Исследование материалов термопар

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Украины

Национальная металлургическая академия Украины

Факультет материаловедения и обработки металлов

Кафедра материаловедения им . Ю.М. Тарана - Жовнира

Индивидуальное задание

На тему: «Материалы термопар»

Выполнил:

Пикуш А.А

Проверила:

Ионова Л.Ю

Днепропетровск 2015

1821 году Т.И.Зеебеком был открыт термоэлектрический эффект и с этого же года были введены в эксплуатацию простейшие термопары. Термопары совершенствуются и продолжают использоваться и по сей день. Термопара представляет собой устройство для измерения температуры, которое состоит из двух разнородных проводников, контактирующих друг с другом в нескольких или одной точке, которые иногда соединяют компенсационные провода. В тот момент, когда на одном из таких участков изменяется температура, создается определенное напряжение. Термопары часто используются для контроля температур разнообразных сред, а также для конвертации температуры в энергию, в частности, в электрический ток. Для того чтобы их показания были более точными, а сами устройства более прочными, необходимо правильно подбирать материал для изготовления термопар.

Материалы термопар

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 ПР 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-платиновыми термопарами

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. Преимуществом термопар также является высокая чувствительность. 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 сомнительной саму 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.

Особенностью работы с термопарами является применение стандартных удлинительных и компенсационных проводов. Провода позволяют передавать сигнал с термопары на сотни метров к измерительному прибору, внося минимальную потерю точности. Удлинительные провода изготавливаются из того же материала, что и термоэлектроды термопары, но с более низкими требованиями по качеству материалов. Компенсационные провода изготавливаются из совершенно других материалов, чем термоэлектроды и применяются для термопар из благородных металлов. Так, для термопары ПР в качестве компенсационной может использоваться медная проволока. Применение компенсационных проводов может стать доминирующим источником неопределенности измерения температуры в промышленности, если разность температур двух концов провода существенна. Так, например, если для термопары типа S используется компенсационный провод, температура которого изменяется от 23 °С (головка термопары) до 0 °С (лед), то возникает дополнительная ЭДС около 15 мкВ, что приведет к ошибке в измерении 1,4 °С для температуры 900 °С. Стандарт МЭК 60584-3 на компенсационные провода(Thermocouples - Part 3: Extension and compensating cables - Tolerances and identification systems) введен в обращение в апреле 2008 г. (см. раздел Стандарты МЭК)

Алюмель - сплав, применяемый в пирометрии в качестве отрицательного термоэлектрода термопары хромель-алюмель, а также в виде компенсационных проводов. Химический состав алюмеля (в %): 1,8-2,5 алюминия; 0,85-2,0 кремния; 1,8-2,2 марганца; остальное - никель и кобальт, причём кобальт присутствует как примесь в никеле, и для обеспечения требуемого значения термоэдс его содержание должно быть в пределах 0,6-1,0%.

Термопарами с алюмелью пользуются для измерений температуры до 1000С. Свыше 1000С при длительных выдержках изменение термоэдс становится весьма заметным. Разработаны и применяются сплавы алюмели, легированные 0,06-0,1% циркония или 0,06% циркония + 0,005-0,03% бора и др. Легирование алюмели существенно увеличивает пластичность (при 600-1100С) и длительную прочность (при 700-900С), а также повышает стабильность термоэдс при температурах до 1250-1300С.

Хромель - сплав никеля с хромом, обладающий благоприятным сочетанием термоэлектрических свойств и жаростойкости. Содержит около 10% Cr, около 1% Со, а также примеси (до 0,2% С и до 0,3% Fe). Хромель характеризуется достаточно большим и почти прямолинейным изменением термоэдс (ТЭДС) в широком интервале температур.

Хромель изготовляется в виде проволоки и применяется в паре с алюмелем в качестве положительного термоэлектрода термопары хромель - алюмель, которая используется при измерении температуры. Хромель применяется также в качестве компенсационных проводов. В России выпускают хромель марок НХ9,5 и НХ9.

