Области применения и материалы термоэлектрических ИП

Термоэлектрический ИП обычно называется термопарой, и он используется для измерения (преобразования) температуры.

Зависимость термоЭДС термопары от разности температур Т₁ - Т₀ в общем случае описывается выражением

Е_T = a₁(Т₁ - Т₀) + a₂(Т₁ - Т₀)² + … + a_n(Т₁ - Т₀)ⁿ, (6.4)

где a₁, a₂, …, a_n - постоянные, зависящие от материалов термоэлектродов.

Каждая термопара характеризуется собственным рядом температурно-независимых коэффициентов a_i. Для большинства материалов требуется примерно восемь коэффициентов, чтобы получить погрешность описания зависимости Е_T = F(Т₁ - Т₀), равную ± 1%. Коэффициент a₁ получил название коэффициента Зеебека [14].

В узком диапазоне зависимость Е_T от температуры можно описать приближенным выражением только с одним коэффециентом a₁.

Материалы, применяемые для термопар, должны иметь: однозначную зависимость термоЭДС от температуры; высокую стабильность термоэлектрических свойств, механическую прочность, химическую устойчивость.

Для изготовления термопар используют главным образом металлы и их сплавы. Термопары из полупроводников характеризуются высокой чувствительностью, но обладают большим внутренним сопротивлением и малой механической прочностью и находят ограниченное применение.

Для изготовления термопар можно использовать несколько комбинаций материалов. Термоэлектроды выбирают следующим образом. Сначала выбирают базовый материал, например, платину, и затем стремятся сочетать термоэектроды таким образом, чтобы один из них развивал с платиной положительную, а другой отрицательную термоЭДС. При этом следует учитывать и другие факторы, например, влияние среды [10].

В качестве материалов для термопар используются металлы (платина, медь, родий, рений, иридий и др.) и сплавы (хромель, алюмель, копель, медноникеливые сплавы, платинородий, вольфрамрений и др.).

В области низких температур, примерно от -270 ⁰С до +(100¸ 200) ⁰С, используются термопары [13]:

1 ) медь - константан - характеризуется большим разбросом характеристик (требуется индивидуальная градуировка) и понижением чувствительности при низких температурах. Температурный диапазон от -270 до +200 ⁰С. Чувствительность сильно уменьшается при низких температурах (с 40 мкВ/⁰С при температуре 0 ⁰С до 1, 1 мкВ/⁰С при -269 ⁰С).

2) медь - (золото + 2, 1 % кобальта) - характеризуется сравнительно большой чувствительностью при низких температурах (S = 3, 5 мкВ/⁰С при Т = -269 ⁰С).

3) медь - (медь + 0, 005% олова) - характеризуется сравнительно большой чувствительностью при низких температурах (S =5, 7 мкВ/⁰С при Т = -269 ⁰С).

Также применяются термопары, которые обычно используются при более высоких температурах: хромель-копель, хромель-алюмель и др.

В области средних температур от 0 до +1800 ⁰С применяются термопары как из неблагородных материалов (хромель-копелевые и хромель-алюмелевые), так и из благородных материалов (платино-платинородиевые и платинородий-платинородиевые).

Термопары хромель-алюмель применяются в диапазоне от -200 до 1100 ⁰С и имеют погрешность» 2 - 3 %, термопара платинородий-платина имеет диапазон от 0 до 1600 ⁰С и погрешность» 0, 1 - 0, 5 % [3].

В области высоких температур от +1600 до +3500 ⁰С применяются термопары:

1) иридий-родийиридиевые;

2) вольфрам-рениевые;

3) термопары на основе карбидов переходных металлов: титана (TiC), циркония (ZrC), ниобия (NbC), талия (ТаС), гафния (HfC) и др.

В диапазоне до +2100 ⁰С применяется иридий-родийиридиевая термопара; до + 2500 ⁰С - термопары на основе вольфрам-рениевых сплавов. Термопары из карбидов переходных металлов могут использоваться для измерения температур до 3500 ⁰С, например, термопары ZrC - NbC, NbC - HfC.

Наиболее широко используются промышленные термопары, выпускаемые в соответствии с ГОСТ 6616-94. Основные характеристики этих термопар приведены в ГОСТ Р.50431-92.