Хромель: химический состав, свойства, термопары

Термопара – это устройство для измерения температур во всех отраслях науки и техники. Данная статья представляет общий обзор термопар с разбором конструкции и принципом действия устройства. Описаны разновидности термопар с их краткой характеристикой, а также дана оценка термопары как измерительного прибора.

Хромель: химический состав, свойства, термопары

Устройство термопары

Принцип работы термопары. Эффект Зеебека

Работа термопары обусловлена возникновением термоэлектрического эффекта, открытым немецким физиком Томасом Зеебеком (Tomas Seebeck) в 1821 г.

Явление основано на возникновении электричества в замкнутом электрическом контуре при воздействии определенной температуры окружающей среды.

Электрический ток возникает при наличии разницы температур между двумя проводниками (термоэлектродами) различного состава (разнородных металлов или сплавов) и поддерживается сохранением места их контактов (спаев).

Устройство выводит на экран подсоединенного вторичного прибора значение измеряемой температуры.

Хромель: химический состав, свойства, термопары

Выдаваемое напряжение и температура находятся в линейной зависимости. Это означает, что увеличение измеряемой температуры приводит к большему значению милливольт на свободных концах термопары.

Находящийся в точке измерения температуры спай называется «горячим», а место подключения проводов к преобразователю – «холодным».

Компенсация температуры холодного спая (КХС)

Компенсация холодного спая (КХС) – это компенсация, вносимая в виде поправки в итоговые показания при измерении температуры в точке подсоединения свободных концов термопары. Это связано с расхождениями между реальной температурой холодных концов с вычисленными показаниями градуировочной таблицы для температуры холодного спая при 0°С.

Хромель: химический состав, свойства, термопары

КХС является дифференциальным способом, при котором показания абсолютной температуры находятся из известного значения температуры холодного спая (другое название эталонный спай).

Конструкция термопары

При конструировании термопары учитывают влияние таких факторов, как «агрессивность» внешний среды, агрегатное состояние вещества, диапазон измеряемых температур и другие.

Хромель: химический состав, свойства, термопары

Особенности конструкции термопар:

1) Спаи проводников соединяются между собой скруткой или скруткой с дальнейшей электродуговой сваркой (редко пайкой).

ВАЖНО: Не рекомендуется использовать способ скручивания из-за быстрой потери свойств спая.

2) Термоэлектроды должны быть электрически изолированы по всей длине, кроме точки соприкосновения.

3) Способ изоляции подбирается с учетом верхнего температурного предела.

  • До 100-120°С – любая изоляция;
  • До 1300°С – фарфоровые трубки или бусы;
  • До 1950°С – трубки из Al2O3;
  • Свыше 2000°С – трубки из MgO, BeO, ThO2, ZrO2.

4) Защитный чехол.

Хромель: химический состав, свойства, термопары

Материал должен быть термически и химически стойким, с хорошей теплопроводностью (металл, керамика). Использование чехла предотвращает коррозию в определенных средах.

Удлиняющие (компенсационные) провода

Хромель: химический состав, свойства, термопары

Данный вид проводов необходим для удлинения концов термопары до вторичного прибора или барьера. Провода не используются в случае наличия у термопары встроенного преобразователя с унифицированным выходным сигналом. Наиболее широкое применение получил нормирующий преобразователь, размещенный в стандартной клеммной головке датчика с унифицированным сигналом 4-20мА, так называемая «таблетка».

Хромель: химический состав, свойства, термопары

Материал проводов может совпадать с материалом термоэлектродов, но чаще всего заменяется на более дешевый с учетом условий, предотвращающих образования паразитных (наведенных) термо-ЭДС. Применение удлиняющих проводов также позволяет оптимизировать производство.

Типы и виды термопар

Многообразие термопар объясняется различными сочетаниями используемых сплавов металлов. Подбор термопары осуществляется в зависимости от отрасли производства и необходимого температурного диапазона.

Хромель: химический состав, свойства, термопары

Термопара хромель-алюмель (ТХА)

Положительный электрод: сплав хромель (90% Ni, 10% Cr).Отрицательный электрод: сплав алюмель (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).

Изоляционный материал: фарфор, кварц, окиси металлов и т.д.

Диапазон температур от -200°С до 1300°С кратковременного и 1100°С длительного нагрева.

Рабочая среда: инертная, окислительная (O2=2-3% или полностью исключено), сухой водород, кратковременный вакуум. В восстановительной или окислительно-восстановительной атмосфере в присутствии защитного чехла.

Недостатки: легкость в деформировании, обратимая нестабильность термо-ЭДС.

Возможны случаи коррозии и охрупчивания алюмеля в присутствии следов серы в атмосфере и хромеля в слабоокислительной атмосфере («зеленая глинь»).

Термопара хромель-копель (ТХК)

Хромель: химический состав, свойства, термопары

Положительный электрод: сплав хромель (90% Ni, 10% Cr).Отрицательный электрод: сплав копель (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).

  • Диапазон температур от -253°С до 800°С длительного и 1100°С кратковременного нагрева.
  • Рабочая среда: инертная и окислительная, кратковременный вакуум.
  • Недостатки: деформирование термоэлектрода.
  • Возможно испарение хрома при длительном вакууме; реагирование с атмосферой, содержащей серу, хром, фтор.

Термопара железо-константан (ТЖК)

Положительный электрод: технически чистое железо (малоуглеродистая сталь).Отрицательный электрод: сплав константан (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).