Копель - медно-никелевый сплав, содержащий ~43% Ni и ~0,5% Mn. По химическому составу, физическим и механическим свойствам копель близок к константану, температура плавления копеля около 1290С.

Из всех медно никелевых сплавов копель обладает максимальной термоэлектродвижущей силой в паре с хромелем (около 6,95 мв при 100С, 49,0 мв при 600С). Применяется главным образом в пирометрии в качестве отрицательного термоэлектрода термопар при измерении температур до 600С, а также в качестве компенсационных проводов. В России изготовляется копель марки МНМц 43-0,5.

Фехраль (Х23Ю5Т) - сплав, состоящий из (12-15 %)- хрома, (3,5-5,5 %)- алюминия, (1 %)- кремния, (0,7 %)- марганца и остальной части железа, характеризуется температурой плавления около 1450 градусов. Также фехраль имеет невысокую плотность (1100-1300 кг/м3). Недостатком сплава являет хрупкость и сложность обработки.

Константан (МНМЦ40-1,5) -(сплав очень похожий на Копель) - состоит из (39-41 %) - никеля, (1-2 %) - марганца и остальной части меди. Его плотность составляет 8800-8900 кг/м3, а температура плавления - около 1260 градусов. Проволока из константана дает высокую термоэлектродвижущую силу в термопарах с хромелем, железом, медью.

Проволока из перечисленных выше сплавов в различных комбинациях позволяет создавать термопары с разными характеристиками. Например, термопара хромель-алюмель измеряет температуру в диапазоне от -200 до 1000 градусов, хромель-копель - от -200 до 800 градусов, хромель-константан - от -40 до 800 градусов.

Сплавы ВР5 и ВР20 (ВР 5/20, ВР5/ВР20) - характеризуются максимально высокой температурой плавления. Составляющие их металлы (вольфрам и рений) относятся к числу наиболее тугоплавких. В сплаве ВР5 содержится 5 % рения, в сплаве ВР20 - около 20 %. Термопары из вольфрам-рениевой проволоки позволяют осуществлять измерения наиболее высоких температур (до 2500 градусов).

Рекомендации по выбору типа термопары

Термопары из неблагородных металлов

Тип J (железо-константановая термопара)

* 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 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 термопара)

* Преимуществом является высокая чувствительность.

* Термоэлектрическая однородность материалов электродов.

* Подходит для использования при низких температурах.

Тип Т (медь-константановая термопара)

* 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 термоэлекрическую неоднородность.

Тип К (хромель-алюмелевая термопара)

* Широко используются в различных областях от - 100 °С до +1000 °С (рекомендуемый предел, 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 ТЭДС и показывает заниженную температуру;

* Атмосфера серы вредна для термопары, т.к. воздействует на оба электрода.

Тип N (нихросил-нисиловая термопара)

* 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 1250 °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.

Общие советы по выбору термопар из неблагородных металлов ниже нуля - тип Е, Т

комнатные температуры - тип К, Е, Т

до 300 °С - тип К

от 300 до 600°С - тип N

выше 600 °С - тип К или N

Термопары из благородных металлов

Термопара является самым распространенным и самым старым термодатчиком. Ее действие основывается на эффекте Зеебека, который был открыт еще в 1822 году. Термопары используются в производстве до сих пор и на данный момент в некоторых случаях являются незаменимыми. Внешне термопара устроена очень просто: две тоненькие проволочки просто сварены между собой в виде аккуратного маленького шарика. В промышленных установках термопары имеют конструкцию более сложную: собственно измерительный участок термопары помещается в металлический корпус. Внутри корпуса термопара находится в изоляторах, как правило, керамических, рассчитанных на высокую температуру [1]. Особое внимание следует уделить материалам для изготовления термопар. Термопара содержит два электрода из разнородных материалов. Всего имеется около десятка термопар различных типов, по международному стандарту обозначаемых буквами латинского алфавита. Каждый тип имеет свои характеристики, что в основном обусловлено материалами электродов. Для изготовления термопар используют главным образом металлы и их сплавы [2]. Термопары из полупроводников характеризуются высокой чувствительностью, но обладают большим внутренним сопротивлением и малой механической прочностью и находят ограниченное применение [3]. В табл.1 приведены основные параметры, обозначения и градуировки промышленных термопар. термопара удлинительный провод металл

Таблица 1 Обозначения термопар

При выборе термопары для производства замеров температуры в некотором диапазоне следует выбирать ту термопару, коэффициент линейности которой изменяется менее других в рамках этого диапазона [4].

