Справочники
Константан и манганин — медно-никелевые сплавы измерительной техники. Удельное сопротивление у них примерно в 27 раз выше медного, но выбирают их по другому параметру — температурному коэффициенту сопротивления (ТКС): у чистой меди он равен 4,3·10⁻³ К⁻¹, у манганина — единицы и десятки миллионных долей на градус. Шунт из манганина за счёт этого не «уплывает» при разогреве током, а мера сопротивления держит номинал годами.
Марки этих сплавов путают чаще всего, причём в обе стороны. Манганин — МНМц3-12, константан — МНМц40-1,5; обозначения задаёт ГОСТ 492-2006 «Никель, сплавы никелевые и медно-никелевые, обрабатываемые давлением. Марки». У манганина никеля около 3 %, а марганца 12 %; у константана наоборот — никеля 40 %, марганца полтора процента. Сплавы внешне и по сопротивлению почти неразличимы, но ведут себя в измерительной схеме по-разному, и подмена одного другим ломает точность.
Место сплавов сопротивления среди остальных материалов отрасли — в справочнике «Металлы и сплавы в электротехнике»; основа обоих сплавов разобрана в «Медь (Cu) в электротехнике», главный легирующий элемент — в «Никель (Ni) в электротехнике». Стоимость сплавов идёт вслед за котировками меди и никеля на бирже металлов: на эти два металла приходится почти вся масса и константана, и манганина. Нагревательная пара того же класса — нихром и фехраль — вынесена в справочник «Нихром и фехраль»: там сплавы выбирают по жаростойкости, здесь — по стабильности сопротивления.
Расшифровка марок МНМц: как читается обозначение
Обозначение медного сплава собирается из букв-элементов и чисел. Первая буква «М» — медь-основа, дальше идут легирующие: «Н» — никель, «Мц» — марганец, «А» — алюминий, «Ж» — железо. Числа после букв — округлённая массовая доля легирующих в том же порядке, в котором стоят буквы. Отсюда МНМц3-12 читается как «медь — никеля 3 %, марганца 12 %», а МНМц40-1,5 — «медь — никеля 40 %, марганца 1,5 %».
Марка | Разбор обозначения | Ni + Co, % | Mn, % | Прочее, % | Назначение по ГОСТ 492-2006 |
|---|---|---|---|---|---|
МНМц3-12 (манганин) | Медь — никель 3 % — марганец 12 % | 2,5–3,5 | 11,5–13,5 | Cu остальное; Fe ≤ 0,5, Si ≤ 0,1, сумма примесей ≤ 0,9 | Для электротехнических целей, измерительных приборов |
МНМцАЖ3-12-0,3-0,3 (манганин с алюминием и железом) | Медь — никель 3 % — марганец 12 % — алюминий 0,3 % — железо 0,3 % | 2,5–3,5 | 11,5–13,5 | Al 0,2–0,4; Fe 0,2–0,5; Cu остальное; сумма примесей ≤ 0,4 | Для компенсационных проводов |
МНМц40-1,5 (константан) | Медь — никель 40 % — марганец 1,5 % | 39,0–41,0 | 1,0–2,0 | Cu остальное; Fe ≤ 0,5, Si ≤ 0,1, сумма примесей ≤ 0,9 | Для электротехнических целей и компенсационных проводов |
МНМц43-0,5 (копель) | Медь — никель 43 % — марганец 0,5 % | 42,5–44,0 | 0,1–1,0 | Cu остальное; Fe ≤ 0,15, сумма примесей ≤ 0,6 | Для термопар и компенсационных проводов |
Копель отстоит от константана по никелю всего на два-три процента, обозначения различаются парой цифр, а термопару даёт другую — и перепутанная бухта на складе оборачивается систематической погрешностью измерения температуры.
Зонтичный термин «прецизионные сплавы» шире сплавов сопротивления. ГОСТ 10994-74 делит их на семь групп: магнитно-мягкие, магнитно-твёрдые, с заданным температурным коэффициентом линейного расширения, с заданными свойствами упругости, сверхпроводящие, с высоким электрическим сопротивлением и термобиметаллы. Марок МНМц в этом стандарте нет вовсе — группу «с высоким электрическим сопротивлением» он ведёт по никель-хромовым и железо-хром-алюминиевым сплавам (Х20Н80-Н, Х15Н60-Н, Х23Ю5Т и подобным), а медно-никелевые марки нормирует ГОСТ 492-2006. Искать манганин в ГОСТ 10994-74 бесполезно.
Седьмая группа того же стандарта, термобиметаллы, работает на прямо противоположном принципе: там от сплава нужно как раз сильное и предсказуемое изменение свойств от температуры. Как термобиметаллические и магнитно-мягкие сплавы используют в системах автоматического удаления наледи, показано в публикации «Использование термобиметаллических и магнитно-мягких сплавов для автоматического удаления льда и сосулек с крыш зданий».
