Измерение и контроль температуры рабочего пространства в методической печи

 

 

   Под термоэлектрическим эффектом понимается генерирование термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), возникающей из-за разности температур между двумя соединениями различных металлов и сплавов.   

Таким образом, термопара может образовывать устройство (или его часть), использующее термоэлектрический эффект для измерения температуры. В сочетании с электроизмерительным прибором термопара образует термоэлектрический термометр. Измерительный прибор или электронную измерительную систему подключают либо к концам термоэлектродов (рисунок 10, а), либо в разрыв одного из них (рисунок 10, б).

Рисунок 10 (а, б) - Подключение термопары к измерительному прибору

 

 

   В местах подключения проводников термопары к измерительной системе возникают дополнительные термоЭДС. В результате их действия на вход измерительной системы фактически поступает сумма сигналов от рабочей термопары и от «термопар», возникших в местах подключения (рисунок 11).

 

Рисунок 11 - Принцип работы термопары

 

 

   Существуют различные способы избежать этого эффекта. Самым очевидным из них является поддержание температуры холодного спая постоянной.    

На практике при измерении температур широко используется техника «компенсации холодного спая»: температура холодного спая измеряется другим датчиком температуры, а затем величина термоЭДС холодного спая программно или аппаратно вычитается из сигнала термопары (рисунок 12). Места подключения термопары к измерительной системе должны иметь одинаковую температуру, то есть находиться в изотермальной зоне. Кроме того, в схеме с компенсацией холодного спая в этой же зоне должен находиться и датчик температуры холодного спая. Разработчик должен учитывать эти требования при конструировании измерительной системы.

 

Рисунок 12 - Техника компенсации холодного спая

 

 

   Основные характеристики выпускаемых промышленностью термопар приведены в таблице 3 (ГОСТ 6616-94 «Преобразователи термоэлектрические»).   

На рисунке 13 представлены зависимости ЭДС от температуры наиболее распространенных типов термопар, у которых температура холодного спая поддерживается равной 0°С. Из него видно, что термопары типа Е наиболее чувствительны и развивают наибольшее выходное напряжение при одном и том же изменении температуры, чем другие. С другой стороны, термопары типа S являются наименее чувствительными. К сожалению, у большинства термопар эти зависимости в некоторых диапазонах температур носит нелинейный характер.

Рисунок 13 - Зависимости ЭДС от температуры наиболее распространенных типов термопар

 

 

   При выборе термопары для производства замеров температуры в некотором диапазоне следует выбирать ту термопару, коэффициент линейности которой изменяется менее других в рамках этого диапазона. Для достижения высокой точности измерений термопарного термометра во всем диапазоне рабочих температур необходима его калибровка. В ГОСТ 50431-92 «Термопары» приведены вид и порядок полинома, а также коэффициенты полиноминальной аппроксимации зависимости выходного напряжения термопар от температуры, которые определяются по градуировочным таблицам для каждого типа термопар. В таблице 4 приведены особенности и области применения некоторых типов термопар.

Таблица 4 – Особенности применения термопар

Тип термопары	Особенности применения
ТХА	Обладают: — наиболее близкой к прямой характеристикой. Предназначены для работы в окислительных и инертных средах
ТХК	Обладают: — наибольшей чувствительностью;  — высокой термоэлектрической стабильностью при температурах до 600°С.  Предназначены для работы в окислительных и инертных средах.  Недостаток: высокая чувствительность к деформациям
ТПП	Обладают: — хорошей устойчивостью к газовой коррозии, особенно на воздухе при высоких температурах;  — высокой надежностью при работе в вакууме .  Предназначены для длительной эксплуатации в окислительных средах.  Недостаток: высокая чувствительность термоэлектродов к любым загрязнениям, появившимся при изготовлении, монтаже или эксплуатации

