Главная » Мануалы

1 ... 5 6 7 8 9 10 11 ... 18

а; fc; ч

со t; го о о 050со-(м ю-оого то ю о госоютю qolocoot - l-tcri TOOO- , 0 0 - (мто ч-сооо-ro cooror- с001л I

о о o o o . o o o - - - (n (m (m to to rf

(m - co о 00 rf - - lo ro tocoof-- oj oj rf

ro cx) rf TO TO 1 rf rf rf rf rf TO ю 00 ro сп о о - (м to rf со 00 о го со<35тог~- in о rf сп

о о'о о о о'о'о'- - -см см см to rf rf rf

со сг> о со ся го ся о ю см - см см 00 rf rf сг> 5> CsircoCMCM юсм -ю- - rfocno rf ся rf сг> оо - смто rfcooooro сосятосо- юcяrfoo

о о о о о оо о -- - - см см го ro ro*rfrf го о см - rf rfiogocor -ь-юсмю о ся го ю

cgfro-- rfocяcm00 ооосоюсо о rf о ю оо - смго rfcot-ocm юсясмсоо юcяrf00

ооооо ооо - - - - смсмсо to torfrf

сяююсмсо о 1---о отогсмго со то 00 о

- со см о о го 00 о со ю 1- см - см юою - оо -смсо rf ю о см ю 00 см со о rf ся то 00

о о оо о о'о © -- - -см см то го corf rf

юооой'см со о см о ся - см - см 00 см 1л

г - со - сь ся - г^югто см то ся г~ 00 -ю-со со о о - - см rf 1л г~ ся см ю 00 - ю ся rf 00 то г~

го 0 0 с500 ооо о- - - см смсм cotorfrf

= ffi = SS5 SSSsSS ggSS g52feS 3

oo -- CM rfю^-.cяcм ocj -юо> tooocmn- g

o o o o o 0 0 00~ - - cm cm cm rotorfrf и

&

.- g

1- о ю о CT) - ся ctltooorf rf 00 - ю 5

8ю о r~ ooco -tot ю t---ся ся CM cd CM r~ S

1о о о о о o o o d- --cm cmcm TO ro rf rf SPT

я s

Зюслсяо co - 1 00 to оосмюо о TO co о So

rfckcoco >смсяою torfooinoo oocmtto 9м

о о о - (m тоюсост)- rf о rf cm cmt -co чи

o o d o o oooc - - - сч см см oo torfrf яЭч

.f

в

о -co-о тоюооюсо - 00 со со rf 00 о ю 2

03;слсою COOtoOCM OOrf -- rotTOOO и со

oeSo-см тоюсооо- rftorfoo смсо - ю я о. а.

о соо о о о о о о - - - см см см rotorfrf нн

3* я я

(U (U

.- see

в g I

ооооо ооооо ооооо оооо ан н

оооо OOOOQ ооооо оооо . .

- см то rf u0 со 00 о) о - см то rf ю со со l-H(nf

Аппроксимирующий полином. По данным [174], зависимость т.э.д.с. Е, мВ, термопары ПР40/20 от температуры t может быть аппроксимирована следующими полиномами:

в диапазоне О-960,8 °С

£ = S а t,

где ао=0; а, = 3,6544289-Ю- ; 02=3,4805922-Ю-; аз=7,0717380Х ХЮ- ; Й4=1,7662403-10->; 5= 1,9630720-10~ в диапазоне 960,8-1769 С

£ = 2 6,-г',

где &о=-7,6244950-10-; ft, = 2,91284854 10 ; &2=-2,8978627 10-; &з=2,7885833-10-5; Й4= 6,4584195-10- . См. также данные [212].

Допускаемые отклонения т. э. д. с. Т. э. д. с. в точке золота должна быть для сплава ПР40 равной 1422±15 мкВ и для сплава ПР20 1264±35 мкВ.

Точность термопары. Точность термопары оценивается в ±1°С при температурах до точки затвердевания золота, zU2°C в интервале от точки затвердевания золота до точки затвердевания палладия и ±(3-4) °С при более высоких температурах [174].

Рекомендуемые рабочие атмосферы и интервал рабочих температур. Срок службы (технический ресурс)

Термопарой измеряют температуру в окислительных и нейтральных средах; возможно кратковременное использование в вакууме. Верхний предел рабочих температур ограничен температурой плавления отрицательного электрода (по данным [173], она равна 1887°С) и обычно оценивается в 1850°С. По других данным, температура солидуса сплава ПР20 составляет 1900 °С и верхний предел измеряемых температур указывается равным 1880 °С.

Нижний предел рабочих температур ограничен малой чувствительностью термопары и, как правило, составляет не ниже 1500°С (в исключительных случаях до 1000 С).

Термопарой ПР40/20 можно измерять температуру 1700-1800 °С в течение нескольких сотен часов, 1500°С -в течение минимум нескольких тысяч часов.

Термоэлектрическая стабильность

Стабильность в окислительных средах. Стабильность термопары ПР40/20 оценивается в работе [18] как отличная ниже 1500°С и хорошая выще 1500 °С. В работе [173] указывают, что неоднократные измерения при 1800С заметно не изменили т.э.д.с. термопары. В опытах [177] нагрев на воздухе прн 1700-1800 °С вызвал следующие изменения т.э.д.с. четырех термопар (табл, 5.34).



ТА БЛИЦА 5.34

Температура градуировки, С

Изменение т. э. д.

е., мкВ, термопар

(1800 -С, 170 ч)

№ 2 (1700 °С, 668 ч)

№ 3 (1800 °С, 772 ч)

Ni 4

(1803 °С, 372 ч)

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

- 12

Полученные результаты в основном хорошо согласуются с данными [172, 174], рис. 5.22, за исключением того, что последние не


Рнс. 5.22. Нестабильность т. э. д. с. термопары ПР40/20 в зависимости от времени нагрева на воздухе при 1700 °С [174]. Намерено при 1554 С

/ff 100

Время, ч

подтвердили сравнительно большие отклонения т. э. д. с. при меньших температурах градуировки (в работе [172] после нагрева при 1700°С дрейф в точке золота составил всего 1-4 мкВ, что, по-видимому, более верно).

