2. Устройство термоэлектрических термометров и применяемые материалы

Два любых разнородных проводника могут образовать термоэлектрический термометр. Как же выбрать, какие из проводников могут быть использованы для изготовления термоэлектрических термометров и из каких проводников целесообразнее всего изготавливать термоэлектрические термометры? К материалам, используемым для изготовления термоэлектрических термометров, предъявляется целый ряд требований: жаростойкость, жаропрочность, химическая стойкость, воспроизводимость, стабильность, однозначность и линейность градуировочной характеристики и ряд других. Среди них есть обязательные и желательные требования. К числу обязательных требований относятся стабильность градуировочной характеристики и (для стандартных термометров) воспроизводимость в необходимых количествах материалов, обладающих вполне определенными термоэлектрическими свойствами. Все остальные требования являются желательными. Например, могут быть очень жаропрочные материалы, воспроизводимые с однозначной и линейной градуировочной характеристикой и высоким коэффициентом преобразования. Но если градуировочная характеристика этих материалов нестабильна, то измерять таким термометром нельзя. С другой стороны, материалы, имеющие низкий коэффициент преобразования, нелинейную градуировочную характеристику, но имеющие стабильную характеристику, используются для термоэлектрических термометров.

В соответствии со стандартами имеем следующие стандартные термоэлектрические термометры, характеристики которых приведены в табл. 1 и 2.

Медь-копелевые и медь-медноникелевые типа Т (близкие к медь-константановым) термоэлектрические термометры применяются главным образом для измерения низких температур в промышленности и лабораторной практике. Применение этих термометров для температур менее —200 °С осложняется существенным уменьшением коэффициента преобразования с уменьшением температуры. При температурах свыше 400 °С начинается интенсивное окисление меди, что ограничивает применение термометров этих типов.

Железо-медноникелевые, близкие и железо-константановым термоэлектрическим термометры типа J применяются в широком диапазоне температур от —200 до 700 °С, а кратковременно — и до 900 °С. Они имеют достаточно большой коэффициент преобразования (около 55 мкВ/°С). Верхний предел измерения ограничен окислением железа и медноникелевого сплава.

Таблипа 1. Стандартные термоэлектрические термометры

Тип термопары термоэлектрического термометра	Обозначение новое (старое)	Рабочий диапазон длительного режима работы, - С	Максимальная температура кратко временного режима работы, °С
Медь-копелевая		—200 - +100	-
Медь-медноникелевая	Т	—200 - +400	-
Железо- медноникелевая	J	—200 - +700	900
Хромель-копелевая	(ХК)	—50 — +600	800
Никельхром-медноникелевая	Ε	—100 - +700	900
Никельхром-нйкельалюминиевая(хромель-алюмелева я)	К (ХА)	—200— +1000	1300
Платинородий (10 %)-платиновая	S (ПП)	0 - +1300	1600
Платинородий (30 %)-платинородиевая (6%)	В (ПР)	300—1600	1800
Вольфрамрений (5 %}-вольфрам-рениевая (20 % )	(ВР)	0—2200	2500

Таблица 2. Основные значения термоэлектродвижущей силы стандартных термопарпри°С

	Термо-ЭДС, мВ
Температура , °С	Медь-копелевая	Медь-меднони-келеиая, тип Т	Железо-медно-ннкелевак, тип J	Хромель- коп елевая (XK)	Ннкельхром-, медноникелевяя, ι ТИП β	Нвкрльхроы-ни-ке л ь а л юм и ι шо и а я (хромель-алкше-левая) тип К (ХА)	Платинородин {10%)-платип£>-^1 зая, тип S (ПШ	Плата/города^ (30 %)-платиио-родиевая (6 %). тип В (ПР)	Вольфрамренш! (о %)-вольфрам-решгевая (20 %) ι <ВР)
—200	—6,153	—5,603	—7,890		—8,824	—5,892
— 100	—3,715	—3,378	—4,632		—5,237	—3,553
0	0	0	0	0	0	0
100	4,721	4,277	5,268	6,88	6,317	4,095	0,645		1,330
200		9,286	10,777	14,59	13,419	8,137	1,440		2,869
300		14,860	16,325	22,88	21,033	12,207	2,323	0,431	4,519
400		20,869	21,846	31,49	28,943	16,395	3,260	0,786	6,209
500			27,388	40,28	36,999	20,640	4,234	1,241	7,909
600			33,096	49 , Π	45,085	24,902	5,237	1,791	9,598
700			39,130	57,85	53,110	29,128	6,274	2,430	11,273
800			45,498	66,47	61,022	33,277	7,345	3,154	12,929
900			51,875		68,783	37,325	8,448	3,957	14,556
1000						41 ,269	9,585	4,833	16,136
1100						45,108	10,754	5,777	17,666
1200						48,828	11,947	6,783	19,146
1300						52,398	13,155	7,845	20,576
14υΟ							14,368	8,952	21,963
1500							15,576	10,094	23,303
1600							16,771	1 1 ,257	24,590
700								12,246	25,820
1800								13,585	26,999
2000									29,177
2200									31 , 136
2500									33,636

