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 Т₁/Т₂. 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/см³, 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/см³, удельного сопротивления – 0,32 мкОм·мм²/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.