Физические и механические свойства термоэлектродных сплавов

Температура плавления (ликвидус), С . . . . 1945

Плотность, кг/м^............. 16600

Удельное электросопротивление при 20°С, ОмХ

Хм-10 ................. 17,5

Отношение электросопротивления при температурах t к электросопротивлению при 20 °С. Значения t:

100................. 1,11

200 ................. 1,23

300................. 1,39

400 ................. 1,53

500 ................ 1,66

600................. 1,80

1900 18700

20,8

1,10 1,23 1,36 1,49 1,61 1,73

700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600

Средний температурный коэффициент линейного

Предел прочности, МПа . Относительное удлинение, Твердость по Бринеллю .

Продолжение

1.94

1,85

2,08

1,97

2,22

2,09

2,36

2,21

2,50

2,32

2,64

2,44

2,77

2,54

2,92

2,66

3,05

2,77

3,19

2,87

10,3

11,3

5.3. ТЕРМОПАРЫ ИЗ ИРИДИЯ

И ЕГО СПЛАВОВ С РОДИЕМ И РУТЕНИЕМ

ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР ДО 2200 С

Для измерения в нейтральных и окислительных средах температур, выходящих за пределы рабочих диапазонов термопар из платинородиевых сплавов, применяют термопары из иридия и его сплавов.


то t;c

Рис. 5.23. т. э. д. с. некоторых сплавов иридия с родием и рутением относительно платины [223-225]. Температура свободных концов О °С



Термопары из иридия, сплавов 1г - Rh и 1г - Ru обладают вполне удовлетворительной жаростойкостью в слабоокислительной атмосфере, достаточной прочностью при высоких температурах (более 0,5 МПа при 2000 °С) и развивают т.э.д.с. до 12-18 мВ. Подробный обзор имеющихся данных см. в работах [39, с 39-53 и 143-158].

Диапазон измеряемых температур. Предельная температура, которую можно измерить с помощью термопар, ограничивается темпе-



30 Rh,%

О т го 30 4о нь,%

Рис, 5,24. Т. э, д. с. сплавов системы 1г-Rh относительно иридия (по совокупности литературных данных). Цифры у кривых - температура измерения т. э. д. с; свободные концы - при О °С

Рис, 5,25. Зависимость жаростойкости сплавов иридия с родием при 2000 °С от содержания родия (образцы в виде проволоки диаметром 0,5 мм; отжиг пропусканием тока в течение 1 ч) [39, с. 39-531

ратурами плавления наиболее легированных сплавов и ее следует оценить в 12100-2200 °С.

Термоэлектродвижущая сила. Твердые растворы родия в иридии развивают т.э.д.с. относительно платины до -38 мВ при 1750°С. На изотермах т.э.д.с. имеется плоский максимум в районе 40-60 7о Rh (рис. 5.23). Рутений является, по-видимому, единственным элементом, уменьшающим т. э. д. с. иридия. Максимальная т.э.д.с. твердых растворов рутения в иридии (предельная концентрация 20% Ru) равна примерно 20 мВ при 1750°С. Термопары, образованные иридием и сплавами 1г - Rh различных составов, могут иметь т.э.д.с. 5-И мВ при 2000°С (рис. 5.24). Использование в качестве одного термоэлектрода сплава 1г -Ru позволяет увеличить т.э.д.с. термопары до 17 мВ при 2000 °С, Ни в сплавах 1г-Rh, ни в сплавах 1г - Ru не обнаружено температурного гистерезиса т. э. д. с, который указывал бы на возможность существования каких-либо превращений.

Взаимодействие с окружающей средой. Нагрев иридия, рутения, родия в окислительной атмосфере сопровождается потерей массы вследствие летучести образуемых окислов. Потеря массы родия наименьшая и сплавы 1г-Rh более жаростойки, чем чистый иридий (рис. 5,25). Благодаря тому что упругость пара окислов резко уменьшается при снижении парциального давления кислорода [226, 227],

стойкость термопар в слабоокислительной атмосфере намного больше, чем, например, на воздухе. Эксперимент показывает, что даже свободно одеваемая на электроды двухканальная изоляционная керамика оказывает некоторое защитное действие и продлевает срок службы термопар в окислительной среде.

Т.з.д.й, мВ

тй-щ\й

ИРбО-ИРуЮ

ИР50/0 ИР60/0

ИР40/0


Рис, 5,26, Т.э.д.с, термопар из иридия и его сплавов с родием и рутением (по совокупности литературных данных). Температура свободных концов О °С

Иридий и его сплавы с родием и рутением не взаимодействуют при высоких температурах с аргоном, гелием и азотом. Их жаростойкость в нейтральных средах, определяемая в основном величинами упругости пара и скорости испарения металлов, весьма высока. Отсутствуют указания о взаимодействии иридия с водородом, од-



нако применять термопары в среде сухого и влажного водорода ие рекомендуется [11], так как последиин может восстанавливать многие элементы из изоляционных и защитных материалов и продукты восстанов^ления могут реагировать с материалами термоэлектродов.

Взаимодействие с изолируюш^ей и защитной керамикой. В окислительной атмосфере иридий и его сплавы с родием и рутением не взаимодействуют с АЬОз, ВеО и ТЬОг. Согласно работам [161, 163, 164] термопары Ir -Rh/Ir менее склонны к загрязнению железом из глиноземистой керамики, чем термопары из сплавов платины с родием.

