автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Влияние термоэлектрической неоднородности на точность измерения температуры термопарами

004601224

На правах рукописи УДК 536.532

Каржавин Владимир Андреевич

ВЛИЯНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ НА ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕРМОПАРАМИ

Специальность 05Л1.01 «Приборы и методы измерения по видам измерений (измерение тепловых величин)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Обнинск 2010

2 2 АПР 2010

004601224

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации - Физико-энергетический институт имени А. И. Лейпунского

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Арнольдов Михаил Николаевич

Официальные оппоненты:

заслуженный метролог РФ, доктор технических наук, профессор Походун Анатолий Иванович

заслуженный метролог РФ, кандидат технических наук, Медведев Валерий Афанасьевич

Ведущая организация:

Обнинский институт Атомной Энергетики - филиал Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (ИАТЭ НИЯУ МИФИ).

Защита состоится «17» мая 2010 года в Ю00 часов на заседании совета Д 308.004.01 в Федеральном государственном унитарном предприятии "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И.Менделеева" по адресу 190005, Российская федерация, Санкт-Петербург, Московский пр., 19, Зал ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «ВНИИМ им. Д. И.Менделеева»

Автореферат разослан а/узел я 2010 года

Ученый секретарь совета кандидат технических наук, доцент

Телитченко Г.П.

Общая характеристика работы

В современной науке, промышленности и энергетике все более строгие требования предъявляются к точности измерения параметров технологических процессов вообще и температуры в частности. Анализ средств измерений параметров 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. При большом разнообразии средств измерений в области средних температур значительная часть всех температурных измерений приходится на долю термоэлектрических преобразователей (ТП), чувствительными элементами которых являются термопары. Данный факт связан с рядом их преимуществ по сравнению с остальными средствами измерений, 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;

В связи с этим вопрос точности показаний термопар приобретает все большую актуальность.

Актуальность

Величина термо-эде, генерируемая неоднородной термопарой, зависит не только от разности температур на ее концах, но и от профиля температуры вдоль термоэлектродов. Термоэлектрическая неоднородность (ТЭН) играет важную роль в контактной термометрии, она может затруднять взаимозаменяемость ТП и их использование в различных условиях эксплуатации, снижает точность результатов измерений. В настоящее время нет модели, позволяющей однозначно определить вид зависимости ТЭН от температуры 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 платинородий-платиновых термопарах и её влияния на результаты измерения температуры. Практически неизвестны работы по изучению ТЭН в термопарах типа нихросил-нисил (НН). В то же время известно, что они обладают лучшей, по сравнению с другими термопарами из неблагородных металлов, метрологической стабильностью.

Использование результатов калибровки неоднородной термопары, проведенной при одном профиле температуры, при выполнении измерений в других температурных условиях, может привести к значительной ошибке. Калибровка или поверка, осуществляемая без уверенности в однородности термопары, не корректна, вне зависимости от того, с какой точностью она произведена.

В связи с вышесказанным является актуальным изучение влияния 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 (РуговП 0,1псопе1 600, А181 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 °С.

• разработана и утверждена для применения в РФ методика поверки ТП длиной менее 250 мм с применением термостатов с флюидизированной средой.

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.

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 «ТЕМРВЕШЫО 2008».

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Работа изложена на 147 страницах основного текста, содержит 39 таблиц и 95 рисунков, список литературы из 47 наименований.

Основное содержание работы

Введение. Показана актуальность работы, научная новизна и практическая ценность работы, сформулированы цель и задачи диссертационного исследования. Глава 1. Термоэлектрическая неоднородность материалов.

Представлены исторический обзор развития знаний о термоэлектричестве и литературный обзор современных взглядов на термоэлектрические эффекты, в частности на термоэлектрическую неоднородность (ТЭН).

Из литературных источников известно, что ТЭДС возникает не в спае ТП, а по длине термоэлектродов, на участках с градиентом температуры. На участках с постоянной температурой ТЭДС не возникает. Это демонстрирует формула (1)

Коэффициент Зеебека - одна из физических характеристик любого электропроводящего материала, наиболее чувствительных к его химическому составу и структуре. Вследствие этого различные участки термоэлектродной проволоки могут развивать неодинаковую ТЭДС при равном градиенте температуры, т.е. быть термоэлектрически неоднородными. Неоднородность определяется как отклонение коэффициента Зеебека данного участка от некоторого нормированного значения:

Таким образом, для неоднородных термоэлектродов коэффициент Зеебека является функцией не только температуры Т, но и координаты по длине X .

Зарождение и развитие ТЭН, её величина зависят от ряда причин, связанных с воздействием внешней среды, особенно при высокой температуре, и вызывающих изменения состава и структуры материала. Среди основных:

(1)

ЩТ,Х) = 8(Т,Х)-Бп{Т) .

(2)

- изменение химического состава термоэлектродов при взаимодействии с изолирующими материалами и окружающей средой за счет избирательного окисления, испарения или связывания в соединения элементов;

- рекристаллизация, рост зерна;

- превращения в твердом состоянии (упорядочение, распад твердого раствора);

- пластическая деформация и упругие напряжения;

- воздействие радиации и электромагнитных полей.

