По мере внедрения термоэлектрических методов измерений в качестве электродов для термопар стало применяться большое количество металлов и сплавов. Поэтому необходимо было систематизировать все имеющиеся электроды, чтобы составлять термопары. Из большого количества электродов и из еще большего количества термопар, которые могут быть созданы из них, практическое применение получили лишь несколько типов термопар.
Выбор термоэлектродных материалов из числа существующих металлов и сплавов производится по следующим признакам:
Элементарная термопара, составленная из двух проводников, при своей простоте имеет существенный недостаток: нет измерительного прибора, т. е. нельзя непосредственно измерить величину т.э. д. с.
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
Возможность включать третий проводник (или несколько проводников) в цепь термопары позволяет ввести в термоэлектрическую цепь прибор для измерения т. э. д. с.—пирометрический милливольтметр или потенциометр. Термопара присоединяется к прибору медными проводами (третий термоэлектрод), переходящими в медную проволоку подвижной рамки милливольтметра или же в манганиновую проволоку измерительной схемы потенциометра.
Изоляция термоэлектродов преследует две цели: первая—разделить электроды от соприкосновения с защитной оболочкой, если она гама не выполнена из изоляционного материала, и между собой, нторая — предохранить электроды от вредного влияния измеряемой среды, если отсутствует защитная наружная оболочка, или от агрессивных газов, которые могут проникнуть внутрь оболочки.
В зависимости от рабочих температур и термоэлектродов выполнение изоляции и ее материалы очень различны.
При низких температурах (до 100—120° С) применяют шелковую оплетку, пропитанную соответствующим температуре лаком; при 1емнературе до 150—250° С электроды покрывают эмалью, при температуре до 300° С — непроводящей оксидной пленкой; при более низкой температуре (60—80° С) используют и резину; при температуре 600—700° С применяют изоляцию асбестовым шнуром. Применять асбест, не пропитанный жаростойкой обмазкой, не рекомендуется, так как он гигроскопичен и теряет свои изоляционные свойства. Этот недостаток еще усиливается ввиду наличия в асбесте следов кислотных остатков.
В термопарах с асбестовой изоляцией наблюдается появление высокого электрического потенциала, под действием которого стрелка присоединенного вторичного прибора получала кратковременный отброс за пределы шкалы с постепенным возвращением к начальному положению. Особенно резко это проявляется у термопар с разобщенным рабочим концом.
К качестве пропитывающих материалов рекомендуется применять растворенные в жидком стекле каолин и кварцевую пудру; обмазка после тщательной просушки и прокаливания образует прочную стекловидную корку на электродах термопары.
Наиболее широкое распространение получили изоляторы в виде одпоканальных и двухканальных трубочек.
Двойной изолятор, особенно длинный, лучше предохраняет электроды термопары от загрязнений и, в частности, от возможного перехода при высоких температурах родия из положительного электрода в отрицательный. Однако при двухканальном изоляторе во избежание разрыва электродов следует заботиться, чтобы электроды не были нагружены весом изоляторов.
Изоляторы для платинородий-платиновых термопар делаются из огнеупорного фарфора. Применение качественного фарфора обязательно, так как иначе при высоких температурах некоторые сорта фарфора становятся электропроводными.
Защитные оболочки должны предохранять термоэлектроды от химического воздействия газов, быть достаточно прочными, не разрушаться при резких сменах температур (погружение и извлечение термопары из нагретой среды), а также при длительном нахождении термопары при рабочей температуре. Материал оболочки не должен вредно участвовать на термоэлектроды (изменять их состав при высоких температурах). Кроме того, оболочка не должна препятствовать передаче тепла от измеряемой среды к рабочему концу термопары, теплоотвод по оболочке к головке термопары должен быть по возможности меньше. Наконец, теплоемкость оболочки должна быть минимальной, чтобы не увеличивать тепловую инерционность термопары и не искажать температурное поле измеряемой среды. Эти разнообразные требования иногда очень трудно выполнить.
В связи с большим диапазоном теператур, в котором могут применяться термопары, материалы оболочек очень разнообразны, но все оболочки могут быть разбиты на две группы — неметаллические и металлические.
Оболочка должна быть тщательно очищена внутри. Недопустимо, чтобы в оболочке при монтаже оставались древесные стружки и опилки (часто встречаются в огнеупорных неметаллических оболочках); кусочки угля, которые вкрапливаются в оболочки из кварца, оплавляемого на графитовом стержне; следы (иногда весьма значительные) масла, оставшегося в металлической трубе после холодного волочения или введенного внутрь как смазка, предохраняющая от коррозии. Все перечисленные загрязнения, не удаленные своевременно, после заварки дна оболочки и помещения в нее электродов термопары создают при нагреве внутри оболочки негативную атмосферу (сухая перегонка при недостаче кислорода в изолированной внутренней полости оболочки). Такая атмосфера губительно действует на платинородий-платиповые термопары.
Так же разрушающе действует восстановительная атмосфера и на термопары с электродами из неблагородных металлов, например, на термопары ХЛ.
