150 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Термопара хромель алюмель характеристики

О термопарах: что это такое, принцип действия, подключение, применение

В автоматизации технологических процессов очень часто приходится снимать показатели о температурных изменениях, для их загрузки в системы управления, с целью дальнейшей обработки. Для этого требуются высокоточные, малоинерционные датчики, способные выдерживать большие температурные нагрузки в определённом диапазоне измерений. В качестве термоэлектрического преобразователя широко используются термопары – дифференциальные устройства, преобразующие тепловую энергию в электрическую.

Устройства также являются простым и удобным датчиком температуры для термоэлектрического термометра, предназначенного для осуществления точных измерений в пределах довольно широких температурных диапазонов. В частности, управляющая автоматика газовых котлов и других отопительных систем срабатывает от электрического сигнала, поступающего от сенсора на базе термопары. Конструкции датчика обеспечивают необходимую точность измерений в выбранном диапазоне температур.

Устройство и принцип действия

Термопара конструктивно состоит из двух проволок, каждая из которых изготовлена из разных сплавов. Концы этих проводников образуют контакт (горячий спай) выполненный путём скручивания, с помощью узкого сварочного шва либо сваркой встык. Свободные концы термопары замыкаются с помощью компенсационных проводов на контакты измерительного прибора или соединяются с автоматическим устройством управления. В точках соединения образуется другой, так называемый, холодный спай. Схематически устройство изображено на рисунке 1.

Рис. 1. Схема строения термопары

Красным цветом выделено зону горячего спая, синим – холодный спай.

Электроды состоят из разных металлов (металл А и металл В), которые на схеме окрашены в разные цвета. С целью защиты термоэлектродов от агрессивной горячей среды их помещают в герметичную капсулу, заполненную инертным газом или жидкостью. Иногда на электроды надевают керамические бусы, как показано на рис. 2).

Рис. 2. Термопара с керамическими бусами

Принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте. При замыкании цепи, например милливольтметром (см. рис. 3) в точках спаек возникает термо-ЭДС. Но если контакты электродов находятся при одинаковой температуре, то эти ЭДС компенсируют друг друга и ток не возникает. Однако, стоит нагреть место горячей спайки горелкой, то согласно эффекту Зеебека возникнет разница потенциалов, поддерживающая существование электрического тока в цепи.

Рис. 3. Измерение напряжения на проводах ТП

Примечательно, что напряжение на холодных концах электродов пропорционально зависит от температуры в области горячей спайки. Другими словами, в определённом диапазоне температур мы наблюдаем линейную термоэлектрическую характеристику, отображающую зависимость напряжения от величины разности температур между точками горячей и холодной спайки. Строго говоря, о линейности показателей можно говорить лишь в том случае, когда температура в области холодной спайки постоянна. Это следует учитывать при выполнении градуировок термопар. Если на холодных концах электродов температура будет изменяться, то погрешность измерения может оказаться довольно значительной.

В тех случаях, когда необходимо добиться высокой точности показателей, холодные спайки измерительных преобразователей помещают даже в специальные камеры, в которых температурная среда поддерживается на одном уровне специальными электронными устройствами, использующими данные термометра сопротивления (схема показана на рис. 4). При таком подходе можно добиться точности измерений с погрешностью до ± 0,01 °С. Правда, такая высокая точность нужна лишь в немногих технологических процессах. В ряде случаев требования не такие жёсткие и погрешность может быть на порядок ниже.

Рис. 4. Решение вопроса точности показаний термопар

На погрешность влияют не только перепады температуры в среде, окружающей холодную спайку. Точность показаний зависит от типа конструкции, схемы подключения проводников, и некоторых других параметров.

Типы термопар и их характеристики

Различные сплавы, используемые для изготовления термопар, обладают разными коэффициентами термо-ЭДС. В зависимости от того, из каких металлов изготовлены термоэлектроды, различают следующие основные типы термопар:

  • ТПП13 – платинородий-платиновые (тип R);
  • ТПП10 – платинородий-платиновые (тип S);
  • ТПР – платинородий-платинродиевые (тип B);
  • ТЖК – железо-константановые (тип J);
  • ТМКн – медь-константановые (тип T);
  • ТНН – нихросил-нисиловые (тип N);
  • ТХА – хромель-алюмелевые (тип K);
  • ТХКн – хромель-константановые (тип E);
  • ТХК – хромель-копелевые (тип L);
  • ТМК – медь-копелевые (тип M);
  • ТСС – сильх-силиновые (тип I);
  • ТВР – вольфрамрениевые (типы A-1 – A-3).

Технические требования к термопарам задаются параметрами определёнными ГОСТ 6616-94, а их НСХ (номинальные статические характеристики преобразования), оптимальные диапазоны измерений, установленные классы допуска регулируются стандартами МЭК 62460, и определены ГОСТ Р 8.585-2001. Заметим, также, что НСХ в вольфрам-рениевых термопарах отсутствовали в таблицах МЭК до 2008 г. На сегодняшний день указанными стандартами не определены характеристики термопары хромель-копель, но их параметры по прежнему регулируются ГОСТ Р 8.585-2001. Поэтому импортные термопары типа L не являются полным аналогом отечественного изделия ТХК.

Классификацию термодатчиков можно провести и по другим признакам: по типу спаев, количеству чувствительных элементов.

Типы спаев

В зависимости от назначения термодатчика спаи термопар могут иметь различную конфигурацию. Существуют одноэлементные и двухэлементные спаи. Они могут быть как заземлёнными на корпус колбы, так и незаземленными. Понять схемы таких конструкций можно из рисунка 5.

