В современной науке, промышленности и энергетике (особенно атомной) все более строгие требования предъявляются к точности измерения параметров технологических процессов вообще и температуры в частности. Анализ средств контроля и регулирования технологических процессов современного промышленного предприятия, проведенный отечественными и зарубежными специалистами, показывает, что 40—50% всего объема измерений на предприятии составляют процессы измерения и регулирования температуры рабочей среды, а также основных узлов технологических агрегатов [I].
При большом разнообразии средств измерений в области средних температур (оптические пирометры, проволочные и пленочные термометры сопротивления, термопары, термодиоды, ртутно-стеклянные термометры и т. п.) преобладающее применение находят приборы для контактных методов измерения температуры. Значительная часть всех температурных измерений в промышленности и научных исследованиях приходится на долю термоэлектрических преобразователей, чувствительными элементами которых являются термопары. Данный факт связан с рядом их преимуществ по сравнению с остальными преобразователями, а именно:
• широкий диапазон измеряемых температур;
• удобство монтажа и обслуживания (возможность изгиба и придания любой формы термопаре, расположение термопар на значительном расстоянии от вторичных приборов);
• компактное исполнение;
• возможность экранировки.
Требования к точности измерения и регулирования температуры технологического процесса неуклонно возрастают, т.к. они напрямую воздействуют на рентабельность производства и качество конечного продукта. Это касается производств многих продуктов и процессов от автомобильных бензинов, металлического литья, учета тепла на станциях теплоснабжения, до продуктов питания. Кроме того, точное знание температуры определяет степень безопасности многих технологических процессов. В связи с этим вопрос достоверности показаний термопар приобретает все большую актуальность. В бюджет неопределенности измерения стационарной температуры с помощью термопар входят такие составляющие, как:
• неопределенность измерения ТЭДС регистрирующим прибором- 4.
• отклонение от действительной температуры за счет теплопроводности термопары, зависящее от глубины погружения термопары в термометрируемую среду, т. е. от обеспечения хорошего теплового контакта с измеряемой средой;
• неопределенность первоначальной градуировки термопары или класс ее допуска (соответствие ее классу);
• изменение дифференциальной чувствительности (коэффициента Зеебека) термопары во времени (дрейф);
• возникновение и развитие термоэлектрической неоднородности (ТЭН). ТЭН — явление, заключающееся в различии дифференциальной чувствительности (коэффициента Зеебека) по длине термопары.
Первые три составляющие неопределенности достаточно просто учитывать. А вот вопрос с количественным учетом четвертой и пятой не имеет однозначного решения, при том, что их вклад может быть определяющим, т.к. влияние дрейфа и ТЭН на результат измерения температуры может достигать нескольких десятков градусов Цельсия [2].
Актуальность.
Термоэлектрическая неоднородность играет важную роль в контактной термометрии, она в значительной мере затрудняет взаимозаменяемость термопар (ТП) и их использование в различных условиях эксплуатации, снижает точность результатов измерений. В настоящее время нет теории, позволяющей однозначно определить вид зависимости ТЭН от температуры в широком диапазоне и её взаимосвязь с изменениями состава и структуры термоэлектродных сплавов. Существует некоторое количество работ с описанием возникновения ТЭН в термопарах типа хромель-алюмель (ХА), также проводились работы по исследованию возникновения ТЭН в термопарах из благородных металлов и влияния этой ТЭН на результаты измерения температуры такими эталонными термопарами. Известно крайне мало работ по изучению ТЭН в термопарах типа нихросил-нисил (ИН). В то же время известно, что они обладают лучшей, по сравнению с другими термопарами из неблагородных металлов, метрологической стабильностью.
