Для измерений температур до 1200 °С наиболее широкое распространение получили стандартные термопары хромель — копель и хромель — алюмель. Однако они недостаточно стабильны, так как при нагреве до 500 °С в термоэлектродах из этих материалов происходят внутренние изменения, а при более высоких температурах — их окисление. Обусловленные этими причинами погрешности при измерениях па уровне 1000 °С могут достигать 10 °С в случае непрерывной работы в точение 1000 ч [18, 64, 103]. Поэтому во многих странах мира ведется исследовательская работа по расширению класса термоэлектронных материалов для среднетемпературных измерений. В Индии для измерения температур 0—250 °С употребляются термопары медь — адванс и медь — молибденит [97, 105]. В США широко используются термопары никросил-нисил, представляющие собой сплавы на основе никеля с добавками хрома и кремния (никросил) и никеля с примесью кремния и марганца (нисил). На аналогичной основе в нашей стране разработана термопара сильх — силин; но сравнению с зарубежным аналогом она имеет более высокую чувствительность [64, 66, 103].
Для измерений до температур 1200—1300 °С часто используют термоэлектрические преобразователи платина-платинородий, платинородий — платинородий. Усиленные поиски в области термопарных материалов вызвали стремление заменить термопару такого типа другой, эквивалентной ей по свойствам, но более низкой по стоимости. Исследования показали, что разработать термопару - заменитель на основе неблагородных материалов невозможно. В связи с этим были предприняты попытки создать высокочувствительную и высокостабильную термопару из сплавов палладия — аналога платины. Следует отметить, что исследования палладия в качестве термоэлектродного материала проводились еще в начале века; в 30-х годах в СССР выпускали термопары типа паллапат (сплав палладия с золотом), однако этот сплав не обладал достаточной стабильностью. В начале 60-х годов термопары с термоэлектродами из палладиевых сплавов производили фирмы «Бейкер платинум» и «Джонсон, Матзи энд компани» (Великобритания), фирмы «Гереус» (ФРГ), «Эндельгард индастриез» и «Дженерал электрик» (США). Основным недостатком всех разработок являлась недостаточно высокая стабильность в широком интервале температур. Улучшенной стабильностью обладали термопары с термоэлектродами из платинеля (сплава палладия с платиной и золотом), а также термопары платиноиридий — палладий и серебро-палладий, однако все эти сплавы и комбинации материалов не позволяли создать термопару, которая конкурировала бы с платинородий — платиновой [82]. В настоящее время в пашей стране в результате систематического изучения термоэлектрических свойств двойных и тройных композиций на основе палладия создана термопара палладий — хром (положительный электрод) и палладий — алюминий — никель (отрицательный электрод). Эта термопара обладает удовлетворительной стабильностью, достаточной чувствительностью и большим сроком службы при температуре 1200 °С [20].
Высокотемпературные термопары. Измерение высоких температур связано с большими трудностями, которые обусловлены более высокой интенсивностью процессов диффузии, окисления, изменения кристаллической структуры термоэлектродного вещества в этих условиях.
Термопары платинородий — платина и платинородий — платино- родий являются наиболее хорошо изученными термоэлектрическими преобразователями и, как уже отмечалось, в настоящее время во многих странах их номинальные статистические характеристики стандартизированы. Термопары на этой основе широко применяются, в частности, в металлургической промышленности [18, 29, 64].
Термопары платина — платинородий и платинородий — платинородий пригодны для измерений температур до 1800 °С. Самую высокую температуру плавления среди медленно окисляющихся металлов платиновой группы имеет иридий [18]. Это позволяет изготовить термоэлектрические преобразователи для измерения температур до 2200 °С в окислительных средах. По результатам проведенных советскими специалистами исследований для промышленного использования была рекомендована термопара с электродами из сплава иридия с 50 % родия и сплава иридия с 10 % родия. Эта термопара обладает достаточной стабильностью термо-ЭДС и термостойкостью при высоких температурах [2].
Значительное распространение для высокотемпературных измерений получили термопары на основе сплавов вольфрам — рений и вольфрам — молибден [18].
Для температур до 2800 °С советские исследователи Г. В. Самсонов, П. С. Кислый, А. Д. Панасюк разработали ряд термопар с тугоплавкими твердыми электродами: карбид циркония — борид циркония, карбид ниобия — графит, карбид ниобия — карбид циркония 161, 70].
Пределом длительной стабильной работы металлических термопар считается 1800—1900 °С. Это связано с процессами рекристаллизации и роста зерен, неодинаковым испарением компонентов и некоторыми другими процессами, приводящими к изменению термо-ЭДС и снижению механической прочности термоэлектродов. Одним из перспективных направлений дальнейшего развития термоэлектрической термометрии в области высокотемпературных измерений считается использование монокристаллов тугоплавких металлов и их сплавов, что предложили в 1963 г. Б. И. Стаднык, В. И. Лах и И. Ф. Паляныця [77]. Чистые монокристаллы металлов и сплавов имеют, как известно, ряд уникальных физических свойств, таких как стабильность структуры, отсутствие рекристаллизации, которые не характерны для поликристаллов. Кроме того, монокристаллы молибдена и вольфрама обладают гораздо более высокой пластичностью, чем в поликристаллическом состоянии. Монокристаллы тугоплавких металлов устойчивы при работе в плазме цезия и других щелочных металлов, что важно для многих деталей электровакуумных и газонаполненных установок. Детальные исследования, проведенные в ПО «Термоприбор», показали, что применение монокристаллов в термоэлектрических термометрах обеспечивает значительное повышение их чувствительности, точности и надежности [50].
Рис. 6.9. Малоинерционная термопара [44]:
1 —- конический изолятор; 2 — гайка; 3 — корпус термопары; 4 — вывод термопары; 5 — слой стекла; 6 — высокотемпературная замазка.