Используется для проведения измерений в восстановительных, инертных средах и вакууме. Температура от -203°С до 750°С длительного и 1100°С кратковременного нагрева.

Применение складывается на совместном измерении положительных и отрицательных температур. Невыгодно использовать только для отрицательных температур.

Недостатки: деформирование термоэлектрода, низкая коррозийная стойкость.

Изменение физико-химических свойств железа около 700°С и 900 °С. Взаимодействует с серой и водными парами с образованием коррозии.

Хромель: химический состав, свойства, термопары

Термопара вольфрам-рений (ТВР)

Положительный электрод: сплавы ВР5 (95% W, 5% Rh)/ВАР5 (BP5 с кремнещелочной и алюминиевой присадкой)/ВР10 (90% W, 10% Rh).Отрицательный электрод: сплавы ВР20 (80% W, 20% Rh).

Изоляция: керамика из химически чистых окислов металлов.

Отмечается механическая прочность, термостойкость, малая чувствительность к загрязнениям, легкость изготовления.

Измерение температур от 1800°С до 3000°С, нижний предел – 1300°С. Измерения проводятся в среде инертного газа, сухого водорода или вакуума. В окислительных средах только для измерения в быстротекущих процессах.

Недостатки: плохая воспроизводимость термо-ЭДС, ее нестабильность при облучении, непостоянная чувствительность в температурном диапазоне.

Термопара вольфрам-молибден (ВМ)

Положительный электрод: вольфрам (технически чистый).Отрицательный электрод: молибден (технически чистый).

Изоляция: глиноземистая керамика, защита кварцевыми наконечниками.

Инертная, водородная или вакуумная среда. Возможно проведение кратковременных измерений в окислительных средах в присутствии изоляции. Диапазон измеряемых температур составляет 1400-1800°С, предельная рабочая температура порядка 2400°С.

Недостатки: плохая воспроизводимость и чувствительность термо-ЭДС, инверсия полярности, охрупчивание при высоких температурах.

Термопары платинородий-платина (ТПП)

Положительный электрод: платинородий (Pt c 10% или 13% Rh).Отрицательный электрод: платина.

Изоляция: кварц, фарфор (обычный и огнеупорный). До 1400°С – керамика с повышенным содержанием Al2O3, свыше 1400°С – керамику из химически чистого Al2O3.

Предельная рабочая температура 1400°С длительно, 1600°С кратковременно. Измерение низких температур обычно не производят.

Рабочая среда: окислительная и инертная, восстановительная в присутствии защиты.

Недостатки: высокая стоимость, нестабильность при облучении, высокая чувствительность к загрязнениям (особенно платиновый электрод), рост зерен металла при высоких температурах.

Термопары платинородий-платинородий (ТПР)

Положительный электрод: сплав Pt c 30% Rh.Отрицательный электрод: сплав Pt c 6% Rh.

Среда: окислительная, нейтральная и вакуум. Использование в восстановительных и содержащих пары металлов или неметаллов средах в присутствии защиты.

  1. Максимальная рабочая температура 1600°С длительно, 1800°С кратковременно.
  2. Изоляция: керамика из Al2O3 высокой чистоты.
  3. Менее подвержены химическим загрязнениям и росту зерна, чем термопара платинородий-платина.

Схема подключения термопары

  • Подключение потенциометра или гальванометра непосредственно к проводникам.
  • Подключение с помощью компенсационных проводов;
  • Подключение обычными медными проводами к термопаре, имеющей унифицированный выход.

  Как правильно выбрать аккумулятор для автомобиля?

Стандарты на цвета проводников термопар

Цветная изоляция проводников помогает отличить термоэлектроды друг от друга для правильного подключения к клеммам. Стандарты отличаются по странам, нет конкретных цветовых обозначений для проводников.

ВАЖНО: Необходимо узнать используемый стандарт на предприятии для предотвращения ошибок.

Точность измерения

Точность зависит от вида термопары, диапазона измеряемых температур, чистоты материала, электрических шумов, коррозии, свойств спая и процесса изготовления.

Термопарам присуждается класс допуска (стандартный или специальный), устанавливающий доверительный интервал измерений.

ВАЖНО: Характеристики на момент изготовления меняются в период эксплуатации.

Быстродействие измерения

Быстродействие обуславливается способностью первичного преобразователя быстро реагировать на скачки температуры и следующим за ними потоком входных сигналов измерительного прибора.

Факторы, увеличивающие быстродействие:

  1. Правильная установка и расчет длины первичного преобразователя;
  2. При использовании преобразователя с защитной гильзой необходимо уменьшить массу узла, подобрав меньший диаметр гильз;
  3. Сведение к минимуму воздушного зазора между первичным преобразователем и защитной гильзой;
  4. Использование подпружиненного первичного преобразователя и заполнения пустот в гильзе теплопроводящим наполнителем;
  5. Быстро движущаяся среда или среда с большей плотностью (жидкость).

Проверка работоспособности термопары

Для проверки работоспособности подключают специальный измерительный прибор (тестер, гальванометр или потенциометр) или измеряют напряжение на выходе милливольтметром. При наличии колебаний стрелки или цифрового индикатора термопара является исправной, в противном случае устройство подлежит замене.

https://www.youtube.com/watch?v=jP0vp1dY374

Причины выхода из строя термопары:

  1. Неиспользование защитного экранирующего устройства;
  2. Изменение химического состава электродов;
  3. Окислительные процессы, развивающиеся при высоких температурах;
  4. Поломка контрольно-измерительного прибора и т.д.

