Кабели из сплава копель

Кабели из сплава Копель представляют собой специализированный тип термоэлектродных проводов, предназначенных для изготовления термопар и удлинительных компенсационных проводов. Их ключевая особенность — точное соответствие термоэлектрическим характеристикам стандартизированных термопар, что позволяет передавать сигнал от датчика к измерительному прибору без искажений.

1. Что такое сплав Копель? Состав и свойства

Копель — это торговое название медно-никелевого сплава, специально разработанного для термопар. Его точный химический состав тщательно контролируется для обеспечения стабильных термоэлектрических свойств.

Типичный состав:

• Медь (Cu): 43–45%
• Никель (Ni): 54–55%
• Кремний (Si): ~1%

Ключевые физико-химические свойства:

• Термо-ЭДС: Способность генерировать электрическое напряжение при наличии разности температур.
• Удельное электрическое сопротивление: ~0.35–0.50 Ом·мм²/м
• Температурный коэффициент сопротивления: ~20·10⁻⁵ 1/°C
• Температура плавления: ~1290 °C
• Плотность: ~8900 кг/м³

Преимущества сплава Копель:

• Высокая и стабильная термо-ЭДС
• Хорошая коррозионная стойкость
• Пластичность и удобство для производства проволоки
• Относительно невысокая стоимость по сравнению с благородными металлами

2. Назначение и принцип работы в термопарах

Кабели из сплава Копель используются в качестве отрицательного плеча (термоэлектрода) в термопарах хромель-копелевого типа (ТХК) и алюмель-копелевого типа (ТАК).

Принцип действия термопары (эффект Зеебека):
Когда два разнородных проводника (например, Хромель и Копель) соединены в двух точках, и эти точки имеют разную температуру, возникает постоянный термоэлектрический ток. Измеряя возникающую ЭлектроДвижущую Силу (ЭДС), можно точно определить температуру «горчего спая» (рабочего конца), если известна температура «холодного спая» (свободных концов).

Роль кабеля Копель:
Обеспечить непрерывность термоэлектродной цепи от чувствительного элемента (горячего спая) до измерительного прибора, сохраняя при этом точную калибровку термопары.

3. Конструкция кабелей Копель

Конструкция таких кабелей сложна и направлена на обеспечение точности и долговечности.

1. Токопроводящая жила:
   • Материал: Проволока из сплава Копель высокой чистоты и стабильного состава.
   • Строение: Однопроволочная или многопроволочная (для гибкости).
   • Диаметр: Стандартизирован, обычно от 0.2 мм до 3.0 мм, в зависимости от требуемой механической прочности и срока службы.
2. Изоляция:
   • Материал: Выбирается исходя из температурного диапазона и условий эксплуатации.
     • Поливинилхлорид (ПВХ): Для температур до +105°C. Недорогой, гибкий.
     • Силиконовая резина: Для температур от -60°C до +180°C (кратковременно до +250°C). Высокая гибкость и влагостойкость.
     • Политетрафторэтилен (PTFE, фторопласт-4): Для температур до +260°C. Химическая стойкость, негорючесть.
     • Фторопласт-2 (PFA): Для высоких температур (до +250°C) и агрессивных сред.
     • Минеральная изоляция (MgO): В кабелях типа МКТ (Металл-Керамика-Термопара). Используется в стальной оболочке для работы при температурах до +1100°C и в агрессивных средах.
3. Экран:
   • Назначение: Защита слаботочного сигнала термопары (единицы-десятки мВ) от электромагнитных помех.
   • Конструкция: Оплетка из луженой медной или нихромовой проволоки.
4. Оболочка:
   • Назначение: Защита всего пучка жил от механических повреждений, влаги, масел и химикатов.
   • Материал: Часто используется тот же материал, что и для изоляции (ПВХ, силикон), или более прочный (полиуретан).
5. Цветовая маркировка:
   • Строго стандартизирована для идентификации типа термопары.
   • Для термопар ТХК (Хромель-Копель): Общий цвет кабеля или изоляции отрицательной жилы (Копель) — коричневый.

4. Основные типы и марки кабелей

• Компенсационные провода (кабели): Например, ККС (Копель-Константан в общей оболочке) или ККС-Эв (то же, с экраном). Используются для удлинения термопар, когда сам датчик находится в зоне высоких температур, а измерительный прибор удален.
• Термоэлектродные провода: Отдельные провода из сплава Копель для изготовления самих термопар.
• Кабели термопарные: Готовые к использованию многожильные кабели, содержащие пары «Хромель-Копель» в общей изоляции и оболочке. Маркируются как ТХК.

5. Области применения

Благодаря своей надежности и точности, кабели Копель нашли применение в критически важных и высокотемпературных процессах:

1. Промышленные печи и термообработка: Измерение температуры в печах обжига, плавильных и нагревательных печах.
2. Энергетика: Контроль температуры пара, газов и металла в котлах, турбинах и теплообменниках.
3. Нефтегазовая и химическая промышленность: Мониторинг температур в реакторах, колоннах и трубопроводах, часто в условиях агрессивных сред.
4. Металлургия: Измерение температуры расплавленного металла и в зонах прокатки.
5. Научные исследования и испытательные стенды: Там, где требуются точные и стабильные измерения в широком диапазоне температур.

6. Технические характеристики и ограничения

• Температурный диапазон:
  • Для компенсационных проводов: от -60°C до +150°C (для ПВХ/силикона).
  • Для самой термопары ТХК: от -200°C до +800°C (кратковременно до +1100°C).
• Калибровка (Тип): E (Хромель-Константан) и K (Хромель-Алюмель). Важно: Копель используется именно в паре с Хромелем (ТХК), которая в международной классификации является аналогом типа E.
• Чувствительность (для ТХК): ~68 мкВ/°C при 100°C.
• Ограничения:
  • Не рекомендуется для длительной работы в вакууме или восстановительных атмосферах при высоких температурах (возможно испарение компонентов и деградация).
  • Чувствительность к загрязнениям, которые могут изменить термо-ЭДС.

7. Особенности монтажа и эксплуатации

1. Подключение: При соединении с медными проводами измерительного прибора обязательно необходимо учитывать температуру «холодных концов» и использовать либо встроенную в прибор компенсацию, либо поддерживать их при постоянной известной температуре.
2. Полярность: Чрезвычайно важно соблюдать полярность при подключении. Жила из Копеля (отрицательная) должна быть подключена к соответствующей клемме.
3. Защита от помех: Экранированные кабели обязательны при прокладке вблизи силовых линий и мощного электрооборудования.
4. Механические повреждения: Кабель следует защищать от вибрации, перегибов и растяжения, которые могут привести к обрыву тонкой жилы.

Заключение

Кабели из сплава Копель — это не просто провода, а высокоточные измерительные компоненты, являющиеся неотъемлемой частью систем контроля температуры в промышленности и науке. Их уникальные термоэлектрические свойства, воспроизводимость и надежность делают их незаменимыми для работы в паре с хромом в термопарах типа ТХК.

Правильный выбор типа изоляции, монтаж с учетом полярности и защита от внешних воздействий позволяют реализовать весь потенциал этого материала, обеспечивая точные и стабильные измерения в самых суровых условиях на протяжении многих лет.