Рис. 5. Типы спаев

Буквами обозначено:

  • И – один спай, изолированный от корпуса;
  • Н – один соединённый с корпусом спай;
  • ИИ – два изолированных друг от друга и от корпуса спая;
  • 2И – сдвоенный спай, изолированный от корпуса;
  • ИН – два спая, один из которых заземлён;
  • НН – два неизолированных спая, соединённых с корпусом.

Заземление на корпус снижает инерционность термопары, что, в свою очередь, повышает быстродействие датчика и увеличивает точность измерений в режиме реального времени.

С целью уменьшения инерционности в некоторых моделях термоэлектрических преобразователей оставляют горячий спай снаружи защитной колбы.

Многоточечные термопары

Часто требуется измерение температуры в различных точках одновременно. Многоточечные термопары решают эту проблему: они фиксируют данные о температуре вдоль оси преобразователя. Такая необходимость возникает в химических и нефтехимических отраслях, где требуется получать информацию о распределении температуры в реакторах, колоннах фракционирования и в других ёмкостях, предназначенных для переработки жидкостей химическим способом.

Многоточечные измерительные преобразователи температуры повышают экономичность, не требуют сложного обслуживания. Количество точек сбора данных может достигать до 60. При этом используется только одна колба и одна точка ввода в установку.

Таблица сравнения термопар

Выше мы рассмотрели типы термоэлектрических преобразователей. У читателя, скорее всего, резонно возник вопрос: Почему так много типов термопар существует?

Дело в том, что заявленная производителем точность измерений возможна только в определённом интервале температур. Именно в этом диапазоне производитель гарантирует линейную характеристику своего изделия. В других диапазонах зависимость напряжения от температуры может быть нелинейной, а это обязательно отобразится на точности. Следует учитывать, что материалы обладают разной степенью плавкости, поэтому для них существует предельное значение рабочих температур.

Для сравнения термопар составлены таблицы, в которых отображены основные параметры измерительных преобразователей. В качестве примера приводим один из вариантов таблицы для сравнения распространённых термопар.

Тип термопарыKJNRSBTE
Материал положительного электродаCr—NiFeNi—Cr—SiPt—Rh (13 % Rh)Pt—Rh (10 % Rh)Pt—Rh (30 % Rh)CuCr—Ni
Материал отрицательного электродаNi—AlCu—NiNi—Si—MgPtPtPt—Rh (6 % RhCu—NiCu—Ni
Температурный коэффициент40…4155.268
Рабочий температурный диапазон, ºC0 до +11000 до +7000 до +11000 до +16000 до 1600+200 до +1700−185 до +3000 до +800
Значения предельных температур, ºС−180; +1300−180; +800−270; +1300– 50; +1600−50; +17500; +1820−250; +400−40; +900
Класс точности 1, в соответствующем диапазоне температур, (°C)±1,5 от −40 °C до 375 °C±1,5 от −40 °C до 375 °C±1,5 от −40 °C до 375 °C±1,0 от 0 °C до 1100 °C±1,0 от 0 °C до 1100 °C±0,5 от −40 °C до 125 °C±1,5 от −40 °C до 375 °C
±0,004×T от 375 °C до 1000 °C±0,004×T от 375 °C до 750 °C±0,004×T от 375 °C до 1000 °C±[1 + 0,003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °C±[1 + 0,003×(T − 1100)] от 1100 °C до 1600 °±0,004×T от 125 °C до 350 °C±0,004×T от 375 °C до 800 °C
Класс точности 2 в соответствующем диапазоне температур, (°C)±2,5 от −40 °C до 333 °C±2,5 от −40 °C до 333 °C±2,5 от −40 °C до 333 °C±1,5 от 0 °C до 600 °C±1,5 от 0 °C до 600 °C±0,0025×T от 600 °C до 1700 °C±1,0 от −40 °C до 133 °C±2,5 от −40 °C до 333 °C
±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C±0, T от 333 °C до 750 °C±0,0075×T от 333 °C до 1200 °C±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C±0,0025×T от 600 °C до 1600 °C±0,0075×T от 133 °C до 350 °C±0,0075×T от 333 °C до 900 °C
Цветовая маркировка выводов по МЭКЗелёный — белыйЧёрный — белыйСиреневый — белыйОранжевый — белыйОранжевый — белыйОтсутствуетКоричневый — белыйФиолетовый — белый

Способы подключения

Каждая новая точка соединения проводов из разнородных металлов образует холодный спай, что может повлиять на точность показаний. Поэтому подключения термопары выполняют, по возможности, проводами из того же материала, что и электроды. Обычно производители поставляют изделия с подсоединёнными компенсационными проводами.

Некоторые измерительные приборы содержат схемы корректировки показаний на основе встроенного термистора. К таким приборам просто подключаются провода, соблюдая их полярность (см. рис. 6).

Рис. 6. Компенсационные провода

Часто используют схему подключения «на разрыв». Измерительный прибор, подключают через проводник того же типа что и клеммы (чаще всего медь). Таким образом, в местах соединения отсутствует холодный спай. Он образуется лишь в одном месте: в точке присоединения провода к электроду термопары. На рисунке 7 показана схема такого подключения.

Читать еще:  Расчет винтового домкрата онлайн

Рис. 7. Схема подключения на разрыв

При подключении термопары следует как можно ближе размещать измерительные системы, чтобы избежать использования слишком длинных проводов. Во всяком проводе возможны помехи, которые усиливаются с увеличением длины проволоки. Если от радиопомех можно избавиться путём экранирования проводки, то бороться с токами наводки гораздо сложнее.

В некоторых схемах используют компенсирующий терморезистор между контактом измерительного прибора и точкой холодного спая. Поскольку внешняя температура одинаково влияет на резистор и на свободный спай, то данный элемент будет корректировать такие воздействия.

И напоследок: подключив термопару к измерительному прибору, необходимо, пользуясь градуировочными таблицами, выполнить процедуру калибровки.