Основные методы искусственного развития термоэлектрической неоднородности (ТЭН) в термопарах - это отжиг, термоциклирование и термоудары. В данной работе исследовалось два последних вида воздействия. В основном применялись термоудары как режим наиболее близкий к реальным условиям эксплуатации эталонных ТП при бездемонтажной поверке.

В главе приведен подробный обзор методов исследования ТЭН. Для проведения исследований был выбран метод двух сред (метод однополярного температурного градиента). Данный метод - один из самых простых среди точных методов - осуществляется погружением образца из изотермической среды в изотермическую ванну, которая находится при другой температуре. Он характеризуется наличием всего одной зоны перехода (рисунок 1), и суммарная ТЭДС зависит от ТЭН участка, проходящего в данный момент через эту зону. Обычно используется жидкостная ванна, и образец ориентирован вертикально, однако вертикальное погружение в отрытую жидкую ванну ограничивает длину исследуемого образца и максимальную температуру исследования.

Т

Рисунок 1 Метод однополярного градиента температуры

Для перемещения термопар был разработан модуль линейных перемещений (МЛП). С помощью шагового двигателя осуществлялось перемещение исследуемой термопары. Двигатель имеет интерфейс управления с компьютера, благодаря чему можно точно задавать скорость и величину перемещений, программировать последовательность перемещений. Управление модулем осуществляется с помощью ПК по разработанному алгоритму. Точность и воспроизводимость режима

Изоляция МвО

Рисунок 2. Схема исследования ТЭН. 1 - исследуемая термопара; 2 -флюидизированная срсда

Рисунок 3 Распределение температуры по сечению и вдоль термопары

Глава 2. Экспериментальные методы Изначально в исследовательских работах применялся жидкостный переливной термостат с рабочим веществом -кремнийорганическим маслом, что ограничивает температуру исследования ТЭН уровнем в 200°С. Обычные трубчатые печи не подходят для таких задач ввиду неравномерности температурного поля внутри печи. Поэтому для дальнейших исследований были выбраны термостаты с флюидизированной средой (БВ-08, Англия). Рабочий объем термостатов такого типа заполняется мелкодисперсным минеральным порошком. Снизу через специальную пористую пластину подают поток газа под давлением. Давление подбирают таким образом, чтобы частицы порошка поднимались и перемешивались потоком, создавая флюидизированную (псевдожидкостную) среду. Термостаты данного типа ранее не применялись в России в научных и метрологических целях, поэтому в ходе диссертационной работы были тщательно исследованы их метрологические характеристики.

Мах 873К |80°

700

600 500 400

300 М1п 300К

Спай

перемещений термопар крайне важны при исследовании проявления ТЭН. Схема установки представлена на рисунке 2.

Для определения минимально допустимой глубины погружения ТП и распределения температуры вдоль ТП при исследовании ТЭН было выполнено математическое моделирование теплового поля, возникающего в ТП при его погружении в термостат. Произведен численный расчет нагрева термопары в поперечном и продольных сечениях (рисунок 3). Расчеты проводились для нескольких уровней температуры.

Проведены расчеты распределения температуры в стационарных условиях и при перемещении термопары. Показана возможность рассмотрения кабельной термопары как бесконечно тонкого стержня при моделировании тепловых процессов. Задачи теплопроводности были решены как аналитически, так и при помощи компьютерных программ численного моделирования.

Математическое моделирование позволило рассчитать тепловое состояние ТП через различные промежутки времени. Было установлено, что примерно через 60 секунд профиль становится квазистационарным и практически не изменяется до начала движения (100 секунд) (рисунок 4). В дальнейшем, после начала увеличении глубины погружения профиль температуры не изменяется по форме, а только смещается вдоль термопары (105 и 130 секунд) (рисунок 4).

Профиль температуры при 1=0,10.60,105.130 секунд

Расстояние от спая, им

Рисунок 4 Профиль температуры термопары через 0,10, 60,105,130 секунд после

погружения в среду Для подтверждения результатов математического моделирования был проведен цикл измерений по выбору оптимального режима исследования проявления ТЭН в термостате с флюидизированной средой. Оптимальным оказался режим перемещения термопар из атмосферы в разогретую среду термостата быстрыми перемещениями (250 мм/мин) по 10 мм с выдержкой 10 секунд на

позиции. Именно такой режим использовался для всех исследований проявления ТЭН в термопарах типа НН.

В ходе работы было подробно изучено четыре термостата с флюидизированной средой модели РВ-08 (ТесЬпе, Англия). Результаты исследований позволили определить их метрологические характеристики, отсутствовавшие в паспортах, и внести термостат РВ-08 в Государственный реестр средств измерений РФ. В таблице 1 представлены полученные метрологические характеристики.

Таблица 1. Некоторые метрологические характеристики термостата РВ-08 в диапазоне от 200 °С до 600 °С

Наименование характеристики Размерность Значение

кратковременная стабильность (в течение 8 минут) °С/мин от ±0,02 до ±0,08

Неоднородность температурного поля в рабочем объеме термостата, обусловленная: - градиентом температуры по горизонтали - градиентом температуры по глубине (от 20 до 350 мм) °С/см от ±0,02 до ±0,08 от ± 0,01 до ± 0,04

Одним из практических важных этапов работы стало создание методики поверки термопар длиной менее 250 мм, использующей термостаты с флюидизированной средой РВ-08 в качестве средства поверки. Методика была утверждена и зарегистрирована в установленном порядке под номером МИ 3090-2007 и уже заинтересовала ряд лабораторий, аккредитованных на право поверки. На момент утверждения методики в РФ отсутствовали нормативные документы, позволяющие проводить поверку термоэлектрических преобразователей с монтажной длиной менее 250 мм.