Продолжение таблицы 4 

ТПП	Обладают: — хорошей устойчивостью к газовой коррозии, особенно на воздухе при высоких температурах;  — высокой надежностью при работе в вакууме (но менее стабильны в нейтральных средах).  Предназначены для длительной эксплуатации в окислительных средах.  Недостаток: высокая чувствительность термоэлектродов к любым загрязнениям, появившимся при изготовлении, монтаже или эксплуатации термопар
ТВР	Обладают: — возможностью длительного применения при температурах до 22О0°С в неокислительных средах;  — устойчивостью в аргоне, гелии, сухом водороде и азоте.  Термопары с термоэлектродами из сплава платины с 10% родия относительно электрода из чистой платины могут использоваться как стандартные для установления номинальных статических характеристик термопар методом сравнения.  Недостаток - плохая воспроизводимость термоЭДС, вынуждающая группировать термоэлектродные пары по группам с номинальными статическими характеристиками А-1, А-2, А-3
ТНН	Обладают: — высокой стабильностью термоЭДС (по сравнению с термопарами ТХА, ТПП, ТПР);  — высокой радиационной стойкостью;  — высокой стойкостью к окислению электродов.  Предназначены в качестве универсального средства измерения температур в диапазоне температур 0-1230°С

 

 

  В зависимости от конструкции и назначения различают термопары погружаемые и поверхностные; с обыкновенной, взрывобезопасной, влагонепроницаемой или иной оболочкой (герметичной или негерметичной), а также без оболочки; обыкновенные, вибротряскоустойчивые и ударопрочные; стационарные и переносные и т.д. Внешний вид некоторых конструкций термопар представлен на рисунке 15.   

Основное применение термопары — электронные термометры.   

Отечественная промышленность выпускает электронные термометры для измерения температуры контактным способом. Так, например, одно из отечественных предприятий наладило производство серии измерителей температуры, каждый из которых состоит из электронного блока и набора сменных датчиков температуры, представляющих собой стандартные хромель-алюмелевые термопары (тип К) в различных конструктивных исполнениях. Серия состоит из трех приборов: ETI-2OO1, ETI-2OO2 и ETI-2OO3 (таблице 3). Прибор ETI-2001 имеет 2 диапазона температур, переключение между которыми выполняется кнопками на лицевой панели. Узкий диапазон температур характеризуется более высоким разрешением и точностью. Приборы ETI-2OO2 и ETI-2OO3 имеют только по одному диапазону. Приборы имеют кнопку HOLD, с помощью которой можно зафиксировать измеренное значение температуры на индикаторе.

Рисунок 15 - Внешний вид некоторых конструкций термопар

 

Таблица 5

Тип прибора	ETI-2001	ETI-2002	ETI-2003
Число диапазонов	2	1	1
Диапазон измерений,°С	-49,9...199,9(1)  -50...1000(2)	-49,9...199,9	-50...1000
Разрешение	0,1°C(1)	0,1°С	1°С
Точность	±0,5°С+1%(1)) ±1°С ±0,5%(2)	±0,5°С ±1%	±1°С ±0,5%
Питание	батарейка 9 В («Крона»)
Срок работы батареи	150 часов	175 часов	175 часов

 

 

Продолжение таблицы 5

Тип сенсора	ТХА термопара (К тип)
Тип индикатора	ЖК, высота знака 13 мм
Размеры	141x73x35 мм
Вес	220 г	210 г	210 г

 

   

На рисунке 16 показан внешний вид контактного термометра ЕТ1-2001, в комплект поставки которого входят термопары: поверхностная (для измерения температуры поверхности твердых тел - tmax = 1000°C, погружная (для измерения температуры в объеме сыпучих и жидких веществ — tmax = 25О°С и бескорпусная (для измерения температуры воздуха и других газов — tmax = 250°С.

 

Рисунок 16 - Внешний вид контактного термометра ЕТ1-2001

 

 

   

На рисунке 17 показан внешний вид миниатюрного термометра (Thermapen™) широкого применения. Высоконадежный и удобный в обращении. Оснащен встроенным складывающимся зондом. Диапазоны измерения температуры: ~49,9...199,9°С. Существуют не только специализированные приборы с термодатчиками для измерения температуры, но и универсальные мультиметры с функцией измерения температуры [4].