Преимущества и недостатки использования термопар

Достоинствами использования данного устройства можно назвать:

  • Большой температурный диапазон измерений;
  • Высокая точность;
  • Простота и надежность.

К недостаткам следует отнести:

  • Осуществление постоянного контроля холодного спая, поверки и калибровки контрольной аппаратуры;
  • Структурные изменения металлов при изготовлении прибора;
  • Зависимость от состава атмосферы, затраты на герметизацию;
  • Погрешность измерений из-за воздействия электромагнитных волн.

Источник: https://odinelectric.ru/knowledgebase/chto-takoe-termopara

Хромель сплав. Свойства, производство, применение и цена хромеля

Что появилось первым, курица, или яйцо? Знаменитая загадка философского толка остается без ответа. Проще с вопросом, что было первым, — хромель или компенсационные провода. Ответ однозначен.

Читайте также:  Ножовочное полотно по металлу: виды, конструкция, выбор

Это хромель – сплав никеля с хромом. Провода из него отличаются электродвижущей силой, близкой к нолю. Именно поэтому хромель уживается с термопарами измерительных приборов.

Хромель: химический состав, свойства, термопары

Взаимодействуя с их проводами, сплав не дает погрешности. Поставь вместо проводов из хромеля привычные медные, и приборы начнут врать. Получается без хромеля термопары не имели смысла.

Физические и химические свойства хромеля

Сплав хромель в измерительной технике развивает такую же электродвижущую силу, как и провода термопар. Именно поэтому детали из дуэта никеля с хромом называются компенсационными.

Они рассчитаны на работу при температурах от 0-ля до 1000-чи градусов Цельсия. Однако, природное сопротивление хромеля жару в разы больше. Материал начинает плавиться лишь при 1420-ти градусах.

Пластическая деформация возможна при 1200-от по шкале Цельсия. Отжиг деталей осуществляют при 850-ти градусах. Последняя операция призвана равномерно распределить в сплаве примеси, которые, обычно, сосредотачиваются по краям зерен металла. Там скапливается, к примеру, углерод, затрудняющий работу с хромелем.

Кстати, кроме вредных примесей, в состав хромеля официально входят кремний, марганец, медь и кобальт. Последнего, согласно стандарту 1973-го года может быть от 0,6 до 1,2 процента. Основным компонентом является никель.

Его в сплаве 89-91 процент. На хром приходится около 10 процентов. Состав чуть варьируется в зависимости от марки хромеля. В СССР признавали 4 разновидности.

Сейчас марки лишь две. Это НХМ-9 и НХМ-9,5. В них не нормируется количество кобальта, что удобно промышленникам. Планка в 0,6-1,2 процента была установлена для почти отживших марок НХ-9 и НХ-9,5.

Какой бы ни была марка сплава, пластичность, — вот чем отличается хромель. Проволока из него легко гнется благодаря никелю. Он же делает материал жаростойким и устойчивым к коррозии.

Хромель: химический состав, свойства, термопары

Устойчив сплав и к току. У материала довольно высокое удельное сопротивление. Хромель отличается показателем в 0,66 мкОм*м. Низким считается сопротивление до 0,3 мкОм*м.

Коэффициент линейного расширения хромеля равен 12,8*10-6С.  Показатель указывает на изменение сплава в объеме при нагреве. Коэффициент ниже среднего, приближен к 13-ти. У цинка, к примеру, показатель равен 32-ум.

Контактируя с другими металлами провод «Хромель» вырабатывает в месте стыковки электричество. Для этого достаточно нагреть контакт. Электродвижущая сила, изначально близкая к нолю, начинает прямолинейно изменяться.

Так, если взять температурный интервал от 20-ти до 1 000-чи градусов и пару хромель-платина, ЭДС составит 33 милливолны. Но, чаще в термопарах используют связку хромель-копель. Последний сплав является смесью меди, никеля и марганца.

Применение хромеля

Хромель применение нашел еще и благодаря стойкости в агрессивных средах. На сплав не способно повлиять большинство химических реагентов. Поэтому, приборы с термопарами хромель-алюмель, хромель-капель, и не только, безбоязненно устанавливают в любых помещениях, цехах.

Единственное ограничение – применение хромеля в сернистой среде. В вакууме термопары с героем статьи использовать можно, но не на постоянной основе.

Хромель: химический состав, свойства, термопары

На всякий случай уточним, что является термопарой. Она состоит из двух электродов. Один из них положительный, другой – отрицательный. Они соединены между собой.

Температурный диапазон, в котором способен работать дуэт, зависит от металла-партнера хромеля. Алюмель термопару делает пригодной в диапазоне от -200-от до 1 000 градусов.

С капелью же термопара пригодна при температурах от – 200 до 800-от по шкале Цельсия. Цифры могут разниться в зависимости от диаметра электродов. Капель, кстати, является отрицательным. Хромель в паре – положительный электрод.

Температурные рамки эксплуатации проволоки – лишь рекомендации. Приборы с термопарами не взорвутся и при -500-от градусах. Однако, техника начнет давать погрешность до 5-ти градусов. В обычных же условиях точность измерения термопар с хромелем достигает сотых долей процента.