Состав сплавов для термопар. Рекомендованы и опробованы многие термопары из иридия и его сплавов с родием и рутением: ИРЮ/О* [14, с. 68], ИР25/0 [228], ИРЗО/0 [229], ИР40/0 [227], ИР50/0 [223], ИР60/0 [229], ИРуО/10 [14, с. 74], ИРЮ -ИРуЮ [14, с. 68], ИРбО/ИРуЮ [45, с. 286-329], ИР50 -ИРуЮ [41, с. 128-134], ИР50/10 [231] и др. (градуировочные кривые см. на рис. 5.26). Из всех этих термопар распространение получили только термопары ИР40/0, ИР50/0, ИР60/0 и ИР50-ИРуЮ, свойства которых подробно описаны ниже. Термопара, образованная двумя иридийродиевыми сплавами ИР50/10, известна только по одной работе, хотя определенно заслуживает более подробного изучения, так как сплав иридия с 10 % Rh более жаростоек, чем иридий.

5.3.1. ТЕРМОПАРЫ ИР40/0, ИР50/0 и ИР60/0 ИЗ ИРИДИЯ И ЕГО СПЛАВОВ С 40-60 % Rh

Основные свойства и назначение

Термопары ИР40/0, ИР50/0, ИР60/0 предназначены для измерения температур в окислительных и нейтральных средах, а также в вакууме. Они являются единственными, которыми можно измерять в окислительных средах температуры более высокие, чем те, которые измеряют термопарами типа ПР. Все три термопары обладают примерно одинаковыми свойствами и отдать предпочтение какой-либо из них трудно. Можно только отметить, что термопара ИР50/0 развивает несколько большую т. э. д. с. Максимальная температура применения термопар: 2100-2200 °С, т.э.д.с. при 2000 °С достигает 11 мВ, чувствительность 5,6-6,6 мкВ/°С.

Недостатки термопар: плохая пластичность термоэлектродов, сравнительно малый срок службы в окислительных средах, высокая стоимость.

В настоящее время в связи с наличием термопар из тугоплавких металлов, которыми можно измерять температуру в вакууме и инертных средах, термопары типа ИР применяются главным образом для измерения температуры в окислительных средах (например, на воздухе, в продуктах сгорания топлива), в основном в различного рода исследованиях. Ограниченное применение термопар является главной причиной того, что они до сих пор не стандартизованы.

* Цифры означают содержание родия в положительном (числитель) и отрицательном (знаменатель) электродах; Ру -рутений. Указанные литературные источники не всегда являются первыми публикациями.

Материал термоэлектродов (термоэлектродные сплавы)

Положительный электрод - сплавы иридия с 40, 50 и 60 % Rh. Отрицательный электрод - чистый иридий.

Т. э. д. с. термопары и термоэлектродов

Интегральная т.э.д.с. термопар ИР40/0, ИР5010 и ИРбО/О (табл. 5.35).

Дифференциальная т. э. д. с. термопар ИР4010, ИР5010 и ИР60/0 (табл. 5.36).

ТАБЛИЦА 5.35

ТА БЛИЦА 5.36

t, °с

э. д. с,

ИР40/0

ИР50/0

ИР60/0

0,37

0,38

0,36

0,84

0,86

0,82

1,38

1,41

1,33

1,96

2,00

1,89

2,56

2,62

2,46

3,17

3,24

3,05

3,78

3,86

3,63

4,36

4,47

4,20

4,94

5,06

4,76

1000

5,50

5,64

5,31

1100

6,04

6,20

5,85

1200

6,56

6,76

6,39

1300

7,08

7,30

6,92

1400

7,59

7,85

7,46

1500

8,10

8,39

8,01

1600

8,61

8,94

8,58

1700

9,13

9,51

9,16

1800

9,66

10,09

9,74

1900

10,20

10,68

10,36

2000

10,75

11,29

11,00

2100

11,32

11,91

11,65

Примечания: !. Иридий-родневые сплавы положительны относительно иридия.

2. Температура свободных концов О °С.

3. Таблица составлена по данным [232, 233].

Т. э

д. с, мкВ/°С

ИР40/0

ИР50/0

ИР60/0

3,20

3,30

3,20

4,25

4,40

4,10

5,05

5,20

4,90

5,65

5,75

5,40

5,85

6,05

5,70

6,10

6,25

5,80

6,05

6,25

5,85

5,95

6,15

5,75

5,75

6,00

5,65

5,65

5,85

5,60

1000

5,50

5,70

5,40

1100

5,35

5,55

5,40

1200

5,25

5,50

5,35

1300

5,15

5,40

5,35

1400

5,05

5,45

5,45

1500

5,10

5,50

5,65

1600

5,15

5,55

5,70

1700

5,20

5,70

5,80

1800

5,35

5,90

5,95

1900

5,45

6,00

6,25

2000

5,60

6,15

6,65

2100

5,75

6,20

6,60

Примечание. Представленные в таблице значения т. э. д. с. вычислены по данным [223, 232, 236].

Градуировочная таблица и точность термопары

Градуировочная таблица термопары ИР60/0 (табл. 5.37) *

* Градуировочные таблицы для термопар ИР40/0, ИР50/0 см. в работе [223].



СМГ~00ТОО001-~т1<ОЮСТ>гасГ>ОЮ(МСГ|00О>С000

то (М 00 tf ст> ю - 1- (М г~ то 00 tf ст> ю о сг> см ст> ю I

т*<СМ.СГ>00ОТОСО00СТ>(МС5Ю(МСМОО^.ОЮ - t!ocslcslt--tj<to - ж^СТ>т1<ОТ-ЮОГ~СМТОСО(М (М (М то СТ> Ю о СГ> - Г~ 1М 00 то СТ>о СГ> СМ ж ю