Таблица 2 Области применения термопар

Для изготовления термопар можно использовать несколько комбинаций материалов. Термоэлектроды выбирают следующим образом. Сначала выбирают базовый материал, например платину, и затем стремятся сочетать термоэлектроды таким образом, чтобы один из них развивал с платиной положительную, а другой отрицательную термо ЭДС [5]. При этом следует учитывать и другие факторы, например влияние среды.

В качестве материалов для термопар используются металлы (платина, медь, родий, рений, иридий и др.) и сплавы (хромель, алюмель, копель, медноникеливые сплавы, платинородий, вольфрамрений и др.) Несоответствие составов сплавов может приводить к значительным изменениям величин термо ЭДС. В таких случаях для достижения высокой точности необходима предварительная градуировка [6].

На рис.1 приведены зависимости термо ЭДС от разности температур горячего и холодного спаев для различных термопар.

Рисунок 1. Зависимость термо ЭДС от разности температур горячего и холодного спаев для термопар:

1- хромель - копель, 2 - железо - копель, 3 - медь - копель, 4 - железо - константан, 5 - медь - константан, 6 - хромель - алюмель, 7 - платинородий - платина

Одной из главных причин того, что для термопар используются вполне определенные сплавы, является многообразие и сложность предъявляемых к ним требований.

Наиболее важными являются следующие:

1.Tермо ЭДС термоэлектродных сплавов, образующих термопару должна быть достаточно большой для того, чтобы ее можно было измерить с необходимой точностью. Она должна быть непрерывной и однозначной функцией температуры, без экстремумов в интервале температур, для которого предназначена термопара. Желательно чтобы эта функция была максимально близка к линейной.

2. Температура плавления термоэлектродных сплавов должна быть выше максимальной температуры, при которой термопара должна работать. Необходимо, чтобы температура плавления сплава превышала максимальную температуру эксплуатации не менее чем на 50-150 ° С.

3. Термоэлектродные сплавы должны быть коррозионно-устойчивыми в тех средах и при тех температурах, при которых должна работать термопара [7].

Вывод: из всего многообразия металлов и различных сплавов для изготовления термопар подходят лишь единицы. Следует уделять большое внимание материалам, а так же их характеристикам для изготовления более точных и прочных термопар. Так как термопары используются в промышленном производстве, вопрос о материалах для их изготовления до сих пор актуален.

Список литературы

1. Ахмеджанов Р. А. Физические основы получения информации: учебное пособие для ВУЗов / Р. А. Ахмеджанов, А. И. Чередов. - Омск : издательство ОмГТУ, 2008 - с. 12.

2. Рогельберг И. Л. Сплавы для термопар: справочник / И. Л. Рогельберг, В. М. Бейлин. - М. : Металлургия, 1983 - с. 328.

3. ГОСТ 6616-94. Преобразователи термоэлектрические. Общие технические условия. - М. : издательство стандартов, 1994 - с. 8.

4. ГОСТ Р8.585-2001. ГСИ. Термопары. Номинальные статические характеристики. - М. : Издательство стандартов, 2001 - с.10.

5. Геращенко О. А. Тепловые и температурные измерении: справочное руководство / О. А. Геращенко, В. Г. Федоров. - Киев : Издательство «Наукова думка», 1965 - с. 86.

6. Зимин Г. Ф. Поверка и калибровка термоэлектрических преобразователей / Г. Ф. Зимин. - М. : АСМС, 2002 - с. 36.

7. Электронный журнал «Радиоежегодник». Выпуск 25. Измерения. - Издательство «Радиоежегодник», 2013 - с. 28.

Размещено на Allbest.ru