Хромель — химический состав, свойства, термопары

Скачок развития электротехники в 20 веке повлиял на все отрасли производства. Возникла острая необходимость в разработке новых сплавов, которые бы отвечали современным требованиям. Одним из таких решений и стал хромель. Он позволил расширить возможности человека в сфере измерения и регулирования температур технологических операций. 

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.

Принцип действия

Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Между соединёнными проводниками имеется контактная разность потенциалов; если стыки связанных в кольцо проводников находятся при одинаковой температуре, сумма таких разностей потенциалов равна нулю. Когда же стыки находятся при разных температурах, разность потенциалов между ними зависит от разности температур. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными от нуля коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой Т1, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т2, которое будет пропорционально разности температур Т1 и Т2.

Характеристики сплавов хромель и алюмель

Перед тем, как приступить к более подробному описанию ТХА, рассмотрим основные эксплуатационные свойства/параметры сплавов хромель и алюмель.

Хромель – термоэлектродный сплав, включающий в себя около 90% никеля, 9-10% хрома, а также, суммарно, до 1,5% меди, кобальта, марганца, железа и кремния. Для электродов ТХА используется по большей части термопарная проволока хромель НХ 9,5 (ГОСТ 492-2006), Ø 1,3 – 3,3 мм.

Удельная плотность сплава составляет 8,7 г/см3, а Т° плавления – 1450°C. Показатели коэффициентов удельного сопротивления и линейного расширения – соответственно, 0,65 мкОм·мм2/м и 12,7·10-6/°C.

Преимуществами сплава хромель являются:

• высокое содержание никеля, обуславливающее хорошую ковкость, пластичность и коррозиеустойчивость;
• удачное сочетание небольшой удельной массы и высокой термостойкости;
• электропотенциал, вырабатываемый в процессе нагревания в точке контакта с отрицательным электродом, характеризуется почти прямолинейным изменением в широком температурном диапазоне;
• термо-ЭДС хромелевой термопары остается практически неизменной при температурах до 1000°C.

Алюмель – сплав для изготовления отрицательных электродов ТХА. С этой целью наиболее часто применяется термопарная проволока алюмель НМцАк 12-2-1, ГОСТ 492-2006 (около 95% никеля, 2,5% алюминия, 1,9%марганца и 0,9% кремния). Показатель удельной плотности – 8,5 г/см3, удельного сопротивления – 0,32 мкОм·мм2/м; линейного расширения – 13,5·10-6°C. Т° плавления составляет 1425°C.

С целью повышения пластичности, прочности и стабильности термо-ЭДС при измерении в той или иной агрессивной среде температур свыше 1000°С алюмель может быть легирован цирконием, бором и некоторыми другими химическими элементами.

Получение сплава

Производство хромеля ничем не отличается по сравнению с другими сплавами этой группы. Выплавляют при температуре 1400-1500 ºC, используя, всевозможные разновидности вакуумных и индукционных печей. В качестве исходного материала применяют шихту или брикеты чистых металлов: хрома и никеля.

После выплавки хромель поставляется на участок горячей обработки давлением. Там уже при температуре 1200-1300 ºC из него тянут проволоку диаметром от 0,1 до 5 мм. Это единственный вид металлопрофиля согласно ГОСТ 1790-2016, который изготавливается из хромеля.

Далее хромелевая проволока подвергается термической обработке: высокотемпературному отжигу при 700-800 ºC. Это необходимо для снятия внутренних напряжения, с одной стороны, а с другой для уменьшения вероятности образования ликвации — неоднородности сплава по химическому составу. Для улучшения внешнего вида проволоки, дополнительно проводят ее обработку серной кислотой.

Термопары ХА: особенности, назначение и сферы применения

Хромель-алюмелевые термопары (ГОСТ 3044-84) проявляют наиболее близкую к линейной термоэлектрическую характеристику. Это позволяет обеспечить чувствительность около 50 мкВ/°С и, как следствие, наивысшую точность производимых измерений. В конструкции термопар типа хромель-алюмель могут быть задействованы различные изоляционные материалы из керамики, асбеста, стекловолокна, кварца, эмалей, огнеупорных окислов.

К числу важнейших преимуществ, обуславливающих высокую востребованность термопар ХА, относят:

• относительно доступную стоимость;
• широкий спектр измеряемых температур в пределах от –200°С (70°К) до +1220°С (при кратковременном использовании допускается расширение диапазона измеряемых температур до +1350°С);
• малую инерционность, делающую возможным измерение даже незначительной разности температур;
• устойчивость к воздействию окисления, что обеспечивает надежную эксплуатацию в окислительных средах за счет появляющегося на поверхности электродов, по мере их нагрева, тонкого слоя прочной защитной пленки, препятствующей прямому контакту металла с кислородом.