Применение

Термопары используются везде, где требуется измерение температуры в технологической среде. Они применяются в автоматизированных системах управления в качестве датчиков температуры. Термопары типа ТВР, у которых внушительный диаметр термоэлектрода, незаменимы там, где требуется получать данные о слишком высокой температуре, в частности в металлургии.

Газовые котлы, конвекторы, водонагревательные колонки также оборудованы термоэлектрическими преобразователями.

Преимущества

  • высокая точность измерений;
  • достаточно широкий температурный диапазон;
  • высокая надёжность;
  • простота в обслуживании;
  • дешевизна.

Недостатки

Недостатками изделий являются факторы:

  • влияние свободных спаев на показатели приборов;
  • ограничение пределов рабочего диапазона нелинейной зависимостью ТЭДС от степени нагревания, порождающей сложности в разработке вторичных преобразователей сигналов;
  • при длительной эксплуатации в условиях перепадов температур ухудшаются градуировочные характеристики;
  • необходимость в индивидуальной градуировке для получения высокой точности измерений, в пределах погрешности в 0,01 ºC.

Благодаря тому, что проблемы связанные с недостатками решаемы, применение термопар более чем оправдано.

Что такое термопара, принцип действия, основные виды и типы

Термопара – это устройство для измерения температур во всех отраслях науки и техники. Данная статья представляет общий обзор термопар с разбором конструкции и принципом действия устройства. Описаны разновидности термопар с их краткой характеристикой, а также дана оценка термопары как измерительного прибора.

Устройство термопары

Принцип работы термопары. Эффект Зеебека

Работа термопары обусловлена возникновением термоэлектрического эффекта, открытым немецким физиком Томасом Зеебеком (Tomas Seebeck) в 1821 г.

Явление основано на возникновении электричества в замкнутом электрическом контуре при воздействии определенной температуры окружающей среды. Электрический ток возникает при наличии разницы температур между двумя проводниками (термоэлектродами) различного состава (разнородных металлов или сплавов) и поддерживается сохранением места их контактов (спаев). Устройство выводит на экран подсоединенного вторичного прибора значение измеряемой температуры.

Выдаваемое напряжение и температура находятся в линейной зависимости. Это означает, что увеличение измеряемой температуры приводит к большему значению милливольт на свободных концах термопары.

Находящийся в точке измерения температуры спай называется «горячим», а место подключения проводов к преобразователю — «холодным».

Компенсация температуры холодного спая (КХС)

Компенсация холодного спая (КХС) – это компенсация, вносимая в виде поправки в итоговые показания при измерении температуры в точке подсоединения свободных концов термопары. Это связано с расхождениями между реальной температурой холодных концов с вычисленными показаниями градуировочной таблицы для температуры холодного спая при 0°С.

КХС является дифференциальным способом, при котором показания абсолютной температуры находятся из известного значения температуры холодного спая (другое название эталонный спай).

Конструкция термопары

При конструировании термопары учитывают влияние таких факторов, как «агрессивность» внешний среды, агрегатное состояние вещества, диапазон измеряемых температур и другие.

Особенности конструкции термопар:

1) Спаи проводников соединяются между собой скруткой или скруткой с дальнейшей электродуговой сваркой (редко пайкой).

ВАЖНО: Не рекомендуется использовать способ скручивания из-за быстрой потери свойств спая.

2) Термоэлектроды должны быть электрически изолированы по всей длине, кроме точки соприкосновения.

3) Способ изоляции подбирается с учетом верхнего температурного предела.

  • До 100-120°С – любая изоляция;
  • До 1300°С – фарфоровые трубки или бусы;
  • До 1950°С – трубки из Al2O3;
  • Свыше 2000°С – трубки из MgO, BeO, ThO2, ZrO2.

4) Защитный чехол.

Материал должен быть термически и химически стойким, с хорошей теплопроводностью (металл, керамика). Использование чехла предотвращает коррозию в определенных средах.

Удлиняющие (компенсационные) провода

Данный вид проводов необходим для удлинения концов термопары до вторичного прибора или барьера. Провода не используются в случае наличия у термопары встроенного преобразователя с унифицированным выходным сигналом. Наиболее широкое применение получил нормирующий преобразователь, размещенный в стандартной клеммной головке датчика с унифицированным сигналом 4-20мА, так называемая «таблетка».

Материал проводов может совпадать с материалом термоэлектродов, но чаще всего заменяется на более дешевый с учетом условий, предотвращающих образования паразитных (наведенных) термо-ЭДС. Применение удлиняющих проводов также позволяет оптимизировать производство.

Типы и виды термопар

Многообразие термопар объясняется различными сочетаниями используемых сплавов металлов. Подбор термопары осуществляется в зависимости от отрасли производства и необходимого температурного диапазона.

Термопара хромель-алюмель (ТХА)

Положительный электрод: сплав хромель (90% Ni, 10% Cr).
Отрицательный электрод: сплав алюмель (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).

Изоляционный материал: фарфор, кварц, окиси металлов и т.д.

Диапазон температур от -200°С до 1300°С кратковременного и 1100°С длительного нагрева.

Рабочая среда: инертная, окислительная (O2=2-3% или полностью исключено), сухой водород, кратковременный вакуум. В восстановительной или окислительно-восстановительной атмосфере в присутствии защитного чехла.

Недостатки: легкость в деформировании, обратимая нестабильность термо-ЭДС.

Возможны случаи коррозии и охрупчивания алюмеля в присутствии следов серы в атмосфере и хромеля в слабоокислительной атмосфере («зеленая глинь»).

Термопара хромель-копель (ТХК)

Положительный электрод: сплав хромель (90% Ni, 10% Cr).
Отрицательный электрод: сплав копель (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).