Хромель: химический состав, свойства, термопары

Итак, лента «Хромель» и проволока расходуются на компенсационные провода, нагревательные приборы и реостаты. Последние, регулируют силу тока. Температурная стойкость хромеля дает возможность контролировать жар в печах обжига керамики и емкостях с кипящими металлургическими сплавами.

Производство хромеля

Изготовление хромеля мало отличается от производства прочих сплавов. Основой для работы становится шихта – смесь исходных компонентов. Иногда, как при выплавке чугуна, в нее добавляют топливные брикеты. Но, в случае с хромелем в шихту входят лишь металлы, то есть, никель, хром и немного легирующих элементов, улучшающих свойства сплава.

Шихту переплавляют с учетом температур размягчения ее составляющих. В смеси для хромеля самый тугоплавкий никель. Соответственно, сплав «готовят» примерно при 1 450-ти градусах. Далее, из расплава формируют заготовки, к примеру, проволоку. Закалки она не требует, готова к продаже сразу после охлаждения.

Если на изделиях из хромеля есть неровности, их протравливают. Как помните, разрушить сплав никеля с хромом может соляная кислота. Ей и обрабатывают поверхность. Реагент растворяет выступы и прочие несовершенства. Главное, не переусердствовать.

Не переусердствовать стараются и с ценой хромеля. Никель, преобладающий в сплаве, — не самый бюджетный металл. При этом, у хромеля есть конкуренты, к примеру, константан. Это дуэт железа с медью.

Хромель: химический состав, свойства, термопары

Дабы хромель продолжал пользоваться спросом, продавцы стараются держать цену на него на нижней границе, закладывая минимальную прибыль. Ознакомимся с конкретными цифрами.

Цена хромеля

Хромель купить можно не только в проволоке, но и слитках. Беря, к примеру, сплав марки НХ-9, отдашь около 700-от рублей за кило. Такой ценник выставил «МетПромКомплекс». Остальные предприятия России солидарны с ним. Стоимость на хромель в слитках у разных поставщиков рознится на +,-40 рублей.

Килограмм проволоки из хромеля стоит уже в районе полутора тысяч рублей. Ценник может разниться в зависимости от диаметра сечения. Так тонна проволоки шириной 3,2 миллиметра стоит примерно 1 700 000 рублей.

Роль, так же, играют марка сплава, его чистота. Ценник 1 700 000, к примеру, указан за марку НХ-9. Если брать тонну проволоки НХ-9,5, придется отдать уже 2 000 000 рублей.

Если брать хромель в рознице, намотанным на катушки, за кило попросят, в среднем, 2 500 рублей. За эту сумму предлагают проволоку диаметром в половину миллиметра. На катушку входит около 45-ти метров.

При оптовых закупках поставщики делают скидки. Их точный размер зависит от успешности переговоров. Порой, удается выгадать до 25 процентов стоимости товара. Многие предприятия работают по онлайн-заказам.

Они предполагают заполнение на сайте фирмы формы. Здесь не поторгуешься. Но, нюансы можно обговорить, когда, после заполнения формы, позвонит сотрудник предприятия.

Источник: https://tvoi-uvelirr.ru/xromel-splav-svojstva-proizvodstvo-primenenie-i-cena-xromelya/

Хромель химический состав, свойства, термопары | Строитель промышленник

Чтобы провести измерения температуры в промышленности используются говоря иначе термопары. Они состоят из 2-х разнородных железных проводников. Смысл работы состоит в эффекте Зеебека: при погружении одного конца элемента в среду, на другом конце образуется температурная разница вследствие самых разных термических параметров металлов проводников.

Термопары дают возможность делать точные измерения температуры в границах от -250 °С до 2500 °С, в том числе в агрессивной среде. Они друг от друга отличаются материалами, применяемыми в проводниках и диапазоном работ, измеряемым каждой парой. Одними из подобных проводников являются хромель и алюмель.

Хромель: химический состав, свойства, термопары

Состав хромеля

Сплав хромель, как и каждая техническая продукция, имеет требования для производства и составу. Частично они регламентированы ГОСТ 1790-2016, где предъявляют требования к проволоке для изготовления термоэлектродов. Хромель имеет следующий состав (в %):

В состав сплава хромель также входят примеси: мышьяк, железо, углерод, свинец и некоторые прочие. Сумма примесей достигает 1,5%.

Алюмель, который часто применяется в паре с хромелем, имеет состав:

Вариант изготовления

Хромель и алюмель – одни из очень трудоёмких в изготовлении. Сложность тех. процесса состоит в надобности постоянного контроля пропорций элементов во время плавления, так как важные свойства конечного продукта обусловливаются по большей части соотношением материалов. Составы делают в индукционных печах разной частотности.

Хромель: химический состав, свойства, термопары

Порядок плавления следующий. Немалую часть хрома загружают в жидкую ванную, оставляя несколько килограмм для корректировки. После вводят никель и в то же время флюс. Плавление проводится в интенсивном режиме. Раскисление металла выполняется прибавлением марганца и магния. После проходит обозначение термоэлектродвижущей силы и корректировка содержания хрома.

Подобным методом производятся прочие никелевые сплавы. Различия заключаются в очередности загрузки материалов и окислителях. К примеру, производство сплава алюмель выполняется так. Загружаются никель и флюс, уже после чего другие элементы. В качестве окислителя применяется магний. Аналогичным образом получают алюмелевые сплавы, хромель и копель.