ОО-СМСМТОт^т^ЮЮСОСОГ^Г^ООСЛСПОО-

inTfO-Cmocooct--оог~тото.сг>ою т1<г~г~(Мст>1-~ютоа>т1<оо(Мсг>СТ)т1< - оососоою

(N СГ> - 1М 00 tf о Ю - СГ> 1М Г~ (М 00 tf СТ> Ю00

оо - - lГ(мcoтJтJююcr>tr>-Гtooooo5oo - cr>(м *тотJt--тоoтJтоooтJ-союоооослст) осм(Мс£)то - miTOgjTOro-mmcsiooTOoo CS) СГ) - со CS) 00 то СТ) ю о со - CS) г- то СТ) ю - то I

оо--СМСМС0ТОт1<ЮЮС0С01-Г^0000СТ)<ЭО - о - ОООЮЮС5СООЮОС)т1<ОСОООООС5000т1<

[оо(--ог~юто - ooтоoocsюст)TOcrlcOтJ *.cs) - ю о со - то о \о - СО - CS) 00 tf О СО то j

© о'-- - Cs) cs)cO то Ю Ю со со NsToO 00 С5 О О О

-Inl-

г * со 0>ТО 00 1-~ о С5 tf о Ю со - со - - - О со 00 S cj то то - Ю - СТ) 00 Ю CS) 00 CS) со о то 00 * - СТ) 00 о ю

-ЮОЮ- COCS)00CT)ЮOCO -CDCS)00TOCT)COCS) I

. о о - CS) CS) то то tf tf Ю со со СТ) 00 СТ) о-

05 -

ь;--;

(n ео

00 CS) 00 00 о 05 CS) - 00 Ю - CS) 00 CS) со то - со то CS) £i

!t>ct)coct)cotocs)ocdcs)t--oocmoolotocslct)

о СТ) tf о со CS) 00 то СТ) о Ю о со - то СТ)Ю - S

о'о'о -csfcs) тото ю co co t--N.oo ooo5 стГо - я

- - x

, к(

о

СТ) то то о tf CS) о 00 то СЛ - CS) со С5 со

сЬ - tf о оо сЬ - -- 40 СТ) cs1О) СЛ со ж CS) и

о-ч** 05 tf о Ю - то СО tf ст) tf о Ю - со CS) СО tf - 1 в -00

ООО -cs)cs)TOO-**mmcor~.ooooCT)criO- 3°я

CS) со 00 00 со CS) со со cd ю csi - со со о о ю -i аЗи TOOcooO4*Cs)OcOio - соо-ч^г^ - ttf - о - со ая

о tf 00 то 05 Ю - со cs) 00 то СТ) СТ) Ю о со cs) 00 о I ч и у

ООО - - cs)tototftflolococot000005CT)0- яж^

- - cia. о

-------- п

о ю 00 tf со 00 СТ) СТ) 00 о 00 cs) - то то со ю ю ю s

Осо - 0b0C5c0TfCSlCT)l0Ol000CSlc0 - ООЮтЮСТ)Ю я

о то 00 то 00 о со - -то 00 то СТ) о ю - то СТ) со °

о'о'о -- Csfco со Ю ЮСО со t-- оооо СТ) сто о - 2 и я

-- 11

я aj

OOOQOOOOOOOOOOOOOOOOOO

- cs)TOтJюS.00CT)O- cs)totj<mcDr00CT)O- ucmco .-н.- cs)cs)

Допускаемые отклонения т. э. д. с. Т. э. д. с. термопар не выходит за пределы ±1 % от значений, указанных в градуировочиых таблицах.

Точность термопары. С помощью непосредственного использования табл. 5.35 можно достичь точности ±22 С. При индивидуальной градуировке и построении поправочных кривых точность может быть увеличена [232].

Рекомендуемые рабочие атмосферы и интервал рабочих температур. Срок службы (технический ресурс)

По данным [48, с. 81 - 134], температуры плавления сплавов ИР40, ИР50 и ИР60 равны соответственно 2250, 2202 и 2153 С, поэтому предельные температуры, до которых можно пользоваться термопарами, следует оценить в 2200, 2150 и 2100 °С. Так как по многим другим параметра.м все три термопары практически идентичны, то разница в величине максимальной рабочей температуры в 100 °С может оказаться решающей при выборе термопары.

Незащищенными термопарами можно измерить 2000 С в окислительных средах в течение 10-25 ч [48, с. 81-134; 49, с. 1697-1734; 222]. В опытах [198] термопарой ИР60/0 была измерена на воздухе температура 1800°С в течение 100 ч (изоляция: AI2O3 и ВеО). Стойкость термопар в слабоокислительных средах, по-видимому, несколько больше: в атмосфере, содержащей 2 % О2, термопара ИР60/0 при температуре -~2000°С прослужила 55 ч. В высокоскоростных потоках окислительных газов - продуктов сгорания топлива в избытке воздуха - срок службы измеряется минутами или десятками минут. При этом термопары разрушаются в основном из-за низких механических свойств [234]. Отрицательный электрод окисляется быстрее (рис. 5.27) и первым выходит из строя.

В нейтральных атмосферах и вакууме срок службы термопар должен быть, очевидно, существенно больше, однако сведений о ресурсе термопар в этих условиях почти нет. Опыты по исследованию стабильности термопар в вакууме и аргоне [161, 163], а также в инертной атмосфере в присутствии углерода [235] продолжались не более 200 ч и можно только утверждать, что срок службы термопар в таких условиях не менее 200 ч.


то 1Ш то tc

Рнс. 5.27. Зависимость жаростойкости иридия (сплошная линия) н его сплава с 60 % Rh (штриховая лниня) от температуры (образцы в виде проволоки диаметром 0,5 мм; отжиг пропусканием электротока в течение ! ч) [39, с. !43-!581



Термоэлектрическая стабильность

Стабильность т. э. д. с, в окислительных средах. Имеющиеся немногие данные свидетельствуют о том, что дрейф термопар всегда положителен. По данным [188], в результате 100 ч испытаний па возду.хе при 1800 °С нестабильность термопары ИР60/0 достигала 0,8 7о (рис. 5.28). Эта цифра согласуется с данными [222], в соответствии с которыми после Ю-ч пребывания в слабоокислительной атмосфере при 2000 °С дрейф составил -0,5%, и с результатами [163], согласно которым после 120 ч нагрева при 1730 °С термопара ИР50/0 завысила свои показания иа 6,7°С (измерено при 1380°С). В последней работе утверждается, что термопары ИР50/0 более стабильны по сравнению с двумя другими. Изменения показаний термопар вызваны главным образом изменениями т.э.д.с. положительного электрода (рис. 5.29).