Хромель-копелевые термоэлектрические термометры обладают наибольшим коэффициентом преобразования из всех стандартных термометров (около 70—90 мкВ/°С). Для термометров с термоэлектродами диаметром менее 1 мм верхний предел длительного применения менее 600 °С и составляет, например, для термоэлектродов диаметром 0,2—0,3 мм только 400°С. Верхний предел применения определяется стабильностью характеристик копелевого термоэлектрода.

Никельхром-медноникелевые (тип Е), близкие к хромель-константановым, и никелъхром-никельалюминивые (тип К) термометры, ранее называемые хромель-алюмелевыми, применяются для измерения температуры различных сред в широком интервале температур. Термоэлектрод из никель-алюминиевой проволоки менее устойчив к окислению, чем никельхромовый. Верхние пределы применения зависят от диаметра термоэлектродов. Длятермоэлектродов диаметром 3—5 мм верхний предел длительного применения никельхром - никелъалюминиевых термометров составляет 1000 °С, а для диаметра 0,2—0,3 мм — не более 600°С. Для никельхром-медноникелевой термопары он не превышает 700 °С.

Все вышеперечисленные термоэлектрические термометры из неблагородных материалов хорошо стоят в инертной и восстановительной атмосфере, в окислительной атмосфере их срок службы ограничен. Кроме того, термоэлектрические термометры хромель-копелевые и никельхром-никельалюминиевые (хромель-алюмелевые) отличаются достаточно высокой стабильностью градуировочной характеристики при высокой интенсивности ионизирующих излучений.

Πлатинородий-платиновые термоэлектрические термометры (тип S) могут длительно работать в интервале температур от 0 до 1300 °С, а кратковременно — до 1600 °С. Положительный термоэлектрод представляет собой сплав, состоящий на 10 % из родия и на 90 % из платины, отрицательный термоэлектрод состоит из чистой платины. Эти термометры сохраняют стабильность градуировочной характеристики в окислительной и нейтральной средах. В восстановительной атмосфере платинородий-платиновые термометры работать не могут, так как происходит существенное изменение термо-ЭДС термометра. Так же неблагоприятно воздействует на платинородий-платиновые термометры контакт с углеродом, парами металлов, соединениями углерода и кремния, а также рядом других материалов, загрязняющих термоэлектроды. Следует отметить, что градуировочная характеристика типа S не совпадает с градуировочной характеристикой ПП, применявшейся ранее.

Таблица 3. Коэффициенты для определения пределов допускаемых отклонений термо-ЭДС термопар

Тип термопары	Класс точности	Рабочий диапазон, °С	а,ºС	b 10^3	с, °С
Медь-копелевая	—	—200 ÷ 0 0—100	1,3	—1,1 0	0 0
Медь- медноникел ев ая	—	—200 ÷ — 100 — 100 ÷ 400	3	—20 0	—100 0
Железо-медноникелевая	—	—200-:- —100 — 100 ÷ 400 400 ÷900	3	—20 0 7,5	—100 0 400
Хромель-коп елева я	—	—50 ÷ 300 300 — 800	2,5	0 6,0	0 300
Никельхром-медноникелевая	—	—100÷400 400 — 900	4	0 7,5	0 400
Никельхром-никельадюминиевая	—	—200 ÷ —100 —100 ÷ 400 400 ÷ 300	4	—10 0 7,5	—100 0 400
Платинородий (10 %)-платиновая	1	0 — 300 300— 1600	1,5	0 2	0 300
	2	О — 600 600— 1600	3	0 5	0 600
Платинородий (30 % ) -платиноро-дневая (6 %)	—	300 — 600 600—1800	3	0 5	0 600
Вольфрамрений (5 %)-вольфрам-ревневая (20 %)	"	0—1000 1000—1800 1800 — 2500	5 10	0 6,0 11,5	0 1000 1800

Платинородий-платинородиевые термоэлектрические термометры (тип В)применяются длительно в интервале температур от 300 до 1600 °С, кратковременно — до 1800 °С, Положительный электрод — сплав из 30 % родия и 70% платины, а отрицательный — из 6 % родия и 94 % платины. Эти термометры отличаются большей стабильностью градуировочной характеристики, чем платинородий-платиновые, но они также плохо работают в восстановительной среде. В связи с тем что термо-ЭДС, развиваемая платинородий-платинородиевыми термометрами в интервале температур 0—100 °С, незначительна, при технических измерениях их можно применять без термостатирования свободных концов. Например, если температура свободных концов 70 °С и поправка на нее не вводится, то при температуре рабочего спая 1600 °С это вызовет погрешность около 2,1°С. Градуировочная характеристика типа В также не совпадает с градуировочной характеристикой ПР.