Глава 3. Изучение ТЭН. В главе представлены результаты исследований проявления ТЭН в термопарах различных градуировок после термоциклирования (в диапазоне от 400 °С до 1050 °С, длительность одного цикла 8 часов), а также после воздействия термоударов (от 30 °С до 1000 °С, скорость разогрева в первую минуту 700 °С). Особое внимание уделено исследованию термопар градуировки нихросил-нисил (НН). Всего в ходе выполнения работы было исследовано более 70 термопар. Приведены результаты исследований развития ТЭН в кабельных термопарах типа Б (платинородий 10 - платина), сегодня они мало изучены, так как традиционно применяются проволочные термопары данного типа.

Все исследования были разделены на два этапа: предварительные сравнительные исследования и массовые групповые исследования ТП типа НН.

В ходе предварительных испытаний было получено подтверждение предположения о меньшем развитии ТЭН в термопарах типа НН в целом и особенно в кабельных термопарах типа НН (№ 1, 2, 605, 607) интегральной компоновки (материал оболочки таких термопар химически близок к материалам термоэлектродов).

Термопара Максимальное проявление ТЭН Термопара Максимальное проявление ТЭН

ПП№ 1 5,3 °С ХА№ 1 2,0 °С

ПП№ 3 7,7 °С ХА№ 2 2,0 °С

НН№ 1 0,6 °с ХА № 5741 6,0 °С

НН№2 1,5 °С

Таблица 3. Проявления ТЭН в ТП после 500 термоударов (сравнительные испытания)

Температура, °С Максимальная величина проявления ТЭН, °С

НН № 599 НН № 604 НН № 605 НН № 607 ХАХ» 20721 ХА № 20723

200 1,7 0,4 0,4 0,3 0,7 0,6

400 3,4 0,9 0,45 0,5 1,2 1,2

600 5 1,0 0,75 0,75 2 2,2

Подробно исследован процесс развития проявления ТЭН с набором числа термоударов (рисунок 5).

Из представленных данных видно, что уже после первых 50 ударов появляется значительная ТЭН (около 70 % от максимально развитой ТЭН за 500 ударов), и затем ее величина медленно растет до набора 150 ударов (до 75-80 %). Довольно существенный прирост величины ТЭН происходит при количестве термоударов 200 (величина ТЭН 85-95 %). После 200 термоударов существенного увеличения ТЭН не происходит, однако имеет место ее перераспределение по длине термоэлектродов.

о

"о

х о

X

0,2

0,0-

термопара тип N d=3MM Pyrosil D

—|-1---1-■-1-■-1-1-1---1

0 100 200 300 400 500 600

Глубина погружения, мм

Рисунок 5 Проявление ТЭН в зависимости от количества термоударов. Термопара

типа N. оболочка РуговП Б

В ходе массовых испытаний исследовалось более 20 кабельных термопар НН интегральной компоновки диаметром 3 мм, 14 шт. - диаметром 4,5 мм, 4 шт. -диаметром 2 мм, а также проволочные термопары, изготовленные путем извлечения термоэлектродов из термопарного кабеля. До и после 500 термоударов термопары подвергались градуировке в диапазоне от 200 до 1100°С (через 100°С) и исследованию проявления ТЭН (рисунок 6) на трёх уровнях температуры - 200°С, 400°С, 600°С. Сплошными линиями обозначены начальные показания группы термопар. Проявление ТЭН каждой термопары на каждом уровне температур проверялось три раза. Далее устанавливалось среднее значений отклонения от НСХ (групповая статическая характеристика - ГСХ) всех термопар для каждой из глубин погружения и стандартное отклонение среднего значения.

Таблица 4. Результаты групповых исследований кабельных ТП типа НН после 500 термоударов

Температура, °С Максимальное изменение ГСХ, °С

(1=3 мм (10 шт) (1=4,5 мм (10 шт) (1=2 мм (4 шт) Проволочные ТП (4 шт)

200 0,4 0,45 0,57 1,2

400 0,33 1 0,75 1,5

600 0,62 1,51 0,8 2,2

По результатам исследований показана высокая стабильность термопар интегральной компоновки, однако интегральная компоновка термопарного кабеля не является 100%-ной гарантией высокой стабильности и надежности термопар (рисунок 7), что связано с качеством термоэлектродных сплавов в состоянии поставки. На данном рисунке приведены проявления ТЭН до и после 500 термоударов двух групп (по 4 шт. в группе) кабельных термопар типа НН диаметром 3 мм интегральной компоновки.

Для использования термопар для высокоточных измерений необходимо тщательно отбирать бухты кабеля и проводить полные испытания на образцах-свидетелях.

Испытания кабельных термопар интегральной компоновки диаметром 2 мм показали, что за 300 термоударов величина ТЭН в данных термопарах уже сравнима с величиной ТЭН после 500 термоударов в термопарах диаметром 3 мм и 4,5 мм.

