Особенности использования материалов различных типов термопар
Большинство электрических проводников выдают термоэлектрический сигнал, когда они находятся в температурном градиенте. Однако, если принять во внимание диапазон измеряемых температур, а также требования к линейности и повторяемости измерения, выбор материалов для различных типов термопар будет ограниченным.
В течение нескольких десятилетий выбор подходящих термоэлектрических материалов был главной задачей исследователей, производителей и государственных институтов. Благодаря материалам, доступным сегодня, измерения можно проводить с помощью термопар в диапазоне температур от -270 ° C до 2500 ° C. Однако нельзя покрыть всю площадь одной термопарой. Пользователь может выбрать одну из десяти стандартизованных типов термопар. Каждая комбинация материалов имеет определенный диапазон рабочих температур и особые свойства.
Платиновые термопары обычно более надежны и стабильны. Однако они намного дороже. Их полезный диапазон измерения простирается от комнатной температуры до 2000 ° C, для кратковременного использования от -270 ° C до 2500 ° C. Диапазон температур для базовых термопар гораздо более ограничен и обычно составляет от 0 до 1200 ° C, что также несколько больше для кратковременного использования. По сравнению с благородными термопарами, у них есть преимущество в том, что их выходной сигнал больше.
Большое количество пар материалов с определенными термоэлектрическими свойствами было испытано для производства практических термопар. Необходимая взаимозаменяемость в промышленных приложениях и экономическая эффективность массового производства привели к стандартизации комбинаций материалов. Это приводит к относительно небольшому количеству стандартизованных термопар, с помощью которых можно охватить большинство всех приложений измерения температуры.
Краткий обзор стандартизованных термопар, их комбинаций материалов и диапазонов температур применения приведен в таблице ниже.
Таблица типов термопар, материалов исполнения и диапазонов температур
В данной статье, мы хотим кратко представить различные термопары и объяснить их особые свойства и области применения. Здесь следует отметить, что указанная максимальная рабочая температура не обязательно является решающей для термопар, изготовленных из основного металла. Это необходимо учитывать в связи с диаметром провода и допустимыми рабочими температурами изоляционных материалов.
Платина-10% родий / платина: термопара типа ТПП10 (S)
Термопара типа ТПП1 может использоваться постоянно в окислительной или инертной атмосфере при температурах до 1300 ° C и кратковременно до 1600 ° C. Для высокотемпературных применений используются изоляционные материалы и защитные трубки из керамики на основе оксида алюминия высокой чистоты. Из-за своей чувствительности к газам, содержащим серу и фосфор, эта термопара требует газонепроницаемой защитной крышки. При температуре выше 1000 ° C инородные вещества и пары металлов могут диффундировать внутрь и вызывать изменения термоэлектрических свойств. Непрерывная работа при повышенных температурах также может привести к износу из-за диффузии, когда платина будет загрязнена родиевыми компонентами.
Платина, 13% родий / платина: термопара типа ТПП13 (R)
Термопара типа ТПП13 очень похожа на термопару типа ТПП10 и имеет в основном идентичные свойства. Тип ТПП13 обычно предпочтительнее, чем тип ТПП10 из-за его более высокого выходного сигнала и лучшей стабильности.
Железо / медь-никель: термопара типа ТЖК (J)
Тип термопары ТЖК обычно называют термопарой железо-константан. Эта термопара — одна из немногих, которые можно использовать в агрессивных средах. Однако, начиная с 550 ° C, он сильно подвержен окислению. Максимальная температура при непрерывном использовании — 750 ° C; Кратковременные измерения можно проводить при температуре до 900 ° C. Минимальная температура -200 ° C. При температуре ниже комнатной влажность воздуха может конденсироваться в датчике и вызывать ржавчину на железном проводе. Кроме того, при низких температурах материал становится хрупким.
Никель-хром / никель-алюминий: термопара типа ТХА (K)
Термопара типа ТХА по-прежнему наиболее часто используется в промышленной измерительной технике. Он был разработан в основном для окислительной среды и должен быть особенно защищен в других типах окружающей среды. Максимальная непрерывная рабочая температура составляет 1200 ° C, при кратковременной эксплуатации может быть измерена даже до 1300 ° C. Тип ТХА также может использоваться в низкотемпературном диапазоне и в технике измерения низких температур до -200 ° C.
Хотя тип ТХА имеет более низкую стабильность в диапазоне температур от 250 ° C до 600 ° C, чем другие базовые термопары, он часто используется из-за его широкого спектра применений и его ценового преимущества. Могут возникать связанные с гистерезисом ошибки в несколько градусов, особенно в диапазоне от 300 ° C до 500 ° C. Хотя тип ТХА предпочтителен для радиоактивных применений из-за его относительно хорошей радиационной стойкости, тип ТНН сегодня является гораздо лучшей альтернативой.