Стабильность т. э. д. с. в инертных средах и вакууме. Величина нестабильности термопар в вакууме и инертных средах примерно того же порядка, что и на воздухе, однако дрейф бывает как положительным, так и отрицательным [161, 163]. Термоциклирование в вакууме при 20=ё*1427°С [238] вызвало дрейф в -12°С (измерено при 1093°С).

Влияние термической обработки на т. э. д. с.

Проволока из иридия и иридийродиевых сплавов, подвергнутая отжигу при температуре выще начала рекристаллизации, хрупка и требует осторожного обращения. На этом основании в работе [236] предлагается использовать для термопар наклепанную проволоку (обычно эта проволока в состоянии поставки), так как отжиг не



О 25 50 75 100 Время нагрева, ч

Рис. 5.28. Изменение т. э. д. с. термопары ИРбО/0 при 1800 °С [1981:

1 - керамика из АЬОз с примесью TiOj; 2 -керамика из ВеО

О 2 4 6 8 10 12 Н Продолттемнос/пь нагрева, ч

Рис. 5.29. Стабильность т. э. д. с. иридия (сплошные линии) и его сплава с 60 % Rh (штри.\-овые линии) при изотермических нагревах [39, с. !43-158]. Цифры у кривых- температура иагрева, °С

СИЛЬНО сказывается на величииет. э. д. с. [234].

Однако эксперименты [39, с. 39-53] показывают, что отжиг

Так как проволока из иридия и его сплавов изготавливается горячим (теплым) волочением, материалы фактически находятся в частично упрочненном состоянии.

проволоки существенно умеиьщает последующую нестабильность при эксплуатации (рис. 5.30), так как отжиг деформированной проволоки увеличивает т.э.д.с., т.е. изменяет ее в том же направлении, что и при дальиейщих нагревах.

Проволоку из иридия рекомендуют отжигать при 1000 °С, а проволоку из сплавов 1г - Rh прн 1100-1200 °С в течение 10- 15 мин. Отжиг по такому режиму иридийродиевых сплавов, конечно, недостаточен для полного устранения начальной нестабильности, но сохраняет удовлетворительные механические свойства и существенно умеиьщает дрейф т. э. д. с.

0,4 0,3

Термоэл ектрич еская однородность термоэлектродных сплавов

По данным [39, с. 39-53], разброс значений т. э. д. с. при ООО °С образцов иридия из одной катущ-ки достигает 0,4 %>, из одной партии- 1 %, из разных партий - 2,5%. Разброс т.э.д.с. иридийродиевых сплавов достигает примерно таких же величин.

Удлиняющие провода к термопаре (табл. 5.38) Рекомендации по изоляции и защите

- ь

\ . л 1


500 1000 1500 t,°C

Рис. 5.30. Зависимость величины нестабильности т. э. д. с. иридия и его сплава с родием при 2000 °С от температуры предварительного отжига [39, с. 39-53]:

При эксплуатации термопар в области максимальных температур i - 1г; 2 - ir40Rh предпочтительно изолировать термоэлектроды чистой ВеО. Иридий и

иридийродиевые сплавы несовместимы с Th02 и Zr02. При температурах 1800°С возможно использование керамики из AI2O3 высокой чистоты.

таблица 5.38

Электрод термопары

Сплавы для удлиняющих проюдов

Характеристика удлиняющих проводов

Ир40, Ир50,

Нержавеющие стали 12Х18Н10Т, 12Х18Н9 или стали, близкие к ним по составу

Суммарная компенсация до 200-400 С

Индивидуальная градуировка каждой пары бухт проволоки необходима



5.3.2. ТЕРМОПАРА ИР50-ИРу10

ИЗ СПЛАВА ИРИДИЯ С 50 % Rh - -

И СПЛАВА ИРИДИЯ С 10 % Ru

Основные свойства и назначение

Термопара предназначена д.ая измерения температуры до 2100 С в окислительных и нейтральных средах и вакууме. Развивает т. э. д. с. 17,3 мВ прн 2000 °С н в диапазоне 1200-2000 °С имеет близкую к линейной термоэлектрическую характеристику с чувствительностью около 8 мкВ/°С.

По жаростойкости и стабильности т.э.д.с. термопара почти не отличается от термопар ИР40/0, ИР50/0 и ИР60/0, но превосходит их по величине т.э.д.с. и чувствительности [41, с. 128-134]. Термоэлектродная проволока для термопары поставляется по техническим условиям.

Материал термоэлектродов (термоэлектродные сплавы)

Марки и химический состав отечественных сплавов для термоэлектродов термопары ИР50-ИРу10 (табл. 5.39).

ТАБЛИЦА 5.39

Содержание основных компонентов, %

Марка сплава

50,0

50,0

90,0

10,0

т. э. д. с. термопары и термоэлектродов

Интегральная т.э.д.с. термопары ИР50 - ИРуЮ и ее термоэлектродов относительно платины (табл. 5.40).

ТАБЛИЦА 5.40

Т. э. д. с, мВ

э. д. с, мВ

t, с

ИР50-

ИР50-

ИРу!0-

i. -С

ИР50-

1100

10,1

20,8

10,7

1200

11,0

23.3

12,3

1300

11,8

26,0

14,2

1400

12,7

28,6

15,9

1500

13,5

31,2

17,7

1600

14.2

33,7

19,5

10,9

1700

15,0

36,5

21,5

13,8

1800

15,8

16,0

1900

16,5

1000

18,3

2000

17.3

Примечания: !. Сплавы ИР50 и ИРуШ положительны относительно платины.