Общая ТЭДС термопары часто зависит не только от разницы температур между горячим и холодным спаями, но и от температурного распределения (часто неизвестного) вдоль цепи. Из-за этого неоднородная термопара не может быть проградуирована, в общем смысле этого. Если температурное распределение известно, данные такой градуировки применимы лишь для этих конкретных условий. Градуировка неоднородной термопары, произведенная с высокой точностью для одного температурного распределения, может давать серьезные ошибки при других температурных условиях. Градуировка, осуществляемая без уверенности в однородности термопары, не корректна, вне зависимости от того, с какой точностью она произведена.
В связи с вышесказанным является актуальным изучение влияние ТЭН на точность измерений температуры термопарами, причин её возникновения, при этом наибольший интерес вызывает изучение проявления ТЭН в термопарах типа НН.
Цель.
Целью данной работы является изучение процесса возникновения ТЭН в кабельных термопарах типа НН и её влияния на точность измерения температуры. Были поставлены следующие основные задачи:
• определение взаимосвязи величины ТЭН с видом и временем теплового воздействия;
• разработка методик качественного и количественного изучения величины проявления ТЭН;
• разработка методики поверки и калибровки промышленных ТП, результаты которой не искажаются влиянием ТЭН поверяемой ТП, а также разработка эталонных термопар для данного применения;
• анализ источников неопределенности измерений температуры и оценка возможного вклада ТЭН в суммарную неопределенность;
• определение стабильности показаний кабельных ТП нихросил-нисил для подтверждения возможности их использования в качестве эталонного средства измерения температуры третьего разряда.
Научная новизна.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:
• подробно исследована зависимость величины проявления ТЭН в термопарах типа НН от вида и времени теплового воздействия;
• проведено исследование возникновения ТЭН в кабельных ТП типа НН с оболочками из различных сплавов (Pyrosil D, Inconel 600, AISI 310);
• установлена взаимосвязь микротвердости термоэлектродов с величиной ТЭН;
• создана математическая модель, описывающая температурное поле, возникающее в термопаре при её погружении в термостатирующую среду.
Практическая ценность.
• разработана и утверждена для применения в РФ методика бездемонтажной поверки ТП в процессе их эксплуатации, на способ проведения поверки получен патент на изобретение;
• разработана конструкция ТП, предусматривающая возможность их бездемонтажной поверки, авторские права на конструкцию защищены патентом на изобретение;
• разработаны и утверждены как средства измерений кабельные эталонные ТП 3-го разряда типа НН;
• показано, что применение бездемонтажной калибровки уменьшает неопределенность измерения температуры с помощью ТП с 4-Н2 °С до 2 °C.
• разработана и утверждена для применения в РФ методика поверки ТП длиной менее 250 мм с применением термостатов с флюидизированной средой.
Внедрение результатов работы.
Начато применение комплекса преобразователей 21. XX и КЭТНН на таких промышленных предприятиях, как ФГУП ПО «УралВагонЗавод» им. Ф. Э. Дзержинского, ОАО «Самарский металлургический завод», ОАО «Энергомашспецсталь», ЗАО «Рязанский кирпичный завод», ОАО «Златоустовский металлургический завод».
Апробация работы.
По теме диссертации опубликовано 24 работы, в том числе 2 патента на изобретения и один патент на полезную модель. Материалы работы опубликованы в виде 5 статей в реферируемых журналах.
Результаты проведенных исследований были представлены в виде докладов на конференциях: «Температура-2004», «Кузнецы Урала-2005», III международная научно-практическая конференция «Металлургическая теплотехника: история, современное состояние, будущее» (2006 г.), «Четвертая Российская национальная конференция по теплообмену (РНКТ-4)» (2006 г.), Школа-семинар молодых ученых и специалистов «Проблемы газодинамики и теплообмена в энергетических установках», под рук. академика РАН А. И. Леонтьева (2007 г.), «Температура-2007», «Теплофизика-2007», IV международная научно-практическая конференция «Печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии и машиностроении» (2008 г.), международная конференция «TEMPBEIJING 2008».
Автор выносит на защиту.
• Методику изучения величины проявления ТЭН и ее распределения вдоль термоэлектродов.
