Применение сплава копель для измерения температуры термоэлектрическим методом

Одним из широко распространенных способов измерения температуры в научных исследованиях, различных областях производства, в частности, автоматизированных системах управления и контроля, является применение термоэлектрических термометров. Устройство такого прибора относительно несложное, а точность измерений при этом достаточно высока — вплоть до 0,01 ºС. Кроме того, термометры подобной конструкции позволяют производить измерения в весьма широком диапазоне температур — от –250 до +2500 ºС. При этом, они надежны и стоят в большинстве своем недорого.

Устройство. Термопары

Термоэлектрический термометр состоит из термоэлектрического преобразователя (термопары), соединенного проводами с измерительным прибором (милливольтметром или потенциометром). Термопара представляет собой сваренные встык электроды из двух разных металлов или сплавов. Место их соединения называют «горячим» спаем, а места соединения электродов с проводами — «холодным» спаем. Во избежание касания электродов, их изолируют, помещая в фарфоровые трубки. Сам термометр при этом помещается при необходимости в чехол из жаропрочной стали или железа. Термометры из благородных металлов помещают в фарфоровые или кварцевые чехлы.

Принцип работы термоэлектрического термометра

«Горячий» спай термометра вводят в область измерения температуры, и в процессе его нагревания в месте соединения электродов возникает термоэлектрический ток. Термо-ЭДС тем больше, чем значительней разность температур между «горячим» (рабочим) и «холодным» спаями. Зависит электродвижущая сила также и от материала электродов. В конечном итоге, отслеживая изменение термо-ЭДС, можно вычислить соответственные изменения температуры с высокой точностью.

В случаях, когда необходимо отслеживать изменения температуры в динамике, к термопаре подключают самопишущий потенциометр или гальванометр. Прибор наносит кривую изменения температуры на бумажную ленту.

Виды термопар. Классификация

В зависимости от сферы применения, диапазона измеряемых температур и свойств среды, в которой будут проводиться замеры, используются различные термопары с разными свойствами. Перечисленные факторы влияют также и на особенности конструкции термопары — особенности ее изоляции и защиты, вид соединения электродов в «горячем» спае (спайка, сварка или скрутка).

Классификацию термопар проводят преимущественно в соответствии с применяющимися в них металлами:

термопары из неблагородных металлов и сплавов (копель, хромель, константан, железо, алюмель, медь и т. д.)
термопары из тугоплавких металлов (вольфрам, молибден);
термопары из благородных металлов (платина, платинородий).

Термопары из неблагородных металлов

Применяются в диапазоне температур от –250 до +1100 ºС. Максимально — до +1300 ºС (при кратковременных замерах). В зависимости от среды (нейтральная, восстановительная, окислительная) и рабочего диапазона температур выбирают термопары определенных сплавов. Наибольшую чувствительность из всех применяемых в промышленности имеет термопара ТХК (хромель-копель). Правда, диапазон температур у нее ограничен значениями от –200 до +800 (1100) ºС.

Термопары из тугоплавких металлов

Служат для измерения наиболее высоких температур в диапазоне от +1300 до +2500 ºС (максимально, при кратковременных измерениях — +3000 ºС). Как правило, используются в инертных средах или вакууме.

Термопары из благородных металлов

Дороговизна таких термопар оправдана высокой, зачастую эталонной точностью измерений. Рабочий диапазон измеряемых температур — от +300 до +1600 (+1800) ºС.

Копель, хромель и ТХК (хромель-копелевая термопара)

Как было сказано выше, среди промышленных, недорогих термопар наибольшей чувствительностью и точностью измерений обладает термопара ТХК, изготавливающаяся из двух сплавов — копель и хромель. Помимо точности, такие термопары имеют исключительно высокую термоэлектрическую стабильность в диапазоне температур до +600 ºС, а также превосходно подходят для измерения малой разности температур.

К достоинствам такой термопары можно отнести также длительный срок службы — ТХК стабильно работают в течение нескольких десятков тысяч часов, при условии измерения температур до +500 ºС. Недостаток термопары — высокая чувствительность к деформации. Однако именно в термопаре хромель-копель сплав копели показывает максимальную электродвижущую силу (ЭДС).

Основная сфера применения ТХК — пирометрия (бесконтактное измерение температуры на поверхности объекта).

Копель — это специальный термоэлектродный сплав, основу которого составляют медь (основа, около 55–57%) и никель (43–44%). В виде добавок в него водятся также железо (2–3%), марганец (0,5%), кремний, углерод, сера и другие элементы в незначительных количествах. Эти примеси придают сплаву достаточную жаропрочность и инертность.

Температура плавления материала +1290 ºС, в силу чего копелевую проволоку используют для изготовления термопар хромель-копель, использующихся для измерения широкого интервала температур — от –253 до + 800 ºС. Хромель используют в качестве положительного электрода, а копель (либо алюмель и константан) — отрицательного.

При продолжительных измерениях ограничиваются верхним пределом измерений — 600 ºС. Данные термопары характеризуются прекрасной чувствительностью, что позволяет использовать их для фиксации даже небольших изменений температур. К тому же, копель имеет высокие и стабильные величины термо-ЭДС в рабочем диапазоне измеряемых температур, что считается едва ли не самым важным качеством термоэлектродных сплавов.

Формы выпуска изделий из копели: проволока, ленты и диски. Термоэлектродная проволока из копели выпускается круглого сечения с диаметром от 0,1 до 12 мм. Причем, зачастую наиболее тонкая проволока является самой дорогостоящей. В зависимости от диаметра, проволока поставляется в бухтах или на катушках. Все значимые параметры проволоки — диаметр, состояние, размер, внешний вид, свойства — стандартизированы и регламентируются техническими условиями, в частности, ГОСТ 1790-77. Ленты из данного сплава производятся шириной от 3 до 600 мм и толщиной от 0,1 до 5 мм, а круги — диаметром до 11 мм.

Из сплава в виде проволоки производят, главным образом, термоэлектроды для низкотемпературных и среднетемпературных термопар (термоэлектрических преобразователей). Производят также удлиняющие (компенсационные) провода для самых разных типов термопар, регламентируемые ГОСТ 1791-67. Копель подходит для этих целей наилучшим образом в силу повышенной стойкости к коррозионным процессам и термическому воздействию. Используется копель также при изготовлении компонентов нагревательных устройств, реостатов и пр.