Вольфрамрений - вольфрамреневые термоэлектрические термометры предназначены для длительного измерения температур от- 0 до 2200 °С и кратковременно до 2500 °С в вакууме, в нейтральной и восстановительной средах. Положительный термоэлектрод — сплав из 95 % вольфрама и 5 % рения, отрицательный—сплав из 80 % вольфрама и 20 % рения.

Рис. 7, Устройство термоэлектрического термометра

Пределы допускаемых отклонений измеренных значений термо-ЭДС термопар от основных значений, приводимых в табл. 2, должны определяться по уравнению

(10)

где а, b, с — коэффициенты, определяемые из табл. 3; — коэффициент преобразования термопары, определяемый по значениям, приведенным в табл. 2. Допускаемые отклонения, выраженные в градусах, определяются выражением в квадратных скобках уравнения (10). Например, предел допускаемых отклонений для термопары хромель-копель в интервале —50300 °С составляет

В интервале 300—800 °С предел допускаемых отклонений для той же термопары уже зависит от значения измеряемой температуры. Например, для=600°С предел допускаемых отклонений

>что соответствует

Кроме стандартных термоэлектрических термометров находят применение в особых условиях нестандартные термоэлектрические термометры, которые либо не отвечают требованиям воспроизводимости, либо не имеют достаточно стабильную градуировочную характеристику. К ним относятся высокотемпературные термометры:

дисилицид молибдена — дисилицид вольфрама (MoSi₂—WSi₂) для измерения температур агрессивных газовых сред и некоторых расплавов в интервале температур до . 1700 С; углерод—борид циркония (С—ZrB₂) для измерения температур жидких металлов до 1800 °C;

углерод—карбид титана (С—TiC) для измерения неокислительных газовых сред до 2500 °С;

карбид ниобия — карбид циркония (NbC— ZrC) для измерения в восстановительной и инертной среде или в вакууме до 3000 °С.

Для измерения вязких температур (до —270 °С) в промышленных установках применяют золотожелезо-никельхромовую (AuFe·— NiCr) термопару, которая практически не изменяет своего коэффициента преобразования в интервале температур (—200 ÷270 ºС).

В лабораторных условиях для измерения температур до —270 °С могут применяться медь-медноникелевые термопары. Хотя эти термопары и отличаются стабильностью градуировочных характеристик, но их коэффициент преобразования существенно уменьшается с уменьшением температуры: при изменении температуры от 0 до —270 °С он уменьшается примерно в 40 раз. Поэтому возникают сложности измерения малых изменений термо-ЭДС. В настоящее время ведутся большие работы по созданию высокотемпературных термоэлектрических термометров из монокристаллов вольфрама, рения, молибдена и других материалов, имеющих стабильные градуировочные характеристики.

Для удобства применения термоэлектрический термометр специальным образом армируется. При этом преследуются следующие цели: электрическая изоляция термоэлектродов; защита термоэлектродов от вредного воздействия измеряемой и окружающей сред; защита термоэлектродов и зажимов выводов термоэлектродов от загрязнений и механических повреждений; придание термоэлектрическому термометру необходимой механической прочности; обеспечение удобства монтажа на технологическом оборудовании и удобства подключения соединительных проводов. На рис. 7 показано устройство термоэлектрического термометра. Термоэлектроды 1 расположены так, что их спай 2 касается защитного чехла 3. На термоэлектроды надеты изоляционные бусы 4. На конце защитного чехла крепится головка термометра В головке расположена колодка 6 с зажимами 7 для термоэлектродов и соединительных проводов .

Рабочий спай термоэлектрического термометра чаще всего изготавливается путем сварки, в отдельных случаях применяют пайку, а для вольфрам-рениевых термометров — скрутку. В отдельных конструкциях термоэлектроды приваривают к защитному чехлу.

Электрическая изоляция термоэлектродов осуществляется материалами, сохраняющими свои изоляционные свойства при соответствующих температурах и не загрязняющими термоэлектроды. Наибольшее распространение при температурах до 1300 °С получили фарфоровые одно- и двухканальные трубки и бусы, для более высоких температур применяются бусы из окиси алюминия и из других изоляционных материалов.

