ЖУРНАЛ «СТА» №2/2004

70 СТА 2/2004 www.cta.ru В З АПИС Н УЮ К НИЖК У ИНЖЕ Н Е РА 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 Al 2 O 3 (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 сущест- венного 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 преобразователей являются хро- мелькопель (тип L) и хромельалю- мель (тип К). Преобразователь термоэлектрический хромелькопелевый ТХК (тип L) обла- дает наибольшей дифференциальной чувствительностью из всех промыш- ленных ТП, применяется для точных измерений температуры, а также для измерений малых температурных раз- ностей. ТП свойственна исключитель- но высокая термоэлектрическая ста- бильность при нагревах до 600°С, обус- ловленная тем, что изменения термо- эдс хромелевого и копелевого термо- электродов направлены в одну и ту же сторону и компенсируют друг друга. Технический ресурс термопар может составлять несколько десятков тысяч часов. Так, у термопар с диаметрами термоэлектродов от 0,5 до 3,2 мм при их выдержке в течение 10 000 часов при 400600°С максимальные измене- ния градуировки составили 0,51°С [3]. К недостаткам ТХК можно отнести от- носительно высокую чувствительность к деформации. Преобразователь термоэлектрический хромельалюмелевый ТХА (тип К) явля- ется самым распространенным термо- преобразователем в промышленности и научных исследованиях. ТП пред- назначен для измерения температуры до 1100°С (длительно) и 1300°С (крат- ковременно) в окислительных и инертных средах. Термопреобразова- тель широко используется во всех от- раслях промышленности в печах, на- гревательных устройствах, энергоси- ловом оборудовании. Номинальная статическая характеристика ТХА близ- ка к линейной, дифференциальная термоэдс около 40 мкВ/°С во всём ди- апазоне измеряемых температур. Глав- ное преимущество ТХА по срав- нению с другими термопарами из неблагородных металлов со- стоит в значительно большей стойкости к окислению при вы- соких температурах. Техничес- кий ресурс термопар при темпе- ратурах менее 850°С ограничи- вается только дрейфом термо- эдс, так как жаростойкость хро- меля и алюмеля позволяет ис- пользовать их при этих темпе- ратурах десятки тысяч часов. К недостаткам ТХА относят- ся присущие ей два вида неста- бильности термоэдс: обратимая циклическая нестабильность и необратимая нестабильность, накапливающаяся со временем. Обратимая нестабильность в ин- тервале температур 250550°С обус- ловлена протеканием в хромеле пре- вращений по типу ближнего упоря- дочения раствора атомов хрома в атомной решетке никеля. В результа- те этих превращений термопары ХА после нагрева при 250550°С увели- чивают термоэдс относительно но- минальных значений (рис. 2, [3]). Этот рост исчезает (структура решет- ки разупорядочивается) после нагре- ва при более высоких температурах. Величина обратимого изменения термоэдс зависит от предыдущей ис- тории термоэлектродов: температур градуировки, скорости охлаждения, а также от градиента температурного поля, в котором находится термопа- ра. Изменение может достигать 34°С. Для него полезно использо- вать хромель, подвергнутый предва- рительной термообработке «на упо- рядочение» при 425475°С в течение 6 ч [3], однако исключить его полно- стью не представляется возможным, если термопарой измеряют темпера- туру в широком диапазоне. Необратимая нестабильность зави- сит от многих факторов, таких как хи- мический состав самих сплавов, свой- ства окружающей атмосферы, защит- ных и изоляционных материалов. Ве- личина нестабильности в значитель- ной степени зависит от температуры и времени нагрева, а также от числа и ха- рактера термоциклов. При температу- рах до начала интенсивного окисления хромеля и алюмеля (ниже 850°С) в окислительной атмосфере изменение термоэдс не превышает 1% за десятки тысяч часов и практически не зависит от диаметра термоэлектродов до 800°С. Рис. 2. Изменение термоэдс термопары ХА и её электродов относительно платины после нагрева до 570°С и последующего охлаждения Изменение термоэдс, мкВ Температура, °С A/Pt 200 40 –40 0 40 –40 0 40 –40 –80 0 300 400 500 600 XA X/Pt