Величина проявления ТЭН в проволочных термопарах после 500 термоударов в несколько раз превосходит проявления ТЭН в кабельных термопарах диаметром 3 мм (термоэлектроды для проволочных ТП были извлечены из бухты термопарного кабеля диаметром 3 мм и сравнивались по стабильности с кабельными термопарами из той же бухты кабеля). Данные результаты свидетельствуют о том, что защита термоэлектродов термопар от воздействия окружающей среды играет важную роль для достижения высокой стабильности термопар.

Для определения, какие внутренние причины вызывают возникновение ТЭН в термопарах типа НН, были выполнены исследования микроструктуры и химического состава термопар после того как они подверглись 500 термоударам.

2,0 1,6 1,2

0 0,8 X 0." £ 0,0 5 -о."

Ф -0,8

1 -1 2 о -1.6

5 -2,0

О .2,4 -2,8

-■- (-) 200°С, 500 ударов (0 ударов) (-) 400°С, 500 ударов (0 ударов) -■- (-) 600°С, 500 ударов (0 ударов)

— ШЛЯ!

**—

500 циклов применения —

КЭТНН с!=3

- - - -г I1

• м--

I IТ Т Т1 - т т

—|——

50

150

200 250 300 350 400

Глубина погружения, мм Рисунок 6 Сводный график проявления ТЭН в термопарах с!=3 мм

О

О

X

о

X

ш з

X

ш

X

о

5

| Термопары НН, оболочка Ругоэ11 О. й=3 мм

|

Проявление ТЭН при 600°С до термоударов ---фуппа #11-группа #12 Проявление ТЭН после термоударов •О-- группа #11 ■ ▼ ~ группа #12

т__

а- П „ { 1 -п -а. 0 а ' п-в

Глубина погружения, мм Рисунок 7 Проявления ТЭН образцов из групп 11 и 12

Также было исследовано проявление ТЭН этих термопар при температурах 200 °С, 400 °С, 600 °С. Поскольку определить состояние кристаллической решетки, местонахождение примесных атомов и дислокаций весьма трудно, в качестве параметра, отвечающего за внутреннее строение материала, была выбрана

микротвердость, т.к. из материаловедения известно, что изменение микротвердости всегда связано с изменениями в кристаллической решетке материала.

Анализ каждой термопары проводился в трех поперечных сечениях: в 50 мм от рабочего конца ТП (сечение 1), в 150 мм (сечение 2) и в 600 мм (сечение 3). Всего было исследовано 9 термопар (в том числе 3 проволочных).

Исследование химического состава термоэлектродов в различных сечениях показало, что химический состав термоэлектродов не изменился вследствие воздействия термоударов. Исследования микротвердости проводились методом Виккерса с нагрузкой на индентор 50 г. В таблице 5 представлены усредненные значения микротвердости (НУ) в центре термоэлектродов.

Таблица 5. Микротвердость в центре термоэлектродов кабельных ТП

Сечение Микротвердость, НУ

(1=3 мм с1=4,5 мм с1=3 мм (1=4,5 мм

Нихросил Нихросил Нисил Нисил

1 (50 мм) 150 159 138 146

2 (150 мм) 157 170 138 153

3 (600 мм) 165 180 145 167

Графики зависимости микротвердости по длине термоэлектродов приведены на рисунке 10.

Рисунок 10 Средняя микротвердость в центре в различных сечениях

Полученные данные свидетельствуют о том, что микротвердость и величина проявления ТЭН связаны. При термоударах глубина погружения ТП в печь составляла не более 250 мм, поэтому величина ТЭН для сечения 1 - наибольшая,

для сечения 2 - средняя, а для сечения 3 - как до воздействия термоударов. Микротвердость у термопар из обеих групп падает с увеличением ТЭН (так, в сечении 50 мм микротвердость меньше, чем в сечении 600 мм). Для термопар диаметром 3 мм падение микротвердости по длине термоэлектродов меньше, чем для термопар диаметром 4,5 мм. Данный факт также хорошо согласуется с результатами по ТЭН, так как проявление ТЭН термопар диаметром 3 мм меньше, чем ТЭН термопар диаметром 4,5 мм.

Изменение микротвердости обусловлено как воздействием высокой температуры, так и пластической деформацией и остаточными напряжениями, возникающими при термоударах.

Глава 4. Влияние ТЭН на точность измерений. В данной главе подробно рассмотрен бюджет неопределенности измерений температуры с помощью термопар. Подробно пояснены все 12 составляющих неопределенности измерений.