Рис. Внешний вид некоторых термоэлектрических термометров

Рас. 9. Устройство термометров кабельного типа:

а, б —с изолированным и неизолированным спаями

Для защиты термоэлектродов от воздействия измеряемой среды их помещают в защитный чехол из газонепроницаемых материалов, выдерживающих необходимые высокие температуры и давления среды. Защитные чехлы изготавливают чаще всего из различных марок стали для температур до 1000 °С. При более высоких температурах применяются специальные чехлы из тугоплавких соединений (ГОСТ 13403-77). Эти чехлы изготавливаются из диборида циркония с молибденом для измерения температуры стали, чугуна и восстановительной газовой среды до 2200 °С. Для измерения расплавленного стекла и окислительной газовой среды до 1700 °С применяются чехлы из дисилицида молибдена. Большинство конструкций защитной арматуры термоэлектрических термометров в настоящее время унифицированы. Они отличаются в основном конструкцией защитных чехлов, рассчитанных на различные давления, и конструкцией штуцеров. Головка к защитным чехлам для многих модификаций одна и та же. Внешний вид некоторых серийно изготавливаемых термоэлектрических термометров представлен на рис.

Большое распространение в последнее время получают термоэлектрические термометры кабельного типа. Они представляют собой два термоэлектрода, помещенные в тонкостенную оболочку (рис. 9). Пространство между термоэлектродами и оболочкой заполняется специальной изолирующей засыпкой (порошок MgO или А1₂О₃). Оболочка изготавливается из нержавеющей или жаропрочной стали. Наружный диаметр оболочки — от 0,5 до 6 мм (ГОСТ 23847-79), длина —до 25 м. Выпускаются хромель-алюмелевые и хромель-копелевые термопреобразователи с изолированным (рис. 9, а) и неизолированным (рис. 9,б) спаями. Основные параметры и размеры кабельных термопреобразователей приведены в табл. 4. Они применяются в интервале температур от —50 до 900 °С (в оболочке из жаропрочной стали — до 1100°С) при давлении до 40 МПа. Существенным преимуществом термометров кабельного типа является их радиационная стойкость, позволяющая им работать в энергетических реакторах АЭС, а также повышенная стойкость к тепловым ударам, вибрации, и механическим нагрузкам.

термо-ЭДС, чтобы отвести свободные концы в такое место, где будет удобно их термостатировать или поставить устройство для автоматического введения поправки. Так как температуры головки термометра и мест прокладки проводов значительно ниже измеряемых, то это удлинение термометра должно осуществляться не обязательно теми же материалами, которые идут на изготовление термоэлектродов. Однако эти удлиняющие провода должны обладать определеннымисвойствами, чтобы исключить возникновение паразитной термо-ЭДС. Возникновение паразитных термо-ЭДС будет исключено, если удлиняющие провода будут иметь ту же градуировочную характеристику, что и сам термометр. Докажем, что если удлиняющие провода cud развивают ту же термо-ЭДС, что и термоэлектроды . термометра а и:

_: (И)

то включение таких проводов в цепь термометра не исказит его термо-ЭДС. Запишем термо-ЭДС, возникающую в цепи термоэлектрического термометра, следующим образом:

(12)

Так как включение проводника е при равенстве температур мест его подсоединения не изменяет термо-ЭДС цепи, то можно записать

- (13)

Далее из (8| и (Щ следует, что

(14)

и

. (15)

Подставляя в (12) сначала (13), а затем (15), получим, учитывая .(3):

(16)

т.е. термо-ЭДС цепи термоэлектрического термометра не изменится, если термопара α—будет удлинена проводамис—d, отвечающими условию (11). Однако при удлинении термопары следует для каждого типа термоэлектрических термометров подбирать провода, отвечающие условию (11). Кроме того, при подключении должна соблюдаться полярность. Места соединения удлиняющих проводов с термоэлектродами ас си bed должны иметь одинаковую температуру . Если это условие не соблюдается, то возникает паразитная термо-ЭДС, так как провода а и с и и d могут быть не термоэлектроидентичны.

Удлиняющие термоэлектродные провода выпускаются одно- и многожильными в изоляции и с внешним покрытием или оболочкой, удобными для монтажа и прокладки. Для изоляции применяют поливинилхлорид, полиэтилентерефталатную и фторопластовую пленку. Кроме изоляции провода часто покрывают поливинилхлоридной оболочкой или оплеткой из лавсановых нитей или стеклонитей. Если требуется защита от внешних электромагнитных полей и механических воздействий, применяют оплетку или экран из медных или стальных проволок (ГОСТ 24335-80).

Каждый материал провода имеет свой цвет изоляции или цветные нити в обмотке и оплетке проводов. В табл. 5 приведены типы термопар, рекомендуемые удлиняющие термоэлектродные провода, их обозначения и расцветка изоляции. Как видно из таблицы, в некоторых случаях для изготовления удлиняющих проводов применяются те же материалы, что и для изготовления термопар. Но применяются и другие материалы, отличные от термоэлектродов термопары. В табл. 6 приведены значения термо-ЭДС, которую развивают пары из удлиняющих термоэлектродных проводов при некоторых значениях температур их спаев. Эти провода отвечают условию (11) и в соответствующем интервале температур развивают практически такую же термо-ЭДС, что и термоэлектроды термопары.