  Грамотный выбор эпилятора

Свойства хромеля

Большое распространение в изготовлении сплав получил благодаря собственным полезным характеристикам: жаростойкости и способности к термоэлектродвижущей силе. Температура работы хромеля может достигать 1100 °С, температура плавления — 1500 °С. Небольшая инерционность позволяет мерить даже несущественную разница критериев.

Читайте также:  Сверлильный станок из рулевой рейки своими руками

При нагреве почти что не становится шире, показатель его линейного увеличения равняется 12,8*10 -6 С, что считается критерием ниже среднего. Удельное сопротивление состава равняется 0,66 мкОм*м, что не дает возможность использовать его в области электрических проводников. Теплоемкость хромеля зависит от состава.

Хромель: химический состав, свойства, термопары

Соединение выделяют большая гибкость, ковкость и устойчивость к коррозии. Прочностный предел изделий из хромеля может достигать 550 Мпа. Нужно отметить маленькую массу материала.

Этот проводник выделяется большой стойкостью к влиянию множества химических соединений, в том числе кислотных сред. Фактически только одна слабость хромеля – соединения на основе серы, а именно серная кислота.

Под влиянием химических соединений серы он утрачивает собственные характеристики, деформируется и рушиться.Необходимо выделить, что при физической деформации электродов искажаются показания измерений.

Алюмель обладает очень одинаковыми параметрами.

Аналогичным образом, главные свойства сплава хромеля:

  1. жаростойкость;
  2. устойчивость к деформированию;
  3. эластичность;
  4. стойкость к средовым влияниям.

Область использования

Очень большое использование состав получил в виде проволки. Её используют в качестве ТЕНОВ, резисторов, компенсационных проводов, реостатов.

Термопара хромель алюмель

Алюмель в такой паре считается негативным, а хромель позитивным элементом. Подобное комбинирование имеет термоэлектрические характеристики близкие к линейной. Это дает возможность демонстрировать высокую чувствительность и очень большую точность измерений.

Хромель: химический состав, свойства, термопары

Пара хромель алюмель относится к датчикам общего использования. Изделия в большинстве случаев имеют вид щупов. Применяются чтобы провести измерения критериев в инертных и окислительных средах. Выгодно отличаются от других пар во время работы в обстановке высокой радиоактивности.

  Описание плеера Sony NWZ-B183F

Изделия из сплавов хромель-алюмель используют фактически в любой области от промышленности до лабораторий. Алюмель также используется как термоэлектродный кабель в конструкции приборов для измерений.

Термопара хромель-копель

Такой элемент применяется для бесконтактного метода измерения достаточно больших температур, т. е. без непосредственного контакта термоэлектрода с тепловым источником. Используются для постоянного мониторинга теплового режима на промышленности и в лабораторных исследованиях. Температура работы такой пары колеблется в зоне от 200 °С до 600 °С.

Это сравнительно обычная и надежная в применении термопара, которая показывает очень большую степень точности измерений. Выделяется высокой жаропрочностью, отличными термоэлектрическими качествами.

Может быть применена в самых разнообразных средах и областях деятельности.

Даже чувствительность к деформациям нельзя полностью назвать минусом, она ведь совсем не проявляется на точности и качестве измерений.

  • Аналогичным образом, хромель повсеместно используется в самых разных областях науки и производства, благодаря собственным свойствам и доступной цене.
  • Если вы нашли погрешность, пожалуйста, выдилите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник: http://prombuilder.ru/jeto-interesno/hromel-himicheskij-sostav-svojstva-termopary.html

Термопары: устройство и принцип работы простым языком, типы

В автоматизации технологических процессов очень часто приходится снимать показатели о температурных изменениях, для их загрузки в системы управления, с целью дальнейшей обработки.

Для этого требуются высокоточные, малоинерционные датчики, способные выдерживать большие температурные нагрузки в определённом диапазоне измерений.

В качестве термоэлектрического преобразователя широко используются термопары – дифференциальные устройства, преобразующие тепловую энергию в электрическую.

Устройства также являются простым и удобным датчиком температуры для термоэлектрического термометра, предназначенного для осуществления точных измерений в пределах довольно широких температурных диапазонов.

В частности, управляющая автоматика газовых котлов и других отопительных систем срабатывает от электрического сигнала, поступающего от сенсора на базе термопары.

Конструкции датчика обеспечивают необходимую точность измерений в выбранном диапазоне температур.

Устройство и принцип действия

Термопара конструктивно состоит из двух проволок, каждая из которых изготовлена из разных сплавов. Концы этих проводников образуют контакт (горячий спай) выполненный путём скручивания, с помощью узкого сварочного шва либо сваркой встык.

Свободные концы термопары замыкаются с помощью компенсационных проводов на контакты измерительного прибора или соединяются с автоматическим устройством управления. В точках соединения образуется другой, так называемый, холодный спай.

Схематически устройство изображено на рисунке 1.

Хромель: химический состав, свойства, термопарыРис. 1. Схема строения термопары

Красным цветом выделено зону горячего спая, синим – холодный спай.

Электроды состоят из разных металлов (металл А и металл В), которые на схеме окрашены в разные цвета. С целью защиты термоэлектродов от агрессивной горячей среды их помещают в герметичную капсулу, заполненную инертным газом или жидкостью. Иногда на электроды надевают керамические бусы, как показано на рис. 2).

Хромель: химический состав, свойства, термопарыРис. 2. Термопара с керамическими бусами

Принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте. При замыкании цепи, например милливольтметром (см. рис. 3) в точках спаек возникает термо-ЭДС.