Таблица 6. Бюджет неопределенности измерения температуры с помощью ТП

Источник неопределенности Обозначение Тип и вид распределения неопределенности Вклад в суммарную неопределенность

Случайные эффекты при измерении иско тип А, нормальное распределение иско

Предел допускаемой основной погрешности регистрирующего прибора ^прибора тип В,равномерное симметричное распределение ^прибора/ л/з

Разрешающая способность прибора »р,. тип В, равномерное асимметричное распределение %

Расширенная неопределенность индивидуальной статической характеристики ТП итп иТП = и„сх в случае индивидуальной градуировки ТП; итп = икд в слУчас поверки ТП на соответствие классу допуска

Расширенная неопределенность калибровки ТП иИСХ тип В, нормальное распределение иИСХ / /2

Расширенная неопределенность класса допуска ТП икд тип В, равномерное симметричное распределение икд/ л/з

Погрешность компенсации температуры опорных спаев ^опор тип В, равномерное симметричное распределение ^опор/ Л/з

Удлинительные провода ^провода тип В, равномерное симметричное распределение ^провода/ /Тз

Нестабильность ТП за межповерочный интервал (МПИ) ^ дрейф тип В, равномерное симметричное распределение и дрейф/ /Уз

Неоднородность ТП и1эп тип В, равномерное симметричное распределение 11 ТЭН/ /Уз

Нестабильность измеряемой температуры иНЕСГАБ тип В, равномерное асимметричное распределение и НЕС/Л Б / /2л/3

Тепловой контакт со средой иПЕЧЬ тип В, равномерное симметричное распределение 14 ПЕЧЬ/ /Уз

Расширенная неопределенность измерения температуры, °С ит

Особое внимание уделено таким составляющим, как термоэлектрическая неоднородность; неопределенность индивидуальной статической характеристики; дрейф за время между калибровками; влияние компенсационных (удлинительных) проводов. Приведены результаты расчета расширенной неопределенности измерений для различных типовых технических и лабораторных схем измерений при 800 "С. Продемонстрирована особая важность правильного учета дрейфа и влияния ТЭН. Приведены результаты испытаний по определению межповерочного интервала для кабельных термопар типа НН и ХА (по 32 штуки для каждого типа). Показано, что МПИ для термопар типа НН может составлять 4-^5 лет, против 1,5-^-2 лет для типа ХА. Рассчитано, что расширенная неопределенность измерения температуры (800°С) ТП из неблагородных металлов без индивидуальной градуировкой в промышленных условиях составляет от 5 °С до 12 °С. Расширенная неопределенность измерения температуры ТП типа ПП первого класса при тех же условиях составляет от 1,9 °С до 3,3 °С. Наличие индивидуальной градуировки и применение высокоточных приборов для ТП из неблагородных металлов позволяет достигнуть расширенной неопределенности измерений от 4 °С до 4.8 °С, и данные значения не могут быть улучшены без применения бездемонтажной калибровки термопар.

Глава 5. Бездемонтажная калибровка и поверка термопар. В этой главе приведены известные до выполнения работы способы бездемонтажной диагностики точности показаний термопар, указаны недостатки этих способов и причины, по которым данные способы не могли быть использованы как методы калибровки и поверки. Подробно описана разработанная конструкция термопар с возможностью бездемонтажной поверки и сама методика поверки.

Описанная методика поверки и(или) калибровки термоэлектрического преобразователя без его демонтажа с объекта была разработана в ходе выполнения работы над данной диссертацией. Она утверждена и зарегистрирована 12 декабря 2007 года под №3091-2007 в рамках Государственной системы обеспечения

единства измерений, имеет статус методики периодической поверки термоэлектрических преобразователей наряду с действующей по ГОСТ 8.338-2002. Авторские права на способ поверки, изложенный в методике, защищены патентом на изобретение № 2325622 от 27.05.2008.

Для реализации методики разработана серия кабельных термоэлектрических преобразователей различных типов КТХА (КТНН, КТЖК, КТХК) конструктивных модификации 21.ХХ (21.05, 21.06, 21.07, 21.08 и др.), включенных в Государственный реестр средств измерений. Авторские права на конструкцию преобразователей серии 21.XX защищены патентом на изобретение № 2299408.

Один из главных вопросов бездемонтажной поверки - это проблема, связанная с выбором эталонного средства измерений. Традиционно в России в качестве эталонных используют платинородий-платиновые термопары в керамической соломке с оголенным рабочим спаем. В условиях проведения поверки непосредственно на термометрируемом объекте работать с такими термопарами затруднительно и дорого, так как незащищенные термоэлектроды быстро загрязняются, а керамическая соломка при погружении в измерительный канал часто ломается.

Главной целью данной работы было определение стабильности показаний кабельных термопар нихросил-нисил для подтверждения возможности их использования в качестве эталонного средства измерения температуры третьего разряда. Приведенные в главе расчеты и анализ ранее приведенных данных свидетельствуют о такой возможности. Результатом выполнения работы стало создание кабельной эталонной термопары 3-го разряда с нихросил-нисиловыми термоэлектродами - КЭТНН. Данная термопара предназначена специально для проведения бездемонтажной поверки и калибровки при различных температурных полях, на различных глубинах погружения в диапазоне температур от 200 °С до 1100°С.

Результаты расчета расширенной неопределенности измерения температуры термопарами типов НН и ХА с учетом того, что рабочие ТП регулярно проходят бездемонтажную калибровку, показывают, что вполне достижимы значения расширенной неопределенности измерений от 1,9 °С до 2,7 "С. Таким образом, применение бездемонтажной калибровки кабельных ТП из неблагородных металлов снижает неопределенность измерений, проводимых с их помощью, от двух до шести раз и делает их точность сопоставимой с точностью платинородий-платиновых термопар типа Б и Я. Основные 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 °С до 1050 °С или 500 термоударам в интервале температур от 30 °С до 1000 °С со скоростью до 700 °С/мин.