• Результаты исследований кабельных термопар типа НН, взаимосвязь микротвердости термоэлектродов с величиной ТЭН.
• Способ поверки и (или) калибровки ТП в процессе их эксплуатации без демонтажа с объекта.
• Обоснование возможности использования кабельных ТП нихросил-нисил в качестве эталонных средств измерений 3-го разряда.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения. 5 глав и заключения. Работа изложена на 145 страницах основного текста, содержит 39 таблиц и 95 рисунков, список литературы из 47 наименований.
Выводы.
1. В главе описаны разработанные методика и устройство для бездемонтажной поверки термопар, установленных в оборудовании. Методика утверждена и зарегистрирована ФГУП «ВНИИМС» под № 3091−2007 в рамках Государственной системы обеспечения единства измерений. Авторские права на способ поверки защищены патентом. Конструкция преобразователей температуры, реализующих эту методику также защищена патентом на изобретение. Метод основан на сличении показаний эталонной (образцовой) термопары, установленной в специальном канале рядом с поверяемой термопарой.
2. В качестве эталонной (образцовой) термопары 3-го разряда предложено использовать термопару типа НН (КЭТНН). Как показали результаты данной работы, термопары этого типа интегральной компоновки показали себя достаточно стабильными для применения их в этом качестве. При этом за межповерочный интервал следует принимать не срок использования термопары, а количество циклов ее работы, т.к. она помещается на малое время для проведения сличения, после чего извлекается.
3. Показано, что периодическая бездемонтажная поверка (калибровка) с помощью эталонных термопар КЭТНН позволяет существенно повысить точность измерений. Расширенная неопределенность измерений составляет ±1,9-К2,7°С, что соответствует расширенной неопределенности измерений платиновыми термопарами ПЩЭ) 1-го класса точности.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
При выполнении работы решена актуальная задача повышения точности измерения температуры кабельными термопарами. При это достигнуты следующие результаты:
1. Созданы установки позволяющие с помощью термоциклирования и термоударов провоцировать зарождение и развитие ТЭН в термоэлектродах.
2. Разработаны методика и аппаратное обеспечение для изучения проявлений ТЭН.
3. Выполнены измерения влияния ТЭН на показания более чем 50 термопар типов НН, ХА и ПП, подвергавшимся 48 термоциклам в интервале температур от 400 °C до 1050 °C или 500 термоударам в интервале температур от 30 °C до 1000 °C со скоростью до 700 °С/мин.
4. Подробно рассмотрены все факторы влияющие на неопределенность измерений температуры с помощью термопар. Подробно рассмотрены все факторы влияющие на неопределенность измерений температуры с помощью термопар. Показано что неопределенность измерений, связанная с влиянием ТЭН, может превышать величин}' максимальных допусков, установленных стандартами для отклонения индивидуальной характеристики ТП от номинальной.
5. Впервые исследована динамика проявления ТЭН термопар типа НН в ходе тепловых воздействий. Показано, что для кабельных термопар типа НН интегрального типа влияние ТЭН на результат измерения в течение 500 термоударов не превышает 0,6−1,1 °С на уровне температур 200-Н 100 °C, что значительно меньше чем у термопар типа ХА.
6. Установлена взаимосвязь ТЭН с микротвердостью материала термоэлектродов для кабельных термопар типа НН.
7. Подтверждена возможность применения кабельных ТП типа НН в качестве эталонных средств измерений. В Государственный реестр СИ РФ внесены кабельные эталонные ТП типа КЭТНН.
8. Разработана и утверждена для применения в РФ методика бездемонтажной поверки ТП (МИ 3091−2007) в процессе их эксплуатации, на способ проведения поверки получен патент на изобретение.
9. Создана и запатентована конструкция ТП с чувствительным элементом в виде кабельной термопары, позволяющая проводить его бездемонтажную поверку.
10. Установлено, что применение бездемонтажной калибровки уменьшает неопределенность измерения температуры с помощью ТП с 4-И 2 °C до 2 °C.
