с о. s о ш и £;

Н D.

СО О ti- О <>1 1- Ю vn СО f>4 О СО I-0 OOOt-iOCOrNOCOCO;5-OJOCOcDC;Jat-

С1 СО lO СО СО t ОД О О 00 со

оГ <м ся oa c-f c-i f>i со

со со со со со -

lO со

C-i f>f CN cvf fM со со со со со СО со со со

СЗСОСОСОСОСОСОСОСОСОСОСОСОСОСО

со 00 cJ со

1 о о - со

сг. - l-o со - о ьо со -

t; f>J со ltj uj w - l,n lj itj w

C CN СЧ (Г1 CN CM C<l CN CN CN CO со со CO CO со CO CO

ййсосососососооосооосососососооосососо

SSSbooiocclCN

о CN CO lO Ю CO

CCTjGOcOCNOh-tC OOOJCNOOOCOCO-

CN rN Гм cm CN CM CN CN GN CN CN CN CO Co CO CO cO CO CO CO

cococooooocooooococococococococococococo

CO -. lO Oi Cl L£? t--tr-CO-CN - Ot-.

o - cico--ioco

Ю CN

w ~- .4 w . - -- - . CO Ю

CNCNCNCNCNCMCNCNCNCNCNCNCOCOCOCOCOCOCOCO

cococococococococooococococococococococo

Oi о -

tr- W -d-CD Ю 00 о о - CO

- CM CO 00 00 CO 1.0 CO - Cl Ю

Ю li 00 OO ci о

C C CM CM CM cm cm cm cm cm CnF 00 CO

oococooooococooooococoooooco

о c: tr- CM CT

- OO CD CM Cl

CM CM oo Ю

oo oo oo oo oo со

00 OO 00 00 00 00

o-d-oocoaco

LO LO Ю Ю

LO-i-CM - спгаоС2обсй#

о - ClCOCO-LOOOrOOOOOiO

CO - С) t- - о 00 LO CO - СЛ - CM CM 00 -T- Ю lO

cm cm cm cm Cf ci со со CO CO CO со 00 CO

cococococococococococococooo

- -.

OuOO-r-OCOlOCOftrtOIOOO 1ОС0СЧО00[ЮС0- ОГЮСО- CtuO -.

ocMcoco*i;iocottoooO - смоо-юю

c CN CN CN CM cm cm cm CM cm cm CO oo co 00 CO 00 co CO cocococooococooococooooooooocooocoooooco

-- юасмаоосХ!с:с:с:с:оог10оО-С:о

-sfCN - CnrCD-!fCMO00CD!fCMO00ti3CMC:ir~ O - CMCMCO-LOCDrtQOCO-CM CM cm o) o) cm cm cm cm CM cm cm со со

OOCOCOCOCOOOCOOOPWCOCOCOCO

- -QCJ>QOCDoO - 00

CMOtlofoo - c:cD

0 - - CM CO lO

cm cm cm cm cm cm cm CM cm cm cm cm CO* CO со oo oo со со oo

COOOCOCOCOCOCOCOCCOCOCOCOCOCOCOCOCOCOOO

00 00 00 -

CO - о 00 о - CM CM CO

CD 00 о - CO - о 00 LO CD

S2a)P;y3.*CM---6ir-ioco - gJrLOCMooocD

о - - CM CO lO CD CO 00 CT) О О - СМ C0 -sh lO

со со CO со 00 со со со

.g-piCMLOoqocMMComcocM - ooocDco~

CM, п ф

см см см см см см см см см см см см со со со со со сососососососососососососососооосо

оооооооооооооооооооо

о - CMCO-LOCDrQOOlO - CMCO-LOCDrQOC: СОСОСОСОСОСОСОСОСОСОЧ -*-*-*-*?-

смсмсмсмсмсм

СОСОСОСОЧ -*-*-*-*-**--**

смсмсмсмсмсмсмсмсмсмсмсмсмсм

Наличие трех номинальных статических характеристик для термопары BP 5/20 обусловлено определенным разбросом по содержанию рения [43]. В работе [82] установлено, что добавка рения 0,1 % может развивать термоЭДС порядка 140... 180 мкВ при 1500 К для сплавов ВР-5 и ВР-20. Имеющиеся же методы определения содержания рения (в основном химические и спектральные) дают погрешность ± 0,3 %, поэтому трудно снизить допуск на содержание рения в его сплавах с вольфрамом меньше чем ± 0,5 %.

Таблица 9.35. Номинальная статическая характеристика преобразования BP (А)-2 (диапазон температур 1800... 2500 °С)

Таблица 9.36. Номинальная статическая характеристика преобразования BP (А)-3 (диапазон температур 1800...2.500 X)

Номинальные статические характеристики в диапазоне температур 1800...2500 °С и 2500...2800 °С приведены в табл. 9.35...9.37.

Термопара BP 10/20, развивая несколько меньшую термоЭДС (табл. 9.38) и имея меньшую чувствительность (8,5 мкВ К ~ при 1500 С, 7,0 мкВ К - при 2000 °С и 4,0 мкВ К при 2500 °С), чем термопара BP 5/20, более пластична и стабильна при высоких температурах, что является следствием подобного электронного строения материалов термоэлектродов [911]. С увеличением содержания рения в сплаве пластичность проволоки возрастает. Поэтому наиболее пластичны термоэлектроды термопар BP 15/20 и BP 15/25, однако их термоЭДС сравнительно небольшая (при 2000 °С) - соответственно 7,2 и 13,0 мВ.

За рубежом распространены термопары с несколько иным содержанием рения в термоэлектродах: BP 3/25, BP 5/26 и BP 0/26. Фирма Омега (США) присвоила этим термопарам следующие условные обозначения: D, С, G, а фирма Америкен стандард - АО, АЕ, АА. Номинальные статические характеристики этих термопар приведены в табл. 9.39. Допускаемые отклонения от них 1 %.

В работе [804) выведены интерполяционные уравнения зависимости Е (мВ) термопар BP 3/25 и BP 5/26 от температуры (°С) с допустимым отклонением ±1,0 % до 2000 °С и ±2,0 % до 3000 °С:

£ = 0,176 + 7,773 10-3/ 2565 . - 2,433 10-/ +

10-5

+ 1,162 10- /* -2,

£ = 0,293 + 9,015- Ю-/+ 2,701 10 + 1,788 - 10- i* - 5,049 10-¥ + 2,837

+ 2,837 . 10-/9 для BP 3/25, - 3,158 10-/3 + 10-3/в для BP 5/26,

Поскольку вольфрамренневые термопары - самые высокотемпературные, проблема стабильности показаний для них наиболее сложная.

Авторы [847, 910] пзуч.п.тн изменения термоЭДС термопар BP 5/20 н BP iO,20 в атмосфере аргона. Исследова.И! термоэлектроды диаметром 0,5; 0,35; 0,2; 0,1 мм при 1,300 ,2000 °С, Установлено, что изменения термоЭДС всех термопар при отжиге выше 1500 °С заметно неравномерны во времени, Основиь:е нэмепспия происходят в первые часы отжига и связаны с недостаточной гомогешзацпсп сплавов при отжиге методом перемотки

Таблица 9,37. Номинальная статическая характеристика преобразования ВР(А)-1 (диапазон температур 2500...2800 С)

и доспиают 3...4 %. Через 2...3 ч показания в значительной степени стабилизируются, причем более тонкие термопары стабилизируются быстрее, так как их гомогенизация прн предвари-тё,-ьпом отжиге более полная. Предварительно отожженп.ые термоэлектроды изменяют термоЭДС после работы в течение 15 ,20 ч на 1 ,2%. При этом выявлено, что стабильность термопары BP 10/20 лучше, чем BP 5/20, что подтверждается результатами работы [691]: нагрев при 2000 °С в течение 20 ч приводил к изменению термоЭДС термопары BP 5/20 из термоэлектродов диаметром 0,5 мм на 6 % , термопары BP 10/20 - па 2 %. При более высоких температурах (1930,..2330 °С) поведение термопары BP 3/25 изучали в работе[1179]. Исследования проводили в высокочистом аргоне, исключающем загрязнение примесями газовой среды. Термопары предварительно отжигали. В начальный период работы обнаружены значительные изменения статических характеристик: величина изменений достигала 1 ?6 при температуре эксплуатации 2130 °С и обусловливалась в основном изменениями термоЭДС термоэлектрода ВР-3 (до 400 мкВ). При дальнейшей эксплуатации до 1000 ч существенных изменений термоЭДС не обнаружено.

Изучались также изменения состава и микроструктуры термоэлектродов ВР-5, ВР-Ю н ВР-20 пск-ле отжига при 1800 °С в течение 230 ч [847],

Таблица 9.38, Интегральная термоЭДС термопары BP 10/20

Особых изменений фазового состава термоэлектродов по отношению к исходным образцам не обнаружено. Содержание рения в термоэлектродах после работы при 1800 °С сохранилось таким, как и после работы при 1400 °С.

Значительное количество измерений температуры вольфрамрениевыми термопарами проводят в вакууме. В работе [1189] указано, что изменения термоЭДС вольфрамрениевых термопар при вакуумном нагреве практически заканчивались после первого часа, что согласуется с данными других исследователей. При дальнейшем отжиге до 1000 ч при температурах 2130 °С и выше термоЭДС термопар стабилизировалась, хотя и наблюдались непрерывные изменения термоЭДС термоэлектродов ВР-3 и ВР-25, обусловленные избирательным испарением рения. Полученные результаты свидетель-

ствугот о том, что для измерений, требующн.х высокой точ1юсти, !уеобходи-мо провести дополнительный отжиг тсрмолюкгродов с целью устранения начального изменения термоЭЦС,

Изменения термоЭДС термоэлектродов ВР-3 п ВР-25, достигающие 360 и 2400 мкВ при 1800 °С cocTBercTBeiiiio, в резулыа1е высоковакуумного отжига при 2130 °С в течение ёОО ч являююя резулыаюм избирательного испарения рения в сплавах, особенно в термоэлсктроде ВР-25, Это доказано результатами исследования состава термоэлсктродов посредством

Таблица 9,39. Номинальные статические характеристики вольфрамрениевых термопар, используемых за рубе.ком

рентгеновского микроанализа. Следовательно, длительные измерения температур оголенными термоэлектродами вольфрамрениевых термопар можно проводить в высоком вакууме (0,1 МПа) лишь до 950 °С, иначе неизбежны изменения состава и термоэлектрических свойств термоэлектродов. Стабильность термопар возрастает, если и использовать в защитной оболочке. Так, по данным Асамото и Новака, изменения статической характеристики термопар, изолированных высокочистым оксидом тория и помещенных в защитном чехле из вольфрамрениевого сплава ВР-26, после 148-часового нагрева при 2425 °С в вакууме не превышали ±0,3 мВ (±40 °С).

Анализируя поведение вольфрамрениевых термопар в аргоне и вакууме при температурах выше 1800 °С, можно сделать вывод, что изменения термоЭДС термоэлектродов ВР-20 и ВР-25 в высоком вакууме являются в основном следствием испарения рения, тогда как в аргоне - следствием

внутрикристаллических изме}1енин, а изменения термоЭДС термоэлектродов ВР-3 и ВР-5 в вакууме и аргоне являются следствием интс}1сивных внутрикристаллических изменений и обусловлены, вероятно, особенностями электронного строения сплавов с небольшим содержанием рения [120, 912].

Более подробно поведение вольфрамрсниевых термопар при высоких температурах в различных средах и влияние ]1азличного рода воздействий (механических, радиационных) рассмотрено в 520].

Вольфрамренневые термопары применяют и для измерения температуры расплавленных металлов в окис.штельных средах. В первом случае - термопреобразователи на их основе разового кратковременного (несколько секунд) действия, например

Та б л и ц а 9.40. Интегральная термоЭДС молибденрениевых термопар, мВ

ТВР-301-01 для измерения температуры жидкого чугуна, ТВР-2075 - жидкой стали [518]. По данным [43], термопары BP 5/20 в защитных чехлах при измерении температуры 1600... 1900° С жидкой стали методом кратковременного погружения зарекомендовали себя не хуже платинородиевых. На одном спае без его возобновления проводили до 40 и более измерений. Отклонение показаний термопар после работы не превышало ± 4 °С.

При измерении температуры

окислительных сред термопары обязательно защищают (покрытием, арматурой), В термопаре BP 5/20 термоэлектроды вплавлены в кварцевое стекло и защищены стеклом из графита. Ее срок службы зависит от температуры эксплуатации (до 1900 °С) и степени агрессивности и колеблется от 20 до 80 ч.

Материалы исследований стабильности вольфрамрсниевых термопар свидетельствуют о том, что наибольшие изменения термоЭДС происходят в первый час, в атмосфере чистого аргона показания наиболее стабильные. Кроме того, стабильность термоЭДС термоэлектродов зависит от нх металлургической и термической предыстории, в частности от качества предварительного отжига, проведенного изготовителем терыоэлектродной проволоки.

Необходимо отметить, что предварительный отжиг вольфрамрениевой проволоки, проведенный изготовителем, приемлем лишь для тех областей современной техники, где требуемая точность измерения температур 1600... 2000 °С составляет 1,5. .2 %. Для измерений с точностью 0,5...I % необходимо проводить дополнительный отжиг термоэлектродов продолжительностью не менее 1 ч с целью устранения начального интенсивного изменения термоЭДС и стабилизации термоэлектрических характеристик. Пути стабилизации эксплуатационных характеристик высокотемпературных термопреобразователей обсуждены в работе [910].

Термопары из молибденрениевых ц танталрениевых сплавов. При измерении высоких температур в радиоактивных средах или содержащих углеводород целесообразно применять термопары из сппавов молибдена с рением. Карбидизация молибдена протекает менее активно, чем карбидизация вольфрама, а рений карбидов ие образует. Следует отметить и сравнительно более высокую пластичйость молибденрениевых сплавов по сравнению с вольфрамрениевыми. Термоэлектрические свойства молибденрениевых проволок с содержанием рения не более 50 % достаточно стабильны и при повышении температуры отжига от 1500 до 2000 °С термоЭДС термопары MP 20/50 изменяется всего на 0,03 мВ, что при чувствительности около 5 мкВ К при 2000 °С составляет 6 °С.

В вакууме при непосредственном контакте с графитом .молибденрение-вая проволока охрупчиваетсн, однако защита тёрмоэлектродов от непосредственного соприкосновения с графитом при помощи керамики нз оксида алюминия значительно удлиняет срок службы термопары (5...7 ч) без защиты и более 350 ч в защитных чехлах при 1500 °С [43]. ТермоЭДС термопар из комбинаций молибденрениевых сплавов дана в табл. 9.40.

В высоком вакууме и при наличии реакторного облучения перспективны термопары иа основе сплавов тантала с рсьиом, которые могут надежно и стабильно работать в диапазоне 1500.. .3000 °С. Благодаря химической и физической совместимости тантала и рения, незначительной разности скоростей их испарения танталрепиевые сплавы наиболее подходящи для высоковакуумных систем. Рений (до 40 % (по массе)) образует с танталом непрерывный ряд твердых растворов. Пластичность и технологичность танталрениевых сплавов лучше, чем вольфрамренневых. При высоких температурах их механические свойства почти одинаковые. В вольфрамрсниевых сплавах при высоких температурах происходит преимущественное испарение peiran, что ведет к значительным изменениям термоэлектрических свойств. Этого недостатка танталрениевые термопары будут лишены. В связи со скудными сырьевыми ресурсами рения и тантала, весовые кларки которых соответственно составляют 10 и 10 * % (по массе), термопары на их основе следует применять в особо ответственных местах и при необходимости точных и надежных измерениях.

9.10. Защита термопар *

Хромоникелевые стали и сплавы. Наиболее широко в качестве материалов защитной арматуры используют стали высоколегированные, сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные на основе железа, никеля, хрома и добавок алюминия, кремния, марганца. Химический состав и технические характеристики этих

сталей и сплавов приведены в табл. 9.41 и 9.42.

Коррозионностойкую хромистую сталь ферритного класса 08X13, содержащую 13 % Сг и обладающую хорошей пластичностью, применяют в преобразователях, работающих до 650 °С в слабоагрессивных средах (атмосферные осадки, водные растворы солей органических кислот прн комнатной температуре и пр.). Сталь удовлетворительно поддается сварке. Механические свойства стали 08Х13 в зависимости от температуры испытаний приведены на рис. 9.29. После старения при 450 °С в течение 5000 ч изменения структуры и свойств стали незначительны [532].

6д,мла

ЮО 200 300 400 500 t;c

Рис. 9.29. Зависимость временного сопротивления и относительного удлинения стали 08X13 от температуры

Широкое применение при создании защитной арматуры нашли ау-стенитные стабилизированные стали 12Х18Н10Т и 08Х18Н10Т. Предел выносливости стали 08Х18Н10Т, определенный при 20...40 млн. циклов нагружения [532], изменяется от 300 МПа при 20 °С до 200 МПа при 350 °С. Стойкость этих сталей (особенно последней) к межкристаллитной коррозии (МКК) обусловила использование их для кабельных термопреобразователей, применяемых при измерении температуры в условиях облучения в ядерных реакторах. Следует отметить, что в условиях эксплуатации