4. Подробно рассмотрены все факторы, влияющие на неопределенность измерений температуры с помощью термопар. Показано, что неопределенность измерений, связанная с влиянием ТЭН, может превышать величину 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 200-4100 °С, 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 °С до 2°С.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Белевцев A.B., Каржавин A.B., Каржавин В.А. Теория термоэлектричества и методика периодической поверки рабочих термоэлектрических преобразователей // Тезисы докладов: II Всероссийская конференция «Температура-2004». - Обнинск, 2004.- 5 с. (в соавторстве, авторские 2)

2. Белевцев A.B., Каржавин A.B., Каржавин В.А., Шевченко А.И. Бездемонтажный способ диагностики статической характеристики термоэлектрического преобразователя // Тезисы докладов: II Всероссийская конференция «Температура-2004». - Обнинск, 2004. - 5 с. (в соавторстве, авторские 3)

3. Достоверность измерения температуры термоэлектрическими преобразователями и методика их периодической поверки // A.B. Белевцев, A.B. Каржавин, В.А. Каржавин / Сб. трудов 1-ой Российской научно-технической

конференции по кузнечно-штамповочному производству «Кузнецы Урала-2005».

- Верхняя Салда, ОАО "ВСМПО-АВИСМА", 2005. - 10 с. (в соавторстве, авторские 4)

. Белевцев A.B., Каржавин A.B., Каржавин В.А. Периодическая поверка термоэлектрических преобразователей // Компетентность, 2005. № 2. С. 34-38. .5 с. (в соавторстве, авторские 2) . Белевцев A.B., Каржавин A.B., Каржавин В.А., Шевченко А.И. Бездемонтажный способ оценки достоверности показаний термоэлектрического преобразователя // Мир измерений, 2005. №3.-7 с. (в соавторстве, авторские 4) . Достоверность измерения температуры термоэлектрическими

преобразователями и методика их периодической поверки // A.B. Белевцев, A.B. Каржавин, В.А. Каржавин, М.Н. Арнольдов / Сб. трудов III Международной научно-практической конференции «Металлургическая теплотехника: история, современное состояние, будущее. К столетию со дня рождения М.А. Глинкова».

- М.: МИСиС, 2006. - 6 с. (в соавторстве, авторские 2)

. Термоэлектрическая неоднородность и ее влияние на неопределённость температурных измерений // A.B. Белевцев, A.B. Каржавин, В.А. Каржавин, М.Н. Арнольдов / Труды Четвертой Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ-4). - М.: Издательство МЭИ, 2006. - 4 с. (в соавторстве, авторские 2)

. Влияние термопар на неопределенность теплофизического эксперимента // В.А. Каржавин // Сб. трудов XVI Школы-семинара молодых ученых и специалистов «Проблемы газодинамики и теплообмена в энергетических установках», под рук. академика РАН А.И. Леонтьева. - Санкт-Петербург: СПбГПУ, 2007. - 4с . . Каржавин В.А., Арнольдов М.Н. Повышение точности измерения температуры в ядерных реакторах // Межведомственный семинар «Теплофизика-2007. Тепломассоперенос и свойства жидких металлов». - Обнинск, 2007. ФГУП ГНЦ РФ «ФЭИ им. А.И. Лейпунского». - 3 с. (в соавторстве, авторские 1.5)

0. Каржавин A.B., Каржавин В.А., Богатов В.В., Белевцев A.B. Контроль достоверности показаний термоэлектрического преобразователя без его демонтажа с объекта // Тезисы докладов: III Всероссийская конференция «Температура-2007». - Обнинск, 2007. - 6 с. (в соавторстве, авторские 2)

1. Каржавин В.А., Арнольдов М.Н., Каржавин A.B., Белевцев A.B. О возможности использования кабельных термопар нихросил-нисил в качестве эталонных // III Всероссийская конференция «Температура-2007». - Обнинск, 2007. - 6 с. (в соавторстве, авторские 3)

2. Каржавин В.А., Белевцев A.B. Термостат с флюидизированной средой. Метрологические характеристики и методические возможности // Тезисы докладов: III Всероссийская конференция «Температура-2007». - Обнинск, 2007.

- 8 с. (в соавторстве, авторские 5)

3.Арнольдов М.Н., Белевцев A.B., Каржавин В.А., Каржавин A.B. О возможности использования кабельных термопар нихросил-нисил в качестве эталонных //Приборы, 2007. №7.-5 с. (в соавторстве, авторские 2)

4.МПК G01K 7/02, G01K 13/12, G01K 15/00 Устройство для измерения температуры в виде термоэлектрического преобразователя: патент 2299408 Российская Федерация: // Каржавин A.B., Каржавин В.А., Богатов В.В., Белевцев

A.B.; патентообладатель ООО «ПК «Тесей». № 2006109703/28; заявл. 28.03.2006; опубл. 20.05.2007, Бюл. № и.

15.МПК G01K 15/00, G01K 7/02, G01K 13/12 Способ контроля достоверности показаний термоэлектрического преобразователя в процессе его эксплуатации: патент 2325622 Российская Федерация: /. Каржавин A.B., Каржавин В.Л., Богатов В.В., Белевцев A.B.; патентообладатель ООО «ПК «Тесей». - № 2007110408/28; заявл. 22.03.2007; опубл. 27.05.2008, Бюл. № 15.