2. Температура свободных концов О °С.

Градуировочная таблица и точность термопары

Градуировочная таблица. Не разработана. Каждая термопара подлежит индивидуальной градуировке.

Допустемые отклонения т. э. д. с. Т. э. д. с. термопары должна соответствовать значениям табл. 5.40 в пределах ±1,5 %.

Рекомендуемые рабочие атмосферы

и интервал рабочих температур.

Срок службы (технический ресурс). См. 5.3.1.5.

Термоэлектрическая стабильность

При измерении температуры газового потока продуктов сгорания углеводородных топлив и потока низкотемпературной плазмы со скоростью 1,2-1,7 М двухчасовая эксплуатация термопар при 2000-2200 К не вызвала изменений градуировки. См. также раздел 5.3.1.

s ТЕРМОПАРЫ ИЗ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ И ИХ СПЛАВОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР

6.1. ТЕРМОПАРЫ ИЗ ВОЛЬФРАМА

И МОЛИБДЕНА И ИХ СПЛАВОВ

ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР ДО 2400

Термонарами из вольфрама, молибдена, вольфраммолибденовых сплавов и сплавов вольфрама и молибдена с другими элементами можно измерять высокие температуры в неокислительных средах. Из всех тугоплавких металлов вольфрам, молибден и сплавы на их основе наиболее приемлемы для изготовления термопар, так как при примерно одинаковом уровне термоэлектрических и механических свойств онн несколько слабее взаимодействуют с окружающей средой, менее дефицитны и более дещевы, чем другие.

Диапазон измеряемых температур. Предельная температура для термопар с молибденовым электродом ограничена температурой его плавления (2S20°C); использование вольфраммолибденовых сплавов позволяет расширить диапазон до ~3000°С (термопара вольфрама- сплав вольфрама с 25 % Мо). Легирование молибдена другими элементами, которые могут быть использованы для увеличения т. э. д. с. (Fe, Al, Nb), уменьшает его температуру плавления и, следовательно, понижает предельную температуру измерения.

Термоэлектродвижущая сила. Значения т.э.д.с. сплавов относительно вольфрама представлены иа рис. 6.1. ГГодходящими для

Термопары нз вольфрамрениевых сплавов рассматриваются отдельно, см. раздел 6.2.



термометрических целей термоэлектрическими характеристиками обладают пары вольфрам - сплавы вольфрама с 50-25 % Мо, однако даже они развивают т. э. д. с. меньшую, чем термопары из чистых вольфрама и молибдена.

Т.з.д.С., tiB 8


1500

2000

2500 i;c

Т.з.д.с,/18 32

Рис. 6.1. т.э.д.с. сплавов W-Re относительно вольфрама: ; -сплав W-b5 % Мо [48, с. 177-187); 2 - сплав W-l-15% Мо [48, с. 177-187]; 3 - сплав W-b25 % Мо [45, с. 195-268]; 4 -сплав W-f 35 % Мо [48, с. 177-187]; 5 - сплав W-I-50 % Мо [244]

Легирование молибдена алюминием, железом, никелем, кобальтом и другими элементами, равно как и легирование вольфрама

(например, ниобием), позволяет увеличить т. э. д. с. пар вольфрам-сплав молибдена или молибден-сплав вольфрама и сделать их термоэлектрическую градуировку достаточно прямолинейной, без инверсии полярности (рис.6. 2).

Взаимодействие с окруокаю-щей средой. Вольфрам и молибден начинают окисляться на воздухе примерно при 400 °С. С ростом температуры окисление усиливается и при 600-800 °С принимает катастрофический характер. Оба материала не реагируют с водородом вплоть до температуры плавления, а также с инертными газами. При этом ни водород, ни инертные газы не должны содержать даже малых количеств окисляющих примесей (например, паров воды). Вольфрам не взаимодействует с азотом вплоть до очень высоких температур. Реакция молибдена с азотом начинается при -2400°С Вольфрам и молибден окисляются в СОг прн >1200 и >1000°С в парах НгО при 800-900 °С и науглероживаются в СО при 800 и >1000 С соответственно. Контакт с графитом (углеродом) при


Рис. 6.2. т. э. д. с. термопар W/Mo-b -И,5 % Fe (/); WAMo-b5 % Ni (2); W/Mo-fS % Co {3); % Nb

(4); Мо/Мо-Ь20% Nb (5), По данным [245]

1400-1500 °C сопровождается интенсивным карбидообразованием.

Взаимодействие с изолирующей и защитной керамикой. Вольфрам и молибден совместимы с изолирующей и защитной керамикой из AI2O3, ВеО, MgO, ThOj и ZrOj до -2000 взаимодействие с углеродом и кварцем начинается при более низких температурах, см. приведенные ниже данные [246]:

W Мо С ai2o3 ВеО MgO SiOs ThO ZrOj

.С - 2300 1500 2000 2100 2000 1600 2300 2100

/o,°C 2300 - 1600 2000 1900 1800 1500 2200 2150

Приведенные температуры указаны для начала реакции этих металлов с окислами в вакууме. Для инертных атмосфер они, как правило, ниже на 100-200°С, для атмосфер, содержащих водород и углерод, наоборот, выше на 200 °С [247]. Многие примеси в керамике могут реагировать с вольфрамом и молибденом при более низких температурах. Некоторые окислы, например ВеО, возможно применять для изоляции термоэлектродов при температурах, превышающих приведенные выше, вплоть до температуры плавлеиия, причем погрешность измерения температуры термопарой вызывается главным образом увеличением проводимости окисла, а не реакцией с термоэлектродом. О влиянии окислов на т. э. д. с, вольфрама и молибдена см. [248].

Составы сплавов для термопар. Исследованы термоэлектрические свойства термопар из вольфрама и молибдена, вольфрама и сплавов вольфрама с молибденом ВМо/15 [48, с. 177-187], ВМо/25 [45, с. 286-329], ВМо/35 [48, с. 177-187], ВМо/50 [244, 249], вольфрама и молибдена с I % Fe [45, с. 286-329], вольфрама и молибдена с 0,5 % А1 (ЦНИИЧМ-1), а также из сплавов вольфрама и молибдена со многими другими элементами [245]. В промышленности нашли применение только термопары ВМ и в ограниченном масштабе ЦНИИЧМ-1, свойства которых подробно рассматриваются ниже.

6.1.1. ТЕРМОПАРА ВОЛЬФРАМ-МОЛИБДЕН ВМ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР ДО 2400 °С

Основные свойства и назначение

Термопарой можно измерять температуру в инертных средах, водороде и вакууме. Диапазон обычпо измеряемых температур 1400- 1800 С, Предельная температура -2400°С. Чувствительность термопары в этом диапазоне около 6,5 мкВ/°С. Механическая прочность электродов значительно выше, чем электродов термопар ПР. Не требует соблюдения особой чистоты при изготовлении, монтаже и экс-плуатании. Самая дешевая из всех высокотемпературных термопар.

Недостатки термопары: плохая воспропзподнмость т. э. д. с, затрудняющая стандартизацию градуировочиой характеристики, небольшая величина т. э. д. с. и чувствительности, инверсия полярности и охрупчивание после нагрева при высоких температурах.

Основное применение: кратковременные измерения температуры жидких сталей, сплавов и шлаков в различного рода печах, KOinjcp-торах и ковшах. Одно время термопара ВМ получила широкое распространение в промышленности в качестве инструмента для измерения температуры жидкой стали [250-260]. В связи с созданием

11-330



термопар ЦНИИЧМ-1 и особенно BP, а также в связи с распространением термопар ПР для наиболее точных измерений температуры жидких сталей и сплавов термопара ВМ утратила свое исключительное значение. Однако и в настоящее время ею пользуются главным образом при выплавке и разливке неответственных сплавов, так как при всех недостатках она обладает одним несомненным достоинством - она дещевле других.

Термоэлектродная проволока из вольфрама и молибдена для термопар поставляется по техническим условиям [261].

Материал термоэлектродов (термоэлектродные сплавы)

Общая характеристика. Положительный электрод - вольфрам, отрицательный-молибден (полярность указана для температур выще 1400°С), Используются обычно металлы технической чистоты. Применение металлов высокой чистоты нецелесообразно, главным образом из-за их большой стоимости и повышенной чувствительности к загрязнениям [262].

Марки и химический состав отечественных сплавов для термоэлектродов термопар. Проволока для электродов термопар изготавливается из вольфрамовых и молибденовых штабиков марок ВРН и МЧ следующего химического состава, %:

ВРН

W . . , ,

>99,85

Мо , , .

<0,040

Остальное

Si ... .

<0,005

<0,014

Са , . ,

<0,011

<0,003

Mg . . .

<0,002

Ni . . .

<0,005

<0,005

Al-bFe , .

. . .

<0,013

<0,018]


Рис. 6.3. Зависимость т. э. д. с. термопары W-Мо от температуры (по совокупности литературных данных)

Т.э.д.с. термопары и термоэлектродов

Интегральная т. э. д. с. Температурная зависимость интегральной т. э. д. с. термопары представлена на рис. 6.3. Для нее характерны: минимум около 1,4-1,9 мВ при 600-800 °С, инверспя полярности прн 1200-1400 °С, близкий к прямолинейному участок в области температур 1800-2000 °С, уменьшение чувствительности, начиная с 2200-2400 °С и, возможно, существование максимума в районе 2500 °С [244].

Значения т.э.д.с. термопар и термоэлектродов, измеренной разными авторами [48, с. 177-187; 244, 249, 254, 256, 257, 259, 263-272], намного отличаются друг от друга и даже термоэлектродная проволока серийного производства развивает т. э, д. с, колеблющуюся в пределах 250 мкВ (в паре при 1300-1800 °С), см. [261],

Дифференциальная т.э.д.с. Согласно данным [250, 254, 266] дифференциальная т.э.д.с. термопары ВМ в области рабочих температур 1400-1900°С равна -6,5 мкВ/°С:

t, С..........

Дифференциальная т. э. д. с, мкВ/°С, по данным [266] . .

t, С..........

Дифференциальная т. э. д. с,

мкВ/°С, по данным;

266] ........

254 261

t, С..........

Дифференциальная т. э. д. с, мкВ/°С, по данным [266] . .

t, С..........

Дифференциальная т. э. д. с,

мкВ/°С, по данным:

[266] ........

254 261

(2) 1000

(4) ИОО

3,4 1200

2.7 1300

2.2 1400

3,2 3,5

3,6 3,3

4,1 4,5

5,1 5,0 5,6

6,5 6,8 6,1

Продолжение

1,2 1500

0,9 1600

0,4 1700

1,6 1800

2,6 1900

6,5 6,5 6.7

6,5 6.5 7,2

6,5 6,7 7,7

6,5 6,5

6,5 6,5

По другим данным [261, 263, 264, 270], в этом интервале она несколько больше и, что главное, увеличивается с ростом температуры (значения стоградусных разностей т.э.д.с. достигают 80 мкВ). см, также [244, 249].

Влияние химического состава на т. э. д. с. термоэлектродных сплавов. Т. э. д. с. вольфрама и особенно молибдена весьма чувствительна к содержанию примесей, в частности к содержанию железа, никеля, алюминия и кремния. По данным [245], молибден, содержащий 0,18% Fe илн 0,16%) Ni, уменьшает т.э.д.с, при 1500°С на 7,5 нли 6 мВ соответственно. Сплав вольфрама с 1 % Si относительно вольфрама, не содержащего кремний, развивает при 1500 °С т.э.д.с. -25 мВ [423]. Следовательно, колебания в содержании указанных элементов порядка сотых и тысячных долей процента могут быть причиной разброса т. э. д. с. термопары в десятки и сотни мкВ *.