К недостаткам хромель-алюмелевых термопар можно причислить:

• искажение показаний в случае деформирования электродов;
• обратимая нестабильность термо-ЭДС;
• невозможность использования в серосодержащих средах, что объясняется негативным влиянием паров серы как на хромелевый, так и на алюмелевый термоэлектроды, влекущим за собой их охрупчивание и снижение термо-электродвижущего потенциала.

ТХА – один из наиболее распространенных типов термопар – относят к категории датчиков общего применения, обычно имеющих вид различных щупов. Основное предназначение – измерение температур в инертных либо окислительных средах. В частности, допускается использование в среде сухого водорода либо вакуума (кратковременно). Термопары хромель-алюмель, в сравнении с аналогичными устройствами иных типоразновидностей, отличаются наибольшей устойчивостью к радиоактивному облучению при работе в атомных реакторах.

Сфера практического применения ТХА достаточно универсальна: от нагревательного и энергосилового оборудования промышленного назначения до разнообразной научно-экспериментальной аппаратуры и лабораторных приборов.

Типы термопар и их характеристики

Наиболее распространенной классификацией термопар является классификация по типу материалов, из которых изготовлены термоэлектроды. Например, благородные металлы, тугоплавкие и другие. Ниже представлены типы термопар, разделенные по указанному принципу.

Термопары из неблагородных металлов

Наиболее широким классом термопар являются термопары, изготовленные из неблагородных металлов. Среди наиболее используемых можно выделить термопары хромель-алюмель, хромель-копель, железо-константан.

Термопара хромель-алюмель (ТХА, тип K)

• Используется для измерения температур в диапазоне от -200 °С до +1100 (+1300) °С. В скобках указана максимальная температура при кратковременном измерении.
• В диапазоне температур от 200 до 500 °С может возникнуть эффект гистерезиса, когда показания при нагревании и охлаждении могут различаться. В некоторых случаях разница достигает 5 °С.
• Работает в нейтральной атмосфере или атмосфере с избытком кислорода.
• После термического старения показания снижаются.
• Может произойти изменение термо-ЭДС при использовании в разряженной атмосфере, т.к. хром может выделяться из Ni-Cr вывода (так называемая миграция). При этом термопара показывает заниженную температуру.
• Атмосфера серы вредна для термопары, т.к. негативно воздействует на оба электрода.

Термопара хромель-копель (ТХК, тип L) и хромель-константан (ТХКн, тип E)

• Используется для измерения температур в диапазоне от -200 °С до +800 (+1100) °С. В скобках указана максимальная температура при кратковременном измерении.
• Обладает самой высокой чувствительностью из всех промышленных термопар.

Термопара железо-константан (ТЖК, тип J)

• Используется для измерения температур в диапазоне от -203 °С до +750 (+1100) °С. В скобках указана максимальная температура при кратковременном измерении.
• Работает в восстановительной и окислительной средах.
• Хорошо работает в разряженной атмосфере.
• При температурах выше 500 °С необходимо наличие газоплотной защиты термопары, если в среде измерения присутствует сера.
• Обладает высокой чувствительностью.
• Имеет невысокую стоимость, так как в состав термопары входит железо.
• На электроде из железа может образоваться ржавчина из-за конденсации влаги.
• Показания повышаются после термического старения.

Термопара медь-константан (ТМК, тип Т) и медь-копель (ТМК, тип M)

• Используется для измерения температур в диапазоне от -250 °С до +400 (+600) °С. В скобках указана максимальная температура при кратковременном измерении.
• Может работать в окислительной или восстановительной атмосфере, а также в вакууме.
• Наиболее точная термопара для измерения темпераур 0-250 °С.
• Не рекомендуется использование термопар данного типа при температурах выше 400 °С.
• Не чувствительна к повышенной влажности.
• Оба термоэлектрода могут быть отожжены для удаления материалов, вызывающих термоэлекрическую неоднородность.

Термопара нихросил-нисил (ТНН, тип N)

• Используется для измерения температур до +1200 (+1250) °С. В скобках указана максимальная температура при кратковременном измерении.
• Это относительно новый тип термопары, разработанный на основе термопары типа К. Термопара типа К может легко загрязняться примесями при высоких температурах. Сплавляя оба электрода с кремнием, можно тем самым загрязнить термопару заранее, и таким образом снизить риск дальнейшего загрязнения во время работы.
• Высокая стабильность при температурах от 200 до 500 °С (значительно меньший гистерезис, чем для термопары типа К).
• Считается самой точной термопарой из неблагородных металлов.