Диапазон температур от -253°С до 800°С длительного и 1100°С кратковременного нагрева.

Рабочая среда: инертная и окислительная, кратковременный вакуум.

Недостатки: деформирование термоэлектрода.

Возможно испарение хрома при длительном вакууме; реагирование с атмосферой, содержащей серу, хром, фтор.

Термопара железо-константан (ТЖК)

Положительный электрод: технически чистое железо (малоуглеродистая сталь).
Отрицательный электрод: сплав константан (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).

Используется для проведения измерений в восстановительных, инертных средах и вакууме. Температура от -203°С до 750°С длительного и 1100°С кратковременного нагрева.

Применение складывается на совместном измерении положительных и отрицательных температур. Невыгодно использовать только для отрицательных температур.

Недостатки: деформирование термоэлектрода, низкая коррозийная стойкость.

Изменение физико-химических свойств железа около 700°С и 900 °С. Взаимодействует с серой и водными парами с образованием коррозии.

Термопара вольфрам-рений (ТВР)

Положительный электрод: сплавы ВР5 (95% W, 5% Rh)/ВАР5 (BP5 с кремнещелочной и алюминиевой присадкой)/ВР10 (90% W, 10% Rh).
Отрицательный электрод: сплавы ВР20 (80% W, 20% Rh).

Изоляция: керамика из химически чистых окислов металлов.

Отмечается механическая прочность, термостойкость, малая чувствительность к загрязнениям, легкость изготовления.

Измерение температур от 1800°С до 3000°С, нижний предел – 1300°С. Измерения проводятся в среде инертного газа, сухого водорода или вакуума. В окислительных средах только для измерения в быстротекущих процессах.

Недостатки: плохая воспроизводимость термо-ЭДС, ее нестабильность при облучении, непостоянная чувствительность в температурном диапазоне.

Термопара вольфрам-молибден (ВМ)

Положительный электрод: вольфрам (технически чистый).
Отрицательный электрод: молибден (технически чистый).

Изоляция: глиноземистая керамика, защита кварцевыми наконечниками.

Инертная, водородная или вакуумная среда. Возможно проведение кратковременных измерений в окислительных средах в присутствии изоляции. Диапазон измеряемых температур составляет 1400-1800°С, предельная рабочая температура порядка 2400°С.

Недостатки: плохая воспроизводимость и чувствительность термо-ЭДС, инверсия полярности, охрупчивание при высоких температурах.

Термопары платинородий-платина (ТПП)

Положительный электрод: платинородий (Pt c 10% или 13% Rh).
Отрицательный электрод: платина.

Изоляция: кварц, фарфор (обычный и огнеупорный). До 1400°С — керамика с повышенным содержанием Al2O3, свыше 1400°С — керамику из химически чистого Al2O3.

Предельная рабочая температура 1400°С длительно, 1600°С кратковременно. Измерение низких температур обычно не производят.

Рабочая среда: окислительная и инертная, восстановительная в присутствии защиты.

Недостатки: высокая стоимость, нестабильность при облучении, высокая чувствительность к загрязнениям (особенно платиновый электрод), рост зерен металла при высоких температурах.

Термопары платинородий-платинородий (ТПР)

Положительный электрод: сплав Pt c 30% Rh.
Отрицательный электрод: сплав Pt c 6% Rh.

Среда: окислительная, нейтральная и вакуум. Использование в восстановительных и содержащих пары металлов или неметаллов средах в присутствии защиты.

Максимальная рабочая температура 1600°С длительно, 1800°С кратковременно.

Изоляция: керамика из Al2O3 высокой чистоты.

Менее подвержены химическим загрязнениям и росту зерна, чем термопара платинородий-платина.

Схема подключения термопары

  • Подключение потенциометра или гальванометра непосредственно к проводникам.
  • Подключение с помощью компенсационных проводов;
  • Подключение обычными медными проводами к термопаре, имеющей унифицированный выход.

Стандарты на цвета проводников термопар

Цветная изоляция проводников помогает отличить термоэлектроды друг от друга для правильного подключения к клеммам. Стандарты отличаются по странам, нет конкретных цветовых обозначений для проводников.

ВАЖНО: Необходимо узнать используемый стандарт на предприятии для предотвращения ошибок.

Точность измерения

Точность зависит от вида термопары, диапазона измеряемых температур, чистоты материала, электрических шумов, коррозии, свойств спая и процесса изготовления.

Термопарам присуждается класс допуска (стандартный или специальный), устанавливающий доверительный интервал измерений.

ВАЖНО: Характеристики на момент изготовления меняются в период эксплуатации.

Быстродействие измерения

Быстродействие обуславливается способностью первичного преобразователя быстро реагировать на скачки температуры и следующим за ними потоком входных сигналов измерительного прибора.

Факторы, увеличивающие быстродействие:

  1. Правильная установка и расчет длины первичного преобразователя;
  2. При использовании преобразователя с защитной гильзой необходимо уменьшить массу узла, подобрав меньший диаметр гильз;
  3. Сведение к минимуму воздушного зазора между первичным преобразователем и защитной гильзой;
  4. Использование подпружиненного первичного преобразователя и заполнения пустот в гильзе теплопроводящим наполнителем;
  5. Быстро движущаяся среда или среда с большей плотностью (жидкость).

Проверка работоспособности термопары

Для проверки работоспособности подключают специальный измерительный прибор (тестер, гальванометр или потенциометр) или измеряют напряжение на выходе милливольтметром. При наличии колебаний стрелки или цифрового индикатора термопара является исправной, в противном случае устройство подлежит замене.

Причины выхода из строя термопары:

  1. Неиспользование защитного экранирующего устройства;
  2. Изменение химического состава электродов;
  3. Окислительные процессы, развивающиеся при высоких температурах;
  4. Поломка контрольно-измерительного прибора и т.д.

