Термоэлектродные материалы и термоэлектрические преобразователи

Любая пара разнородных проводников может образовать ТЭП. Однако не всякий ТЭП пригоден для практического применения, так как современная техника предъявляет к материалам термо­электродов определенные требования: устойчивость к воздействию высоких температур, постоянство термо-ЭДС во времени, возможно большая величина термо-ЭДС и однозначная зависимость ее от температуры, небольшой температурный коэффициент электри­ческого сопротивления и большая электропроводимость, воспроиз­водимость термоэлектрических свойств, обеспечивающая взаимо­заменяемость термоэлектрических термометров.

Всем указанным требованиям не удовлетворяет полностью ни один из известных термоэлектродных материалов, поэтому на практике приходится пользоваться различными материалами в разных пределах измеряемых температур.

Основные характеристики применяемых на практике термо­электродных материалов приведены в табл.

Для всех металлов и сплавов функциональная зависимость термо-ЭДС от температуры сложна, и выразить ее аналитически затруднительно. Исключение составляет лишь пара платино- родий — платина, для которой зависимость термо-ЭДС от темпе-

Основные характеристики термоэлектродных материалов

Материал	Поляр­ность	Термо-ЭДС в паре с платиной при t = 100 °С, /„ = 0 °С, мВ	Удельное электрическое сопротивление при 20 °С, Ом* мм2/м	Температурн ый коэффициент электрического сопротивления, а- 1С3, 1/°С
Платина			0,11	3,9
Платинородий	+	+0,64	0,18	1,67
(10% родия)
Хромель	+	От +2,77	0,67	0,5
	ДО +3,13
Алюмель	—	От —1,02	0,33
		до +1,38
Копель	—	От —3,82	0,47	0,1
		до —4,18
Железо	+	От +1,57	0,0918	6,25—6,57
	до +1,93
Медь	+	+0,76	0,017	4,25
Константен	—	—3,4	0,46	(1—4)-10"2

где бис — постоянные, определяемые по температурам затвер­девания сурьмы (630,74 °С), серебра (961,93 °С) и золота (1064,43 °С).

В СССР по ГОСТ 3044—77 принято шесть типов технических' ТЭП с металлическими термоэлектродами.

Платинородий (90 % Pt + 10 % Rh) — платиновые ТЭП (тип ТПП). В зависимости от назначения эти преобразователи под­разделяются на эталонные, образцовые и рабочие.

Эталонные ТЭП служат для поверки образцовых ТЭП, образ­цовые ТЭП— для поверки рабочих ТЭП. <

Назначение ТЭП определяет высокие требования к чистоте платины, идущей на их изготовление. Платина должна удовлетво­рять условию R_W0/R₀^ 1,391; здесь /?₁₀₀ и R₀—.сопротивление проволоки при температуре соответственно 100 и 0 °С._Ч

Платинородий — платиновые ТЭП надежно работают в ней­тральной и окислительной средах, но быстро разрушаются в вос­становительной атмосфере, особенно при наличии окислов металла и кремнезема вблизи термометра. Вредно действуют на платину пары металла и углерод (особенно окись углерода); поэтому при промышленных измерениях требуется тщательная изоляция ТЭП от непосредственного воздействия измеряемой среды. ТЭП типа ТПП по Жаростойкости и постоянству термо-ЭДС лучшие из всех существующих. При правильной эксплуатации они сохраняют постоянство своей градуировки в течение весьма длительного времени. К недостаткам ТЭП этого типа следует отнести малую развиваемую термо-ЭДС по сравнению с другими ТЭП.

Платинородий (30 % родия) — платинородиевый (6 % родия) ТЭП (тип ТПР). Особенностью ТЭП является то, что он развивает очень малую термо-ЭДС (0,04 мВ при 120-°С и 0,002 мВ при 20 °С), что не требует введения поправки на температуру свободных концов.

ТЭП типа ТПП и ТПР платиновой группы изготовляют обычно в виде проволоки диаметром 0,5 или 1 мм, которую изолируют фарфоровыми бусами или трубками.

Хромель-алюмелевый (94 % Ni + 2 % А1 + 2,5 % Мп + + 1 % Si + 0,5 % примеси) ТЭП (тип ТХА) применяют для измерения температур до 1300 °С. Кривая зависимости термо-ЭДС от температуры для ТЭП этого типа близка к прямой. Большое содержание никеля в сплаве обеспечивает стойкость ТЭП против окисления и коррозии. Восстановительная среда вредно действует на хромель-алюмелевый ТЭП.

ратуры в интервале от 300 до 1300 С при температуре t = О С достаточно точно совпадает с параболой

Хромель-копелевый (56 % Си + 44 % Ni) ТЭП (тип ТХК) из всех стандартных ТЭП развивает наибольшую термо-ЭДС,

что позволяет изготовлять термоэлектрические термо­метры с узкой температурной шкалой, например с диапа­зоном 0—300 °С.

