Очерки развития термоэлектричества - Термоэлектрическая нестабильность термопар

В процессе работы термоэлектрические характеристики термопар изменяются, вследствие чего они перестают соответствовать стандартной градуировочной характеристике. Нестабильность термопары (изменение ее выходной ЭДС со временем) является гак называемой прогрессирующей погрешностью и в большинстве случаев служит главной причиной снижения точности измерений [18, 22, 64]. В зависимости от источника нестабильности предлагаются различные методы для создания термопар, обладающих повышенной стабильностью. В частности, для повышения стабильности платинородий-платинородиевой термопары, предназначенной для непрерывного контроля температуры расплавленных и газовых сред в плавильных агрегатах, в ПО «Термоприбор» разработали защитные наконечники из карбида кремния, которые при температурах 900—1100 °С не оказывают влияния на свойства термопар [42]. Способ управления старением хромель-алюмелевых термопар предложен японскими специалистами. Он заключается в легировании хромелевых электродов примесями, снижающими погрешности термо-ЭДС в диапазоне от 200 до 500 °С; повышению точности способствуют термообработки термоэлектродов и повторное градуирование термопар в условиях их использования [30]. В Институте металловедения и технологии металлов
(НРБ) одним из основных методов увеличения срока службы термопар считается создание подходящей атмосферы (окислительной, восстановительной — в зависимости от материала ветвей) [26].
Стандартные термопары. Особое значение вопрос временной стабильности материалов термоэлектродов имеет в случае использования для температурных измерений унифицированных стандартных термопар, отличающихся высокой воспроизводимостью результатов [18, 56].
В СССР используются пять типов стандартных термопар, а именно, термопары с хромель-алюмелевыми (тип ТХА), платинородий-платинородиевыми (тин ΤΓΙΡ) и вольфрам-рениевыми (тип ТБР) хромель-копелевыми (тип ТХК) и платино-родий-платиновыми (тип ТПП) электродами. Свойства термопар хромель—алюмель и хромель— копель детально изучены группой исследователей под руководством И. Л. Рогельберга [65]. Изучение термоэлектрической нестабильности хромель-копелевых и хромель-алюмелевых термопар в течение 15—18 тыс. ч нагрева при температурах 450—900° С, а также разработка на этой основе методики прогнозирования термо-ЭДС на десятки тысяч часов позволили создать технологию производства термоэлектродной проволоки. Метрологические характеристики термопар из этих сплавов исследовались В. И. Лахом, А. И. Кицем, В. П. Преображенским [27, 63] и др.
Детальное исследование термопар на основе платины и платинородия проводились в 60-х годах А. А. Рудницким, Б. К. Брагиным и Ф. 8. Алиевой. В настоящее время созданию термоэлектрических преобразователей типа ТПП и ТПР посвящен ряд работ, выполненных под руководством И. П. Куритныка [3, 12, 481.
Большим достижением в области термоэлектрической термометрии явилось создание промышленных термопар на основе вольфрам-рениевых сплавов. К интенсивным исследованиям этого материала приступили в начале 60-х годов. Большой вклад в разработку и стандартизацию этих термопар, благодаря которым существенно расширился диапазон измеряемых температур (до 3000 °С), внесли работы С. К. Данишевского, Г. Б. Лаппа и Д. И. Поповой, Л. Д. Олейниковой, Б. И. Стадныка, В. И. Лаха и других исследователей. Термопары из сплавов вольфрам — рений широко используются для измерения высоких температур контактным методом в водороде, вакууме, нейтральных и окислительных средах; термоэлектрические термометры этого типа отличаются высокой стабильностью и точностью [24, 25, 49, 57, 78].
За рубежом в качестве стандартных применяются разные комбинации термоэлектродных материалов, во многих случаях совпадающие по составу с термопарами советского производства. Помимо таких термопар наиболее распространенными являются термопары железо — константан, медь — константан, нихром — никель, вольфрам — молибден.  В связи с тем, что стандартные термопары различаются как материалами, так и интервалами измеряемых температур, и, кроме того, существуют некоторые различия в градуировке термопар, изготовленных из электродных материалов одинакового состава, Международной электротехнической комиссией в 1975 г. предложены усредненные градуировки для основных типов термопар [4].
Особое значение унификации и стандартизации термопар придается в странах — членах СЭВ, поскольку обеспечение взаимозаменяемости, установление требований, показателей и характеристик, необходимы при широком товарообмене и специализации производства термопар.
Классификация термопар. В зависимости от диапазона измеряемых температур термопары делятся на три класса: низкотемпературные (для измерений температуры ниже 0 °С), среднетемпературные (для измерения температур, не превышающих 1200 °С) и высокотемпературные (для измерения температуры до 3000 °С). Каждый диапазон температур налагает особые требования на тот или иной класс термопар. Кроме того, термопары подразделяются: по назначению и условиям эксплуатации — на погружаемые и поверхностные (и те, и другие могут быть стационарными или переносными); по числу зон, в которых должна контролироваться температура,—на однозонные и многозонные; по материалу термоэлектродов — на выполненные из благородных и неблагородных металлов и сплавов. Назначение термопары определяет ее конструктивные особенности. В зависимости от назначения термопары бывают с защитным чехлом или без него; герметичными или негерметичными; защищенными и незащищенными от воздействия окружающей и измеряемой сред. По устойчивости к механическим нагрузкам термопары подразделяются на виброустойчивые, ударопрочные и обыкновенные; по инерционности — на термопары большой инерционности (до 3,5 мин), средней инерционности (до 1 мин), малоинерционные (до 4 с) и ненормированной инерционности [18].