Преимущества и недостатки использования термопар

Достоинствами использования данного устройства можно назвать:

  • Большой температурный диапазон измерений;
  • Высокая точность;
  • Простота и надежность.
Читать еще:  Как соединить трос между собой

К недостаткам следует отнести:

  • Осуществление постоянного контроля холодного спая, поверки и калибровки контрольной аппаратуры;
  • Структурные изменения металлов при изготовлении прибора;
  • Зависимость от состава атмосферы, затраты на герметизацию;
  • Погрешность измерений из-за воздействия электромагнитных волн.

Термопара хромель-алюмель. Характеристики термопары, ее применение, описание сплавов

Термопара представляет собой пару проводников-электродов из разнородных сплавов, концы которых с одной стороны свободны, а с другой – состыкованы (спаяны) между собой воедино. При погружении спаянного участка в ту или иную среду с определенной температурой Т1 возникает так называемый термоэлектрический эффект Зеебека: в силу различия термических характеристик проводники реагируют на температуру среды по-разному, и температура Т2 на их свободных концах оказывается неодинаковой. В результате возникает основанная на разности потенциалов термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС) и, как следствие, электрический ток, напряжение которого будет пропорциональным по отношению к разности температур Т12. Коэффициент пропорциональности при этом называют коэффициентом термо-ЭДС. Если к свободным концам электродов подключить замыкающий цепь электроизмерительный прибор (милливольтметр), то по показаниям стрелки на градуированной шкале можно будет замерить изменения температурных характеристик среды, в которую погружен стык термопары. Таким образом, термопара в комплекте с электроизмерительным прибором – это не что иное, как термоэлектрический термометр.

Подобные устройства находят широкое применение при замерах температурных показателей различных объектов, а также в составе автоматизированных систем управления/контроля. Благодаря высокой степени линейности, незначительной инерционности, простоте конструкции/монтажа, дешевизне и возможности производить измерения в широчайшем температурном диапазоне (от -250 °C до +2500 °C), в т.ч. в агрессивных средах, они сегодня используются практически повсеместно.

ТХА (хромель-алюмель) – лидер среди термопар из никелевых сплавов

В зависимости от эксплуатационных задач и особенностей физико-химических свойств объектов применения (сред) используются термопары различных типов, электроды которых изготавливаются из тех или иных металлов/сплавов.

Однако из всех существующих комбинаций проводников наиболее оптимальными термоэлектрическими характеристиками обладают термопары с электродами из сплавов на основе никеля. Благодаря большому процентному содержанию никеля изготавливаемая из его сплавов термопарная проволока проявляет высокую степень устойчивости к негативному воздействию окислительных процессов и отличается окололинейной характеристикой термо-ЭДС в температурном диапазоне от 0°C до 1100°С (в зависимости от толщины термоэлектродной проволоки), что обеспечивает точность показаний.

Самыми же распространенными среди термопар с никелесодержащими электродами являются те, в которых для маркируемого зеленым цветом положительного электрода используется сплав хромель (89-91% Ni + 8,7-10% Сr), а для отрицательного (белая маркировка) – сплав алюмель (94,5% Ni + 5,5% Al, Si, Mn, Co). Эти термопары, имеющие согласно международной классификации IEC (МЭК) буквенное обозначение «К», так и называются – термопары хромель-алюмель (ТХА).

Характеристики сплавов хромель и алюмель

Перед тем, как приступить к более подробному описанию ТХА, рассмотрим основные эксплуатационные свойства/параметры сплавов хромель и алюмель.

Хромель – термоэлектродный сплав, включающий в себя около 90% никеля, 9-10% хрома, а также, суммарно, до 1,5% меди, кобальта, марганца, железа и кремния. Для электродов ТХА используется по большей части термопарная проволока хромель НХ 9,5 (ГОСТ 492-2006), Ø 1,3 – 3,3 мм.

Удельная плотность сплава составляет 8,7 г/см 3 , а Т° плавления – 1450°C. Показатели коэффициентов удельного сопротивления и линейного расширения – соответственно, 0,65 мкОм·мм2/м и 12,7·10 -6 /°C.

Преимуществами сплава хромель являются:

  • высокое содержание никеля, обуславливающее хорошую ковкость, пластичность и коррозиеустойчивость;
  • удачное сочетание небольшой удельной массы и высокой термостойкости;
  • электропотенциал, вырабатываемый в процессе нагревания в точке контакта с отрицательным электродом, характеризуется почти прямолинейным изменением в широком температурном диапазоне;
  • термо-ЭДС хромелевой термопары остается практически неизменной при температурах до 1000°C.

Алюмель – сплав для изготовления отрицательных электродов ТХА. С этой целью наиболее часто применяется термопарная проволока алюмель НМцАк 12-2-1, ГОСТ 492-2006 (около 95% никеля, 2,5% алюминия, 1,9%марганца и 0,9% кремния). Показатель удельной плотности – 8,5 г/см 3 , удельного сопротивления – 0,32 мкОм·мм 2 /м; линейного расширения – 13,5·10 -6 °C. Т° плавления составляет 1425°C.

С целью повышения пластичности, прочности и стабильности термо-ЭДС при измерении в той или иной агрессивной среде температур свыше 1000°С алюмель может быть легирован цирконием, бором и некоторыми другими химическими элементами.

Термопары ХА: особенности, назначение и сферы применения

Хромель-алюмелевые термопары (ГОСТ 3044-84) проявляют наиболее близкую к линейной термоэлектрическую характеристику. Это позволяет обеспечить чувствительность около 50 мкВ/°С и, как следствие, наивысшую точность производимых измерений. В конструкции термопар типа хромель-алюмель могут быть задействованы различные изоляционные материалы из керамики, асбеста, стекловолокна, кварца, эмалей, огнеупорных окислов.

