Термопара ВР5/ВР20 (ВАР5/ВР20) вольфрам-рений для измерения высоких температур

Термоэлектрические термометры, в основу конструкции которых заложено использование термопар, успешно эксплуатируются в нашей стране на протяжении многих десятилетий.

Место соединения электродов называется рабочей зоной. Именно этот участок термопары погружают в среду, температуру которой требуется измерить. На свободных концах электродов за счет неравномерного нагрева образуется разность электрических потенциалов. Если свободные концы подсоединить к полюсам  электроизмерительного прибора (милливольтметра), то по показаниям стрелки на градуированной шкале можно будет определить температуру среды, в которую погружен рабочий конец термопары. Устройство, состоящее из термопары и присоединенного к ней измерительного прибора, называют термоэлектрическим термометром.

Наиболее термостойкими в настоящее время являются ТВР (термопары вольфрам-рений), положительный и отрицательный электроды которых производят из сплава вольфрама и рения в различных процентных соотношениях. Такие термопары предназначены для длительной эксплуатации и получения точных результатов при экстремально высоких температурах (до 2500°С) в целом ряде как химически инертных, так и агрессивных сред. Они, в частности, характеризуются хорошей устойчивостью в вакууме, а также в средах с высоким содержанием азота, сухого водорода, гелия и аргона.

Особенности и преимущества вольфрамо-рениевых сплавов. Сплавы ВР5 и ВР20

Важнейшим преимуществом всех вольфрамовых сплавов является присущая данному металлу тугоплавкость. Помимо этого качества, вольфрам выгодно характеризуется высокой твердостью и значительной удельной массой. Температуры плавления и кипения вольфрама составляют, соответственно, 3412°С и 6693°С (температура поверхности Солнца!). По критериям твердости и тугоплавкости соединения вольфрама занимают лидирующие позиции в ряду всех прочих сплавов.

Своими термическими характеристикам рений не во многом уступает вольфраму, имея температуру плавления – 3172°С, кипения – 5868°С. Основные достоинства рения заключаются, кроме этого, в его высокой механической и жаропрочности, устойчивости к коррозии, пластичности, малой скорости испарения (при высоких температурах) и высоким электрическом сопротивлении.

Добавка к вольфраму до 5% рения значительно улучшает показатели пластичности, одновременно увеличивая температуру рекристаллизации ВР-сплава. В таком соотношении сплав вольфрам-рений используют для изготовления положительных электродов ТВР.

Достичь наивысших показателей значения термо-ЭДС удается при наличии в сплаве до 35% рения. В случае более высокой концентрации уже при 1100°C и выше сплав становится неоднородным, а его термо-ЭДС проявляет тенденцию к понижению. Обычно содержание рения в ВР-сплавах отечественного производства не превышает 20%. Научно установлено, что такая концентрация рения в отрицательных электродах вольфрам-рениевых термопар является вполне оптимальной, допуская эффективное использование ТВР при температурах до 2500 °C.

Наиболее востребованными из всех ТВР являются изделия с положительным электродом из термопарной проволоки ВР5 (95% W, 5% Re) и отрицательным – из термопарной проволоки ВР20 (80% W, 20% Re). С целью более стабильной работы в высокотемпературных средах вольфрамо-рениевая термоэлектродная проволока нередко легируется кремний-щелочными присадками.

С учетом колебания показателей термо-ЭДС вольфрам-рениевые термоэлектродные пары подразделяют на три категории: А-1, А-2, А-3. При этом каждая из категорий имеет свои термоэлектрические характеристики.

Максимальная рабочая температура (°С):

• А-1 – 2200-2800;
• А-2 –1800-2100;
• А-3 – 1500-1700.

Номинальное значение термо-ЭДС (мВ):

• А-1 – 21,97;
• А-2 – 23,31;
• А-3 – 24,59.

Отклонение термо-ЭДС от номинального (мкВ):

• А-1 – ±97;
• А-2 – ±98;
• А-3 – ±101.

К основным недостаткам сплавов ВР5/ВР20 можно причислить:

• относительно высокую стоимость вольфрама и рения (считаются редкими металлами), а значит, и изделий из сплавов на их основе, что ограничивает возможности практического использования;
• недостаточно эффективный уровень воспроизводимости термо-ЭДС, вследствие чего возникает необходимость в группировании термоэлетродных пар по категориям А-1, А-2, А-3;
• недопустимость комплектования ТВР термоэлектродами из различных партий проволоки, поскольку показатели термо-ЭДС и в каждой из партий могут различаться;
• необходимость дополнительной защиты при использовании в окислительных средах;
• нестабильность термо-ЭДС в условиях облучения;
• значительное падение чувствительности при температурах выше 2400 °С.

Область применения

Из сплавов ВР5 и ВР20 производят контактные электроды вольфрамо-рениевых термопар, а также комплектующие для измерительно-преобразовательных устройств к ним. Такие измерители эксплуатируются в высокотемпературных режимах, характерных для промышленной металлургии. Приборы имеют малую погрешность, значение которой составляет ±0,01°С. Термопары с электродами из проволоки ВР5/20 (ВАР5/20) являются наиболее точными из измерителей при эксплуатации в агрессивной среде.

Термопары ВР5/ВР20: особенности, назначение и сферы применения

Термопара вольфрам-рений является одной из лучших среди промышленных аналогов, предназначенных для измерения температур от 1500°С до 2800°С. Нижний предел измеряемых температур, как правило, ограничен 1300 °С.

Термопары вольфрам-рений проявляют хорошие механические свойства при эксплуатации в условиях высоких температур, нечувствительны к воздействию экстремальных знакопеременных нагрузок, к частым и резким сменам температурного режима. Термопары данного типа довольно просты в производстве и монтаже, поскольку те или иные незначительные загрязнения не отражаются негативным образом на их работе.

Период эксплуатации термопар ВР5/20ВР во многом зависит от характера измеряемых сред, состава применяемых изоляционных материалов и рабочих температурных параметров. Не рекомендуется их применение в среде влажного водорода и в углеродистых средах. Так, уже при 1000°С вольфрам-рениевые сплавы начинают вступать в реакцию с парами углеводородов. Это, в свою очередь, приводит к охрупчиванию электродов и негативно влияет на стабильность работы термопары в целом. Возникновение явления охрупчивания наблюдается уже при превышении порога в 1600 °С.

Термопары ВР широко применяют в высокотемпературных производственных процессах. Они, в частности, незаменимы при производстве металлокерамики, при выплавке твердых марок сталей, тугоплавких металлов и сплавов, для контроля температурного режима в газовых потоках и низкотемпературной плазме, в доменных и мартеновских печах, газотурбинных двигателях, МГД-генераторах и атомной энергетике, в экспериментальных установках для научных исследований.