4.1.1.Термопары из неблагородных металлов

Термопары из неблагородных металлов очень широко используются во всех отраслях промышленности. Они дешевы и просты в обращении, устойчивы к вибрациям, могут выпускаться во взрывозащищенном исполнении. Особенно удобны в обращении кабельные термопары, электроды которых заключены в специальный герметичный гибкий кабель с минеральной изоляцией. Такая конструкция позволяет расположить термопару в самых сложных конструктивных узлах объекта.

Существенным недостатком является образование термоэлектрической неоднородности в зоне максимального градиента температур, что может привести к ошибке в градуировке более 5 °С. Этот недостаток делает очень проблематичной возможность периодической поверки термопар в лабораторных условиях и диктует необходимость поверять термопары из неблагородных металлов на месте их рабочего монтажа. Наименьшая термоэлектрическая неоднородность характерна для термопары нихросил – нисил (тип N). Одной из существенных составляющих неопределенности измерений термопарами является учет температуры холодных спаев или точность компенсации спаев в цифровых преобразователях. Для измерения высоких температур до 2500 °С используют вольфрам-рениевые термопары. Особенностью их использования является необходимость устранения окислительной атмосферы, разрушающей проволоку. Для вольфрам-рениевых термопар используют специальные герметичные конструкции чехлов, заполненные инертным газом, а также танталовые и молибденовые чехлы с неорганической изоляцией из оксида бериллия и оксида магния. Одно из важных применений вольфрам-рениевых термопар состоит в измерении температур в ядерной энергетике в присутствии потока нейтронов. Тип J (железо-константановая) • Не рекомендуется использовать ниже 0 °С, т.к. конденсация влаги на железном выводе приводит к образованию ржавчины; • Наиболее подходящий тип для разряженной атмосферы; • Максимальная температура длительного применения – 500 °С, т.к выше этой температуры происходит быстрое окисление выводов. Оба вывода быстро разрушаются в атмосфере серы. • Показания повышаются после термического старения. • Преимуществом является также невысокая стоимость. Тип Е (хромель-константановая) • Преимуществом является высокая чувствительность. • Термоэлектрическая однородность материалов электродов. • Подходит для использования при низких температурах.

Тип L (хромель-копелевая)

• Высокая чувствительность.

• Высокая термоэлектрическая стабильность при температурах до 600 °С, обусловленная тем, что изменения термоЭДС хромелевого и копелевого термоэлектродов направлены в одну и ту же сторону и компенсируют друг друга. Технический ресурс термопар составляет несколько десятков тысяч часов.

• Недостатком термопары является высокая чувствительность к механическим деформациям.

Тип Т (медь-константановая) • Может использоваться ниже 0 °С; • Может использоваться в атмосфере с небольшим избытком или недостатком кислорода; • Не рекомендуется использование при температурах выше 400 °С; • Не чувствительна к повышенной влажности; • Оба вывода могут быть отожжены для удаления материалов, вызывающих термоэлектрическую неоднородность. Тип К (хромель-алюмелевая) • Широко используются в различных областях от – 100 °С до +1000 °С (рекомендуемый предел длительного применения, зависящий от диаметра термоэлектрода); • В диапазоне от 200 до 500 °С возникает эффект гистерезиса, т.е показания при нагреве и охлаждении могут различаться. Иногда разница достигает 5 °С; • Используется в нейтральной атмосфере или атмосфере с избытком кислорода; • После термического старения показания снижаются; • Не рекомендуется использовать в разряженной атмосфере, т.к. хром может выделяться из Ni-Cr вывода (так называемая миграция), термопара при этом изменяет термоЭДС и показывает заниженную температуру; • Атмосфера серы вредна для термопары, т.к. воздействует на оба электрода. Тип N (нихросил-нисиловая) • Это относительно новый тип термопары, разработанный на основе термопары типа К. Термопара типа К может легко загрязняться примесями при высоких температурах. Сплавляя оба электрода с кремнием, можно тем самым загрязнить термопару заранее, и таким образом снизить риск дальнейшего загрязнения во время работы. • Рекомендуемая рабочая температура до 1200 °С (зависит от диаметра проволоки). • Кратковременная работа возможна при 1300 °С; • Высокая стабильность при температурах от 200 до 500 °С (значительно меньший гистерезис, чем для термопары типа К); • Считается самой точной термопарой из неблагородных металлов. Рекомендации по выбору термопар из неблагородных металлов ниже нуля – тип Е, Т; комнатные температуры – тип К, Е, Т, L; до 300 °С – тип К, L; от 300 до 600°С – тип N, L; выше 600 °С – тип К или N.

