Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Рязанский государственный радиотехнический университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

ТермоэлектричПреобразователи

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

21.03.2016

Размер:

234.55 Кб

Скачать

☆

В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА

Анатолий Белевцев, Владимир Богатов, Андрей Каржавин, Денис Петров, Анатолий Улановский

Термоэлектрические

преобразователи

температуры.

Теория, практика, развитие

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ				тройства с металлическими термопа			рабочего диапазона измеряемых тем
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ,				рами в качестве термочувствительных			ператур ТП будет работать если не ты
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ				элементов, предназначенные для из			сячи, то хотя бы сотни часов, так как в
И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ				мерения температуры от минус 270 до			прежнем издании ГОСТ 6616 74 ука
Широкому применению в промыш				плюс 2500°С. Термопара — два про			зывался диапазон измеряемых темпе
ленности и научных исследованиях				водника из разнородных материалов,			ратур	при длительном применении
термоэлектрические преобразователи				соединённых на одном конце и обра			термопар. Вообще принято считать ра
(далее ТП) обязаны в первую очередь				зующих часть устройства, использую			боту ТП длительной, если он работает
своей простоте, удобству	монтажа,			щего термоэлектрический эффект для			от нескольких сотен до тысяч часов и
возможности измерения	локальной			измерения температуры. В стандарте			за этот срок изменение статической
температуры. К числу достоинств ТП				нормализованы требования к двенад			характеристики термопары по отно
относятся также широкий диапазон				цати типам ТП, некоторые из них			шению к номинальной характеристи
измеряемых температур, малая инер				представлены в табл. 1.			ке не превышает 1%. Кратковремен
ционность, возможность	измерения			В ГОСТ 6616 94 п. 5.5 приведено			ным применением считается работа
малых разностей температур.				требование: конструкция ТП и приме			ТП длительностью до 100 часов. За это
Межгосударственный		стандарт		няемые материалы должны обеспечи			время статическая характеристика тер
ГОСТ 6616 94 «Преобразователи тер				вать стабильность ТП при воздействии			мопары также не должна измениться
моэлектрические. Общие технические				температуры верхнего значения рабо			больше чем на 1% [2]. На наш взгляд, в
условия» введён в действие в качестве				чего диапазона измерения в течение			ГОСТ 6616 необходимо ввести кон
государственного стандарта РФ с 1 ян				2 часов. Изменение НСХ ТП не долж			кретные определения сроков работы,
варя 1999 г. В этом стандарте опреде				но быть более 1/ допускаемых откло			увязав	их с ГОСТом 5632 72 «Стали
					2
лены понятия термоэлектрического				нений [1]. Указанное требование не			высоколегированные и сплавы корро
преобразователя и термопары. Термо				учитывается многими специалистами,			зионностойкие, жаростойкие и жаро
электрические преобразователи — ус				полагающими, что на верхнем пределе			прочные», фактически регламентиру
										Таблица 1
		Химический состав основных типов ТП и пределы измеряемых температур

			Обозначе	Буквенное	Химический состав термоэлектродов, мас. %			Пределы измеряемых температур, С°
Тип термопары			ние МЭК	обозна	положительный	отрицательный		нижний	верхний	кратков
				чение НСХ						ременно
Медь константановая ТМКн			Cu!CuNi	T	Cu	Cu+(40!45)Ni+1.0Mn +0.7Fe		–200	350	400
Хромель копелевая ТХК			—	L	Ni+9.5 Cr	Cu+(42!44)Ni+0.5Mn +0.1Fe		–200	600	800
Хромель константановая ТХКн			NiCr!CuNi	E	Ni+9.5 Cr	Cu+(40!45)Ni+1.0Mn +0.7Fe		–200	700	900
Железо константановая ТЖК			Fe!CuNi	J	Fe	Cu+(40!45)Ni+1.0Mn +0.7Fe		–200	750	900
Хромель алюмелевая ТХА			NiCr!NiAl	K	Ni+9.5 Cr	Ni+1Si+2Al+2.5Mn		–200	1200	1300
Нихросил нисиловая ТНН			NiCrSi!NiSi	N	Ni+14.2Cr+1.4Si	Ni+4.4Si+0.1Mg		–270	1200	1300
Платинородий платиновые ТПП13			—	R	Pt+13Rh	Pt		0	1300	1600
ТПП10				S	Pt+10Rh	Pt

Платинородий платинородиевая			—	B	Pt+30Rh	Pt+6Rh		600	1700	—
Вольфрамрений			—	—	W+5 %Re	W+20 %Re		0	2200	2500
вольфрамрениевые (А 1; А 2; А 3)

Примечания. 1. Указанные буквенные обозначения номинальной статической характеристики (НСХ) термопар соответствуют обозначениям стандарта МЭК 584!1, кроме термопары хромель!копель (L), не нормируемой данным стандартом.

2. Термоэлектродные материалы обычно поставляются в соответствии с пределами допускаемых отклонений, нормированных для темпе! ратур выше –40°С. Для измерения низких температур при заказе термоэлектродных материалов должны быть оговорены требования на допускаемые отклонения, соответствующие, как правило, 3 классу.

66 3. По стандарту ФРГ DIN 43710 тип L соответствует термопаре Fe!CuNi (железо!медь!никель), отрицательный термоэлектрод которой бли! же по составу к копелю. Её значение термоэдс (Е) немного больше, чем у термопары железо!константан (J).

	www.cta.ru	СТА 2/2004

В З А П И С Н У Ю К Н И Ж К У И Н Ж Е Н Е Р А

						Таблица 2
		Рекомендуемые рабочие атмосферы

Тип		Рабочие атмосферы			Чувствительность в диапазоне температур
Тип	окисли	восстано	инерт
термопары	окисли	восстано	инерт	вакуум	диапазон, °С	dE/dT, мкВ/°С
	тельная	вительная	ная
ТМКн (Т)	++	+	+	+	0!400	40!60
ТХК	++	–	+	+	0!600	64!88
ТХКн (E)	++	–	+	+	0!600	59!81
ТЖК (J)	++	++	+	+	0!800	50!64
ТХА (K)	++	–	+	+	0!1300	35!42
ТНН (N)	++	–	+	+	0!1300	26!36
ТПП (R, S)	++	–	+	+	600!1600	10!14

ТПР (B)	++	–	+	+	1000!1800	8!12
ТВР	–	H2++	++	++	1300!2500	14!7

Примечания. 1. «++» — рекомендуемая атмосфера; «+» — эксплуатация в данной атмосфере воз! можна; «–» — нерекомендуемая атмосфера.

2. Под окислительной атмосферой обычно подразумевается воздух (21% объёма О2) или смесь газов при избытке кислорода, в которой происходит окисление вещества (потеря атомами и ионами электронов). Присоединение атомами кислорода (образо! вание оксида) — частный случай реакций окисления. Слабоокислительная атмосфе! ра содержит О2 в смеси газов на уровне 2!3%. В восстановительной атмосфере идут химические реакции, в которых атомы и ионы присоединяют электроны. При этом происходит понижение валентности элемента. Примеры восстановительных сред — сухой H2, CO, углеродсодержащие газовые среды, эндогаз, экзогаз, коксовый и домен! ный газы, диссоциированный аммиак, выхлопные газы камер сгорания.

Инертная атмосфера существует в газах N2, Ar, He и других инертных.

ющим срок службы защитных чехлов			В табл. 2 приведены рекомендуемые
ТП. В этом стандарте под кратковре			рабочие атмосферы для различных ти
менным сроком работы условно пони			пов термопар, а также их дифферен
мают время службы детали до 100 ч;			циальная чувствительность в указан
под ограниченным сроком работы —			ных диапазонах температур [3].
от 100 до 1000 ч; под длительным сро			Из табл. 2 следует, что универсаль
ком работы — от 1000 до 10 000 ч, под			ными термопарами являются медь
весьма длительным сроком работы —			константановая и железо константа
время, значительно большее 10 000 ч			новая. Первая не нашла широкого
(обычно от 50 000 до 100 000 ч).			применения в промышленности из
Указанное положение ГОСТ 6616 94			за узкого диапазона температур в об
позволяет	производителям	заявлять	ласти выше 0°С. Она используется в
фактически завышенный		верхний	основном для измерения низких тем
предел рабочего диапазона измеряе			ператур. Термопара типа J широко
мых температур. Например, для ТП			используется на Западе, но в России
типа ТХА в чехлах из стали 15Х25Т за			также не нашла широкого примене
являют верхний предел рабочего диа			ния, по видимому, из за отсутствия
пазона	измеряемых температур		производства высокочистого термо
1200°С. Однако при этой температуре			электродного железа. Кроме того, к
показания будут достоверными лишь			недостаткам термопары можно отне
в течение нескольких часов из за			сти плохую коррозионную стойкость
свойств термоэлектродов, а защитный			железного электрода и высокую чув
чехол разрушится через несколько де			ствительность к деформации.
сятков часов, так как температура на
чала интенсивного окалинообразова			Преобразователи
ния у этой стали 1050°С.			термоэлектрические на основе
Необходимо также помнить, что все			благородных и тугоплавких
показатели надёжности (средний срок			металлов
службы, наработка на отказ, гаран			Термопреобразователи вольфрамре
тийные обязательства) нормируются			ний вольфрамрениевые ТВР имеют са
для номинальной температуры приме			мый высокий предел длительного при
нения — наиболее вероятной темпе			менения — 2200°С, но только в нео
ратуры эксплуатации ТП. Как прави			кислительных средах, так как на возду
ло, её принимают за 75% от верхнего			хе уже при температуре 600°С происхо
предела рабочего диапазона измеряе			дит очень быстрое окисление и разру
мых температур.			шение термоэлектродов. Термопара

устойчива в аргоне, гелии, сухом водо
роде и азоте, а также в вакууме. Основ
ной недостаток — плохая воспроизво
димость термоэдс,	вынуждающая
группировать термоэлектродные пары
по группам с номинальными статичес
кими характеристиками А 1, А 2, А 3.
В металлургическом производстве и
при термообработке в диапазоне 1000
1600°С чаще всего используются пла
тинородий платиновые термопреобразо
ватели ТПП10 и ТПР. Модификация
ТПП13 широко применяется на Запа
де. Термопары ТПП10 используются
также в качестве эталонных средств.
По совокупности свойств платина и
платинородиевые сплавы являются
уникальными материалами для термо
пар. Их основное свойство —хорошее
сопротивление газовой коррозии, осо
бенно на воздухе при высоких темпе
ратурах. Указанное свойство в сочета
нии с высокой температурой плавле
ния и достаточно большой термоэдс,
хорошей совместимостью со многими
изолирующими и защитными матери
алами, а также с хорошей технологич
ностью и воспроизводимостью метро
логических характеристик, делает их
незаменимыми при изготовлении эле
ктродов термопар для измерения вы
соких температур в	окислительных
средах. Эти сплавы устойчивы в аргоне
и гелии, не растворяют азот и водород,
не образуют нитридов и гидридов, не
взаимодействуют с СО и СО2. Тем не
менее, применять платинородий пла
тиновые термопреобразователи в вос
становительных атмосферах не реко
мендуется, так как в этом случае про
исходит загрязнение платины и плати
нородиевого сплава элементами, вос
становленными из защитной или изо
лирующей керамики (обычно оксид
ной). До 1200°С платина и её сплавы с
родием практически не взаимодейст
вуют с огнеупорными материалами.
При более высоких температурах чис
тота огнеупорного материала влияет
на стабильность термопар. Наличие
примеси SiO2 (окись кремния) в мате
риале ведет к изменению термоэдс
(рис. 1, [4]), а в восстановительной ат
мосфере уже при температуре выше
1100°С разрушает платину из за обра
зования силицидов Pt5Si2 и легкоплав
кой (830°С) эвтектики Pt Pt5Si2, отла
гающейся по границам зёрен. Эта ре
акция возможна только в присутствии
углерода и серы и осуществляется пу
тем восстановления SiO2 до Si, кото		67
рый в присутствии СО соединяется с

СТА 2/2004

www.cta.ru

В З А П И С Н У Ю К Н И Ж К У И Н Ж Е Н Е Р А

серой, образуя газообразный SiS2, а последний реагирует с платиной. Та ким образом, реакция протекает через газовую фазу и не требует обязательно го контакта термоэлектродов с квар цем. Окись кремния SiO2 может быть восстановлена водородом до SiO (газ), который также реагирует с платиной. Вообще кремний — основная причи на охрупчивания и разрушения термо пар. Он, как и некоторые другие эле менты: Zn, Sn, Sb, Pb, As, Bi, P, В, S — относится к платиновым ядам [5]. Се ра и углерод обычно присутствуют в остатках смазочных масел и охлажда

ющих эмульсий, использующихся при	ростом зёрен в платиновом электроде.
изготовлении металлической защит	При температурах выше 1400°С этот
ной арматуры чехла. Пары железа,	рост приобретает катастрофический
хрома и марганца также представляют	характер. В указанном диапазоне ис
опасность для платиновых термоэлек	пользуется термопара ТПР с меньшей
тродов, особенно в вакууме. Взаимо	дифференциальной чувствительнос
действие с парами металлов приводит	тью, но с пределом рабочих темпера
к сильному дрейфу термоэдс и прежде	тур до 1600°С. Эта термопара механи
временному разрушению термопары.	чески более прочна, менее склонна к
По этой причине платиновые термо	росту зерна и охрупчиванию, менее
пары никогда не устанавливают непо	чувствительна к загрязнению. Кроме
средственно в металлические чехлы.	того, малая чувствительность термопа
Верхний температурный предел дли	ры в диапазоне 0 100°С делает возмож
тельного применения термопары	ным её применение с медными удли
ТПП10, равный 1300°С, лимитируется	нительными проводами.

		Выдержка в воздушной среде							Выдержка в атмосфере водорода
мВ	0,20							DЕ, мВ
мВ
термоэдс,	0,10							2			Pt
	0,10					Pt 6% Rh		2
						Pt 6% Rh
Изменение				Pt		Pt 10%Rh
				Pt
	0,00							1
	–0,05					Pt 30%Rh					Pt 6%Rh
	–0,05
	0	10	20	30	40		50
	0	10	20	30	40		50	0			Pt 10%Rh
			Время выдержки, ч					0			Pt 10%Rh
			Время выдержки, ч
								–0,5			Pt 30%Rh
								–0,5
								0	5	10	15	20 ч
							Порошок Al2O3	(99,7%)
	DЕ, мВ							DЕ, мВ
	0,20							2
	0,10			Pt				1		Pt
	0,10										Pt 6%Rh
											Pt 6%Rh
				Pt 6%Rh								Pt 10%Rh
				Pt 6%Rh				0
	0,00			Pt 10%Rh				0
				Pt 10%Rh
				Pt 30%Rh							Pt 30%Rh
	–0,05			Pt 30%Rh				–0,5			Pt 30%Rh
								–0,5
								0	5	10	15	20 ч
	0	10	20	30	40		50 ч	0	5	10	15	20 ч
	0	10	20	30	40		50 ч
					Смесь порошков — муллит (60% Al2O3 + 40% SiO2)

DЕ, мВ						DЕ, мВ
			Pt					Pt
0,20						2
			Pt 6%Rh			1		Pt 6%Rh
0,10			Pt 6%Rh
0,10
				Pt 10%Rh				Pt 10%Rh
				Pt 10%Rh		0
0,00						0		Pt 30%Rh
0,00				Pt 30%Rh

–0,05						–0,5
						–0,5
						0	5	10	15	20 ч
0	10	20	30	40	50 ч	0	5	10	15	20 ч
0	10	20	30	40	50 ч
					Порошок технического SiO2

68 Рис. 1. Изменение термоэдс электродов из платины и её сплавов при 1200°С после выдержки в порошках при 1400°С

	www.cta.ru	СТА 2/2004

В З А П И С Н У Ю К Н И Ж К У И Н Ж Е Н Е Р А

Для устойчивой работы термопар из платины и её сплавов необходима надежная изоляция термоэлектродов высокочистой оксидной керамикой, а также защита корундовыми чехла ми хорошего качества и с толщиной стенки 5 мм и более для минимиза ции диффузии газов и паров метал лов через стенку. К сожалению, такие газоплотные корундовые чехлы име ют сравнительно невысокую термо стойкость. Стойкость к термоударам повышается при снижении толщины стенки и использовании керамики c пониженным содержанием Al2O3 (70 80%) и пористостью 5 10%. Та кие корундовые чехлы выдерживают температурный скачок до 250°С.

При наличии в высокотемператур ной газовой среде абразивных твердых частиц и необходимости высокой тер мостойкости наружный чехол плати новой термопары может быть выпол нен из самосвязанного карбида крем ния. Для кауперов доменных печей при наличии избыточного давления рабочей среды защитные чехлы тер мопар изготавливаются герметичны ми, вывод термоэлектродов осуществ ляется через резиновое уплотнение для исключения прорыва газов в голо вку в случае разрушения чехла. Недо статком данной конструкции является вероятность разрушения внутреннего корундового чехла от термоудара при установке ТП на объекте из за суще ственного различия коэффициентов теплопроводности и термического расширения корунда и карбида крем ния. В результате происходит практи чески мгновенное разрушение плати нового электрода из за взаимодейст вия с кремнием, содержащимся в чис том виде в количестве около 6% в кар биде кремния.

В целом к недостаткам платиноро диевых ТП можно отнести уже упоми навшуюся высокую чувствительность термоэлектродов к любым загрязне ниям, появляющимся при изготовле нии, монтаже или эксплуатации ТП, а также их высокую стоимость.

Подробная информация о защите ТП при высоких температурах содер жится в [6].

Преобразователи термоэлектрические на основе неблагородных металлов

Наиболее распространёнными в России типами термоэлектрических 70 преобразователей являются хромель

www.cta.ru

копель (тип L) и хромель алюмель					Обратимая нестабильность в ин
(тип К).				тервале температур 250 550°С обус
Преобразователь термоэлектрический				ловлена протеканием в хромеле пре
хромель копелевый ТХК (тип L) обла				вращений по типу ближнего упоря
дает наибольшей дифференциальной				дочения раствора атомов хрома в
чувствительностью из всех промыш				атомной решетке никеля. В результа
ленных ТП, применяется для точных				те этих превращений термопары ХА
измерений температуры, а также для				после нагрева при 250 550°С увели
измерений малых температурных раз				чивают термоэдс относительно но
ностей. ТП свойственна исключитель				минальных значений (рис. 2, [3]).
но высокая термоэлектрическая ста				Этот рост исчезает (структура решет
бильность при нагревах до 600°С, обус				ки разупорядочивается) после нагре
ловленная тем, что изменения термо				ва при более высоких температурах.
эдс хромелевого и копелевого термо				Величина			обратимого			изменения
электродов направлены в одну и ту же				термоэдс зависит от предыдущей ис
сторону и компенсируют друг друга.				тории		термоэлектродов: температур
Технический ресурс термопар может				градуировки, скорости охлаждения, а
составлять несколько десятков тысяч				также		от	градиента		температурного
часов. Так, у термопар с диаметрами				поля, в котором находится термопа
термоэлектродов от 0,5 до 3,2 мм при				ра. Изменение может						достигать
их выдержке в течение 10 000 часов				3 4°С. Для него полезно использо
при 400 600°С максимальные измене				вать хромель, подвергнутый предва
ния градуировки составили 0,5 1°С [3].				рительной термообработке «на упо
К недостаткам ТХК можно отнести от				рядочение» при 425 475°С в течение
носительно высокую чувствительность				6 ч [3], однако исключить его полно
к деформации.				стью не представляется возможным,
Преобразователь термоэлектрический				если термопарой измеряют темпера
хромель алюмелевый ТХА (тип К) явля				туру в широком диапазоне.
ется самым распространенным термо					Необратимая нестабильность зави
преобразователем в промышленности				сит от многих факторов, таких как хи
и научных исследованиях. ТП пред				мический состав самих сплавов, свой
назначен для измерения температуры				ства окружающей атмосферы, защит
до 1100°С (длительно) и 1300°С (крат				ных и изоляционных материалов. Ве
ковременно)	в	окислительных и		личина нестабильности в значитель
инертных средах. Термопреобразова				ной степени зависит от температуры и
тель широко используется во всех от				времени нагрева, а также от числа и ха
раслях промышленности в печах, на				рактера термоциклов. При температу
гревательных	устройствах, энергоси			рах до начала интенсивного окисления
ловом оборудовании. Номинальная				хромеля и алюмеля (ниже 850°С) в
статическая характеристика ТХА близ				окислительной атмосфере изменение
ка к линейной,		дифференциальная		термоэдс не превышает 1% за десятки
термоэдс около 40 мкВ/°С во всём ди				тысяч часов и практически не зависит
апазоне измеряемых температур. Глав				от диаметра термоэлектродов до 800°С.
ное преимущество ТХА по срав
нению с другими термопарами
				40						X/Pt
из неблагородных металлов со
				0
стоит в значительно большей			мкВ
				–40
стойкости к окислению при вы
			термоэдс,
ратурах менее 850°С ограничи				0
соких температурах. Техничес				40						A/Pt
кий ресурс термопар при темпе

			Изменение
вается только дрейфом термо				–40

эдс, так как жаростойкость хро
				40						XA
меля и алюмеля позволяет ис
				0
пользовать их при этих темпе

ратурах десятки тысяч часов.				–40
К недостаткам ТХА относят				–80
					200	300		400	500	600
ся присущие ей два вида неста
							Температура, °С
бильности термоэдс: обратимая
циклическая нестабильность и			Рис. 2. Изменение термоэдс термопары ХА и её
необратимая	нестабильность,		электродов относительно платины после нагрева до
накапливающаяся со временем.			570°С и последующего охлаждения

СТА 2/2004

В З А П И С Н У Ю К Н И Ж К У И Н Ж Е Н Е Р А

Изменение термоэдс значи

термоэдс, мкВ

показаний, °С

обще в восстановительных

тельно возрастает с увеличе

1000 ч

средах термопары ХА очень

200

нием

температуры

до

850 ч

нестабильны. Изменение

1000°С, при этой температу

550 ч

термоэдс

всегда отрица

ре существенный дрейф от

тельно, а её значение гораз

мечается уже за 800 1000 ча

до больше изменений тер

Изменение

100

250 ч

Изменение

сов (рис. 3, [3]), а при тем

моэдс

окислительной

пературе в 1200°С превыша

50 ч

среде, так как наряду с про

ет 1% уже через 200 часов

цессом

окисления

хрома

(рис. 4, [7]). Основной при

протекает

реакция

карби

200

400

600

800

чиной изменения термоэдс

дообразования. Эксплуата

Температура, °С

в окислительной атмосфере

ция

термопар

возможна

является изменение хими

Рис. 3. Изменение градуировочной характеристики термопары хромель

лишь в чехлах, конструк

ческого состава термоэлект алюмель (диаметр электродов 3,2 мм) в результате нагрева на воздухе при

ция которых обеспечивает

родов из за избирательного

1000°С

защиту от углерода атмо

окисления

компонентов

сферы. Необходимо учиты

сплавов. В

результате

селективного

Существенное влияние на стабиль

вать, что восстановительная атмосфера

окисления

хромеле

подокалинные

ность термоэдс оказывает состав окру

может создаваться непосредственно у

слои обедняются хромом, а в алюме

жающей среды. Уже в слабо восстано

электродов, например, при наличии

ле — алюминием и марганцем. Сниже

вительной атмосфере (содержание О2

углерода в материале изоляции элект

ние концентрации легирующих эле

менее 2 3%), особенно в присутствии

родов или материале чехла. Чехлы из

ментов ведёт к уменьшению термоэдс

паров воды или СО, селективное окис

нержавеющей стали не всегда являют

электродов. Вид кривых на рисунках 3

ление хрома

протекает значительно

ся надёжной защитой в водороде, оки

и 4 обусловлен в основном специфиче

интенсивнее, чем в окислительной ат

си углерода и графитосодержащей ат

ским изменением термоэдс алюмеля.

мосфере. Это приводит к резкому сни

мосфере. Длительное пребывание в ва

Термоэдс хромеля в начальной стадии

жению его концентрации в сплаве (на

кууме при высоких температурах также

окисления (на протяжении 3000 5000

поверхности образуется зелёная окись

значительно уменьшает термоэдс хро

часов при 950°С) возрастает, так как со

хрома — «зелёная гниль») и существен

меля вследствие испарения хрома.

держание хрома в сплаве изначально

ному уменьшению его термоэдс. Этот

В атмосфере, содержащей серу, алю

(9,5%) больше по сравнению с концен

процесс особенно заметно проявляется

мель охрупчивается при 650 820°С из

трацией, отвечающей максимальной

при температурах от 800 до 1050°С. Во

за

интеркристаллитной

коррозии.

термоэдс (8,5 8,75%).

Учитывая

изложенное,

применять

один и тот же преобразователь ТХА во

всем диапазоне измеряемых температур

нецелесообразно, так как это ухудшает

точность измерений. Термопарой, кото

рую используют для точного измерения

температур до 500°С, не следует измерять

более высокие температуры, и наоборот,

термопарой, использовавшейся при тем

пературах выше 900°С, нецелесообразно

измерять температуры 300 600°С. Кроме

того, не рекомендуется уменьшать глу

бину погружения термопары в рабочую

среду, так как возникающие при высоких

температурах локальные неоднороднос

ти материала термоэлектродов могут по

пасть в зону градиента температур, что

приведет к дополнительному измене

нию термоэдс и, соответственно, к до

полнительной ошибке измерений. Со

гласно законам термоэлектрических це

пей увеличение глубины погружения в

зону равномерного температурного поля

частично приводит к восстановлению

первоначальных показаний термопреоб

разователя, так как в этом случае термо

эдс возникает на участках электродов,

ранее не подвергавшихся воздействию

температуры

или подвергавшихся в

меньшей степени.

СТА 2/2004

www.cta.ru

Тел.: (095) 234 0635

Факс: (095) 232 1653 http://www.cta.ru

В З А П И С Н У Ю К Н И Ж К У И Н Ж Е Н Е Р А

12,5

напряжения. Они увеличиваются с

1204°

ростом степени деформации и с рос

400

(200 ч)

10,0

том степени статической нагрузки.

мкВ

1204°

1093°

Поэтому не рекомендуется резко вы

°С

1093°

(200 ч)

нимать ТП из объекта, так как даже

термоэдс,Изменение

показаний,Изменение

одноразовое извлечение его из среды

300

7,5

с температурой 1100°С может вызвать

200

5,0

изменение статической

характерис

982°

тики на десятки градусов.

Все перечисленные проблемы ис

100

871°

2,5

пользования термопары ХА иниции

ровали внедрение и стандартизацию

649° 760°

ведущими промышленными странами

427°

538°

термопары нихросил нисил ТНН (тип

N), разработанной в лаборатории ма

204

316

427

538

649

760

871

982

1093

териаловедения министерства оборо

Температура, °С

ны Австралии в 60 х годах ХХ века.

Рис. 4. Изменение термоэдс термопары ХА с термоэлектродами диаметром 3,2 мм за 1000 ч

Похожая термопара сильх силин была

нагрева на воздухе при температурах, указанных на кривых

разработана в СССР, но она так и не

получила широкого применения. Ма

При более высоких температурах вза

девременного выхода из строя хро

териалы термоэлектродов нихросил и

имодействие алюмеля с сернистыми

мель алюмелевых термопар.

нисил демонстрируют

существенно

соединениями приводит к его сильной

Особое

место среди

различных

лучшую стабильность

термоэдс по

общей коррозии. Исключить взаимо

причин, влияющих на стабильность

сравнению со сплавом ХА за счет уве

действие алюмеля с серой непросто,

показаний

термопар ХА,

занимают

личения концентрации хрома и крем

так как её источниками могут быть

термические напряжения, возникаю

ния в никеле, а также введения в ни

топливо печей, остатки масла и эмуль

щие под действием либо длительных

сил магния, которые перевели про

сий в защитных чехлах, некоторые

статических нагрузок на термоэлект

цесс окисления материала термоэлек

сорта цемента и асбеста. Влияние се

роды, либо в результате термоцикли

тродов из внутреннего межкристал

ры и её соединений на алюмель — са

рования. Причиной изменения тер

литного в поверхностный. Образую

мая распространённая причина преж

моэдс являются остаточные микро

щаяся на термоэлектродах защитная

пленка окислов подавляет дальнейшее

окисление. Увеличение

содержания

хрома в нихросиле до 14,2% фактичес

ки устранило обратимую нестабиль

ность, характерную для хромеля. Од

нако некоторые исследователи [8] всё

же наблюдали обратимую нестабиль

ность термопары НН, но её максимум

смещался к температуре 700°С (в хро

меле — 400°С). Эта нестабильность

определяется не структурными пре

вращениями малого порядка, а скорее

микроструктурой металлического зер

на сплава, наличием примесей, в част

ности, образованием и распадом в ни

хросиле карбидов хрома Cr23C6, а так

же интерметаллидных фаз в нисиле, в

зависимости от температуры [9]. От

жиг термоэлектродов при 1100°С в те

чение 1 2 ч с последующим резким ох

лаждением на воздухе снимает все об

ратимые изменения. Абсолютная ве

личина обратимой нестабильности в

целом меньше, чем в термопаре ХА.

Долговременная стабильность прово

лочной термопары НН, как отмечает

ся всеми исследователями, сущест

венно лучше, чем у ТХА. Изменение

термоэдс термопары НН с термоэлек

тродами диаметром 3,2 мм за 1100 ч на

воздухе при температуре 1200°С не

www.cta.ru

СТА 2/2004

В З А П И С Н У Ю К Н И Ж К У И Н Ж Е Н Е Р А

превышает 100 мкВ, тогда как у ТХА

Таблица 3

за

300 ч

достигает

300 мкВ

[10]

Основные технические характеристики термопарного кабеля КТМС

(рис. 5). В работе [10] делается вывод о

Наружный диаметр оболочки кабеля d, мм

1,0

1,5

3,0

4,0

4,6

5,0

6,0

существенной необратимой неста

Число термоэлектродов

бильности термопары ХА при темпе

Номинальное сечение термоэлектродов, мм2

0,03

0,06

0,30

0,50

0,44

0,60

0,90

ратурах выше 1050°С, а

изменение

Диаметр термоэлектродов, мм

0,20

0,27

0,65

0,85

0,75

0,90

1,08

термоэдс ТНН при диаметре термо

Толщина оболочки S, мм

0,15

0,25

0,35

0,52

0,35

0,62

0,75

электродов не менее 2,5 мм и темпера

Материал оболочки

сталь 12Х18Н10Т, сплав ХН78Т

туре до 1200°С такое же, как у термо

пар из драгоценных металлов (ТПП,

КАБЕЛЬНЫЕ

моэлектродов: КТМС ХА и КТМС

ТПР). Новые термопарные сплавы

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

ХК (кабель термопарный с минераль

также показали высокую радиацион

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

ной изоляцией в стальной оболочке с

ную стойкость из за отсутствия акти

В настоящее время во всём мире

хромель алюмелевыми или хромель

вирующихся примесей Mn, Co, Fe.

широкое распространение получили

копелевыми термоэлектродами) диа

Автор разработчик термопары НН,

термоэлектрические преобразователи,

метром от 0,9 до 7,2 мм с изоляцией из

д р Ноэл Берли (Австралия), показы

изготавливаемые из термопарного ка

электротехнического

периклаза

(ос

вает перспективность её применения

беля. Ведущие мировые производите

нова MgO 98%) по ТУ 16 505.757 75

в качестве универсального средства

ли, такие как ABB, Ari, JUMO,

(табл. 3). Оболочка кабеля изготовле

измерения

температур в

диапазоне

Pyrotenax, Siemens, Thermocoax, TRM,

на из жаростойкой стали или сплава.

0−1230°С, что повысит точность про

90 95% объёмов термоэлектрических

Термопарный кабель за счёт высо

мышленных измерений, качество ко

преобразователей производят из кабе

кой плотности заполнения перикла

нечного продукта и, в конечном сче

ля. Он представляет собой гибкую ме

зом выдерживает изгиб на 180° вокруг

те, эффективность всего производст

таллическую трубку с размещёнными

цилиндра диаметром, равным пяти

ва [10].

внутри неё одной или двумя парами

кратному диаметру кабеля. Например,

°C

термоэлектродов,

кабель диаметром 3 мм можно навить

расположенными

на трубу диаметром 15 мм. При этом

тип K

параллельно

друг

не происходит замыкания электродов

200

другу. Пространст

между собой или с оболочкой. Высо

3,2 мм

во вокруг

термо

кая плотность заполнения обусловле

100

электродов

запол

на технологией изготовления кабеля.

тип N

нено сильно уплот

Из порошка периклаза методом сухо

нённой

мелкодис

го прессования изготавливают двухка

персной минераль

нальные бусы, в которые вставляют

200

2,6 мм

ной

изоляцией

термоэлектроды, сборку помещают в

мкВ

(рис. 6). В

России

трубу диаметром около 20 мм и много

тип K

тип N

выпускают

термо

кратно протягивают через фильеры,

термоэдс,

100

парный

кабель с

проводя промежуточный отжиг в сре

Изменение

двумя типами тер

де водорода или аргона.

200

2,0 мм

тип N

тип K

100

200

1,6 мм

тип K

100

тип N

мм

200

400

600

800

1000

1200

d=4,6

Время выдержки, ч

1077°C

1152°C

1202°C

Для сравнения приведены изменения термоэдс термопар хромель алю

Условные обозначения:

мель с диаметром термоэлектродов 3,2 мм для температур 1077 и

1 — оболочка кабеля;

1202°С, предварительно отожжённых в течение 80 часов при постоян

2 — термоэлектроды;

ной температуре (температура отжига та же, что и при калибровке

3 — минеральная изоляция (MgO);

термопар) [9].

d — наружный диаметр оболочки кабеля;

Рис. 5. Изменения термоэдс термопар нихросил нисил с разными

S — толщина оболочки кабеля.

диаметрами термоэлектродов при длительной выдержке на воздухе

Рис. 6. Термопарный кабель с одной или двумя парами

для трёх постоянных температур (1077; 1152; 1202°С)

термоэлектродов

www.cta.ru

СТА 2/2004

В З А П И С Н У Ю К Н И Ж К У И Н Ж Е Н Е Р А

ростойкой оболочке также свидетель

ствуют об их более высокой стабиль

ности (рис. 9, [11]), так как изменение

термоэдс за 250 часов при температуре

1085±10°С не превысило 1°С, тогда

как у проволочной термопары диамет

ром 3,2 мм [3] достигает 3°С при

1000°С. Повышенная стабильность

Рис. 7. Возможные дефекты рабочего спая кабельной термопары:

кабельных термопар (рис. 10, [3]) объ

а) дефектов нет; б) несплавление термоэлектродов; в) утонение зоны сварного шва;

ясняется

затруднением

окисления

г) микротрещины и поры в зоне сварного шва

термоэлектродов из за ограниченного

количества кислорода внутри кабеля,

мкВ

200

3°С, а при диаметре элект

а также дополнительной защитой тер

родов 0,7 мм

превышает

моэлектродов от воздействия рабочей

термоэдс,

160

200 250 мкВ

(5 6°С) при

среды металлической оболочкой и ок

120

тех же условиях (рис. 8,

сидом магния.

Изменение

2000

4000

6000

8000

10000

[3]). Изменение термоэдс

Для кабельных термопар КТХА также

сплавов при

980°С также

шего отжиг «на упорядочение», особен

кабельных термопар в обо

важно использование предварительно

лочке из высоконикелевых

стабилизированного кабеля, прошед

Продолжительность нагрева, ч

вдвое меньше, чем у обыч

но для термопар, предполагаемых к ис

ной термопары при той же

пользованию в диапазоне температур

Рис. 8. Изменение термоэдс термопарного кабеля КТМС ХА

температуре за 5000 ч. Как

400 600°С. Так, в работе [12] авторами

(1) и термопары ХА в обычном исполнении (2) при 800°С.

уже отмечалось [7], изме

убедительно показано, что предвари

Диаметр электродов 0,7 мм

нение показаний прово

тельный стабилизационный отжиг тер

лочной термопары ТХА с

моэлектродов

термопары

ТХА при

Одним из наиболее сложных и ответ

электродами диаметром 3,2 мм дости

538°С снижает

ее нестабильность в

ственных этапов в технологии изготов

гает 11°С за 1000 ч при температуре

4 5 раз. Использование таких термопар

ления термопары является сварка ра

1093°С, а при 1200°С — 12,5°С за 200 ч.

для измерения температуры в газовых

бочего спая, так как она производится

Экспериментальные

исследования

турбинах позволяет увеличить тепловой

внутри оболочки кабеля и при её про

[11] кабельных термопар КТХА в жа

кпд турбин от 0,5 до 2,0%.

ведении могут возникать технологиче

ские дефекты в сварном шве. Дефек

том рабочего спая термопары является

наличие в нём микротрещин, непрова

ра, пор, свищей, утонения электродов

(рис. 7). Указанные дефекты приводят

к преждевременному разрушению ра

бочего

спая

термопреобразователя,

особенно при воздействии тепловых

ударов и при эксплуатации термопар в

режиме термоциклирования.

Многочисленные исследования по

казали

более

высокую стабильность

кабельных ТП по сравнению с обыч

ными проволочными. Так, изменение

показаний кабельных термопар типа

ХК диаметром 4 мм (диаметр электро

да 0,85 мм) при 425 ±10°С за 10 000 ча

сов не превышает 0,5°С, а за 25 000 ча

сов составляет +1,15°С [6], тогда как

для проволочных достигает 1°С за

10 000 часов.

Сравнительные испытания [3] тер

мопар типа ХА показали, что измене

ние термоэдс кабельной термопары

наружным диаметром 3 мм (диаметр

термоэлектродов 0,65 мм) при темпе

ратуре 800°С за 10 000 часов составля

ет примерно 2,5°С, тогда как у обыч

ной термопары ТХА с термоэлектро

дами диаметром 3,2 мм оно достигает

СТА 2/2004

www.cta.ru

В З А П И С Н У Ю К Н И Ж К У И Н Ж Е Н Е Р А

Необходимо также отметить, что не	● способность выдерживать большие				6.	Геращенко О.А., Гордов А.Н., Ереми
стабильность кабельной термопары при	рабочие давления;					на А.К. и др. Температурные измере
заданной температуре незначительно за	● возможность изготовления на их ос					ния: Справочник. — Киев: Наукова
висит от диаметра кабеля, если он превы	нове термопреобразователей в защит					Думка, 1989.
шает 3 мм и более. Для малых диаметров	ных чехлах блочно модульного ис				7.	Dahl A.I. The stability of base metal ther
(0,5 2,0 мм) она существенно возрастает	полнения, обеспечивающих		допол			mocouples in air from 800 to 2200°F/
при уменьшении диаметра оболочки и,	нительную защиту термоэлектродов					Proceedings "Thermometric metals and
соответственно, термоэлектродов. Свя	от воздействия рабочей среды и со					alloys". — Washington, USA: National
зано это прежде всего с природой меха	здающих возможность оперативной					Bureau of Standards. — P. 1238 1266.
низмов, вызывающих изменение стати	замены чувствительного элемента.				8.	Bentley R.E. Thermoelectric Hysteresis in
ческой характеристики кабельного ТП,	Однако для того чтобы эти достоин					Nichrosil and Nisil// J. Physics E: Science
существенно отличающейся от описан	ства проявились в полной мере, необ					Instrumentation. — 1987. — Vol. 20. —
ной для проволочных термопар.	ходимо строго соблюдать весьма не					P. 1368 1373.
Несомненным достоинством ка	простые технологические процессы				9.	Bentley R.E. Thermoelectric Hysteresis in
бельных ТП является способность вы	изготовления, требующие многократ					Nickel based	Thermocouple Alloys//
держивать большие рабочие давления.	ного контроля на всём своём протяже					J. Physics D: Applied Physics. — 1989. —
Так, по данным, приведённым в [6],	нии и современного технологического					Vol. 22. — P. 1902 1907.
термопара с оболочкой из ХН78Т диа	оборудования. Изготовление кабель				10.	Burley N.A. Nicrosil/Nisil type N
метром 3 мм работоспособна при тем	ной термопары в кустарных условиях,					Thermocouple// J. Measurements&Cont
пературе 1000°С и давлении 8,7 МПа,	плохая герметизация термоэлектродов					rol. — April 1989. — P. 130 133.
а с оболочкой из 12Х18Н10Т при тем	внутри кабеля, сварка спая «угольком»				11.	Каржавин А.В., Коломбет С.В., Ула
пературе 300°С — до 31,5 МПа.	на глазок,	отсутствие современных				новский А.А. Новые методы и средст
Резюмируя всё сказанное о кабельных	методов промежуточного технологи					ва поверки термоэлектрических тер
термопарах, можно ещё раз подчеркнуть	ческого контроля могут дать результат,					мометров в	диапазоне температур
их основные достоинства, такие как	противоположный желаемому. ●					300 1100°С// Сб. докладов 1 й Все
● более высокие термоэлектрическая						российской конференции «Темпера
стабильность и рабочий ресурс по	ЛИТЕРАТУРА					тура 2001», г. Подольск, 13 15 ноября
сравнению с проволочными термо	1. Межгосударственный стандарт			ГОСТ		2001 г.
преобразователями (в 2 3 раза);	6616 94. Преобразователи термоэлект				12.	Featherston J.M., Storar M.R. Improved
● возможность изгиба, монтажа в труд	рические. Общие технические усло					operating efficiency through the use of sta
нодоступных местах, в кабельных ка	вия. — Минск: Изд во Стандартов, 1998.					bilized thermocouples//		Proceedings of
налах, при этом длина ТП может до	2. Гордов А.Н., Жагулло О.М.,		Ивано			international	symposium	"Temperature
стигать 60 100 метров. Термопары	ва А.Г. Основы температурных измере					2002. Its measurement and control in sci
можно приваривать, припаивать или	ний. — М., Энергоатомиздат, 1992.					ence and industry". — New York:
просто прижимать к поверхности для	3. Рогельберг И.Л., Бейлин В.М. Сплавы					American Institute of Physics. — 2002. —
измерения её температуры;	для термопар: Справочник. — М.: Ме					Vol. 7. — Part 1.
● малый показатель тепловой инер	таллургия, 1983.
ции, позволяющий применять их	4. Каталог керамических изделий фирмы				Статья печатается с сокращениями.
для регистрации быстропротекаю	Haldenwanger Technische		Keramik		Полную версию можно получить в
щих процессов;	GmbH	(ФРГ)// Measurement		and	фирме «Тесей».
● универсальность применения для	Control Technical Ceramics., P. 13.
различных условий эксплуатации,	5. Свойства элементов: Справочник/ Под.				Авторы — сотрудники
хорошая технологичность, малая	ред. Дрица М.Е. — М.: Металлургия,				фирмы «Тесей»
материалоёмкость;	1997. — Т. 2. — С. 253.				Телефон: (08439) 615 41, 633 76

											1		°C
	термоэдс,ИзменениемкВ										1
		60							термоэдс,ИзменениемкВ	100	2		2,5
		50								100	3
											3
										80	4		2,0
		40									5



		30								60	6		1,5
		30								60			1,5
		20								40			1,0
		10								40			1,0
		10											0,5
		00	50	100	150	200	250	300		20			0,5
		00	50	100	150	200	250	300					0
				Продолжительность нагрева, ч						0	100	1000	0
		Кабель КТМСп ХА: диаметр 3 мм, оболочка — сталь 10Х23Н18								10	100	1000	10000
		Кабель КТМСп ХА: диаметр 3 мм, оболочка — сталь 10Х23Н18									Продолжительность нагрева, ч
											Продолжительность нагрева, ч
									Рис. 10. Изменение термоэдс термопарных кабелей КТМС ХА
76	Рис. 9. Изменение термоэдс кабельной термопары КТХА 02.01 при								после нагрева на воздухе при 800°С. Цифрами на
76	непрерывной выдержке на воздухе при температуре 1085±10°С								рисунке обозначены диаметры кабелей, мм
	www.cta.ru												СТА 2/2004

Соседние файлы в папке ЗаданКурсЖурналПолныйМПУСУ

#
21.03.2016574.69 Кб12СтандартыКомпМодулейЧ1.pdf
#
21.03.2016822.32 Кб12СтандартыКомпМодулейЧ2.pdf
#
21.03.2016232.2 Кб15СУ_РазделенияИзотопов.pdf
#
21.03.2016443.18 Кб16СУ_ШахтнойПодъемнойУст.pdf
#
21.03.20161.31 Mб15СУподготНефти.pdf
#
21.03.2016234.55 Кб17ТермоэлектричПреобразователи.pdf
#
21.03.2016929.84 Кб13ФлешТехнологии.pdf