Рассмотрим отдельные типы оболочек.Неметаллические оболочки, применяемые в настоящее время, не удовлетворяют требованиям, которые изложены в начале этого параграфа. Поэтому ведутся работы по созданию новых типов огнеупорных оболочек. Промышленное применение нашли следующие оболочки.
Кварцевые трубы. Исходным материалом является плавленый кварц (прозрачное кварцевое стекло) или спекшийся кварц (непрозрачные трубы). В последнее время наибольшее распространение получили оболочки из плавленого кварца как имеющие значительно лучшие качества.
Для увеличения газонепроницаемости такие оболочки, а также оболочки другого состава покрывают сплавленной стекловидной массой (глазурью,) но уже при 1200—1300° Это защитное покрытие размягчается и липнет, т. е. температура применения снижается. Только использование особо огнеупорной глазури позволяет применять марквардовые и алундовые защитные оболочки до температур 1400—1500° С.
Прочие неметаллические труб ы. Кроме кварцевых и фарфоровых труб, некоторое распространение получили оболочки из шамота, силита и графита.
Трубы из шамота очень пористые и применяются как наружные оболочки, предохраняющие основную защитную трубу, например фарфоровую, от термического удара и разъедания.
Силит (или карборунд) представляет собой карбид кремния SiC. Применяется как внешняя предохранительная оболочка при газонепроницаемых внутренних защитных оболочках, иначе восстановительная атмосфера, создающаяся внутри силитовой оболочки, разрушит термопару ПП. Силит обладает высокой теплопроводностью и механической прочностью до высоких температур (до 1800° С). Однако в окислительной среде при температуре выше 1200—1300° С силитовые трубы недостаточно устойчивы и быстро разрушаются. Силит электропроводен, особенно при высоких температурах. Электропроводность других огнеупоров (фарфора, шамота, динаса) при высоких температурах также резко возрастает, что в особенности следует иметь в виду при работе в электропечах.
Графитовые оболочки применяются как защитные при измерении температуры расплавленных металлов (чугуна). Они применяются также как наружные предохранительные трубы для платинородий-платиновых термопар.
Металлические защитные оболочки применятся главным образом для термопар с электродами из неблагородных металлов. По многим показателям они значительно выше аллических оболочек за исключением температурного предела применения. В зависимости от измеряемых температур и рабочей среды применяются оболочки из различных металлов с покрытиями.
Медные и латунные оболочки применяются для работы при температурах не выше 350° С. Для предохранения от окисления трубы никелируют или хромируют. Иногда их применяют и для более высоких температур в термопарах с водяным охлаждением; в этом случае они предпочтительнее, чем более жаростойкие стальные трубы, так как обладают хорошей теплопроводностью и не так нагреваются. В термопарах карандашного типа медные оболочки применяются в качестве термоэлектрода.
Стальные малоуглеродистые оболочки изготовляются только из цельнотянутых труб с тщательно приваренным донышком и применяются при температурах не выше 600—700° С. Уже при этих температурах образуется сильная окалина, быстро разрушающая оболочку. Кроме того, стальные оболочки газопроницаемы, что способствует быстрому выходу термопары из строя. Уменьшение газопроницаемости в пределах до 600—700° С можно достичь покрытием оболочки тугоплавкой эмалью, что иногда значительно улучшает цх стойкость, особенно при работе в химически активных средах.
Покрытие оболочек защитным слоем хрома, никеля, алюминия (так называемое алитирование) уменьшает образование окалины и делает их более газонепроницаемыми. Однако выше 800—900 °С ли оболочки применять нельзя, так как при этом помимо указанных недостатков железо поглощает из термоэлектродов некоторые компоненты, в частности хром из хромеля.
Оболочки из хромистых и хромоникелевых сплавов могут применяться при длительной работе до гемператур 900—1100° С и при кратковременной до 1250° С.
Наибольшее применение нашли хромоникелевые сплавы, иногда с добавкой железа и вольфрама. Сплавы типа нихрома применяются в виде цельнотянутых труб с приваренным из того же материала донышком или и виде труб, полученных сверлением круглого либо шестигранного бруска соответствующих размеров, или в виде литых труб.
Трубы (особенно просверленные или литые) обладают высокой механической прочностью даже при высоких температурах, меньшей газопроницаемостью и, что особенно важно, при высоком содержании хрома (25% И более) не происходит изменение состава термоэлектродов, в частости не выделяется хром из хромелевого термоэлектрода.
Для изготовления оболочек большое распространение получили также нержавеющие хромоникелевые стали, иногда с добавкой 2 — 3% молибдена. Эти оболочки, как и предыдущие, могут быть изготовлены цельнотянутыми, сверлеными из прутков и литыми. В оболочках с приварным донышком наиболее слабым местом является именно сварка. Донышко должно быть выполнено из того же материала, что и труба, а сварочный электрод и обмазка выбраны соответствующего качества.
Мы в социальных сетях:
