Термопара хромель-копель. Характеристики, применение, достоинства и недостатки

Термопара хромель-копель представляет собой термочувствительный элемент (датчик), применяемый в измерительных и преобразовательных устройствах для измерения температур, а также в различных автоматических системах контроля и управления. Состоит термопара из проволоки двух разнородных электропроводящих высокочувствительных металлических сплавов – хромеля и копеля. Для производства термопары проволока хромель в виде отрезка определенной длины и термоэлектродная проволока копель последовательно соединяются (спаиваются) концами между собой. Диапазон рабочих температур, измеряемых термопарой хромель-копель, составляет 200-600 °С, а кратковременно измеряемая температура может достигать 800 °С.

Хромель

Свое название сплав хромель получил благодаря слиянию слова «хром» и последней части слова «никель», т.е. основных его элементов: хрома и никеля. Базовую основу хромеля составляет никель (Ni), доля которого в сплаве около 89-90%. Доля хрома (Cr) – около 8,5-10%. Незначительную часть в составе занимают примеси углерода (С), железа (Fe) и кобальта (Co), в объеме до 0,2%, до 0,3%, и около 1% соответственно, плюс ничтожное количество кремния. Плотность сплава — 8710 кг/м³. Плавиться хромель начинает при нагреве до температуры 1400-1500 °C.

Никелевая основа делает хромель не подверженным коррозии. Сплав имеет хорошее сочетание термоэлектрических свойств и жаростойкости. Одна из ключевых характеристик хромеля — почти прямолинейное изменение термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) в широком интервале температур, от 20 °C до 1000 °C. Иными словами, сплав обладает способностью вырабатывать электрический ток в контактируемом с другим металлом месте. Удельное электрическое сопротивление хромеля составляет 0,66 мкОм·м.

Форма выпуска хромеля – термопарная проволока в виде сортового проката марок НХ9,5 и НХ9. Проволока хромель марки НХ9,5 в термопаре с копелем играет роль положительного электрода. В «чистом» виде хромель используется для производства нагревательных устройств, термоэлектрических пирометров — приборов для бесконтактного измерения температуры, применяется в электротехнике. Хромель марки НХ9 используется в качестве компенсационного провода для термопар.

Копель

Название сплава копель составлено из первой части английского слова «copper» (в переводе на русский: медь), и второй части слова «никель». Изготавливается копель на основе меди (Cu) с включением никеля (Ni) и марганца (Mn), в пропорции около 56%, 42-43% и 0,1-1,0% соответственно. Несущественную часть объема составляют примеси различных химических элементов. Плотность сплава около 8900 кг/м³. Удельное электрическое сопротивление материала – 0,5 мкОм·м.

Из всех существующих сплавов на основе меди и никеля, копель единственный, который имеет максимальное значение термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) в термопаре с хромелем, где копель выступает в качестве отрицательного электрода, а также с некоторыми другими металлами, например, с железом (Fe) и медью (Cu). В числе выраженных свойств копеля можно назвать высокое электросопротивление и жаростойкость — рабочая температура материала составляет 600 °С, а температура плавления достигает 1220-1290 °С.

Форма выпуска копеля — термопарная проволока в виде сортового проката круглого сечения диаметром 0,1–12 мм, кроме того, достаточно редко копель встречается в виде ленты толщиной от 0,1 до 5 мм и шириной от 3 до 600 мм. Помимо изготовления термопар, копель активно используется в качестве деталей реостатов, нагревательных приборов. Также копель широко применяется в пирометрии, в приборах предназначенных для измерения относительно небольших температур, а также используется в качестве компенсационных проводов для термопар регламентированных ГОСТ 1791-67.

Как работает термопара хромель-копель

Работа термопары хромель-копель построена на термоэлектрическом эффекте, известном также, как «эффект Зеебека», названном по имени своего первооткрывателя Томаса Иоганна Зеебека (1770-1831 гг.). Суть этого эффекта в том, что если места контактов (спаек) разнородных и последовательно соединенных проводников поддерживать при разных температурах, то в образованной замкнутой цепи возникает термоэлектрический ток. Измерив величину этого тока с учетом термоэлектрических свойств материала проводников, можно узнать температуру измеряемой среды.

Для того, чтобы измерить температуру вещества с помощью термопары хромель-копель, рабочий (горячий) конец термопары (3) погружается в измеряемое вещество, а на другом (холодном) конце (1, 2) поддерживается постоянная температура (обычно 20 °С) при помощи термостата. За счет разницы температур между соединениями разнородных сплавов возникает разность потенциалов и рождается термоэлектродвижущая сила (ТЭДС), в схеме возникает электрический ток.

 

Величина возникшего в схеме тока фиксируется электроизмерительным прибором. В роли такого прибора может выступать милливольтметр или потенциометр. Обычно измеритель тока в термопарах снабжается соответствующей температурной шкалой, но если таковой нет, то после получения значения величины тока, ее переводят в единицы измерения тепла. Таким способом с относительно высокой степенью точности узнают температуру измеряемого вещества. Средняя погрешность значения температуры составляет около ± 2-5 °C, но может быть и больше, и меньше, что в немалой степени зависит от диапазона измеряемых температур.

Применение термопар хромель-копель

Главным образом термопара хромель-копель используется в пирометрии, которая представляет собой совокупность бесконтактных (без контакта термоэлектрода с телом) методов измерения относительно высоких температур различных сред. Основное назначение датчиков на хромель-копелевой термопаре — непрерывный контроль над температурным режимом в промышленных и лабораторных установках с температурой от 200°С до 600°С. Ими измеряют температуру теплового излучения в печах обжига на керамических заводах, нагретых газов, пламени и т.п.

 

Поскольку тела и жидкости при высоких температурах излучают тепловую энергию и удовлетворяют требованиям пирометрии, термопара хромель-копель применяется для измерения температуры плавления легкоплавких металлов, которая, как правило, ниже 600 °C. В их числе галлий (Т_пл 30 °С), кадмий (Т_пл 321 °С), висмут (Т_пл 271 °С), таллий (Т_пл 303 °С), цинк (Т_пл 419 °С), индий (Т_пл 157 °С), олово (Т_пл 232 °С) и другие. Такие металлы чаще всего используются в электро- и радиотехнике, должны быть высокого качества, поэтому соблюдение температурного режима их плавления очень важно для итогового результата.

Преимущества и недостатки термопары хромель-копель

Термопару хромель-копель отличает простота и надежность конструкции, сравнительно высокая степень точности измерения температур. Благодаря тому, что термоэлектродная проволока хромель и копель обладает отличными термоэлектрическими свойствами, малой инерционностью и высокой жаропрочностью, термопара может быть использована в самых разных сферах и средах. Кроме того, термопарная проволока имеет низкую стоимость, что немаловажно с экономической точки зрения для потребителей. Единственный недостаток термопары этого типа — чувствительность к деформациям, что, однако, не оказывает никакого влияния на точность и качество проведения измерений.