5.6. Термопары. Часть 1
Термопара (термоэлектрическая пара, термоэлемент) - это датчик температуры, состоящий из двух сваренных (спаянных) разнородных по составу проводников тока, называемых термоэлектродами. Их спай, называемый главным, помещают, в среду измеряемой температуры. Два другие конца соединяют с проводами, идущими к измерительным приборам. Места соединения с проводами образуют побочные спаи термопары.
Пусть проводник M1(металлическая проволока) припаян своими концами к двум отрезкам другого проводника Мг, присоединенного к гальванометру V (рис. 97, а. Если оба спая находятся при одной и той же температуре («t1=t2), то никакой разности потенциалов не возникает. Когда же спаи находятся при различных температурах (t1≠t2), гальванометр V покажет наличие тока в цепи и определенное напряжение на концах проводников М2. Это напряжение иногда называют термоэлектрической силой (аббревиатура т.э.с). Ее значение зависит от природы контактирующих металлов и разницы температур tx и
t2.
Возникновение тока в рассмотренной системе было открыто в 1821 г. Зеебеком и получило название эффекта Зеебека. Зеебек Томас Иоганн (1770-1831) - немецкий физик и химик. Градиент температур создает в проводнике градиент концентраций носителей заряда (электронов), отчего возникают два диффузионных потока носителей заряда вдоль и против градиента температур, создающих избыток отрицательных зарядов на одном конце проводника М2, а на другом - положительных. Напряжение, определяемое гальванометром V, зависит от различия подвижностей "горячих" и "холодных" электронов.
Схема установки для измерения температуры в сосуде 9 при помощи термопары включает термопару 1-2 (рис. 97, б) со спаем 3, компенсационные провода 4, побочные спаи 5 которых "смещены в сосуд Дьюара 6 с тающим льдом, соединительные провода 7 и измерительный прибор 8.
Рис. 97. Схемы действия термопары (в) и измерения температуры с ее помощью (б) и способы защиты проволок термопар
Термопары служат преимущественно для измерения температур в интервале 300-1500 °С. Если требуется измерить температуру выше 600 °С с большой точностью, то термопары почти незаменимы. Применяют термопары и для измерения очень низких температур.
Соединение термоэлектропроводов 1 и 2 осуществляют либо спайкой, либо сваркой в восстановительной атмосфере или под слоем расплавленной буры Na2(B4O7)*10H2O в восстановительном пламени паяльной горелки. Диаметр термоэлектропроводов не выходит за пределы 0,05-0,8 мм. Перед изготовлением термопары проволоку обязательно отжигают для снятия разнообразных натяжений. Отжиг проводят в муфельных печах 10 - 15 мин при 700-900 °С в инертной атмосфере. Проволоку для высокотемпературных термопар отжигают при температурах, близких к температурам применения. В частности, платиновую проволоку отжигают накаливанием ее током 1 ч до 1450 °С. После отжига проволоку проверяют на однородность. Оба ее конца присоединяют проводниками к милливольтметру, а места соединений проводников и проволоки погружают в тающий лед. Затем отдельные участки проволоки между ее концами нагревают. Отсутствие т.э.с. свидетельствует о достаточной однородности проволоки. Следует заметить, что неоднородность в термоэлектродах делает невозможны м измерение высоких температур с точностью большей чем 0,1-0,2 °С.
Сваренные или спаянные проволоки необходимо тщательно защищать от возможных загрязнений и любого механическое воздействия (надлом, скручивание, изгиб й т.п.) и от контакта как друг с другом, так и с другими проводниками.
Поэтому рекомендуют один из проводников помещать в тонкую трубочку 7 (рис- 97, в) из кварцевого стекла (до 1000 °С), фарфора или корунда (до 1500 °С). и оксида магния (до 2000 °С). Еще лучше использовать трубочки 3 с двумя каналами; они предпочтительнее-
Если измеряемая среда не агрессивна по отношению к металлам термопары, термопару вводят в нагретое пространство незащищенной, в противном случае термопару помещают в кварцевую пробирку 2.
Компенсирующие провода - это провода 4 (см. рис. 97, б), связывающие термопару 1-2 (через холодный спай) с проводниками 7, идущими к гальванометру. Спаи проводников и компенсационных проводов 5 погружают в сосуд Дьюара с ледяной кашицей. Компенсационные провода позволяют удалить от нагреваемого спая термопары холодный спай на нужное расстояние. Компенсационные провода изготавливают из металлов или сплавов, имеющих одинаковые т.э.с. с проводниками термопар. Например, для хромель-копелевой термопары применяют провода, изготовленные один из сплава хромель, а другой из сплава копель. Для Pt-(Pt, Rh) термопары берут один провод медный, а другой из сплава меди (99,4%) и никеля (0,6%). Диаметр проводов в большинстве случаев не превышает 1,0-1,5 мм.