16. Повышение точности измерения температуры в ядерных реакторах // В.А. Каржавин, М.Н. Арнольдов ./ Науч.-тех. сб. ВАНТ, серия «Физика ядерных реакторов» , вып. 3. - М.: РНЦ «Курчатовский институт», 2008. - 3 с. (в соавторстве, авторские 1.5)

17. Перспективы внедрения бездемонтажной поверки термопар и применения кабельных эталонных термопар КЭТНН // Каржавин В.А., Каржавин A.B. / Сб. трудов IV Международной научно-практической конференции «Печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии и машиностроении». М.: МИСиС, 2008. - 5 с. (в соавторстве, авторские 2.5)

18. Каржавин В.А., Белевцев A.B. Термостат с флюидизированной средой. Метрологические характеристики и методические возможности // Новые промышленные технологии, 2008. № 5. - 5 с. (в соавторстве, авторские 3)

19. Каржавин В.А. Высокоточные термостаты с флюидизированной средой для реализации температур от -100 до 1 Ю0°С //Датчики и системы, 2008. № 10.

20. Каржавин В. А., Каржавин A.B. Методика периодической поверки термоэлектрических преобразователей непосредственно на термометрируемом объекте // Главный метролог, 2008. № 5. - 5 с. (в соавторстве, авторские 2.5)

21. Karzhavin V.A.', Karzhavin A.V. Cycle temperature influences on thermocouples type N // ACTA METROLOGICA SINICA, 2008, vol. 29 №4a - 6 с. (в соавторстве, авторские 3)

22. Каржавин В.А., Каржавин A.B., Белевцев A.B. Контроль достоверности показаний термоэлектрического преобразователя без его демонтажа с объекта // Новые промышленные технологии, 2009. №3.-4 с. (в соавторстве, авторские 2)

23. Каржавин В.А., Каржавин A.B., Белевцев A.B.; К вопросу о неопределенности измерений температуры термоэлектрическими преобразователями // Главный метролог, 2010. № 1.

24.МПК G01K 7/00 Н01В 1/00 Преобразователь термоэлектрический (варианты), термопарный кабель для изготовления преобразователя термоэлектрического по первому варианту.// Каржавин A.B., Каржавин В.А.; патентообладатель ООО «ПК «Тесей». - № 2009138022/22; заявл. 15.10.2009; опубл. 20.01.2009, Бюл. № 2.

Подписано в печать 19.03.2010 г. Формат 60x90 1/16 Печать на ризографе. Тираж 100 экз. Заказ № 6746. Объем 1,0 п.л. Отпечатано в типографии ООО "Алфавит 2000", ИНН: 7718532212, г. Москва, ул. Маросейка, д. 6/8, стр. 1, т. 623-08-10, www.alfavit2000.ru

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность.

Цель.

Научная новизна.

Практическая ценность.б

Внедрение результатов работы.

Публикации и доклады.

Автор защищает.

Объем и структура работы.

ГЛАВА 1 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ.

1.1 Развитие научных знаний о термоэлектричестве.

1.2 Классическая теория термоэлектричества.

1.3 Интегральное описание термоэлектрических эффектов.

1.4 Термоэлектрическая неоднородность.

1.5 Методы искусственного старения термопар и развития ТЭН.

1.6 Методы изучения ТЭН.

Определение термоэлектрической нестабильности.

Ваэ/сностъ и различия градуировки и исследования неоднородности.

Принципы проверки неоднородности.

Классификация методов исследования неоднородности по точности.

Факторы, влияющие на точность измерений ТЭН.

Методы исследования ТЭН, дающие ложные результаты.

Тест на однородность.

Метод точечного нагрева.

1.7 Истинные методы исследования неоднородности.

Метод однополярного градиента температуры.

Двуполярный метод асимметричного градиента температуры.

Двуполярный метод симметричного градиента температур.

1.8 Выводы главы.

ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ТЭН.

2.1 Термоциклирование.

2.2 Термоудары.

2.3 Установка исследования ТЭН.

2.4 Математическое моделирование эксперимента.

2.5 Термостаты с флюидизированной средой.

2.6 Определение оптимального режима исследования проявления ТЭН для термостата с флюидизированной средой.

2.7. Выводы главы.

ГЛАВА 3 ИЗУЧЕНИЕ ТЭН И ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

3.1 Результаты термоциклирования.

3.2 Результаты исследования влияния термоударов на термопары.

3.2.1 Предварительные испытания.

3.2.2 Массовые испытания воздействия термоударов на термопары типа НН.

3.2.3 Результаты исследования проволочных термопар.

3.2.4 Результаты исследования кабельных термопар диаметром 2 мм.

3.3 Результаты исследования микроструктуры и химического состава термоэлектродов термопар, подвергнувшихся 500 термоударам.

3.4 Выводы главы.

ГЛАВА 4 ВЛИЯНИЕ ТЭН НА ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ.

4.1 Бюджет неопределенности измерения температуры.

4.1.1 Случайные эффекты при измерении, иско.Ю

4.1.2 Неопределенность регистрирующих приборов, и„рх,бора.