Термопары из тугоплавких металлов

К данному классу относятся термопары, предназначенные для измерения высоких температур.

Термопара ВР5-ВР20 (ТВР, тип A)

• Используется для измерения высоких температур в диапазоне от +1300 °С до +2500 (+3000) °С. В скобках указана максимальная температура при кратковременном измерении.
• Может работать в инертной атмосфере или вакууме.
• Обладает хорошими механическими свойствами при высоких температурах.

Термопара вольфрам-молибден (ТВМ)

• Используется для измерения высоких температур в диапазоне от +1400 °С до +1800 (+2400) °С. В скобках указана максимальная температура при кратковременном измерении.
• Может работать в инертной среде, среде водорода или вакууме.
• Имеет невысокую стоимость по сравнению с другими термопарами для измерения высоких температур.
• Имеет низкую чувствительность.

Термопары из благородных металлов

Данные термопары являются самыми точными и часто применяются в качестве эталонных.

Термопара платинородий-платина (ТПП, тип S, R)

• Используется для измерения температур в диапазоне от 300 °С до +1400 (+1600) °С. В скобках указана максимальная температура при кратковременном измерении.
• Может работать в окислительной и инертной атмосфере. При наличии защиты может использоваться в восстановительных средах.
• Не рекомендуется применение ниже 300 °С, т.к термо-ЭДС в этой области мала и крайне нелинейна.
• Дает высокую точность измерений.
• Имеет хорошую воспроизводимость и стабильность термо-ЭДС.
• Используется в качестве эталонной термопары.
• Имеет высокую стоимость.
• Чувствительна к химическим загрязнениям металлическими и неметаллическими примесями.

Термопара платинородий-платинородий (ТПР, тип B)

• Используется для измерения температур в диапазоне от 600 °С до +1600 (+1800) °С. В скобках указана максимальная температура при кратковременном измерении.
• Может работать в окислительной и нетральной среде. Возможно использование в вакууме. При наличии защиты может использоваться в восстановительных средах.
• Не рекомендуется применение при температуре ниже 600 °С, где термо-ЭДС очень мала и нелинейна.
• Дает высокую точность измерений.
• Имеет хорошую воспроизводимость и стабильность термо-ЭДС.
• Используется в качестве эталонной термопары.
• Имеет высокую стоимость.
• Чувствительна к химическим загрязнениям металлическими и неметаллическими примесями.

Применение

Все вышеперечисленные характеристики позволили найти хромелю широкое распространение в электротехнике. А именно:

• Хромель служит материалом для изготовления разного рода термопар — устройств для измерения температур. Диапазон измерения таких приборов исчисляется 800-1000 ºC. Работать они способны во всех средах за исключением сернистой. Причина этого была показана выше. Также среди преимуществ выделяют точность передаваемых ими измерений. В обычных условиях она равняется не более сотых долей процента.
• Хромелевая проволока используется при производстве разного рода компенсационных проводов и реостатов. Главное их назначение — это регуляция температуры и бесперебойность работы электроустройств.
• Хромель применяется в качестве нагревательного элемента по причине своей повышенной жаростойкости. Это происходит в редких случаях, т.к. входящий в его состав никель обладает высокой ценой, что является невыгодным с точки зрения рентабельности.

Несмотря на свою 60-ю летнюю историю, хромель до сих пор остается востребованным материалом. Около 70% всех выпускаемых термопар содержат хромелевую проволоку в своем составе. Но растущие цены на никель пошатнули безоговорочное лидерство хромеля. Сейчас более дешевый константан все больше завоевывает популярность и еще не известно кто окажется впереди через несколько лет.

:

/5 — голосов

Литература

• Термопара // Телецкое озеро — Трихофития. — М. : Советская энциклопедия, 1946. — (Большая советская энциклопедия :  / гл. ред. О. Ю. Шмидт ; 1926—1947, т. 54).
• Киес Р. Дж., Крузе П. В., Патли Э. Г., Лонг Д., Цвиккер Г. Р., Милтон А. Ф., Тейч М. К. § 3.2. Термопара // Фотоприёмники видимого и ИК диапазонов = Optical and Infrared Detectors / пер. с англ. под ред. В. И. Стафеева. — М.: Радио и связь, 1985. — 328 с.

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью: (Пока оценок нет) Загрузка...

Читайте также:

Белый чугун — структура, состав, свойств... Химическая металлизация — реагенты, техн... Модуль Юнга (упругости) для стали и друг... Органические полимеры — виды, состав, пр...