4.1.2. Термопары из благородных металлов

Наиболее точные термопары – с термоэлектродами из благородных металлов: платинородий-платиновые ПП (тип S ( Pt-10%Rh / Pt) (тип R (Pt-13%Rh / Pt), платинородий-платинородиевые ПР (тип В (Pt-30%Rh / Pt-6%Rh)). Преимуществом является значительно меньшая термоэлектрическая неоднородность, чем у термопар из неблагородных металлов, устойчивость к окислению, вследствие чего высокая стабильность.

Преимуществом термопары типа ТПР также является практически нулевой выходной сигнал при температурах вплоть до 50 °С, таким образом устраняется необходимость термостатирования холодных спаев. Недостатком является высокая стоимость и малая чувствительность (около 10 мкВ/К при 1000 °С).

Хотя платинородиевые термопары превосходят по точности и стабильности термопары из неблагородных металлов и сплавов, минимальная расширенная неопределенность результата измерения температуры в диапазоне до 1100 °С составляет 0,2÷0,3 °С. Причины нестабильности термопар связаны с загрязнением, окислением и испарением материалов термоэлектродов. При температурах 500÷900 °С формируется стабильный окисел родия. Недостаток родия изменяет состав платино-родиевого термоэлектрода, что приводит к изменению зависимости ЭДС от температуры и к возникновению термоэлектрических неоднородностей.

В последние годы за рубежом были разработаны и исследованы термопары из чистых металлов: золото-платиновые и платина-палладиевые. По результатам опубликованных исследований можно сделать вывод о их лучшей стабильности и точности по сравнению с платинородий-платино-выми термопарами. Тип S (платнородий-платиновая) • Рекомендуемая максимальная рабочая температура 1300 °С; • Кратковременное применение возможно при 1600 °С; • Загрязняется при температурах выше 900 °С водородом, углеродом, металлическими примесями из меди и железа. При содержании железа в платиновом электроде на уровне 0,1%, ТЭДС изменяется более, чем на 1 мВ (100°С) при 1200 °С и 1,5 мВ (160 °С) при 1600 °С. Такая же картина наблюдается при загрязнении медью. Таким образом, термопары нельзя армировать стальной трубкой, или следует изолировать электроды от трубки газонепроницаемой керамикой. • Может применяться в окислительной атмосфере. • При температуре выше 1000 °С термопара может загрязняться кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных керамических материалов. Поэтому должны применяться керамические трубки, состоящие из высокочистого оксида алюминия. • Не рекомендуется применять ниже 400 °С, т.к ТЭДС в этой области мала и крайне не линейна. Тип R (платнородий-платиновая) • Свойства те же, что и у термопар типа S. Тип В (платнородий-платинородиевая) • Рекомендуемая максимальная температура длительного применения составляет 1500 °С (зависит от диаметра проволоки); • Кратковременное применение возможно до 1800 °С; • Может загрязняться при температурах выше 900 °С водородом, кремнием, парами меди и железа, но эффект меньше, чем для термопар типа S и R; • При температуре выше 1000 °С термопара может загрязняться кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных керамических материалов. Поэтому должны применяться керамические трубки, состоящие из высокочистого оксида алюминия. • Может использоваться в окислительной среде; • Не рекомендуется применение при температуре ниже 600 °С, где ТЭДС очень мала и не линейна.