Медь / медь-никель: термопара типа ТМК (T)
Термопару, первоначально называемую медно-константановой. Эта термопара заняла рыночную нишу в лабораторных измерениях температуры в диапазоне от -250 ° C до + 400 ° C. Однако медная термопара очень быстро коррозирует выше этих температур. В диапазоне от -200 ° C до + 350 ° C он очень надежен (± 0,1K). Обратите внимание на высокую теплопроводность медного провода и тот факт, что медно-никелевый сплав отрицательного термоотвода не имеет такого же состава материала, что и тип ТЖК, и поэтому не является взаимозаменяемым.
Никель-хром / медь-никель: термопара типа ТХКн (E)
Термопара типа ТХКн, известная как хромель-константан, отличается большим выходным сигналом. Тип ТХКн обеспечивает самый сильный сигнал среди используемых стандартных термопар, хотя этот факт вряд ли актуален в настоящее время из-за наличия электронных измерительных усилителей. Допустимый диапазон температур составляет от -200 ° C для низкотемпературных применений до 700 ° C в окисляющих и инертных газах. Благодаря высокой стабильности по сравнению с типом ТХА, он лучше подходит для измерения температуры с высокими требованиями к точности. По сравнению с типом ТХКн, только тип ТНН имеет лучшую стабильность.
Платина - 30% родия / платина - 6% родия: термопара типа ТПР (B)
Тип ТПР является более поздней разработкой 1950-х годов и может использоваться постоянно при температуре до 1700 ° C и кратковременно до 1800 ° C. В остальном он аналогичен другим типам драгоценных металлов ТПП10 и ТПП13, хотя его выходной сигнал несколько меньше, и поэтому он обычно не используется при температуре ниже 600 ° C. Интересное практическое преимущество проистекает из того факта, что выходной сигнал пренебрежимо мал в диапазоне от 0 ° C до 50 ° C. Это делает ненужной компенсацию точки сравнения.
Никель-хром-кремний / никель-кремний: термопара типа ТНН (N)
Тип ТНН был объявлен революционным преемником термопары типа ТХА, поскольку у него нет недостатков с аналогичными термоэлектрическими свойствами. Он имеет гораздо меньший дрейф, связанный с окислением, и такие проблемы, как гистерезис и нестабильность, не возникают.
Тип ТНН может использоваться в других диапазонах температур, в отличии от типа ТХА: от -270 ° C до 1300 ° C в непрерывном режиме.
Тип ТНН имеет значительно улучшенную стабильность в диапазоне от 300 ° C до 500 ° C, чего нет у типа ТХА в этом диапазоне. В типе ТНН высокое содержание хрома и кремния обеспечивает улучшенную магнитную стабильность. Кроме того, тип ТНН не страдает от долговременных проблем дрейфа, связанных с диффузией в термопарах с минеральной изоляцией и оболочкой. (Это в основном включает диффузию магния и алюминия из отрицательного теплового провода в положительный тепловой край.) Диффузия практически невозможна с типом ТНН, так как оба проводника содержат только следы магния и алюминия.
И наконец, что не менее важно, повышена устойчивость к радиоактивному излучению, поскольку отрицательная термоотвод не содержит магний, алюминий и медь.
Тип ТВР (A) - вольфрам - 5% рения по сравнению с вольфрамом - 20% рения
Термопары типа ТВР (и все комбинации вольфрам-рениевых сплавов в целом) обеспечивают относительно высокие и относительно линейные выходные ЭДС для высокотемпературных измерений. Эти типы термопар следует использовать в вакууме, инертной атмосфере или в системах с сухим водородом. Вольфрам может стать хрупким из-за перекристаллизации при температуре выше 1200 ° C. Термопары типа ТВР имеют немного расширенный температурный диапазон, до 2500 ° C.
Существует три типа термопар ТВР и все три типа могут использоваться при температуре примерно до 2600 ° C, кратковременно также в вакууме или в чистом водороде. В инертном газе их можно использовать даже при температуре до 2750 ° C. Однако при температурах выше 1800 ° C датчики могут выйти из строя из-за испарения рения. Керамика из оксида бериллия и оксида тория обычно рекомендуется в качестве изоляционных материалов. Эти материалы вступают в реакцию с материалами проводников в верхнем диапазоне температур и, таким образом, приводят к необратимым изменениям термоэлектрических свойств.