Состав, удельное сопротивление, ТКС и термо-ЭДС
Сортамент проволоки из обоих сплавов нормируют два отдельных межгосударственных стандарта: манганиновую — ГОСТ 10155-2016 «Проволока манганиновая неизолированная. Технические условия», введённый 1 апреля 2017 года взамен ГОСТ 10155-75; константановую — ГОСТ 5307-2015 «Проволока константановая неизолированная. Технические условия», введённый 1 апреля 2016 года взамен ГОСТ 5307-77. Оба действуют. Марку и химический состав они отдают ГОСТ 492-2006, а сами нормируют диаметры, удельное сопротивление, температурные коэффициенты и термо-ЭДС в паре с медью — числовые нормы ниже приведены по ним.
Сплав и марка | Состояние | ρ при 20 °C, Ом·мм²/м | ТКС, 10⁻⁶ °C⁻¹ (интервал нормирования) | Термо-ЭДС в паре с медью | Нормативная опора |
|---|---|---|---|---|---|
Манганин МНМц3-12 | твёрдое | 0,48 ± 0,05 | св. +10 до +25 (интервал 10–40 °C, п. 5.7) | не более 1 мкВ/°C (0–100 °C) | ГОСТ 10155-2016, марка — ГОСТ 492-2006 |
Манганин МНМц3-12 | мягкое | 0,47 ± 0,05 | св. +10 до +25 (интервал 10–40 °C, п. 5.7) | не более 1 мкВ/°C (0–100 °C) | ГОСТ 10155-2016, марка — ГОСТ 492-2006 |
Манганин МНМцАЖ3-12-0,3-0,3 | мягкое и твёрдое | 0,47–0,48 ± 0,05 | α от −2 до +10 (интервал 10–40 °C); квадратичный коэффициент β от −1,5 до +0,5, 10⁻⁶ °C⁻² | не более 1 мкВ/°C (0–100 °C) | ГОСТ 10155-2016, марка — ГОСТ 492-2006 |
Константан МНМц40-1,5 | мягкое | 0,465 ± 0,015 | от −20 до +60 (интервал 20–100 °C) | около 43 мкВ/°C — это термопара типа T | ГОСТ 5307-2015, марка — ГОСТ 492-2006 и ГОСТ 1790-2016 |
Константан МНМц40-1,5 | твёрдое | 0,490 ± 0,030 | от −20 до +60 (интервал 20–100 °C) | около 43 мкВ/°C — это термопара типа T | ГОСТ 5307-2015, марка — ГОСТ 492-2006 и ГОСТ 1790-2016 |
Копель МНМц43-0,5 | мягкое (отожжённое) | 0,47 ± 0,05 | около нуля: сопротивление в диапазоне 0–800 °C меняется в пределах 0,96–1,06 от значения при 0 °C | в паре с хромелем 68,6 мкВ/°C в среднем на 0–100 °C — термопара типа L | ГОСТ 1790-2016, приложение В (сопротивление); ГОСТ Р 8.585-2001 (НСХ) |
Единицы у сплавов сопротивления записывают по-разному, но величина одна: 0,47 Ом·мм²/м = 0,47 мкОм·м = 470 нОм·м. ТКС константана в таблице переведён в те же миллионные доли, что и у манганина: в тексте ГОСТ 5307-2015 он записан как «от минус 2 до плюс 6·10⁻⁵ град⁻¹». Диаметры, на которые распространяются эти стандарты, — 0,020–6,00 мм у манганиновой проволоки и 0,020–5,00 мм у константановой.
Для справки
Номера ГОСТ 10155 и ГОСТ 5307 в договорах, технических заданиях и протоколах испытаний указывают с действующим годом редакции — 2016 и 2015 соответственно: ссылка на 10155-75 или 5307-77 отправляет к тексту, заменённому этими редакциями. Приёмочные нормы на проволоку берут из них же, а химический состав — из ГОСТ 492-2006, на который они ссылаются. Сами сплавы при смене редакций не менялись: удельное сопротивление, коридоры ТКС и предел термо-ЭДС в паре с медью перешли в действующие стандарты прежними.
МНМцАЖ3-12-0,3-0,3 — марка, по которой два стандарта расходятся в назначении. ГОСТ 492-2006 указывает её как сплав «для компенсационных проводов», тогда как ГОСТ 10155-2016 нормирует именно у неё самый узкий ТКС (от −2 до +10 против «свыше +10 до +25» у обычного манганина) и вдобавок квадратичный коэффициент β. То есть по документу на марку это компенсационный сплав, а по документу на проволоку — самый стабильный из манганинов. При заказе меры сопротивления имеет смысл оговаривать ТКС отдельным пунктом, а не полагаться на графу «назначение».
ТКС: почему он важнее самого сопротивления
Сопротивление любого проводника зависит от температуры. Для сплавов сопротивления зависимость записывают двумя членами: Rt = R20 · [1 + α·(t − 20) + β·(t − 20)²], где α — линейный температурный коэффициент, β — квадратичный. У чистых металлов α положителен и велик: рассеяние электронов на тепловых колебаниях решётки растёт с нагревом. В медно-никелевом твёрдом растворе картина другая — электроны рассеиваются главным образом на беспорядке самой решётки, вклад которого от температуры не зависит, и суммарный коэффициент падает на два-три порядка. У манганина состав подобран так, что остаточный положительный вклад почти полностью компенсируется, и α сводится к единицам миллионных долей.
Что это даёт на практике, проще увидеть на шунте, который в номинальном режиме разогревается собственным током. Возьмём нагрев на 60 °C относительно температуры, при которой шунт аттестовали.
Материал резистивного элемента | α, 10⁻⁶ °C⁻¹ | Уход сопротивления при нагреве на 60 °C, % |
|---|---|---|
Медь (для сравнения) | 4300 | +25,8 |
Нихром Х15Н60 | 130 | +0,78 |
Константан МНМц40-1,5 | −20…+60 | −0,12…+0,36 |
Фехраль Х23Ю5 | 20 | +0,12 |
Манганин МНМц3-12 | +10…+25 | +0,06…+0,15 |
Манганин МНМцАЖ3-12-0,3-0,3 | −2…+10 | −0,01…+0,06 |
Уход посчитан по линейному члену (α · Δt), без квадратичной поправки; для манганина 80 °C лежат выше интервала 10–40 °C, в котором ГОСТ 10155-2016 нормирует α и β, так что его строка — экстраполяция. На выводе это не сказывается: медный элемент того же шунта ушёл бы на четверть номинала — в сотню с лишним раз больше класса точности 0,2, — нихромовый вышел бы за тот же класс вчетверо, а манганиновый укладывается в него с запасом. Значения ТКС нихрома и фехрали взяты из приложения 5 ГОСТ 12766.1-90 (режим термической обработки образцов там оговорён отдельно), температурный коэффициент меди — из «Таблиц электропроводности металлов».
Термо-ЭДС в паре с медью: почему шунт манганиновый, а термопара константановая
Второй параметр, по которому эти два сплава расходятся радикально, — термоэлектродвижущая сила в паре с медью. У манганина ГОСТ 10155-75 требовал не более 1 мкВ на градус в диапазоне 0–100 °C. У константана та же пара — это полноценная термопара типа T с чувствительностью около 43 мкВ/°C (см. «Таблицы термопар и термосопротивлений»). Разница больше чем в сорок раз, и она определяет, где какой сплав уместен.
В измерительной цепи любое соединение разнородных металлов работает как термопара. Пока оба спая при одной температуре, их ЭДС взаимно вычитаются; стоит одному выводу нагреться сильнее другого — в цепи появляется паразитное напряжение, неотличимое от полезного сигнала. Для шунта на 75 мВ перекос всего в 2 °C между потенциальными выводами даёт на константановом элементе около 86 мкВ ложного сигнала — это 0,11 % показания, то есть уже половина класса 0,2 при полностью исправном приборе. На манганиновом элементе тот же перекос даёт не более 2 мкВ, около 0,003 %.
Отсюда конструктивные правила, которые видно в любом промышленном шунте: манганиновая пластина приварена или припаяна к двум одинаковым медным колодкам, конструкция симметрична относительно центра, потенциальные выводы отведены от одинаково прогретых точек. Паяные соединения в потенциальной цепи стараются делать одним и тем же припоем и одинаковой массы — про сами припои и их поведение в контакте см. «Олово (Sn) в электротехнике».
Шунты, добавочные резисторы и меры сопротивления
Термины разведены в ГОСТ 30012.1-2002: шунт — сопротивление, включаемое параллельно измерительной цепи прибора и служащее для получения напряжения, пропорционального измеряемому току; добавочное сопротивление включается последовательно с измерительной цепью и расширяет диапазон по напряжению. Тот же стандарт делит вспомогательные части на взаимозаменяемые, с ограниченной взаимозаменяемостью и невзаимозаменяемые — последние подгоняются под электрические характеристики конкретного прибора и с другим экземпляром работать не обязаны.
Числовые ряды задаёт ГОСТ 8042-93 «Приборы аналоговые показывающие электроизмерительные прямого действия и вспомогательные части к ним. Часть 8. Особые требования к вспомогательным частям».
Характеристика | Нормируемые значения | Опора |
|---|---|---|
Предпочтительный ряд падений напряжения на шунте при номинальном токе | 50, 60, 75, 100, 300 мВ | ГОСТ 8042-93, п. 7.3.2 |
Дополнительный ряд для шунтов, изготовляемых по ГОСТ 22261 | 30, 45, 150 мВ | ГОСТ 8042-93, приложение 2 |
Классы точности взаимозаменяемых шунтов и шунтов с ограниченной взаимозаменяемостью | 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 | ГОСТ 8042-93, приложение 2 |
Классы точности добавочных резисторов | 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0 | ГОСТ 8042-93, приложение 3 |
Обозначение класса точности, отведённое вспомогательным частям | 0,3 | ГОСТ 30012.1-2002, п. 3.2 |
Диапазон температур непрерывной работы вспомогательных частей всех классов | от −25 до +40 °C | ГОСТ 30012.1-2002, п. 6.5.1 |
Нагрузка при проверке изменения показаний от самонагрева | около 90 % номинального значения шунта | ГОСТ 30012.1-2002, п. 6.3.1 |
Ряд 75 мВ — самый распространённый: под него градуируется большинство щитовых амперметров постоянного тока и измерительных преобразователей. Практический смысл нормируемого падения в том, что мощность, рассеиваемая шунтом, равна произведению этого падения на ток: шунт 75 мВ / 1000 А греется на 75 Вт независимо от того, из какого сплава сделан. Сплав определяет не нагрев, а то, насколько сопротивление уйдёт от этого нагрева.
Отдельный класс изделий — меры сопротивления и эталонные катушки поверочных лабораторий. Там от материала требуется не только малый ТКС, но и стабильность во времени: намотка выполняется манганиновым проводом без механических напряжений, отжигается и выдерживается перед аттестацией. Именно для этой задачи узкий коридор ТКС МНМцАЖ3-12-0,3-0,3 и нормированный квадратичный коэффициент β имеют смысл: без β пересчёт номинала на температуру термостата даёт систематическую ошибку.
Догрузочные резисторы измерительных трансформаторов
Класс точности измерительного трансформатора гарантируется только в паспортном диапазоне вторичной нагрузки. Электромеханический счётчик потреблял 3–10 ВА и держал трансформатор в штатном режиме; микропроцессорный прибор учёта берёт десятые и сотые доли вольт-ампера, и трансформатор, рассчитанный на 10 ВА, работает фактически вхолостую — магнитная система уходит на нелинейный участок кривой намагничивания, погрешность растёт. Недостающую нагрузку добирают догрузочным резистором.
Схемы включения у двух типов трансформаторов зеркальные: у трансформатора тока резистор ставится последовательно во вторичную цепь, у трансформатора напряжения — параллельно вторичной обмотке. Различаются и режимы: у ТТ это доли ома при вторичном токе 1 или 5 А с рассеиванием в единицы и десятки ватт (отсюда радиаторы на корпусах), у ТН — сотни и тысячи ом при 100 В и заметно меньшей мощности. Методики расчёта, конструктивные различия и типичные ошибки подбора разобраны в публикации «Догрузочные резисторы для трансформаторов напряжения и тока: две стороны точного учёта».
Материал резистивного элемента здесь выбирают по тем же двум критериям, но с другим весом. Догрузочный резистор постоянно рассеивает свою мощность и живёт горячим, поэтому рабочая температура важнее милливольтовых паразитных ЭДС: константановая проволока по ГОСТ 5307-2015 предназначена для работы при температуре не выше 500 °C, тогда как нормы на манганин заданы вокруг комнатной температуры — удельное сопротивление при 20 °C, ТКС в интервале 10–40 °C, термо-ЭДС в диапазоне 0–100 °C. В мощных исполнениях наравне с константаном применяют и нихром: при нескольких десятках ватт разница в ТКС уже не так критична, как теплостойкость.
Термопары типов T, J и E: константан как отрицательный электрод
Константан — отрицательный термоэлектрод трёх из тринадцати номинальных статических характеристик, которые задаёт ГОСТ Р 8.585-2001. Проволоку для термоэлектродов нормирует ГОСТ 1790-2016 «Проволока из сплавов хромель Т, алюмель, копель и константан для термоэлектродов термоэлектрических преобразователей», введённый 1 апреля 2017 года взамен ГОСТ 1790-77: химический состав он отдаёт ГОСТ 492-2006, номинальные статические характеристики преобразования — ГОСТ Р 8.585-2001, а сам задаёт диаметры (номинальный ряд 0,20; 0,30; 0,50; 0,70; 1,20; 1,50; 3,20; 5,00 мм), три класса допуска по отклонению термо-ЭДС и состояние поставки — мягкое отожжённое с окисленной поверхностью.
Тип по МЭК | Обозначение по ГОСТ Р 8.585-2001 | Пара электродов | Марка отрицательного электрода | Средняя крутизна на 0–100 °C, мкВ/°C | Диапазон, °C |
|---|---|---|---|---|---|
T | ТМК | медь — константан | константан ~45 % Ni (отдельного стандарта на проволоку для этой пары нет) | 42,8 | −200…+350 |
J | ТЖК | железо — константан | константан ~45 % Ni (отдельного стандарта на проволоку для этой пары нет) | 52,7 | −40…+750 |
E | ТХКн | хромель — константан | МНМц40-1,5 по ГОСТ 1790-2016 | 63,2 | −200…+900 |
L | ТХК | хромель — копель | МНМц43-0,5 по ГОСТ 1790-2016 | 68,6 | −200…+800 |
Крутизна посчитана как средняя на интервале 0–100 °C по номинальным статическим характеристикам ГОСТ Р 8.585-2001: термо-ЭДС при 100 °C равна 4,279 мВ у типа T, 5,269 мВ у типа J, 6,319 мВ у типа E и 6,862 мВ у типа L. Каталожные «68 мкВ/°C для типа E» — дифференциальный коэффициент в районе 100 °C, и с крутизной других типов у нуля он несопоставим.
Среди типов МЭК самый чувствительный — E, и обеспечивает эту чувствительность именно константановая ветвь; отечественная хромель-копелевая пара даёт ещё больше. Тип T устойчив к криогенным температурам и потому применяется в холодильной технике и лабораторной практике; тип J дешевле всех, но железный электрод окисляется, и выше 750 °C он не идёт.
Тип L — та самая ловушка, о которой шла речь выше. Российская термопара хромель-копель (ТХК) внешне и по назначению похожа на европейскую хромель-константановую (ТХКн, тип E), обозначения различаются одной буквой, а градуировочные таблицы разные: при 100 °C ТХК даёт 6,862 мВ против 6,319 мВ у типа E. Заменить копель константаном в готовой термопаре нельзя: прибор посчитает по чужой характеристике и занизит показания, потому что термо-ЭДС ТХК выше на всём диапазоне. По составу копель отличается от константана прежде всего содержанием никеля (42,5–44,0 % против 39,0–41,0 %), а также марганцем (0,1–1,0 % против 1,0–2,0 %) и предельным железом (0,15 % против 0,5 %) — но по внешнему виду или по омметру их не различить.
Градуировочные таблицы, классы допуска и конструкции датчиков собраны в справочниках «Таблицы термопар и термосопротивлений» и «Датчики температуры: термопары и термосопротивления»; общие технические требования к преобразователям — ГОСТ Р 50342-92, методика поверки — ГОСТ 8.338-2002. Принцип действия и разбор типов датчика без привязки к марке сплава — в публикации «Термопары. Принцип действия, типы и разновидности, рекомендации в выборе».
Тензорезисторы: константановая решётка
Тензорезистор преобразует деформацию детали в изменение сопротивления: наклеенная на поверхность решётка растягивается вместе с деталью, её проводник удлиняется и утончается, сопротивление растёт. Термины этой области — сам тензорезистор, его чувствительность (K-фактор), ползучесть, температурная характеристика сопротивления — определены в ГОСТ 20420-75.
Полезный сигнал тензорезистора измеряется долями процента от номинала, и на этом фоне температурный дрейф самого проводника становится главным источником ошибки. Если бы решётку делали из меди, нагрев детали на один градус давал бы уход сопротивления, сопоставимый с деформацией, которую требуется измерить. Константановая фольга с её ТКС в пределах от −20 до +60 миллионных долей на градус этот дрейф снимает; попутно её коэффициент подбирают так, чтобы остаточный температурный уход компенсировал тепловое расширение конкретного материала детали — стали или алюминия. Нихром и фехраль для этой задачи не годятся: их температурный коэффициент на порядок выше и перекрывает полезный сигнал.
Встречаются константановые тензорезисторы там, где измеряют силу и вес: тензодатчики весов и дозаторов, ограничители грузоподъёмности кранов, датчики давления и крутящего момента промышленной автоматики.
Чем константан отличается от манганина, нихрома и фехрали
Все четыре сплава называют сплавами сопротивления, но задачи у них разные: медно-никелевая пара работает на измерение, никель-хромовая и железо-хром-алюминиевая — на нагрев. Разводит их не столько удельное сопротивление, сколько ТКС, термо-ЭДС и предельная температура.
Параметр | Манганин МНМц3-12 | Константан МНМц40-1,5 | Нихром Х20Н80-Н | Фехраль Х23Ю5 |
|---|---|---|---|---|
Система сплава | Cu–Ni–Mn | Cu–Ni–Mn | Ni–Cr | Fe–Cr–Al |
Стандарт на марку и сортамент | ГОСТ 492-2006 (марка), ГОСТ 10155-2016 (проволока) | ГОСТ 492-2006 (марка), ГОСТ 5307-2015 (проволока), ГОСТ 1790-2016 (термоэлектродная) | ГОСТ 12766.1-90 … 12766.5-90 | ГОСТ 12766.1-90 … 12766.5-90 |
ρ при 20 °C, Ом·мм²/м | 0,47–0,48 ± 0,05 | 0,465 ± 0,015 (мягкая) / 0,490 ± 0,030 (твёрдая) | 1,03–1,18 в зависимости от диаметра | 1,30–1,40 |
ТКС, 10⁻⁶ °C⁻¹ | +10…+25 | −20…+60 | 130 — приложение 5 ГОСТ 12766.1-90 нормирует ТКС для Х15Н60; для Х20Н80 не нормирует | 20 (для Х23Ю5) |
Термо-ЭДС в паре с медью | не более 1 мкВ/°C | около 43 мкВ/°C — термопара типа T | не нормируется | не нормируется |
Верхняя рабочая температура | нормы даны для 10–40 °C (сопротивление) и 0–100 °C (термо-ЭДС) | до 500 °C по ГОСТ 5307-2015 | живучесть не менее 160 ч при 1200 °C | живучесть не менее 80 ч при 1250 °C |
Магнитное состояние | немагнитен | немагнитен | немагнитен (аустенитная структура) | ферромагнитна (ферритная структура) |
Основное назначение | шунты, меры и катушки сопротивления, добавочные резисторы | термопары T, J, E; тензорезисторы; догрузочные резисторы; компенсационные провода | спирали печей, ТЭНы, резаки | ТЭНы, нагреватели, электропечи |
ТКС фехрали Х23Ю5 по ГОСТ 12766.1-90 — 0,2·10⁻⁴, то есть 20 миллионных долей на градус: не хуже манганинового. Однако измерительным сплавом фехраль не становится — по трём причинам: у неё примерно втрое выше удельное сопротивление (1,30–1,40 против 0,47–0,48 Ом·мм²/м), что для шунта скорее минус, чем плюс; она ферромагнитна, а значит вносит в измерительную цепь индуктивность и реагирует на внешние поля; и её норма ТКС справедлива только после специального отжига с выдержкой 48 часов, который в готовом изделии не воспроизвести. Живучесть нагревательных сплавов, приведённая в таблице, определяется по методу ГОСТ 2419-78. Нагревательная половина того же класса сплавов — марки, режимы и расчёт спирали — разобрана в справочнике «Нихром и фехраль»; свойства никеля как основы нихрома — в «Никель (Ni) в электротехнике».
Выбор сплава под задачу
Задачи разведены по тому, что в них решает: паразитная термо-ЭДС, ширина коридора ТКС, рабочая температура или чувствительность к деформации.
Задача | Сплав и марка | Решающий параметр | Почему не альтернатива |
|---|---|---|---|
Измерительный шунт постоянного тока (50–300 мВ, класс 0,2 и точнее) | Манганин МНМц3-12 | ТКС +10…+25·10⁻⁶ и термо-ЭДС с медью не более 1 мкВ/°C | у константана термо-ЭДС с медью в сорок с лишним раз больше: перекос температур потенциальных выводов на пару градусов съедает половину класса |
Мера сопротивления, эталонная катушка поверочной лаборатории | Манганин, предпочтительно МНМцАЖ3-12-0,3-0,3 | ТКС −2…+10·10⁻⁶ и нормированный квадратичный коэффициент β | у обычного манганина коридор ТКС вдвое шире, а без β не пересчитать номинал на температуру термостата |
Добавочный резистор для расширения предела по напряжению | Манганин МНМц3-12 | малый ТКС при классах точности до 0,01 по ГОСТ 8042-93 | нихром при том же нагреве уходит на порядок сильнее |
Догрузочный резистор трансформатора тока или напряжения | Константан МНМц40-1,5, в мощных исполнениях нихром | рабочая температура при постоянно рассеиваемой мощности | манганин нормирован вокруг комнатной температуры и на длительный горячий режим не рассчитан |
Отрицательный термоэлектрод термопар типов T, J, E | Константан МНМц40-1,5 по ГОСТ 1790-2016 | большая термо-ЭДС и нормированная НСХ | манганин по определению даёт почти нулевую термо-ЭДС — термопары из него не выйдет |
Отрицательный термоэлектрод термопары ТХК (тип L) | Копель МНМц43-0,5 | соответствие градуировке ТХК — 6,862 мВ при 100 °C | константан даст характеристику типа E — прибор посчитает температуру по чужой таблице |
Тензорезистор, датчик силы и давления | Константановая фольга или микропроволока | стабильная чувствительность (K-фактор) при ТКС около нуля | нихром и фехраль дают температурный дрейф, перекрывающий полезный сигнал |
Нагревательная спираль, ТЭН, пусковой резистор | удельное сопротивление 1,03–1,45 Ом·мм²/м и жаростойкость | манганин и константан не рассчитаны на красное каление и окисляются |
Где эти сплавы встречаются в электроустановке
Прецизионные сплавы сопротивления заметны редко: они спрятаны внутри приборов и измерительных цепей, а не в силовой части. Типичные места:
- шкаф учёта — догрузочные резисторы у трансформаторов тока и напряжения, шунты измерительных преобразователей;
- щитовые амперметры постоянного тока и системы мониторинга АКБ — наружные шунты на 50, 60, 75, 100 и 300 мВ;
- тяговые и зарядные установки, сварочные источники — шунты токовых контуров и обратные связи регуляторов;
- печи, котлы, сушильные камеры — термопары типов T, J и E и компенсационные провода от головки датчика до вторичного прибора;
- весовое и подъёмное оборудование — константановые тензодатчики и ограничители грузоподъёмности;
- поверочные и калибровочные лаборатории — манганиновые меры и катушки сопротивления.
Как отличить манганин от константана на месте
По удельному сопротивлению их практически не различить: 0,47 против 0,465–0,490 Ом·мм²/м — разница лежит в пределах допуска обоих стандартов. Омметром задачу не решить.
Работает проба на термо-ЭДС. Скрутите испытуемую проволоку с медным проводом, подключите скрутку к милливольтметру и нагрейте место соединения. Константан на каждом градусе даст около 43 мкВ, и уже от тепла пальцев прибор покажет сотни микровольт; манганин по норме не даёт больше 1 мкВ/°C, и стрелка практически не тронется. Разница в сорок с лишним раз видна невооружённым глазом на любом милливольтметре.
Косвенный признак — цвет. В манганине меди около 85 % (никеля 3 %, марганца 12 %), и сплав сохраняет тёплый медный оттенок; в константане меди около 58 %, и он выглядит белым, ближе к мельхиору. Признак ориентировочный: окисленная или отожжённая поверхность его смазывает. Достоверный ответ даёт химический анализ по ГОСТ 492-2006 — по содержанию никеля сплавы расходятся более чем на порядок.
Нормативная база
Действующие стандарты, на которые опирается справочник.
- ГОСТ 492-2006. Никель, сплавы никелевые и медно-никелевые, обрабатываемые давлением. Марки — марки и химический состав манганина, константана и копеля;
- ГОСТ 10155-2016. Проволока манганиновая неизолированная. Технические условия — диаметры, удельное сопротивление, коэффициенты α и β, термо-ЭДС в паре с медью;
- ГОСТ 5307-2015. Проволока константановая неизолированная. Технические условия — диаметры, удельное сопротивление мягкой и твёрдой проволоки, ТКС, рабочая температура до 500 °C;
- ГОСТ 10994-74. Сплавы прецизионные. Марки — классификация прецизионных сплавов по семи группам;
- ГОСТ 1790-2016. Проволока из сплавов хромель Т, алюмель, копель и константан для термоэлектродов термоэлектрических преобразователей. Технические условия;
- ГОСТ Р 8.585-2001. Государственная система обеспечения единства измерений. Государственная поверочная схема для средств измерений длины и времени распространения сигнала в световоде, средней мощности, ослабления и длины волны;
- ГОСТ 8042-93. Приборы аналоговые показывающие электроизмерительные прямого действия и вспомогательные части к ним. Часть 8. Особые требования к вспомогательным частям;
- ГОСТ 30012.1-2002. Приборы аналоговые показывающие электроизмерительные прямого действия и вспомогательные части к ним. Часть 1. Определения и основные требования, общие для всех частей;
- ГОСТ 20420-75. Тензорезисторы. Термины и определения;
- ГОСТ Р 50342-92. Преобразователи термоэлектрические. Общие технические условия;
- ГОСТ 8.338-2002. ГСИ. Преобразователи термоэлектрические. Методика поверки;
- ГОСТ 12766.1-90. Проволока из прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивлением. Технические условия;
- ГОСТ 12766.2-90. Лента из прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивлением. Технические условия;
- ГОСТ 12766.3-90. Сплавы калиброванные прецизионные с высоким электрическим сопротивлением. Технические условия;
- ГОСТ 12766.4-90. Прокат сортовой из прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивлением. Технические условия;
- ГОСТ 12766.5-90. Лента плющеная из прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивлением. Технические условия;
- ГОСТ 2419-78. Сплавы прецизионные с высоким электрическим сопротивлением для электронагревательных элементов. Метод определения живучести.
Обе редакции приняты взамен прежних: ГОСТ 10155-2016 введён 1 апреля 2017 года взамен ГОСТ 10155-75, ГОСТ 5307-2015 — 1 апреля 2016 года взамен ГОСТ 5307-77. Номера без года («ГОСТ 10155», «ГОСТ 5307») в переписке и заказах означают действующую редакцию.
Для справки
Значения удельного сопротивления, ТКС и термо-ЭДС даны по нормам стандартов и справочным приложениям к ним. Конкретная партия проволоки или ленты принимается по техническим условиям изготовителя, и её паспортные значения могут отличаться в пределах допуска. Для метрологических применений — мер сопротивления, эталонных шунтов — определяющим документом остаётся протокол аттестации, а не справочная таблица.
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
❓ Чем константан отличается от манганина?
Составом и поведением в измерительной цепи. У манганина МНМц3-12 никеля 2,5–3,5 %, марганца 11,5–13,5 %; у константана МНМц40-1,5 никеля 39,0–41,0 %, марганца 1,0–2,0 % (ГОСТ 492-2006). Удельное сопротивление у них почти одинаковое — 0,47 против 0,465–0,490 Ом·мм²/м, — а вот термо-ЭДС в паре с медью различается более чем в сорок раз: у манганина не более 1 мкВ/°C, у константана около 43 мкВ/°C. Поэтому манганин ставят в шунты и меры сопротивления, где паразитная термопара недопустима, а константан — в термопары, тензорезисторы и догрузочные резисторы, где нужна большая термо-ЭДС или работа при высокой температуре.
❓ Какая марка у манганина и какая у константана?
Манганин — МНМц3-12 (есть также МНМцАЖ3-12-0,3-0,3 с добавками алюминия и железа), константан — МНМц40-1,5. Обозначения читаются по буквам: М — медь-основа, Н — никель, Мц — марганец, А — алюминий, Ж — железо; числа после букв показывают округлённую массовую долю легирующих в том же порядке. Марки и химический состав задаёт ГОСТ 492-2006 «Никель, сплавы никелевые и медно-никелевые, обрабатываемые давлением. Марки»; в ГОСТ 10994-74 «Сплавы прецизионные. Марки» этих марок нет.
❓ Что такое ТКС и почему он решает выбор сплава для шунта?
Температурный коэффициент сопротивления показывает, на какую долю меняется сопротивление при нагреве на градус. У меди он 4,3·10⁻³ К⁻¹, у манганина МНМц3-12 — от +10 до +25 миллионных долей на градус, у константана — от −20 до +60. При разогреве шунта на 60 °C медный элемент ушёл бы почти на 26 % номинала, манганиновый — на 0,06–0,15 %, то есть остаётся в пределах класса точности 0,2. У константана коридор ТКС шире — от −20 до +60 миллионных долей, и уход того же шунта укладывается в −0,12…+0,36 %.
❓ Из какого сплава делают термопару типа T и чем она отличается от ТХК?
Термопара типа T (по ГОСТ Р 8.585-2001 — ТМК) — это медь и константан МНМц40-1,5, её средняя крутизна на 0–100 °C равна 42,8 мкВ/°C в диапазоне −200…+350 °C. Константан работает отрицательным электродом также в типах J (ТЖК, железо-константан, 52,7 мкВ/°C) и E (ТХКн, хромель-константан, 63,2). Российская термопара ТХК (тип L) построена на другом сплаве — копеле МНМц43-0,5 — и даёт больше типа E: 68,6 мкВ/°C, то есть 6,862 мВ при 100 °C против 6,319 мВ. Подмена копеля константаном занижает показания.
❓ По какому ГОСТ сейчас выпускают манганиновую и константановую проволоку?
По действующим редакциям: манганиновую — ГОСТ 10155-2016 «Проволока манганиновая неизолированная. Технические условия» (введён 1 апреля 2017 года взамен ГОСТ 10155-75), константановую — ГОСТ 5307-2015 «Проволока константановая неизолированная. Технические условия» (введён 1 апреля 2016 года взамен ГОСТ 5307-77). Марку и химический состав оба отдают ГОСТ 492-2006, а для термоэлектродной константановой проволоки действует ГОСТ 1790-2016.
❓ Как отличить манганин от константана без лаборатории?
Омметром не получится — удельное сопротивление у них различается в пределах допуска. Работает проба на термо-ЭДС: скрутите проволоку с медным проводом, подключите скрутку к милливольтметру и нагрейте место соединения. Константан даст около 43 мкВ на каждый градус, и уже от тепла руки прибор покажет сотни микровольт; манганин по норме не даёт больше 1 мкВ/°C. Косвенный признак — цвет: в манганине меди около 85 %, и он сохраняет медный оттенок, в константане меди около 58 %, и сплав выглядит белым.