Материалы, применяемые для термопар

Теоретически термоЭДС можно получить из любых сочетаний металлов и сплавов. На практике же желательно, чтобы термоЭДС была достаточно большой, чтобы электросопротивление термопары было не слишком высоким, характеристика зависимости ε = f(Т) была линейной, а диапазон измеряемых температур достаточно большим. Материалы для термопар должны иметь возможно более высокую точку плавления, обладать хорошей стабильностью α_Т, легко обрабатываться. Термоэлектроды должны обладать достаточной коррозионной стойкостью и быть устойчивыми к окислительному и восстановительному действию среды. В процессе экс­плуатации в результате окалинообразования или окисления не должны изменяться их термоэлектрические свойства. Легирующие элементы, входящие в состав сплавов, не должны диффундировать наружу в результате селективного окисления или испаряться при высокой температуре. Выполнение этих условий необходимо для получения линейной и стабильной зависимости термоЭДС от температуры в течение длительного срока эксплуатации.

Анализ данных величины термоЭДС, развиваемых различными материалами, показал, что наибольшая ее величина достигается в неметаллических полупроводниковых материалах, но вышеперечисленным практическим требованиям удовлетворяют только некоторые сплавы и их комбинации из металлических компонентов.

В настоящее время для интервала температур от –20 до 2300 °С определено семь различных комбинаций сплавов, для которых имеются международные таблицы зависимости термоЭДС от температуры.

В отечественной практике наиболее часто для термопар применяются следующие сплавы:

· копель (56 % Сu и 44 % Ni);

· алюмель (95 %, остальные Al, Si, Mn);

· хромель (90 % Ni и 10 % Сr);

· платинородий (90 % Pt и 10 % Rh).

Из чистых металлов применяются платина, железо, медь.

Из сплавов и металлов, не вошедших в международный стандарт, в промышленности применяют константан – сплав меди 60 % и никеля 40 %; вольфрам, молибден, рений, иридий.

Описание лабораторной установки

Установка состоит из печи, в основании которой размещены два нагревательных элемента (рис. 6.2) и датчик цифрового термометра (либо ртутный термометр). На тыльной стороне печи расположены исследуемые термопары. Термопары установлены таким образом, что место спая (горячие концы) находится внутри печи, а холодные концы выведены через теплоизолирующую стенку печи наружу. Измерение термоЭДС производится при помощи блока усилителя, в котором находятся милливольтметр mV
и усилитель 4. Переключатель SA2 на блоке усилителя служит для коммутации исследуемых термопар.

Рис. 6.2. Функциональная схема установки:

1 – корпус печи с теплоизоляцией; 2 – нагревательные элементы; 3 – ртутный термометр или электронный датчик температуры; 4 – усилитель постоянного тока.
Х-К; Х-А; М-К – исследуемые хромель-копель, хромель-алюмель,
медь-копелевая термопары соответственно

Задание

1. Усвоить теоретическое обоснование эффекта Зеебека. Изучить материалы и конструкции термопар, а также описание лабораторной установки и порядок проведения лабораторной работы.

2. Снять экспериментальные зависимости термоЭДС от температуры (в диапазоне температур от комнатной до 150 °С с шагом 5–10 °С) для следующих термопар: хромель-копель, хромель-алюмель, медь-копель.

* Жирным шрифтом выделены задания, которые необходимо выполнить непосредственно на лабораторной установке.

3. По результатам эксперимента построить графики ε = f(T).

4. По экспериментальным кривым для исследованных термопар в соответствии с формулой (6.1) найти значения α_T = (U₂ – U₁)/(T₂ – T₁) для трех интервалов температур, заданных преподавателем (табл. П.6 приложения).