4.6.1. Области применения и материалы термоэлектрических пип

Термоэлектрические ПИП (термопары) используются для измерения (преобразования) температуры. Зависимость термоЭДС термопары от разности температур рабочего спая и температуры свободных концов в общем случае описывается формулой (3.20). Каждая термопара характеризуется собственным рядом температурно-независимых коэффициентов _i. Для большинства материалов требуется примерно восемь коэффициентов, чтобы получить погрешность описания зависимости Е_T=F(Т₁- Т₀), равную1%. Коэффициент₁получил название коэффициента Зеебека.

В узком диапазоне зависимость Е_Tот температуры можно описать приближенным выражением только с одним коэффициентом₁(формула (3.20)).

Материалы, применяемые для термопар, должны иметь: однозначную зависимость термоЭДС от температуры; высокую стабильность термоэлектрических свойств, механическую прочность, химическую устойчивость.

Для изготовления термопар используют главным образом металлы и их сплавы. Термопары из полупроводников характеризуются высокой чувствительностью, но обладают большим внутренним сопротивлением и малой механической прочностью и находят ограниченное применение.

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 термоЭДС. 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.).

В области низких температур, примерно от -270 ⁰С до +(100–200) ⁰С, используются следующие термопары [28].

1. Медь-константан (тип Т) – характеризуется большим разбросом характеристик (требуется индивидуальная градуировка) и понижением чувствительности при низких температурах. Температурный диапазон от -270 до +370 ⁰С. Ограничение верхнего предела рабочего диапазона связано с окислением медного термоэлектрода. Чувствительность сильно уменьшается при низких температурах (с 40 мкВ / ⁰С при температуре 0 ⁰С до 1,1 мкВ / ⁰С при температуре -269 ⁰С). Достоинством термопары является устойчивость к коррозии (они могут применяться во влажной атмосфере).

2. Медь-(золото + 2,1 % кобальта) – характеризуется сравнительно большой чувствительностью при низких температурах (S = 3,5 мкВ / ⁰С при Т = -269 ⁰С).

3. Медь-(медь + 0,005% олова) – характеризуется сравнительно большой чувствительностью при низких температурах (S =5,7 мкВ / ⁰С при Т = -269 ⁰С).

Также применяются термопары, которые обычно используются при более высоких температурах: хромель-копель (ХК), хромель-алюмель (ХА) и др.

В области средних температур от 0 до +1800 ⁰С применяются термопары как из неблагородных материалов: железо-константан, хромель-копель, хромель-алюмель и др., так и из благородных материалов: платинородий-платина (ПП) и платинородий-платинородий (ПР) и др.

Железо-константан (тип J) – работают в вакууме и различных средах: инертных, окислительных, восстановительных. Рабочий температурный диапазон 0–760 ⁰С. Недостатком термопары является хрупкость и подверженность к ржавлению при температурах ниже 0 ⁰С.

Хромель-константан (тип Е) – используются в диапазоне температур от -200 до +900 ⁰С

Термопары хромель-алюмель (тип К) применяются в диапазоне от -200 до 1100 ⁰С и имеют погрешность  2–3 %, термопара платинородий-платина (тип S) имеет диапазон от 0 до 1600 ⁰С и погрешность  0,1–0,5 %.

В области высоких температур от +1600 до +3500 ⁰С применяются термопары: 1) иридий-родийиридиевые; 2) вольфрам-рений (тип А); 3) термопары на основе карбидов переходных металлов: титана (TiC), циркония (ZrC), ниобия (NbC), талия (ТаС), гафния (HfC) и др.

В диапазоне до +2100 ⁰С применяется иридий-родийиридиевая термопара; до + 2500 ⁰С – термопары на основе вольфрам-рениевых сплавов. Термопары из карбидов переходных металлов могут использоваться для измерения температур до 3500 ⁰С, например термопары ZrC – NbC, NbC – HfC.

Наиболее широко используются промышленные термопары, выпускаемые в соответствии с ГОСТ 6616.