Но если контакты электродов находятся при одинаковой температуре, то эти ЭДС компенсируют друг друга и ток не возникает.

Однако, стоит нагреть место горячей спайки горелкой, то согласно эффекту Зеебека возникнет разница потенциалов, поддерживающая существование электрического тока в цепи.

Хромель: химический состав, свойства, термопарыРис. 3. Измерение напряжения на проводах ТП

Примечательно, что напряжение на холодных концах электродов пропорционально зависит от температуры в области горячей спайки.

Другими словами, в определённом диапазоне температур мы наблюдаем линейную термоэлектрическую характеристику, отображающую зависимость напряжения от величины разности температур между точками горячей и холодной спайки.

Строго говоря, о линейности показателей можно говорить лишь в том случае, когда температура в области холодной спайки постоянна. Это следует учитывать при выполнении градуировок термопар. Если на холодных концах электродов температура будет изменяться, то погрешность измерения может оказаться довольно значительной.

В тех случаях, когда необходимо добиться высокой точности показателей, холодные спайки измерительных преобразователей помещают даже в специальные камеры, в которых температурная среда поддерживается на одном уровне специальными электронными устройствами, использующими данные термометра сопротивления (схема показана на рис. 4). При таком подходе можно добиться точности измерений с погрешностью до ± 0,01 °С. Правда, такая высокая точность нужна лишь в немногих технологических процессах. В ряде случаев требования не  такие жёсткие и погрешность может быть на порядок ниже.

Хромель: химический состав, свойства, термопарыРис. 4. Решение вопроса точности показаний термопар

На погрешность влияют не только перепады температуры в среде, окружающей холодную спайку. Точность показаний зависит от типа конструкции, схемы подключения проводников, и некоторых других параметров.

Типы термопар и их характеристики

Различные сплавы, используемые для изготовления термопар, обладают разными коэффициентами термо-ЭДС. В зависимости от того, из каких металлов изготовлены термоэлектроды, различают следующие основные типы термопар:

  • ТПП13 – платинородий-платиновые (тип R);
  • ТПП10 – платинородий-платиновые (тип S);
  • ТПР – платинородий-платинродиевые (тип B);
  • ТЖК – железо-константановые (тип J);
  • ТМКн – медь-константановые (тип T);
  • ТНН – нихросил-нисиловые (тип N);
  • ТХА – хромель-алюмелевые (тип K);
  • ТХКн – хромель-константановые (тип E);
  • ТХК – хромель-копелевые (тип L);
  • ТМК – медь-копелевые (тип M);
  • ТСС – сильх-силиновые (тип I);
  • ТВР – вольфрамрениевые (типы A-1 – A-3).

Источник: https://www.asutpp.ru/termopary.html

Хромель проволока ГОСТ 1790-77

Хромель – это металлический сплав состоящих из нескольких элементов: Хром (Cr) – содержание порядка 8.7 – 10 %, Никель (Ni) – содержание порядка 89 – 91 %, такие примеси как кремний (Si), кобальт(Co), марганец, медь (Cu).

Никель передает сплаву свою жаростойкость и сопротивление к коррозии, в особенности в агрессивной внешней среде. Плотность сплава (хромели) составляет 8710 кг/м³, температура плавления 1400 – 1500 °C, температурный коэффициент  линейного расширения – 12,8·10−6 °C−1, удельное электрическое сопротивление – 0.66 мкОм*м.

Проволока из хромели обладает большой термоэлектродвижущей силой (вырабатывает электрический ток,  в контактируемом с другим металлом месте).

Термопара Эффект Зеебека

К недостаткам хромели относится снижение термоЭДС при быстром охлаждении после отжига  в температурном интервале до 600°C.

Если использовать проволоку в  измерительных приборах с источником тепла выше 600°C – погрешность замера будет достаточно высокой до 10°C. Хромель проволока наиболее широко распространена по сравнению с лентой или кругом.

Хромель применяют при выпуске компенсационных проводов, реостатов, нагревательных приборов и термопар.

Хромель Т (НХ9,5) и К (НХ9)

Хромели НХ9,5 и НХ9 отличаются высокими механическими свойствами и жаростойкостью. Хромель НХ9,5 применяется в термопарах (положительный электрод), а хромель НХ9 – в качестве компенсационных проводов. При высоких температурах хромель по жаростойкости уступает нихрому.

Химический состав хромелей Т и К

Марка сплава Основные компоненты, % Примеси, %, не более
Cr Co Ni Al Fe Si Mg Mn
Хромель Т (НХ9,5) 9,00-10,00 0,60-1,20 Ост 0,15        0,30       0,40      0,05      0,30
Хромель К (НХ9) 8,50-10,00 0,40-1,20

Продолжение

Марка сплава Примеси, %, не более Применение
Cu Pb S C P Bi As Sb всего
Хромель Т (НХ9,5) 0,25  0,002   0,01   0,20   0,003 0,002 0,002  0,002    1,40 Проволока для термоэлектродов термопар
Хромель К (НХ9) Проволока для компенсационных проводов
Читайте также:  Токарно-винторезный станок тв-4: характеристики, паспорт, видео, фото

Физические и механические свойства хромелей Т (НХ9,5) и К (НХ9)

