1. постоянством термоэлектрических свойств независимо от возможных изменений со временем внутренней структуры (рекристаллизации) и загрязнения поверхности;

2. устойчивостью против действия высоких температур, окисления и других вредных факторов;

3. хорошей электропроводностью и небольшим температурным коэффициентом электрического сопротивления;

4. однозначной и по возможности линейной зависимостью термо-ЭДС от температуры;

5. однородностью и постоянством состава для обеспечения взаимозаменяемости термопар.

Состав термоэлектродов сильно влияет на величину развиваемой ими термо-ЭДС, поэтому стремятся обеспечивать хорошую воспроизводимость химического состава для каждого типа термопар при различных плавках металла, что значительно упрощает и облегчает условия промышленной эксплуатации. При замене однотипных термопар не требуется повторной градуировки.

Наибольшее распространение для изготовления промышленных типов термопар получили следующие материалы: платина, платинородий (90 % Rt и 10 % Rh), хромель (90 % Ni и 10 % Сr), алюмель (95 % Ni, остальное - Аl, Si, Мg) и копель (56 % Сu и Ni). Для измерений в лабораторных установках также находят применение медь, железо, константан (60 % Сu и 40 % Ni).

Типы и конструкции термопар

Термопары, получившие практическое применение, разделяются на две группы: термопары из благородных и неблагородных металлов и сплавов [4,5,10]. Промышленностью выпускаются в основном четыре стандартных типа термопар: термопара платинородий-платиновая (ТПП), термопара хромель-алюмелевая (ТХА), термопара хромель - копелевая (ТХК), термопара никелькобальт - алюмелевая (ТНК). Промышленные типы термопар ввиду достаточно надежного обеспечения однородности состава термоэлектродов имеют стандартные градуировки (рис. 4.2.3).

Знак термо-ЭДС у приведенных на рис. 4.2.3 термопар таков, что в холодном спае ток идет от первого названного в паре материала ко второму (то есть от хромеля к копелю, от меди к константану), а в горячем спае - в обратном направлении. Для получения сравнительно высоких значений термо-ЭДС выбор термоэлектродов при конструировании термопар производят таким образом, чтобы в паре с платиной один из них имел положительную, а другой отрицательную термо-ЭДС.

Термопары из благородных металлов применяются для измерения высоких температур и при особо точных измерениях, так как они обладают большой температурной устойчивостью. Наибольшее распространение получили платинородий-платиновые термопары (измеряют температуры до 1600 ⁰С), которые благодаря исключительному постоянству термо-ЭДС и большому пределу измерений применяются не только как технические, но и к ак лабораторные, образцовые и эталонные. Платинородий-платиновые термопары хорошо противостоят действию окислительной среды, но быстро разрушаются и теряют свои свойства под влиянием восстановительной атмосферы. Поэтому при промышленных измерениях термоэлектроды этих термопар тщательно изолируют от непосредственного соприкосновения с атмосферой.

Т

Рис. 4.2.3. Зависимость термо-ЭДС от разности температур горячего и холодного спаев для термопар: 1 - хромель-копель (ХК), 2 - железо-копель (ЖК), 3 - медь-копель (МК), 4 - железо-константан, 5 - медь-константан, 6 - хромель-алюмель (ХА), 7 - платинородий-платина (ПП)

ермопары из неблагородных металлов и сплавов: хромель-алюмелевая, хромель-копелевая, железо-копелевая, медь-копелевая применяются для измерения невысоких температур (до 350 ⁰С - медь-константан и хромель-копель, до 900 - 1000 ⁰С - хромель-алюмель.). Эти термопары развивают достаточно большие термо-ЭДС, что является существенным их достоинством. Так, например, при одинаковых температурах рабочего и свободного концов хромель-копелевая термопара дает в среднем в 10 раз большую термо-ЭДС, чем платинородий-платиновая.

Большое распространение получила хромель-алюмелевая термопара, которая по сравнению с остальными термопарами из неблагородных металлов является наиболее стойкой при работе в окислительной среде, но подвержена вредному воздействию восстановительной атмосферы. Хромель-копелевая термопара развивает небольшую термо-ЭДС, но достаточно устойчива против химического воздействия окружающей атмосферы. Значительное распространение получила никелькобальт-алюмелевая термопара. По сравнению с термопарами других типов она выгодно отличается тем, что не требует при измерении поддержания постоянной температуры свободных концов. Непостоянство температуры холодного спая является причиной методических погрешностей термометров. Без компенсации этих погрешностей приборы применять нельзя.