Термоэлектродные сплавы: как хромель, алюмель, копель и константан измеряют температуру

Как температура превращается в электрический сигнал

Термоэлектродные сплавы — основа термопар, одного из самых распространённых способов измерения температуры в промышленности.
Принцип связан с эффектом Зеебека.

Два разных проводника образуют измерительную цепь, а при разности температур возникает термоЭДС — небольшое электрическое напряжение.

Прибор измеряет его и по характеристике конкретной термопары определяет температуру.
Есть важный нюанс: напряжение возникает не просто «в месте спая двух металлов», как часто объясняют. Оно формируется на участках проводников, где существует температурный градиент.
Из истории физики: в 1821 году Томас Иоганн Зеебек нагревал соединение меди и висмута и заметил отклонение расположенной рядом магнитной стрелки.

Причину он первоначально связывал с «термомагнетизмом» — современное объяснение эффекта появилось позже.

 

 

Что требуется от хорошего термоэлектродного сплава

Для термопары мало взять два металла, которые выдерживают нагрев.

Гораздо важнее, чтобы их термоэлектрические свойства были стабильными и воспроизводимыми.
Проволока должна быть однородной по составу, сохранять характеристики при рабочих температурах, противостоять окислению в подходящей среде и нормально переносить изготовление, протяжку и монтаж.

При этом зависимость термоЭДС от температуры не обязана быть идеально линейной — для стандартных термопар она заранее определена таблицами и функциями преобразования.
Тонкий нюанс: даже сильный изгиб или механическая деформация проволоки иногда способны повлиять на показания, если изменённый участок оказывается в зоне температурного градиента.

Для термопары важна не только марка металла, но и однородность проволоки по всей рабочей длине.

 

 

Алюмель: никелевая основа термопары типа K

Алюмель — никелевый термоэлектродный сплав.

Российская марка НМцАК2-2-1 содержит никелевую основу, а также алюминий, марганец и кремний.

По ГОСТ 492-2006 алюминия в ней 1,6–2,4 %, марганца — 1,8–2,7 %, кремния — 0,85–1,50 %.
Главное применение алюмеля — отрицательный термоэлектрод пары хромель–алюмель, известной как тип K.

Она используется от низких до высоких температур и остаётся одной из самых распространённых промышленных термопар.

Стандартная характеристика типа K охватывает очень широкий диапазон, но это не означает, что любая тонкая проволока сможет годами работать у его верхней границы.

Реальный ресурс зависит от диаметра, атмосферы и конструкции датчика.

 

 

Хромель: высокая стойкость, но не при любых условиях

Хромель Т марки НХ9,5 — тоже никелевый сплав.

Основная легирующая добавка — хром: по ГОСТ его содержание составляет 9–10 %.

В термопаре типа K хромель работает в паре с алюмелем, а в российской термопаре типа L — с копелем.
Хром помогает сплаву противостоять высокотемпературному окислению, но считать хромель неуязвимым нельзя.

Особенно интересен эффект green rot — «зелёной коррозии».

При высокой температуре и недостатке кислорода хром может окисляться преимущественно.

Под оксидным слоем состав сплава меняется, а вместе с ним меняется и термоЭДС.

В тяжёлых случаях коэффициент Зеебека изменяется на десятки процентов.
Из истории металлургии: в 1905 году Альберт Марш подал патент на электрический элемент из никель-хромового сплава. Патент US811859 был выдан 6 февраля 1906 года.

Никель-хромовые материалы вскоре стали важнейшей частью электротехники XX века.

 

 

Копель: сильный термоэлектрический сигнал

Копель заметно отличается от хромеля и алюмеля: его основой служит медь.

Для марки МНМц43-0,5 ГОСТ задаёт 42,5–44 % суммы никеля и кобальта, 0,1–1,0 % марганца, остальное — преимущественно медь.
Одна из главных областей применения — пара хромель–копель, или термопара типа L. По ГОСТ Р 8.585 её характеристика задана от −200 до +800 °C.

Копель применяют и в паре медь–копель типа M, но у неё совсем другой диапазон — от −200 до +100 °C.

Поэтому объединять эти две термопары одним «рабочим пределом копеля» неправильно.
Хромель–копелевая пара даёт сравнительно большой термоэлектрический сигнал.

Это удобно для измерений, хотя высокая термоЭДС сама по себе ещё не означает автоматически более высокую точность.

 

 

Константан: когда сопротивление должно оставаться стабильным

Константан — медно-никелевый сплав, ценимый за высокое удельное сопротивление и небольшой температурный коэффициент сопротивления.

Российская марка МНМц40-1,5 содержит 39–41 % суммы никеля и кобальта, 1–2 % марганца, остальное — в основном медь.

Поэтому константан востребован не только в термоэлектрических цепях, но и в электротехнических сопротивлениях.
В международной термопарной практике словом Constantan называют медно-никелевые отрицательные электроды типов E, J и T.

Но здесь есть ловушка: это не один универсальный сплав.

BIPM отдельно отмечает, что «константаны» для E, J и T обычно не взаимозаменяемы.
Занимательный нюанс: название получилось настолько удачным, что давно воспринимается как описание свойства материала: сопротивление действительно меняется с температурой значительно слабее, чем у многих обычных проводников.

 

 

Диаметр проволоки: почему размер действительно имеет значение

У термоэлектродной проволоки есть простой компромисс.

Тонкий провод быстрее реагирует на изменение температуры, но имеет меньший запас металла и обычно быстрее деградирует при сильном нагреве.

Толстая проволока инерционнее, зато способна дольше работать в тяжёлых температурных режимах.
ГОСТ 1790-2016 хорошо показывает эту зависимость.

Для хромеля и алюмеля максимальная температура контроля термоЭДС составляет 600 °C для диаметров 0,2–0,3 мм, 800 °C для 0,5–0,7 мм и 1000 °C для проволоки 1,2–5 мм; более высокие значения в стандарте предусмотрены по специальному требованию.
Цифра, которая хорошо показывает масштаб: для хромель–алюмелевой пары диаметром 0,5 мм ГОСТ приводит ориентировочно 1000 часов работы при 800 °C, но около 100 часов при 1000 °C — при спокойной атмосфере чистого воздуха и изменении термоЭДС не более 1 %.

 

 

Термоэлектродные сплавы от компании «ПАРТАЛ»

Хромель, алюмель, копель и константан выбирают не просто по названию сплава.

Для реальной задачи важны марка сплава, диаметр и форма поставки, требуемая термоэлектрическая характеристика и условия будущей эксплуатации.
Компания «ПАРТАЛ» поставляет прецизионные, никелевые и медно-никелевые сплавы для промышленного применения.

В ассортименте представлены материалы для изготовления термопар, термоэлектродов, компенсационных проводов и других изделий, где особенно важны стабильность состава и предсказуемость свойств.
При подборе продукции можно ориентироваться не только на привычное название — хромель, алюмель, копель или константан, — но и на конкретную марку, требуемый размер и техническую задачу.

Это позволяет подобрать материал без лишнего запаса и без компромиссов там, где от сплава зависит работа измерительной системы.