* О влиянии примесей на т. э. д. с. вольфрама и молибдена см. Данишевский С. К- Разработка и исследои.ине высокотемпературных термопар из тугоплавких металлов и сплавов. Автореф. канд. дне. М.: 1964,



Температура

т. э. д. е., мВ, термопары с градуировкой №

рабочих кон-

цов, °С

5-56

7-56

9-60

11-60

13-66

-0,4

-0,4

-0,4

-0,4

-0,4

isbd

-о , 165

-о', 225

-о! 285

-о! 345

-0, 4b5

1400

+0,419

+0,359

+0,299

+0,239

+0,179

1500

1,057

0,997

0,937

0,877

0,817

1600

1,749

1,689

1,629

1,569

1,509

1700

2,495

2,435

2,375

2,315

2,255

1800

3,260

3,201

3,141

3,081

3,020

П р и м о ч а п и с. Темие1)атура свободных концов О С.

Градуировочная таблица и точность термопары

Градуировочная таблица. В связи со сравнительно плохой воспроизводимостью т. э. д. с. вольфрамовой и молибденовой проволоки даже в пределах одной партии градуировочная таблица термопары не разработана. В промышленности применяется комплектация вольфрамовой и молибденовой проволоки для термопар ВМ в соответствии

ТАБЛИЦА 6.2

t.-c

/, С

i, С

t, С

1300

-0,225

1400

0,359

1500

0,997

1600

1,689

1305

-0,197

1405

0,390

1505

1,030

1605

1,725

1310

-0,169

1410

0,420

1510

1,064

1610

1,761

1315

-0,141

1415

0,451

1515

1,097

1615

1,797

1320

-0,114

1420

0,481

1520

1,130

1620

1,833

1325

-0,086

1425

0,512

1525

1,163

1625

1,869

1330

-0,058

1430

0,542

1530

1,197

1630

1,905

1335

-0,030

1435

0,573

1535

1,230

1635

1,941

1340

-0,028

1440

0,603

1540

1,263

1640

1,977

1345

0,026

1445

0,634

1545

1,296

1645

2,013

1350

0,054

1450

0,665

1550

1,330

1650

2,049

1355

0,084

1455

0,698

1555

1,365

1655

2,087

1360

0,115

1460

0,731

1560

1,401

1660

2,126

1365

0,145

1465

0,764

1565

1,437

1665

2,164

1370

0,176

1470

0,798

1570

1,473

1670

2,203

1375

0,206

1475

0,831

1575

1,509

1675

2,242

1380

0,237

1480

0,864

1580

1,545

1680

2,280

1385

0,267

1485

0,897

1585

1,581

1685

2,319

1390

0,298

1490

0,931

1590

1,617

1690

2,358

1395

0,328

1495

0,964

1595

1,653

1695 1700

2,396 2,435

Примечание. Температура - в градусах МПТШ-68.

С пятью градуировочнымн характеристиками (групповая градуировка) в области температур 1300-1800 °С [261, 267, 268]. Номинальные значения т.э.д.с. каждой из пяти групп (табл. 6.1) отличаются друг от друга на величину допуска ±30 мкВ (±5°С). Примерная градуировочная таблица для одной из групп представлена в табл. 6.2 [261].

Аппроксимирующий полином, в области 1400-1800 °С температурная зависимость т.э.д.с. близка к линейной и, по данным [266], описывается уравнением £ (мВ) =6,45-10- / - 8,427, где / - температура рабочего спая термопары.

Точность термопары. Среднеквадратическая погрешность индивидуальной градуировки термопары ВМ оценивается в работах [267, 268] в ±9°С, групповой -в ±11 °С при 1500°С. В согласии с этой оценкой находятся результаты [259]. В работе [18] указывается, что погрешность термопары ВМ при температуре 2000 °С равна 20 °С.

Рекомендуемые рабочие атмосферы и интервалы рабочих температур. Срок службы (технический ресурс)

Судя по имеющейся информации о свойствах вольфрама и молибдена (см. 6.1), термопарой ВМ можно длительно измерять температуру в инертных средах и сухом водороде. Однако экспериментальные данные, подтверждающие эту возможность, отсутствуют. Длительность эксплуатации термопар во всех известных исследованиях не превышала 150 ч и сопровождалась существенным дрейфом показаний. На нежелательность применения термопар в гелии указано в работах [272, 273]. Эти указания нуждаются в проверке.

Интервал рабочих температур лимитируется температурой плавления молибдена (2620 °С) и инверсионной точкой градуировочиой кривой, лежащей при ~1350°С. Верхний температурный предел оценивается обычно в 2500 или 2400 °С, так как при -2400 °С молибден начинает реагировать с азотом В связи с тем что вольфрам и молибден при высоких температурах (>2000°С) взаимодействуют со многими окислами, представляется справедливой рекомендация, данная в работе [19], согласно которой целесообразно использовать термопару ВМ при 2100°С без изоляции. Обычный диапазон рабочих температур термопары в условиях промышленной эксплуатации 1400-1800 °С [256], в специальных случаях он расширяется до 2100°С [274].

Прн относительно несложной защите термопара может быть использована для кратковременных измерений температуры в окислительных средах и расплавленных металлах [250, 253, 254, 256, 259, 276]. Современные термометры погружения с термопарами ВМ позволяют производить 3-5-кратные измерения температуры жидкой

Примерно при этой температуре чувствительность термопары ВМ начинает уменьшаться, что также нежелательно.

2 Такой защитой являются керамическая соломка, в которую помещаются термоэлектроды, и защитный колпачок с наличием небольших воздушных зазоров.



1 ... 5 6 7 8 9 10 11 ... 18

Яндекс.Метрика