Термопара Ле Шателье состоит из чистой платины и сплава, содержащего 90% Pt и 10% Rh. Такую термопару применяют как эталонную для точных измерений температур: при 1000 °С (погрешность составляет ±0,2 °С с хорошей воспроизводимостью). Обе проволоки термопары следует тщательно защищать от попадания на их поверхность соединений железа, от соприкосновения с газами, содержащими соединения углерода и серы. Термоэлектроды не должны быть в контакте с парами фосфора, мышьяка, сурьмы и селена. Все эти вещества быстро диффундируют в нагретый металл и изменяют значение т.э.с. термопары. Рекомендуемый температурный интервал применения термопары Ле Шателье 250-1300 °С. Нагревать термопару долго выше 1000 °С и кратковременно выше 1500 °С недопустимо, так как платина становится хрупкой из-за ее рекристаллизации. В табл. 8 приведены значения т.э.с, отвечающие температурам горячего спая, если холодный спай находится при 0 °С.
Для измерения температур ниже 0 °С термопара Ле Шателье
неприменима: т.э.с. изменяется немонотонно и при -142 °С
наблюдается минимум функции т.э.с. =f(Т).(Ле Шателье Анри Луи (1850-1936) - французский физико-химик и металловед, автор закона смешения химического равновесия (1884 г.) и изобретатель термооэлектрического пирометра.)
Хромель-алюмелевую термопару применяют при измерении температур от -100 до +1300 °С, а при длительном использовании - только до 900 °С. Хромель - сплав, содержащий 89% Ni, 9-10% Сг, 1% Со, 0,3% Fe и до 0,2% углерода. Алюмель - сплав состава: 94% Ni, 1,8-2,5% Al, 0,85-2,0% Si, 1,8-2,2% Мп и 0,6-1,0% Co. Зависимость т.э.с. такой термопары от измеряемой температуры приведена в табл. 9 (холодный спай термопары имеет температуру 0 °С ). Зависимость т.э.с. =f(t) близка к линейной.
Медь-константановую термопару применяют при измерении температур от -200 до +400 °С. Константан - сплав на основе меди, содержащий 39-41% Ni и 1-2% Мп. Значения т.э.с. для этой термопары приведены в табл. 10 (холодный спай термопары имеет 0 °С).
Медь-константановая термопара относится к числу наиболее чувствительных к воздействию температур термоэлементов. Нагревать ее выше 350 °С в атмосфере воздуха не рекомендуется из-за интенсивного окисления меди. Термопару следует помешать либо в инертную, либо в восстановительную атмосферу Знаки плюс и минус у значений т.э.с. свидетельствуют о перемене направления движения носителей заряда в термопаре с переходом от температур ниже 0 "С к более высоким. С переменой знаков у т.э.с. происходит и изменение в отклонении стрелки гальванометра от одного направления к другому.
Железо-константановую термопару применяют для измерения температур от -200 до +700 °С и кратковременно до 1000 °С. Выше 700 °С такие примеси железа, как углерод, кремний, марганец и некоторые другие, начинают оказывать существенное влияние на воспроизводимость т.э.с. В частности, примесь углерода в железе, находящаяся в виде перлита (твердого раствора) и цементита Fe3C, при 720-740 °С испытывает фазовый переход. Обратное превращение образовавшейся новой фазы в перлит наблюдается при 680-700 °С, поэтому значения т.э.с. при нагревании и охлаждении не совпадают.
К достоинствам железо-константановых термопар следует отнести устойчивость железа и константана к воздействию до 600 °С окислительной атмосферы, лишенной влаги, и сравнительно высокое значение т.э.с. Чувствительность термопары с изменением температуры практически остается постоянной, составляя 50 мкВ/°С. В табл. 11 приведены значения функции Т.Э.С. =f(t), когда холодный спай термопары имеет 0 °С.
Хромель-копелевую термопару применяют для продолжительного измерения температуры до 600 °С и кратковременного - до 800 °С. Копель - сплав на основе меди, содержащий 42-44% Ni и 0,1-1,0% Мп. Сплав термически устойчив к химическому воздействию воздуха до 600 oC. Изменение т.э.с, отнесенное к одному градусу у этой термопары, намного больше, чем у других термопар.
Высокотемпературные термопары изготавливают из металлов, умеющих температуры плавления выше 2500 °С. Их применяют измерения температур выше 1500 °С.
Например, рений-вольфрамовая термопара рекомендуется для измерения темпера, тур до 2800 °С. В табл. 12 приведены значения т.э.с. для этой термопары.
Термопары с содержанием рения до 25% изготовить легче, чем термопары из чистого вольфрама. Этот сплав менее склонен, чем вольфрам, к разрушению после нагрузки при высокой температуре в атмосфере водорода или после сварки. Вольфрамовый сплав с 25% Re применяют в качестве отрицательного термоэлектрода. Положительным термоэлектродом служит сплав вольфрама с 3% Re.
Термопара W, Re3 - W, Re25 устойчива в нейтральной и слабо восстановительной атмосфере. В окислительной атмосфере, в присутствии углеводородных газов, термопара разрушается из-за образования оксидов или карбидов вольфрама. Т.э.с. термопары хорошо воспроизводится.
Другие части: