- •Раздел 6. Температура. Температурные шкалы. Датчики и приборы
- •Тема 21. Термоэлектрическая и оптическая термометрия
- •18.2. История термометра и температурных шкал.
- •18.3. Что измеряет термометр?
- •18.4. Тепловое равновесие и температура
- •18.5. Закон Бойля-Мариотта
- •18.6. Температурные шкалы.
- •18.7. Международная температурная шкала 1990 (its-90, мтш-90)
- •18.8. Классификация термометров
- •19. Термометрия. Газовая термометрия. Термометрия, основанная на тепловом расширении жидкостей и твердых тел.
- •19.1. Газовый термометр
- •19.1.1. Термометр Симона.
- •19.1.2. Манометр, заполненный маслом или ртутью.
- •19.1.3. Дифференциальный манометр.
- •19.1.4. Поправки на неидеальность газа.
- •19.2. Конденсационный термометр.
- •19.3. Дилатометрические термометры
- •19.3.1. Жидкостные стеклянные термометры
- •19.3.2. Биметаллические и дилатометрические термометры
- •20. Термометры сопротивления
- •20.1. Введение
- •20.2. Сопротивление металлов
- •20.3. Платиновые термометры.
- •20.3.1 Требования к исходному материалу.
- •20.3.2. Конструкции термометров.
- •20.3.3. Расчет температуры.
- •20.3.4. Измерение сопротивления термометра.
- •20.4. Другие типы термометров сопротивления.
- •20.4.1. Медные термометры
- •20.4.2 Никелевые термометры
- •20.5. Полупроводниковые термометры
- •20.5.1. Германиевые термометры сопротивления
- •20.5.2. Термисторы
- •20.6. Угольные термометры сопротивления
- •21. Термоэлектрическая и оптическая термометрия
- •21.1. Термоэлектрические датчики температуры. Термопары.
- •21.1.1. Материалы термопар и их конструкция
- •21.1.2. Термоэлектрические преобразователи, основные типы и области применения
- •21.1.3. Кабельные термоэлектрические преобразователи
- •21.2. Оптические пирометры
- •21.2.1. Некоторые физические положения
- •21.2.2. Принцип измерения яркостной температуры
21.1.3. Кабельные термоэлектрические преобразователи
В настоящее время широкое распространение в мире, в т.ч. и в России, получили термопарные кабели, представляющие собой пару термоэлектродов помещенную внутрь металлической трубки и изолированную от нее уплотненным плавленым порошком MgO-периклазом.
В России выпускают термопарный кабель двух типов КТМС-ХА и КТМС-ХК диаметров от 1 до 7.2 мм по ТУ 16-505.757-75. Оболочка кабеля изготовлена из нержавеющей стали или жаростойкой стали или сплава. Общий вид кабельной термопары представлен на рис. 21.6 - 21.7. Термоэлектроды термопары со стороны рабочего торца сварены между собой лазерной сваркой, образуя рабочий спай внутри стальной оболочки термопарного кабеля. Рабочий торец заглушен приваренной стальной пробкой.
Свободные концы термоэлектродов подключаются к клеммам головки термопреобразователя или компенсационным проводам.
Применение кабельных термопреобразователей позволяет достичь существенных преимуществ по сравнению с термопарами традиционного исполнения, таких как:
- 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, позволяющий применять их при регистрации быстропротекающих процессов;
- блочно-модульное исполнение термопреобразователей в защитных чехлах, обеспечивающее дополнительную защиту термоэлектродов от воздействия рабочей среды и возможность оперативной замены чувствительного элемента;
- универсальность применения в различных условиях эксплуатации, хорошая технологичность, малая материалоемкость.
Сравнительные испытания термопар показали, что дрейф термо-э.д.с. кабельной термопары КТХА наружным диаметром 3 мм (диаметр термоэлектродов 0.65 мм) при температуре 800 С 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 условиях. Дрейф термоЭДС кабельных термопар в оболочке из высоконикелевых сплавов при 980 С также вдвое меньше, чем дрейф показаний обычной термопары при той же температуре за 5000 ч. Дрейф проволочной термопары ТХА с электродами диаметром 3.2 мм достигает 300 мкВ за 800 ч при температуре 1077 С, а при 1200 С - за 300 ч. Повышенная стабильность кабельных термопар объясняется затруднением окисления термоэлектродов из-за ограниченного количества кислорода внутри кабеля, а также дополнительной защитой термоэлектродов от воздействия рабочей среды с помощью металлической оболочки и оксида магния.
Рис. 21.6. Заготовка из термопарного кабеля.
Рис. 21.7. Общий вид кабельной термопары.
При 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. Внешний вид преобразователя аналогичен традиционному внешнему виду промышленных термопар (рис. 21.8).
Рис. 21.8. Кабельный термопреобразователь блочно-модульного типа.
При этом термопреобразователи блочно-модульного исполнения, сохраняя все преимущества кабельных, приобретают такие достоинства, как:
- возможность оперативной замены чувствительного элемента без демонтажа защитного чехла с объекта;
- 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.
Чехлы для термопреобразователей высокотемпературного исполнения для работы при температурах до 1100 С изготавливаются из жаростойких сталей и сплавов. Рабочий ресурс высокотемпературных кабельных термопреобразователей 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.
Кабельные термопреобразователи в жаростойких защитных чехлах из сплава ХН78Т, установленные на кауперах (воздухоподогревателях) доменной печи ОАО “Чусовской металлургический завод”, безотказно работали в течение 14 месяцев (циклическое изменение температуры воздуха в каупере 800-1150 С), в то время как ресурс проволочных (3.2 мм) термопар в чехлах из стали 15Х25Т не превышал 6-8 месяцев.
Определяющим фактором для обеспечения рабочего ресурса кабельного термопреобразователя блочно-модульного исполнения является полная герметичность и высокая жаростойкость защитного чехла. В этом случае имеющийся внутри чехла кислород “выгорает” в течение первых 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 (ФРГ), JUMO (ФРГ), Auxitroll (Франция), OMEGA Engineering (США), ARi Industries (США), OKAZAKI Manufacturing (Япония) и др.
К сожалению, десятилетие известных экономических трудностей задержали развитие термоэлектрической термометрии в России. Мы отстаем в производстве современных и высокоточных термоэлектродных материалов, в обеспечении термоэлектрических термометров надежными защитными материалами, свернуты многие работы по термометрии. Но начавшийся рост промышленного производства позволяет надеяться, что потребности промышленности в повышении точности контроля технологических процессов, заметный рост конкуренции на рынке средств измерений приведут не только к количественному росту, но и к качественно другим конструкциям первичных датчиков, отвечающим современным метрологическим требованиям, а также потребуют новых решений в области термоэлектрической термометрии.