К числу важнейших преимуществ, обуславливающих высокую востребованность термопар ХА, относят:

  • относительно доступную стоимость;
  • широкий спектр измеряемых температур в пределах от –200°С (70°К) до +1220°С (при кратковременном использовании допускается расширение диапазона измеряемых температур до +1350°С);
  • малую инерционность, делающую возможным измерение даже незначительной разности температур;
  • устойчивость к воздействию окисления, что обеспечивает надежную эксплуатацию в окислительных средах за счет появляющегося на поверхности электродов, по мере их нагрева, тонкого слоя прочной защитной пленки, препятствующей прямому контакту металла с кислородом.

К недостаткам хромель-алюмелевых термопар можно причислить:

  • искажение показаний в случае деформирования электродов;
  • обратимая нестабильность термо-ЭДС;
  • невозможность использования в серосодержащих средах, что объясняется негативным влиянием паров серы как на хромелевый, так и на алюмелевый термоэлектроды, влекущим за собой их охрупчивание и снижение термо-электродвижущего потенциала.

ТХА – один из наиболее распространенных типов термопар – относят к категории датчиков общего применения, обычно имеющих вид различных щупов. Основное предназначение – измерение температур в инертных либо окислительных средах. В частности, допускается использование в среде сухого водорода либо вакуума (кратковременно). Термопары хромель-алюмель, в сравнении с аналогичными устройствами иных типоразновидностей, отличаются наибольшей устойчивостью к радиоактивному облучению при работе в атомных реакторах.

Сфера практического применения ТХА достаточно универсальна: от нагревательного и энергосилового оборудования промышленного назначения до разнообразной научно-экспериментальной аппаратуры и лабораторных приборов.

Метотехника присутствует на рынке цветных металлов с 1999 года. Гибкая ценовая политика, продукция высокого качества, быстрая поставка.

Термопары ТХА-1, ТХК-1

Предназначены для измерения температуры твёрдых, газообразных и жидких, химически неагрессивных, а также агрессивных сред, не разрушающих защитную арматуру.

от 595 руб.

Примечание: цены указаны на термопреобразователи базовой конструкции с минимальной длиной рабочей части и одним чувствительным элементом. Узнать точную цену на интересующую модель можно, отправив запрос через форму в конце страницы.

Продаются только в комплекте к цифровым датчикам температуры ZET 7020 и ZET 7120

Технические характеристики

термопар ТХА-1 И ТХК-1

Тип и вид исполненияМатериалСтепень защиты от пыли и влагиДиапазон измеряемых температур °СПоказатель тепловой инерции, сУсловное давление, МПА
Защитная арматураГоловка
ТХА-1-112Х18Н10Тполиамид,
металл
IP65−40…80040 (для И)
10 (для Н)
6,3
ТХК-1-1−40…600
ТХА-1-212Х18Н10Тполиамид,
металл
IP65−40…80040 (для И)
10 (для Н)
6,3
ТХК-1-2−40…600
ТХА-1-312Х18Н10Тполиамид,
металл
IP65−40…80020 (для И)
8 (для Н)
6,3
ТХК-1-3−40…600
ТХА-1-412Х18Н10Тполиамид,
металл
IP65−40…60020 (для И)
8 (для Н)
6,3
ТХК-1-4−40…600

По устойчивости к воздействию температуры и влажности окружающей среды термопары соответствуют группе исполнения С2 по ГОСТ Р 52931: −40…+70 °С.

По устойчивости к механическим воздействиям термометры соответствуют группе N3 по ГОСТ Р 52931.

Климатическое исполнение — У3, ТВ.

Возможно изготовление ТП в климатическом исполнении УХЛ2 для работы при температурах от −60 до +70 °С.

Термопары, имеющие тропическое исполнение имеют в обозначении дополнительно ТВ (например, ТХА-1-3 ТВ).

Номинальные статические характеристики (НСХ)

их обозначения, материал термоэлектродов согласно ГОСТ 6616-94

Тип термопарыНСХМатериал термоэлектродов
положительныйотрицательный
ТХАXA(K)хромельалюмель
ТХКXK(L)хромелькопель

Положительный термоэлектрод маркируется красным цветом.

Значения допусков по температуре термопар типа ТХА и ТХК

Термопары выпускаются по классу допуска 1 или 2 согласно ГОСТ 6616-94

Тип термопарыКлассДиапазон температур, °СПредел допускаемого
отклонения от НСХ, °С
ТХА1от −40 до 3751,5
свыше 375 до 10000,004·|t|
2от −40 до 3332,5
свыше 333 до 12000,0075•|t|
ТХК2от −40 до 3002,5
свыше 300 до 8000,0075•|t|

где |t| – абсолютное значение температуры, °С

Особенности термопар

Преобразователь термоэлектрический (термопара) ТХК, ТХА конструктивно представляет собой два разнородных термоэлектрода (хромель-алюмель для ТХА, хромель-копель для ТХК), изолированных термостойкой изоляцией и сваренных с одного конца в рабочий спай.

Защитная арматура выполняется из жаростойких и коррозионностойких сталей или из керамики (для измерения температуры в особо агрессивных высокотемпературных средах).

Свободные концы термоэлектродов присоединяются к монтажной головке или выводятся при помощи кабеля. Рабочий спай может быть изолирован (И) или неизолирован (Н) от защитного корпуса.

Изготавливаются преобразователи, имеющие два рабочих спая — две термопары одного типа, размещённые в одном корпусе (при обозначении указывается количество спаев — 2).

Головка преобразователей из прессматериала АГ-4В применяется в неагрессивной среде при окружающей температуре до 120°С; из полиамида — до 80°С. Максимальный диаметр выводного кабеля 10 мм. Каждая жила (провод) кабеля крепится на винт гайкой М4×0,7.