  • Температура плавления, ˚С ……………………………………1435
  • Плотность, г/см3 ………………………………………………….8,7
  • Коэффициент линейного расширения при 0-1000˚С  α×106….12,8
  • Тепловое расширение на 1м(мм) при температуре, ˚С:
  • 200 …………………………………………………………………3
  • 700 …………………………………………………………………12
  • Удельное электросопротивление, Ом·мм2/м………………….0,6-0,7
  • Температурный коэффициент электросопротивления при

0-100˚С…………………………………………………………..0,00048

  1. Магнитные свойства …………………………………………не магнитен
  2. Предел прочности при растяжении δв кгс/мм2:
  3. мягкий…………………………………………………………….60-70
  4. твердый (наклеп 80%)…………………………………………….110
  5. Относительное удлинение δ, %:
  6. мягкий…………………………………………………………….34-45

твердый ……………..………………………………………………3

  • Твердость НВ, кгс/мм2:
  • мягкий……………………………………………………………150-200
  • твердый…………………………………………………………….300
  • Технологические свойства и режимы обработки хромелей Т (НХ9,5) и К (НХ9)
  • Температура, ˚С:
  • литья………………………………………………………………1550
  • ковки и прокатки……………………………………………….1180-1220
  • отжига…………………………………………………………….800-850
  • Максимальная рабочая температура, ˚С…………………………1000
  • Травитель Н2SO4 : HNO3 …………………………………………1:1
  • Температура изложницы, ˚С…………………………………….до 100
  • Покровный флюс ……………………………………………….стекло
  • Раскислитель ……………………………………………………магний

Источник: https://atomsteel.com/thermocouples-wire/chromel.html

Термопары. Виды и состав. Устройство и принцип действия

Преобразователь температуры в электрический ток называется термопарой. Такой термоэлемент используется в преобразовательных и измерительных устройствах, а также во многих системах автоматики. Если рассматривать термопары по международным стандартам, то это два проводника из разных материалов.

Устройство

На одном конце эти проводники соединены между собой для создания термоэлектрического эффекта, позволяющего измерять температуру.

Внешне такое устройство выглядит в виде двух тонких проволочек сваренных на одном конце между собой, образуя маленький шарик.

Многие китайские мультиметры имеют в комплекте такие термопреобразователи, что дает возможность измерять температуру разных нагретых элементов устройств. Эти два проводника обычно помещены в стекловолоконную прозрачную трубку.

С одной стороны находится аккуратный сварной шарик, а с другой специальные разъемы для подключения к измерительному прибору.

Промышленное оборудование имеет более сложную конструкцию, по сравнению с китайскими термопарами. Рабочий элемент термодатчика заключают в металлический корпус в виде зонда, внутри которого он изолирован керамическими изоляторами, способными выдержать высокую температуру и воздействие агрессивной среды. На производстве таким термодатчиком измеряют температуру в технологических процессах.

Термопары являются наиболее популярным старым термоэлементом, который применяется в различных приборах для измерения температуры. Он обладает высокой надежностью, низкой инертностью, универсален и имеет низкую стоимость.

Диапазон измерения различными видами термопар очень широк, и находится в пределах -250 +2500°С.

Конструктивные особенности термодатчика не позволяют обеспечить высокую точность измерений, и погрешность может составлять до 2 градусов.

В бытовых условиях термопары используются в паяльниках, газовых духовках и других бытовых устройствах.

Принцип действия

Работа рассматриваемого термодатчика заключается в использовании эффекта ученого физика Зеебека, который обнаружил, что при спайке двух разнородных проводов в них образуется термо ЭДС, величина которого возрастает с увеличением нагрева места спайки. Позже это явление назвали термоэлектрическим эффектом Зеебека.

Напряжение, вырабатываемое термопарой, зависит от степени нагревания и вида применяемых металлов. Величина напряжения небольшая, и находится в интервале 1-70 микровольт на один градус.

При подключении такого температурного датчика к измерительному устройству, возникает дополнительный термоэлектрический переход. Поэтому образуется два перехода в разных режимах температуры. Входящий электрический сигнал на измерительном приборе будет зависеть от разности температур двух переходов.

Для измерения абсолютной температуры используют способ, называемый компенсацией холодного спая. Суть этого способа заключается в помещении второго перехода, не находящегося в зоне измерения, в среду образцовой температуры. Раньше для этого применяли обычный способ – размещали второй переход в тающий лед.

Сегодня для этого используют вспомогательный температурный датчик, находящийся рядом со вторым переходом. По данным дополнительного термодатчика измерительное устройство корректирует итоги измерения.

Это упрощает схему измерения, так как измерительный элемент и термопару совместно с дополнительным компенсатором можно соединить в одно устройство.

Разновидности

Температурные датчики на основе термопары разделяются по типу применяемых металлов.

Термопары из неблагородных металлов

Железо-константановые

  • Достоинством стала низкая стоимость.
  • Нельзя применять при температуре менее ноля градусов, так как на металлическом выводе влага создает коррозию.
  • После термического старения показатели измерений возрастают.
  • Наибольшая допустимая температура использования +500°С, при более высокой температуре выводы очень быстро окисляются и разрушаются.
  • Железо-константановый вид является наиболее подходящим для вакуумной среды.

Хромель-константановые

  • Способны работать при пониженных температурах.
  • Материалы электродов обладают термоэлектрической однородностью.
  • Их достоинство – повышенная чувствительность.

Медно-константановые термопары

  • Оба электрода отожжены для создания термоэлектрической однородности.
  • Не восприимчивы к высокой влажности.
  • Нецелесообразно применять при температурах, превышающих 400°С.
  • Допускается применение в среде с недостатком или избытком кислорода.
  • Допускается применение при температуре ниже 0°С.