 

Рисунок 17 - Внешний вид миниатюрного термометра (Thermapen™)

2.2. Поверка термоэлектрических термометров(термопар)

Поверка термоэлектрических термометров, выпускаемых по стандарту ГОСТ 6616-94 «Преобразователи термоэлектрические. Общие технические условия» проводится в соответствии со стандартом ГОСТ 8.338-2002 «Государственная система обеспечения единства измерений. Преобразователи термоэлектрические. Методика поверки». Методика поверки заключается в прямом или поэлектродном сличении рабочих термопар с образцовой термопарой в печи и oценке отклонения ее характеристики от НСХ. Серьезным недостатком методики ГОСТ 8.338 является то, что при периодической поверке термопары не учитывается возможность возникновения термоэлектрической неоднородности. Если глубина погружения термопары в сличительную печь отличается от рабочей глубины погружения, то участок наибольшего температурного перепада, в котором возникла неоднородность попадает при поверке в зону равномерной температуры и реальная погрешность термопары не определяется. Такая периодическая поверка может привести к ложным результатам, причем разница ТЭДС в рабочих условиях и при поверке термопар типа ТХА может достигать 5 -10 °С. Необходимо переработать стандарт, указав на данную проблему, и ввести в стандарт проверку термоэлектрической неоднородности.

Поверка эталонных термоэлектрических термометров типов ПП и ПР, выпускаемых по ГОСТ Р 52314-2005 «Преобразователи термоэлектрические платинородий-платиновые и платинородий-платинородиевые эталонные 1, 2 и 3-го разрядов. Общие технические требования» проводится по ГОСТ Р 8.611-2005 «Государственная система обеспечения единства измерений. Преобразователи термоэлектрические платинородий-платиновые эталонные 1, 2 и 3-го разрядов. Методика поверки». Поверка проводятся методом измерений в реперных точках МТШ-90 и сличением в печах. Ни в один из стандартов, описывающих методы поверки термоэлектрических термометров пока не введена оценка неопределенности измерений. [2]

3. Выбор термоэлектрических термометров

Тип S (платнородий-платиновая термопара): 
•Рекомендуемая максимальная рабочая температура 1350 °С; 
•Кратковременное применение возможно при 1600 °С; 
•Загрязняется при температурах выше 900 °С водородом, углеродом, металлическими примесями из меди и железа. При содержании железа в платиновом электроде на уровне 0,1%, ТЭДС изменяется более, чем на 1 мВ (100°С) при 1200 °С и 1,5 мВ (160 °С) при 1600 °С. Такая же картина наблюдается при загрязнении медью. Таким образом, термопары нельзя армировать стальной трубкой, или следует изолировать электроды от трубки газонепроницаемой керамикой. 
•Может применяться в окислительной атмосфере. 
•При температуре выше 1000 °С термопара может загрязняться кремнием, который присутствует в некоторых видах защитных керамических материалов. Важно использовать керамические трубки, состоящие из высокочистого оксида алюминия. 
•Не рекомендуется применять ниже 400 °С, т.к. ТЭДС в этой области мала и крайне не линейна. 
 
Тип R (платинородий-платиновая термопара): 
 
• Свойства те же, что и у термопар типа S. [2]

 

4. Схема подключения измерительного датчика

 

На рисунке 18 изображена схема подключения термопары к методической печи. Данная схема использует 6 аналоговых вводов безопасности и имеет тип: 6ES7 336-4GE00. 

Рисунок 18 - Схема подключения термопары к методической печи 

Заключение

 

Температура рабочего пространства определяет процесс нагрева металла и является в настоящее время основной информацией для управления и оценки теплового состояния отдельных зон и камер печи. В подавляющем большинстве случаев для её измерения используются термоэлектрические термометры(ТТ): платиновой группы для высокотемпературных методических печей, нагревательных колодцев и хромель-алюмелевые для термических печей. При выборе мест установки зонального ТТ необходимо, чтобы его показания отвечали ряду требований:

1. Он должен регистрировать максимальные для данной зоны температуры, что обеспечивает получение информации, необходимой как с точки зрения процесса теплообмена, так и для исключения разрушения кладки;
2. ТТ должен с минимальным запаздыванием и достаточно большим коэффициентом передачи реагировать на изменение тепловой нагрузки зоны и темпа продвижения металла;
3. На показания ТТ не должны оказывать влияние такие факторы, как открывание боковых окон, заслонки на выдаче и т.п.