Головка металлическая из сплава алюминия АК-12 (АЛ-2) (силумин) применяется в неагрессивной среде при окружающей температуре до 300 °С. Максимальный диаметр выводного кабеля 12 мм. Каждая жила (провод) кабеля диаметром до 1,2 мм крепится на винт гайкой М4×0,7.

Хромель и его физические свойства, состав и характеристики

Для измерения температуры в промышленности применяются так называемые термопары. Они состоят из 2-х разнородных металлических проводников. Суть работы заключается в эффекте Зеебека: при погружении одного конца элемента в среду, на другом конце образуется разница температур вследствие различных термических характеристик металлов проводников.

Термопары позволяют производить точные измерения температуры в пределах от -250 °С до 2500 °С, в том числе в агрессивных средах. Они отличаются друг от друга материалами, используемыми в проводниках и рабочим диапазоном, измеряемым каждой парой. Одними из таких проводников являются хромель и алюмель.

Читать еще:  Что такое условное обозначение

Состав хромеля

Сплав хромель, как и любая техническая продукция, имеет требования к производству и составу. Частично они регламентированы ГОСТ 1790-2016, где предъявляются требования к проволоке для производства термоэлектродов. Хромель имеет следующий химический состав (в %):

В состав сплава хромель также входят примеси: мышьяк, железо, углерод, свинец и некоторые другие. Сумма примесей может достигать 1,5%.

Алюмель, который часто используется в паре с хромелем, имеет состав:

Способ производства

Хромель и алюмель – одни из самых трудоёмких в производстве. Сложность технологического процесса заключается в необходимости строгого контроля пропорций компонентов во время плавления, так как ключевые характеристики конечного продукта обусловлены в основном соотношением материалов. Составы производят в индукционных печах различной частотности.

Порядок плавления следующий. Большую часть хрома загружают в жидкую ванну, оставляя несколько килограмм для коррекции. Затем вводят никель и одновременно флюс. Плавление ведется в интенсивном режиме. Раскисление металла производится добавлением марганца и магния. Затем проводится определение термоэлектродвижущей силы и корректировка содержания хрома.

Аналогичным способом производятся другие никелевые сплавы. Различия заключаются в очередности загрузки материалов и окислителях. Например, производство сплава алюмель производится следующим образом. Загружаются никель и флюс, уже после этого остальные компоненты. В качестве окислителя используется магний. Таким образом получают алюмелевые сплавы, хромель и копель.

Свойства хромеля

Широкое распространение в производстве сплав получил благодаря своим полезным свойствам: жаростойкости и способности к термоэлектродвижущей силе. Рабочая температура хромеля достигает 1100 °С, температура плавления — 1500 °С. Малая инерционность позволяет измерять даже незначительную разность показателей.

При нагревании практически не расширяется, коэффициент его линейного расширения равняется 12,8*10 -6 С, что является показателем ниже среднего. Удельное сопротивление состава равняется 0,66 мкОм*м, что не позволяет применять его в области электрических проводников. Теплоемкость хромеля зависит от состава.

Соединение отличают высокая пластичность, ковкость и стойкость к коррозии. Предел прочности изделий из хромеля достигает 550 Мпа. Стоит отметить небольшую массу материала.

Этот проводник отличается высокой устойчивостью к воздействию большинства химических соединений, в том числе кислотных сред. Практически единственная слабость хромеля – соединения на основе серы, в особенности серная кислота. Под воздействием химических соединений серы он утрачивает свои характеристики, деформируется и разрушается.Стоит отметить, что при физической деформации электродов искажаются показания измерений. Алюмель обладает очень схожими характеристиками.

Таким образом, ключевые свойства сплава хромеля:

  1. жаростойкость;
  2. стойкость к деформации;
  3. пластичность;
  4. устойчивость к средовым воздействиям.

Область применения

Самое широкое применение состав получил в виде проволоки. Её применяют в качестве нагревательных элементов, резисторов, компенсационных проводов, реостатов.

Термопара хромель алюмель

Алюмель в такой паре является отрицательным, а хромель положительным элементом. Такое сочетание имеет термоэлектрические характеристики близкие к линейной. Это позволяет показывать высокую чувствительность и высочайшую точность измерений.

Пара хромель алюмель относится к датчикам общего применения. Изделия обычно имеют вид щупов. Применяются для измерения показателей в инертных и окислительных средах. Выгодно отличаются от других пар при работе в среде высокой радиоактивности.

Изделия из сплавов хромель-алюмель могут применяться практически в любой сфере от промышленности до лабораторий. Алюмель также применяется как термоэлектродный провод в конструкции измерительных приборов.

Термопара хромель-копель

Этот элемент используется для бесконтактного метода измерения достаточно высоких температур, т. е. без непосредственного контакта термоэлектрода с источником тепла. Применяются для постоянного мониторинга теплового режима на промышленности и в лабораторных исследованиях. Рабочая температура такой пары колеблется в зоне от 200 °С до 600 °С.

Это относительно простая и надежная в использовании термопара, которая показывает достаточно высокую степень точности измерений. Отличается высокой жаропрочностью, прекрасными термоэлектрическими свойствами. Может быть использована в различных средах и сферах деятельности. Даже чувствительность к деформациям нельзя в полной мере назвать недостатком, ведь она никак не сказывается на точности и качестве измерений.

Таким образом, хромель широко применяется в различных областях науки и производства, благодаря своим характеристикам и приемлемой стоимости.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Термоэлектродные сплавы на основе меди и никеля. Это группа сплавов, применяемых для создания термопар и других элементов термоэлектрических устройств

Термоэлектродные сплавы

Термоэлектродные сплавы – это группа сплавов, применяемых для создания термопар и других элементов термоэлектрических устройств. Работа термопары основана на возникновения термической электродвижущей силы (ТЭДС) в месте контакта двух разнородных металлов. Эта сила зависит от температуры, что дает возможность ее измерения. Кроме температуры, Термо-ЭДС зависит от типа термопары, то есть, от составляющих ее материалов.