Хромель-алюмелевые термопары

  • Серная среда вредно влияет на оба электрода термодатчика.
  • Нецелесообразно применять в среде вакуума, так как из электрода Ni-Cr может выделяться хром. Это явление называют миграцией. При этом термодатчик изменяет ЭДС и выдает температуру ниже истинной.
  • Снижение показаний после термического старения.
  • Применяется в насыщенной кислородом атмосфере или в нейтральной среде.
  • В интервале 200-500°С появляется эффект гистерезиса. Это означает, что при охлаждении и нагревании показания отличаются. Разница может достигать 5°С.
  • Широко применяются в разных сферах в интервале от -100 до +1000 градусов. Этот диапазон зависит от диаметра электродов.

Нихросил-нисиловые

  • Наиболее высокая точность работы из всех термопар, изготовленных из неблагородных металлов.
  • Повышенная стабильность функционирования при температурах 200-500°С. Гистерезис у таких термодатчиков значительно меньше, чем у хромель-алюмелевых датчиков.
  • Допускается работа в течение короткого времени при температуре 1250°С.
  • Рекомендуемая температура эксплуатации не превышает 1200°С, и зависит от диаметра электродов.
  • Этот тип термопары разработан недавно, на основе хромель-алюмелевых термодатчиков, которые могут быстро загрязняться различными примесями при повышенных температурах. Если спаять два электрода с кремнием, то можно заранее искусственно загрязнить датчик. Это позволит уменьшить риск будущего загрязнения при работе.

Термодатчики из благородных металлов

Платинородий-платиновые

  • Наибольшая рекомендуемая температура эксплуатации 1350°С.
  • Допускается кратковременное использование при 1600°С.
  • Нецелесообразно использовать при температуре менее 400°С, так как ЭДС будет нелинейной и незначительной.
  • При температуре более 1000°С термопара склонна к загрязнению кремнием, содержащимся в керамических изоляторах. Поэтому рекомендуется применять керамические трубки из чистого оксида алюминия.
  • Способны работать в окислительной внешней среде.
  • Если температура работы более 900°С, то такие термодатчики загрязняются железом, медью, углеродом и водородом, поэтому их запрещается армировать стальными трубками, либо необходимо изолировать электроды керамикой с газонепроницаемыми свойствами.

Платинородий-платинородиевые

  • Оптимальная наибольшая рабочая температура 1500°С.
  • Нецелесообразно использование при температуре менее 600°С, где ЭДС нелинейная и незначительная.
  • Допускается кратковременное использование при 1750°С.
  • Может применяться в окислительной внешней среде.
  • При температуре 1000 и более градусов термопара загрязняется кремнием, поэтому рекомендуется применять керамические трубки из чистого оксида алюминия.
  • Загрязнение железом, медью и кремнием ниже, по сравнению с предыдущими видами.

Преимущества

  1. Прочность и надежность конструкции.
  2. Простой процесс изготовления.
  3. Спай датчика можно заземлять или соединять с объектом измерения.
  4. Широкий интервал эксплуатационных температур, что позволяет считать термоэлектрические датчики наиболее высокотемпературными из контактных видов.

Недостатки

  • Материал электродов реагирует на химические вещества, и при плохой герметичности корпуса датчика, его работа зависит от атмосферы и агрессивных сред.
  • Градуировочная характеристика изменяется из-за коррозии и появления термоэлектрической неоднородности.
  • Требуется проверять температуру холодных спаев. В новых устройствах измерительных приборов на базе термодатчиков применяется измерение холодных спаев полупроводниковым сенсором или термистором.
  • На большой длине удлинительных и термопарных проводников может появляться эффект «антенны» для имеющихся электромагнитных полей.
  • ЭДС зависит от температуры по нелинейному графику, что затрудняет проектирование вторичных преобразователей сигнала.
  • Если серьезные требования предъявляются к времени термической инерции термодатчика, и требуется заземлять спай, то необходимо изолировать преобразователь сигнала, чтобы не было утечки тока в землю.

Рекомендации по эксплуатации

Точность и целостность системы измерений на основе термопарного датчика может быть увеличена, если соблюдать определенные условия:

  • Не допускать вибраций и механических натяжений термопарных проводников.
  • При применении миниатюрной термопары из тонкой проволоки. Необходимо применять ее только в контролируемом месте, а за этим местом следует применять удлинительные проводники.
  • Рекомендуется применять проволоку большого диаметра, не изменяющую температуру измеряемого объекта.
  • Использовать термодатчик только в интервале рабочих температур.
  • Избегать резких перепадов температуры по длине термодатчика.
  • При работе с длинными термодатчиками и удлинительными проводниками, необходимо соединить экран вольтметра с экраном провода.
  • Для вспомогательного контроля и температурной диагностики используют специальные температурные датчики с 4-мя термоэлектродами, позволяющими выполнять вспомогательные температурные измерения, сопротивления, напряжения, помех для проверки надежности и целостности термопар.
  • Проводить электронную запись событий и постоянно контролировать величину сопротивления термоэлектродов.
  • Применять удлиняющие проводники в рабочем интервале и при наименьших перепадах температур.
  • Применять качественный защитный чехол для защиты термопарных проводников от вредных условий.

Похожие темы:

Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrooborudovanie/ustrojstva/termopary/

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector