Учебное пособие 800159

рами металлов приводит к сильному дрейфу термоЭДС и преждевременному разрушению термопары. По этой причине платиновые термопары никогда не устанавливают непосредственно в металлические чехлы.

3.1.2.4Верхний температурный предел длительного применения термопары ТПП10, равный 1300оС, лимитиру-

ется катастрофическим ростом зерна платинового электрода при температурах выше 1400оС. в этом диапазоне используется термопара ТПР, с меньшей дифференциальной чувстви-

тельностью, но с верхним пределом рабочих температур до 1600оС. Эта термопара механически более прочна, менее склонна к росту зерна и охрупчиванию, менее чувствительна к загрязнениям. Кроме того, малая чувствительность термопары

вдиапазоне 0…100оС делает возможным применение термопары с медными удлинительными проводами.

3.1.2.5Для устойчивой работы термопар из платины и ее сплавов необходима надежная изоляция термоэлектродов высокочистой оксидной керамикой, а также защита корун-

довыми (Al2O3) чехлами хорошего качества. Однако газоплотный корундовый чехол с минимальным содержанием приме-

сей имеет сравнительно невысокую термостойкость. Хорошую стойкость к термоударам (скачок температуры не менее 250оС)

показывает керамика с невысоким содержанием Al2O3 Al2O3 (70…80%) и пористостью 5…10%. Поэтому западные и некоторые российские производители выпускают платиновые термопреобразователи в двух защитных чехлах: наружный – тер-

мостойкий из пористой керамики с содержанием Al2O3 на уровне 80% и внутренний – газоплотный из высокочистой ке-

рамики (99,5% Al2O3). При наличии в рабочей среде абразивных частиц наружный чехол может быть выполнен из самосвязанного карбида кремния, также обладающего высокой термостойкостью.

3.1.2.6К недостаткам термопар из драгоценных металлов можно отнести уже упоминавшуюся высокую чувствительность термоэлектродов к любым загрязнениям, появ-

21

ляющимся при изготовлении, монтаже или эксплуатации термопар, а также их высокую стоимость.

3.1.3Термопары вольфрам – рений

Вольфрам – рениевые термопары ТВР имеют самый высокий предел длительного применения – 2200оС, но только в неокислительных средах, т.к. катастрофическое окисление и разрушение термоэлектродов на воздухе происходит уже при температуре 600оС. термопара устойчива в аргоне, гелии, сухом водороде и азоте, а также в вакууме. Основной недостаток

– плохая воспроизводимость термоЭДС, вынуждающая группировать термоэлектродные пары по группам с номинальными статическими характеристиками А-1, А-2, А-3.

3.1.4Термопары хромель – копель и хромель – алюмель

3.1.4.1Наиболее массовыми типами термопар в промышленности России являются термопара хромель – копель (на Западе применяется похожая термопара хромель –

константан, тип Е) с температурой длительного применения до 600оС и термопара хромель – алюмель (тип К) с температурой длительного применения до 1200оС.

3.1.4.2Термопара хромель – копель обладает наибольшей дифференциальной чувствительностью из всех промышленных термопар, применяется для проведения точных измерений температуры, а также для измерения малых разностей температур. Этой термопаре свойственна исключительно

высокая термоэлектрическая стабильность при температурах до 600оС, обусловленная тем, что изменения термоЭДС хромелевого и копелевого термоэлектродов направлены в одну и ту же сторону. Технический ресурс термопары составляет несколько десятков тысяч часов. Недостаток – высокая чувствительность к деформации.

3.1.4.3Термопара хромель – алюмель – самая рас-

пространенная в промышленности и научных исследованиях термопара с температурой длительного применения 1200оС. В

[2]и более ранних стандартах указана температура длительной

22

эксплуатации 1000оС. С учетом многочисленных экспериментальных данных величина 1200оС представляется несколько завышенной.

3.1.4.4Термопары хромель – алюмель и хромель – копель предназначены для измерения температуры в окислительных и инертных средах. Содержание кислорода в окислительной атмосфере должно быть не менее нескольких процентов или его присутствие должно быть практически исключено.

Ватмосфере, содержащей менее 2…3% (объемных) кислорода, в хромеле резко усиливается селективное окисление хрома, что ведет к существенному уменьшению термоЭДС хромеля, а интеркристаллитный характер коррозии приводит к охрупчиванию («зеленая гниль»). Длительное пребывание в вакууме при высоких температурах сильно уменьшает термоЭДС хро-

меля вследствие испарения хрома. Кроме того, SO2 сильно окисляет хромель и является поэтому причиной большого от-

рицательного дрейфа термоЭДС. Рабочий ресурс термопар ТХА при температуре менее 850оС лимитируется только величиной дрейфа термоЭДС, а при 1000…1200оС – жаропрочностью термоэлектродов.

3.1.4.5Термопара ТХА имеет широкий диапазон измеряемых температур, но применять ее во всем диапазоне нецелесообразно, т.к. это ухудшает точность измерений. Тер-

мопарой, которой пользуются для точного измерения температур до 500оС, не следует измерять более высокие температуры

и , наоборот, термопарой, использовавшейся при температурах выше 900оС, нельзя измерять температуры 300…600оС. при высоких температурах в термоэлектродах образуются локальные неоднородности, происходит дрейф термоЭДС. Поэтому нельзя уменьшать глубину погружения термопары в рабочую среду, т.к. возникшие локальные неоднородности могут попасть в зону градиента температур и приведут к дополнительной ошибке измерений. Увеличение глубины погружения не вызывает дополнительной погрешности.

23

3.1.4.6 В термопарах ТХА наблюдаются два вида нестабильности термоЭДС:

-необратимая нестабильность, постепенно накапливающаяся со временем;

-обратимая циклическая нестабильность.

Первый вид нестабильности обусловлен взаимодействием термоэлектродов с окружающей средой. Дрейф термоЭДС в градусах составляет не более 1% от измеряемой температуры на уровне 1000оС за 1000…4000 часов при диаметре термоэлектродов более 1мм.

Второй вид нестабильности обусловлен протеканием в хромеле превращений по типу ближнего упорядочивания магнитных ячеек структуры сплава в интервале 250…550оС. В результате этих превращений термопары ТХА в состоянии поставки после нагрева при 250…550оС увеличивают термоЭДС относительно номинальных значений. Этот рост исчезает (магнитная структура разупорядочивается) после нагрева при более высоких температурах. Величина обратимого дрейфа термоЭДС зависит от предыдущей истории термоэлектродов, температур градуировки, скорости охлаждения, а также от градиента температурного поля, в котором находилась термопара. Дрейф может достигать 3…4оС. Для уменьшения обратимого дрейфа полезно использовать хромель, подвергнутый предварительной термообработке «на упорядочивание» при 425…475оС в течение 6 ч, однако исключить его полностью не представляется возможным, если термопарой измеряют температуру в широком диапазоне. Вот почему фирма ABB Automation Products (ФРГ) поставляет свои термоэлектродные материалы для термопар типа К только после дополнительного «отжига на упорядочивание». Магнитная структура хромелевого электрода в этом случае уже упорядочена, и после установки термопары на объект на участке термоэлектродов с градиентом температуры 250…550оС этот процесс уже не проявляется.

24

3.1.4 Термопары нихросил – нисил

Все вышеперечисленные проблемы с термопарой ТХА инициировали разработку и стандартизацию ведущими промышленными странами термопары нихросил – нисил, созданной лабораторией материаловедения министерства обороны Австралии в 60-х годах двадцатого века [ ]. Материалы термоэлектродов нихросил и нисил показывают существенно лучшую стабильность термоЭДС по сравнению с термопарой ТХА. Это достигнуто увеличением концентрации хрома и кремния в никеле, а также введением в нисил магния, которые перевели процесс окисления материала термоэлектродов из внутреннего межкристаллического в поверхностный. При этом на термоэлектродах образуется защитная пленка окислов, подавляющих дальнейшее окисление. Увеличение содержания хрома в нихросиле до 14,2% фактически устранило обратимую нестабильность, характерную для хромеля. Новые сплавы показали также высокую радиационную стойкость, т.к. в них отсутствуют активирующиеся примеси Mn, Co, Fe. По данным австралийских исследователей дрейф термопары ТНН с термоэлектродами диаметром 3,2 мм за 1100 часов на воздухе при температуре 1200оС не превышает 100 мкВ, тогда как дрейф такой же термопары ТХА за 300 часов достиг 300 мкВ. Эти данные также свидетельствуют о завышенности значения температуры длительного применения 1200оС для термопары ТХА. В работе делается вывод о существенной необратимой нестабильности термопары ТХА при температурах выше 1050оС. Напротив, термопара ТНН при диаметре термоэлектродов не менее 2,5 мм и температуре до 1200оС показывает дрейф термоЭДС, не превышающий дрейф термопар из драгоценных металлов (ТПП, ТПР). Показана перспективность применения термопары ТНН в качестве универсального средства измерения температур в диапазоне температур 0…1230оС, это повысит точность промышленных измерений, качество конечного продукта и, в конечном счете, эффективность всего производства.

25

Термопара ТНН стандартизирована в России.

3.1.5Кабельные термоэлектрические преобразователи

3.1.5.1В настоящее время широкое распространение в мире, в т.ч. в России, получили термопарные кабели, представляющие собой пару термоэлектродов, помещенную внутрь металлической трубки и изолированную от нее уплотненным плавленым порошком MgO – периклазом [3].

Рисунок 1. Общий вид кабельной термопары

3.1.5.2В России выпускают термопарный кабель двух типов – КТМС-ХА и КТМС-ХК диаметром от 1 до 7,2 мм. Оболочка кабеля изготовлена из нержавеющей стали или жаростойкой стали или сплава. Общий вид кабельной термопары представлен на рисунке 1. Термоэлектроды термопары со стороны рабочего торца сварены между собой лазерной сваркой и образуют рабочий спай внутри стальной оболочки термопарного кабеля. Рабочий торец заглушен приваренной стальной пробкой. Свободные концы термоэлектродов подключаются к клеммам головки термопреобразователя или компенсационным проводам.

3.1.5.3Применение кабельных термопреобразователей позволяет достичь существенных преимуществ по сравнению

стермопарами традиционного исполнения:

26

-повышенные в 2…3 раза термоэлектрическая стабильность и рабочий ресурс при сравнимых рабочих условиях;

-возможность изгибать, укладывать в труднодоступные места, в кабельные каналы, приваривать, припаивать или просто прижимать к поверхности для измерения ее температуры, при этом монтажная длина может достигать 60…100 метров;

-малый показатель тепловой инерции кабельных термопреобразователей позволяет применять их при регистрации быстропротекающих процессов;

-блочно – модульное исполнение термопреобразователей в защитных чехлах обеспечивает дополнительную защиту термоэлектродов от воздействия рабочей среды и возможность оперативной замены чувствительного элемента;

-универсальность применения в различных условиях эксплуатации, хорошая технологичность, малая материалоемкость.

3.1.5.4 Сравнительные испытания термопар [3] показали, что дрейф термоЭДС кабельной термопары КТХА наруж-

ным диаметром 3 мм (диаметр термоэлектродов 0,65 мм) при температуре 800оС за 10000 часов составляет примерно 100 мкВ, тогда как у обычной термопары ТХА с термоэлектродами диаметром 3,2 мм дрейф достигает 120 мкВ, а при диаметре электродов 0,7 мм он превышает 200…250 мкВ при тех же ус-

ловиях. Дрейф термоЭДС кабельных термопар в оболочке из высоконикелевых сплавов при 980оС также вдвое меньше, чем дрейф показаний обычной термопары при той же температуре за 5000 часов. Как уже отмечалось, дрейф проволочной термо-

пары ТХА с электродами диаметром 3,2 мм при температуре 1077оС достигает 300 мкВ за 800 часов, а при температуре 1200оС – за 300 часов. Повышенная стабильность кабельных термопар объясняется затруднением окисления термоэлектродов из-за ограниченного количества кислорода внутри кабеля,

атакже дополнительной защитой термоэлектродов от воздей-

27

ствия рабочей среды с помощью металлической оболочки и оксида магния.

3.1.5.5При работе в потоках жидкости или газа, двигающихся с большой скоростью, а также при высоких давлениях и температурах, в агрессивных средах, кабельные термопреобразователи помещаются в защитные чехлы (гильзы), предохраняющие их от изгибов и разрушений, и служат в качестве сменных чувствительных элементов. Защитные чехлы имеют типовые габаритные размеры.

При этом термопреобразователи блочно – модульного исполнения, сохраняя все преимущества кабельных, приобретают следующие достоинства:

- возможность оперативной замены чувствительного элемента без демонтажа защитного чехла;

- возможность одновременной поверки большого числа преобразователей вследствие малогабаритности демонтируемых кабельных чувствительных элементов;

- удешевление последующих поставок, так как при необходимости, заменять можно только наружный чехол или только чувствительный элемент.

3.1.5.6Чехлы для термопреобразователей высокотемпе-

ратурного исполнения, работающих при температурах до 1100оС, изготавливаются из жаростойких сталей и сплавов. Рабочий ресурс высокотемпературных кабельных преобразователей блочно – модульного исполнения также превосходит ресурс термопреобразователей с проволочным чувствительным элементом, хотя диаметр термоэлектродов в кабеле не превышает 1 мм, тогда как проволочные термоэлектроды высокотемпературного исполнения обычно имеют диаметр 3,2 мм.

3.1.5.7Определяющим фактором для обеспечения рабочего ресурса кабельного термопреобразователя блочно – модульного исполнения является полная герметичность и высокая жаростойкость защитного чехла. В этом случае имеющейся внутри чехла кислород «выгорает» в течение первых

28

часов эксплуатации, далее кабельный чувствительный элемент работает в газовой среде, близкой к инертной, что резко тормозит процесс диффузии кислорода через оболочку кабеля к термоэлектродам. Термоэлектроды в этом случае защищены от воздействия рабочей среды двойной оболочкой – кабеля и защитного чехла.

По этому пути производства термопреобразователей пошли ведущие мировые производители: ABB Automation Products (Германия), JUMO (Германия), Auxitroll (Франция),

OMEGA Engineering (США), Ari Industries (США),OKAZAKI Manufacturing (Япония) и другие.

3.1.6Защитная арматура термопреобразователей

3.1.6.1Защитные газонепроникаемые чехлы

термопреобразователей существенно расширяют диапазон применения термопар в агрессивных средах и увеличивают их ресурс. На рисунке 2 показаны защитные чехлы и гильзы,

применяемые для расширения диапазона применения термопар. Для температур до 800оС применяются чехлы из нержавеющей стали типа Х18Н10Т или 10Х17Н13М2Т (повышенная стойкость к межкристаллической коррозии), при более высоких температурах использовалась, в основном, ферритная

сталь 15Х25Т с температурой интенсивного окалинообразования 1050оС, которая имеет ограниченную свариваемость и склонна к охрупчиванию в диапазоне 450…850оС.

29