Стандартные ТЭП типа ТХА и ТХК изготовляют из проволоки диаметром 0,7—

3,2 мм и изолируются керамическими бусами.

Вольфрам-рений (5 % рения) — вольфрам-рениевый (20 % ре­ния) (тип ТВР) ТЭП и вольфрам-рений (10 % рения) — вольфрам- рениевый (20 % рения) ТЭП применяют для измерения темпера­тур до 2300 °С в нейтральной и восстановительной средах, а также в вакууме. Указанные ТЭП используют для измерения темпера­туры расплавленных металлов.

В особых случаях применяют и нестандартные ТЭП. Из них сравнительно широко используют медь-константановые (60 % Си + 40 % Ni), железо-константановые, медь-копелевые и же­лезо* копелевые. Следует учитывать, что железо в присутствии влаги может корродировать; его термоэлектрические свойства в связи с этим изменяются. Нестандартные ТЭП при изготовлении обязательно градуируют.

Для измерения высоких температур (до 2300 °С) применяют вольфрам-молибденовые ТЭП, кроме молибдена содержат 0,5 % алюминия. Их недостатки — быстрое окисление и хрупкость вольфрама и молибдена при высоких температурах, малая термо- ЭДС, отсутствие стандартной характеристики (необходимость индивидуальной градуировки).

В термоэлектрогенераторах, термоэлектрохолодильниках, раз­личных измерительных приборах применяют также полупровод­никовые ТЭП с т§рмо-ЭДС, в 5—10 раз большей термо-ЭДС обыч­ных ТЭП из металлов и металлических сплавов. В качестве термо­электродных материалов в этих ТЭП применяют сплавы ZnSb и CdSb.

На рис. приведены характеристики стандартных наиболее распространенных ТЭП; в табл. указаны их основные пара­метры.

В случаях, когда требуется измерить небольшую разность температур или получить большую термо-ЭДС, применяют диф­ференциальные ТЭП и термобатареи, представляющие собой несколько последовательно соединенных ТЭП.

Основные данные ТЭП

			Верхний темпера­
	Обозн а -	Нижний	турный	предел
	темпера­	измерений, °С,	.Термо-ЭДС
Материалы	чеиие	турный	при применении	(t = 100 °С,
термоэлектродов	градуи­	предел			4=0 °С),
	ровки	измере­		кратко­	мВ
		ний, °С	длитель­
			ном	времен­
				ном
Платинородий (10 % ро­	пп	—20			0,643'
дия)—платина
Платинородий (30 % ро­	ПР-30/6		.1600
дия)—платинородий
(6 % родия)
X ромель-алюмель	ХА	—50			4,10
X ромель-копель	хк,	—50			6,95
Вольфрам-рений (5 % ре­	BP-5/20				—
ния)—вольфрам-рений
(20% рения)	BP-10/20
Вольфрам-рений				—
(10 % рения)—вольфрам-
рений (20 % рения)
Железо-копель	—				5,75
Железо-константан	—	—200			5,11
Медь-копель	—				4,75
Медь-константан	—	—200			4,16

Конструктивное оформление термоэлектрических термометров разнообразно и зависит главным образом от условий их примене­ния. Как правило, рабочий спай промышленных ТЭП изгото­вляют сваркой в пламени вольтовой дуги. ТЭП из неблагородных металлов сваривают подслоем флюса, а ТЭП платиновой группы — без флюса. Пайку применяют только при изготовлении нестан­дартных лабораторных ТЭП из очень тонкой проволоки.

Независимо от конструкции ТЭП должен удовлетворять сле­дующим требованиям. Изоляция термоэлектродов должна исклю­чать возможность короткого замыкания и электрических утечек. Термоэлектроды должны быть защищены от механических повре­ждений и химического воздействия измеряемой среды. Термо­электродные провода должны быть надежно подключены к ТЭП.

Для электрической изоляции термоэлектродов обычно при­меняют фарфор в риде коротких одноканальных или двухканаль- ных трубок, бус. Одноканальными трубками изолируют толстые термоэлектродные проволоки, двухканальными. — тонкие диа­метром менее 1 мм. Для агрессивных сред применяют защитные трубки из металлокерамики или стальные защитные трубки по­крывают слоем тугоплавкой эмали.

Из специальных термоэлектрических термометров следует ука­зать многозонный термометр, применяемый для позонного изме­рения температуры в вертикальных аппаратах (колонны синтеза аммиака, метанола и др.). Корпус такого термометра представляет собой трубу необходимой длины, в которую опущен пучок изо­лированных один от другого ТЭП различной длины. Свободные