Общие требования к материалам для термопар

Поскольку термопары являются ключевыми компонентами измерительных приборов, к материалам, из которых они изготавливаются, предъявляется множество требований.

  • Сплавы, из которых изготавливается термопара, должны создавать достаточно большую (ТермоЭДС), чтобы ее можно было измерить с приемлемой точностью. При этом напряжение на выводах термопары должно быть однозначной функцией температуры, не имеющей экстремумов в рабочем диапазоне, по возможности, близкой к линейной.
  • От термоэлектродных сплавов требуется стойкость к нагреву. При любой рабочей температуре термопара должна сохранять коррозионную стойкость в тех средах, для которых она предназначена, и не достигать точки плавления.
  • Материалы термопар должны обеспечивать воспроизводимость качеств при производстве в промышленном масштабе и сохранять неизменными характеристики термопар весь период их эксплуатации.
  • Сплавы должны быть достаточно пластичными, чтобы из них можно было изготавливать проволоку и придавать другие формы.
  • Цена термопары не должна быть слишком высокой, поэтому в состав сплавов нежелательно включать драгоценные металлы.

Всем этим требованиям соответствуют никелевые и медно-никелевые сплавы, легированные специальными добавками. Сплавы производятся как термопарная проволока, лента или круг.

Термоэлектродные сплавы на основе меди и никеля

Алюмель

Это сплав на основе никеля, содержание которого составляет около 93,5 %. Вместе с никелем, в качестве примеси, в состав входит кобальт в количестве 0,6—1,2 %. Содержание других элементов – алюминия, углерода, железа, марганца, кремния колеблется от 0,1 до 2,4 %.

Проволока алюмель применяется в качестве элемента термопары хромель-алюмель (тип К), а также как термоэлектродные провода, входящие в конструкцию измерительных приборов.

Содержащие алюмель термопары, применяются в температурном диапазоне от -200 до +1000 о С. По заказу производится сплав, легированный микродобавками, с расширенным диапазоном – до +1200 о С.

Допустимый максимум температуры зависит от диаметра проволоки. При диаметре менее 1,2 мм верхняя граница диапазона измерений опускается до 800 о С (1000), а при диаметре меньшем 0,5 мм – до 600 о С (800). Здесь в скобках указаны величины для сплава с расширенным рабочим диапазоном.

Хромель

Хромель по своему составу близок к алюмели. Основой также является никель с примесью кобальта. Содержание алюминия, кремния и марганца намного ниже.

Хромель имеет удачное сочетание уровня ТЕРМО ЭДС и его стабильности с повышенной термостойкостью: плавится при 1500 о С, максимальные температуры измерений – такие же, как у алюмели (для версии «хромель Т»). Сплав устойчив к коррозии в агрессивных средах. При высокой температуре на поверхности изделия появляется стойкая пленка окислов зеленоватого оттенка, защищающая металл от дальнейшего разрушения.

Термо-ЭДС довольно высока, но главное – это практически линейная характеристика и стабильность во времени в широком диапазоне температур.

Лента и проволока хромель используется для производства термопар типов Е, К, L (сплавы хромель-Т и хромель-ТМ) и для изготовления компенсационных проводов (хромель-К и хромель-КМ).

Копель

Это медно-никелевый сплав. Медь в нем служит основой, ее содержание – около 55 %. Никеля вместе с примесью кобальта содержится 42,5—44 %. Из других компонентов наибольшая доля приходится на марганец – до 1 %. Остальное – это железо, углерод, кремний в количествах, измеряемых сотыми долями процента.

Копель имеет невысокий верхний предел измерений – 600 о С (до 800 о С – по спецзаказу). В паре с железом, медью и хромелем обладает высоким термо-ЭДС, что повышает точность измерений. Термопара хромель-копель при 500 о С выдает напряжение 40,3 мВ, тогда как ближайший «конкурент», железо-константан, показывает лишь 37 мВ. ТЕРМОЭДС большинства других термопар при тех же условиях не превышает 10 мВ. (Здесь приведены табличные значения из ГОСТ Р 8.585-2001).

Проволока копель применяется для изготовления термопар типов L и M. Тип М используется для измерения температур до 100 о С. Купить термопары этого типа стоит для измерения низких температур. Нижняя граница их рабочего диапазона простирается до -200 о С.

Константан

Этот сплав на медно-никелевой основе по составу близок к копелю. В нем немного больше меди и чуть меньше никеля. Константан обладает высоким электросопротивлением и его слабой зависимостью от температуры, за что и получил свое название.

Высокое удельное сопротивление константана находит применение при изготовлении из него резистивных и нагревательных элементов. В паре с хромелем медью и железом этот сплав дает высокие значения ТЭДС, немного отставая в этом от копеля.

Проволока из константана применяется для изготовления термопар типов Е, Т и J. Высокотемпературная область применения термопар типа Т (медь-константан) ограничена 400 о С.

Термоэлектродные сплавы в компании «ПАРТАЛ»

Компания «ПАРТАЛ» предлагает большой ассортимент прецизионных, легированных и специальных сплавов.

Мы поставляем медно-никелевые и никелевые сплавы для производства измерительных приборов, для использования в промышленных и научных лабораториях.

«ПАРТАЛ» – это крупный поставщик металлов и их сплавов на российском рынке.

Собственное развитое производство позволяет нам предлагать качественные сплавы по выгодным ценам.

Хорошо налаженная логистика избавляет наших клиентов от длительного ожидания поставки.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector