Более 50 % всех температурных измерений в научно-исследовательской деятельности и промышленности проводят с помощью термопар. Самой распространенной термопарой в мире является тип К (она же ТХА, ХА, хромель-алюмель).
Если вы пока незнакомы с такими датчиками температуры, то советуем сначала прочитать статью “Мир термопар. Погружение” в нашей группе ВК.
Тип К, несмотря на свою популярность, имеет ряд недостатков: обратимую и необратимую нестабильности, ограниченный ресурс работы при высоких температурах из-за интенсивного окисления, стойкость не ко всем средам (подробно мы рассматривали ТХА (К) тут).
Поэтому в середине ХХ века во многих странах началась работа по созданию более жаростойких и стабильных сплавов для термопар, которые были бы лишены «минусов» ХА. В те годы полным ходом шла «холодная война», и соперничество между странами соцлагеря и Западом проявилось и тут. Независимо друг от друга в СССР и Австралии были разработаны сплавы, термопары из которых имели лучшую жаростойкость (способность металла сопротивляться окислению при высоких температурах) и стабильность характеристик, чем тип К.
В ходе экспериментов в сплавы «хромель» и «алюмель» добавляли различные элементы – вольфрам, ванадий, молибден, тантал, кремний, магний; экспериментировали с содержанием хрома в хромеле и т.д.
В итоге на Западе была запатентована новая термопара – нихросил-нисил, тип N. В Советском Союзе также появилась своя «супер ХА» – СС, «сильх-силин». Обе термопары были предназначены для измерения сред с более высокими температурами (вплоть до 1300 °C) и имели улучшенные эксплуатационные характеристики. Но какая все-таки была лучше? Кому удалось создать более удачный вариант высокотемпературной термопары из неблагородных металлов – СССР или Западу? Давайте разбираться: сравним СС и НН.
Чувствительность:
СС ~40 мкВ/˚C;
НН ~38 мкВ/˚C.
Чувствительности практически одинаково хороши и близки к ХА.
Состав:
Сильх – 9,3 % хрома, 1 % кремния, остальное никель
Силин – 2,5 % кремния, остальное никель.
Нихросил – 14,2 % хрома, 1,4 % кремния, остальное никель
Нисил – 4,4% кремния, 0,1 % магния, остальное никель
В первую очередь, обе термопары отличаются от ХА тем, что в их составе есть кремний. Он увеличивает жаростойкость термоэлектродов.
Большее количество хрома и наличие магния в составе термоэлектродов НН позволяет говорить, что эффект перевода вида коррозии из межкристаллитной в поверхностную выше и пленка оксидов на поверхности эффективнее защищает термоэлектроды от дальнейшего окисления. У НН лучше стабильность термоЭДС, чем у СС. Это значит, что ошибка измерения у нихросил-нисила растет медленнее, чем у сильх-силина. Также увеличенное количество хрома в НН позволяет почти полностью устранить обратимую (временную) нестабильность, характерную для термопары ХА (К).
В СС такое же количество хрома, как и в ХА, поэтому она проигрывает НН в стабильности характеристики.
Необратимый дрейф показаний у термопары «сильх-силин» примерно в 2 раза меньше, чем у ХА, а у нихросил-нисила – в 3-4 раза меньше! Значит термопара НН будет оставаться точной гораздо дольше, чем СС.
Результаты испытаний НН и ХА мы приводили в статье про тип N.
Рекомендуемые рабочие атмосферы: обе термопары могут устойчиво работать в окислительной атмосфере (воздух, продукты сгорания в избытке воздуха и др.) и в инертных средах (азот, гелий, неон, аргон). Но в вакууме при высоких температурах лучше работает НН, а СС рекомендуется применять в вакууме только кратковременно (до 100 часов). Сильх-силин «вырывается» вперед, если необходимо измерять температуру в восстановительных средах: в атмосфере сухого водорода H2 и диссоциированного аммиака она чувствует себя прекрасно, а НН применять в восстановительных средах вообще не рекомендуется. А вот, например, термопара «железо-константан» ЖК, тип J во всех восстановительных средах отлично работает – кроме уже упоминавшихся H2 и NH3 к ним относится экзогаз, эндогаз, угарный газ СО и др.
О типе J мы писали тут.
Итак, можно сделать вывод – превосходство термопары «нихросил-нисил» над советским «сильх-силином» очевидно. Единственное преимущество ТСС – применение в восстановительных средах – нивелируется технологией КТМС, когда термоэлектроды дополнительно защищены от среды металлической оболочкой и инертным порошком. А если еще дополнительно защитить КТМС чехлом, стойким к восстановительной среде – например, газоплотным корундовым…
P.S.: термопара СС так и не получила заметного распространения. Во всем мире для измерения температур до 1200…1250 ˚C независимо от среды применяется тип N. Для температур свыше 1200 ˚C также используется ТПП10, тип S. Но это термопара содержит платину и родий, а значит - гораздо дороже. О таких ТП мы писали здесь.
И в России и СНГ «нихросил-нисил» является распространенным датчиком температуры. Возможно, на вытеснение ТСС в нашей стране также оказал влияние импорт зарубежного оборудования – как печей, так и контроллеров с термопарами.
В заключение хотим дать совет, который может пригодиться: СС имеет ту же градуировочную характеристику, что и ХА. Поэтому, если вдруг столкнетесь с термопарой «сильх-силин», выставляйте «код типа датчика» в терморегуляторе или модуле аналогового ввода, соответствующий ХА (К). Показания прибора будут корректны.
Высокотемпературные термопары ДТПN ОВЕН, по ссылке.
При написании статьи использованы данные из следующих источников:
1. И . Л . Рогельберг , В . М . Бейлин . Сплавы для термопар. Справочник, М., Металлургия, 1983.
2. ГОСТ 8.585-2001 “Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования”
4. Петров Д.В., Ободовский К.Ю. Кабельные термоэлектрические преобразователи нихросил-нисил, преимущества и опыт эксплуатации. Статья из доклада на выставке “Температура-2007”.
4. N.A.Burley Nicrosil\Nisil type N. Thermocouple, Measurements & Control, April 1989, pp.130-133.
Еще статьи о типах термопар с нашего канала:
ТЖК – универсальная, но недооцененная термопара типа J
ТПП (S) – что в этих термопарах особенного?
ТХА, тип К – особенности, достоинства и недостатки этой термопары
ТХК, тип L – отличная термопара на невысокие температуры родом из СССР
ТНН, тип N “нихросил-нисил”: улучшенная версия термопары ТХА. История и результаты исследований
Ставьте лайк и подписывайтесь на наш канал!