4.1.3 Разрешающая способность измерительного прибора, ирс.

4.1.4 Неопределенность компенсации температуры опорных спаев, иопор.НО

4.1.5 Неопределенность удлинительной линии, и„ровода.Ш

4.1.6 Неопределенность индивидуальной статистической характеристики ТП,

Щ\схи ищ.US

4.1.7 Нестабшьность за меэюповерочный интервал (МПИ), щрейф.

4.1.8 Термоэлектрическая неоднородность ТП, итэи.

4.1.9 Нестабильность измеряемой температуры, ынестаб■.

4.1.10 Тепловой контакт со средой, и печь.

4.2 Примеры расчета расширенной неопределенности измерения температуры термопарами.

4.2.1 Технические измерения.

4.2.2 Лабораторные измерения.

4.2.3 Точные технические измерения.

4.3 Выводы главы.

ГЛАВА 5 БЕЗДЕМОНТАЖНАЯ ПОВЕРКА ТЕРМОПАР.

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 °С.

• 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 °С до 1050 °С или 500 термоударам в интервале температур от 30 °С до 1000 °С 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 °С, 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 °С до 2°С.

1. Гордов А.Н., Жагулло О.М., Иванова А.Г. Основы температурных измерений. — М.: Энергоатомиздат, 1992.

2. Рогельберг И.Л., Бейлии B.M. Сплавы для Термопар. Справочник. М.: Металлургия, 1983.

3. Hunt L.B. The early history of thermocouple // Platinum Metals Review: published by Johnson Matthey Pic. London, 1964. Vol. 8, Issue 1. P. 23-28.

4. Борн M. Атомная физика. — M.: Мир, 1965.

5. Белащенко Д.К. Явления переноса в жидких металлах и полупроводниках. — М.: Атомиздат, 1970.

6. Ашкрофт Н., Мермин Н. Физика твердого тела. — М.: Мир, 1979.

7. Павлов Б.П. Термоэлектрическая неоднородность электродов термопар. М.: Издательство Стандартов, 1979.

8. Reed R.P. Thermoelectric inhomogeneity testing: Part I Principles // Proceedings of international symposium "Temperature. It's Measurement and Control in Science and Industry".- New York, American institute of physics, 1992. Vol. 6, Part 1.

9. Reed R.P. Thermoelectric inhomogeneity testing: Part II — Advanced methods // Proceedings of international symposium "Temperature. It's Measurement and Control in Science and Industry".

10. New York, American institute of physics, 1992. Vol. 6, Part 1.

11. Pearce, Jonathan V. Automatic Characterization of Thermoelectric Homogeneity // Acta metrologica sinica, 2008. No. 29, 4A.

12. Hiroyasu SATO. Development of a thermoelectric scanning system for Type R thermocouples with non pressure controlled heat-pipes // Acta metrologica sinica, 2008. No. 29, 4A.

13. А.Н. Тихонов, А.А. Самарский. Уравнения математической физики. М.: Гостехиздат,• 1953.

14. Bentley R.E. Irreversible thermoelectric changes in type К and type N thermocouple alloys within Nicrosil-sheathed MIMS cable // Journal of Physics D: Applied Physics, 1989. Vol. 22, No 12, P. 1908-1915.

15. Bentley R.E. Thermoelectric hysteresis in nickel-based thermocouple alloys // Journal of Physics D: Applied Physics, 1989. Vol. 22, No 12, P. 1902-1907.

16. Deniman H.L. The Choice of sheathing for mineral insulated thermocouples // Measurements & Control, 1991,25(1), P. 93-95.

17. Игнатьев Д.Н., Олейников П.П. Структурные особенности кабеля типа КТМС // Новые промышленные технологии, 2008. № 1.

18. ГОСТ Р 8.585-2001. ГСИ. Термопфы. Номинальные статические характеристики преобразования. — М.: ИПК Издательство стандартов, 2004

19. Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement: First edition. — Switzerland, ISO, 1993. (Руководство по выражению неопределенности измерения: перевод с англ. под науч. ред. проф. Слаева В.А. — Санкт-Петербург: ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. 1999).

20. РМГ 43-2001 ГСИ. Применение «Руководства по выражению неопределенности измерений». — М.: ИПК Издательство стандартов, 2002.

21. ЕА-4/02 Expression of the Uncertainty of Measurement in Calibration. European cooperation for Accreditation, 1999.

22. ГОСТ 28498-90. Термометры жидкостные стеклянные. Общие технические требования. Методы испытаний. М.: Издательство стандартов, 1990.

23. ГОСТ 8.338-2002. ГСИ. Преобразователи термоэлектрические. Методика поверки. — М.: ИПК Издательство стандартов, 2003.

24. ГОСТ 1791-67. Проволока из никелевого и медно-никелевых сплавов для удлиняющих проводов к термоэлектрическим преобразователям. Технические условия. — М.: Издательство стандартов, 1987.

25. IEC 60584-3 Ed. 2.0 Thermocouples Part 3: Extension and compensating cables - Tolerances and identification system. — IEC, 2007.

26. ГОСТ 6616-94. Преобразователи термоэлектрические. Общие технические условия. — М.: ИПК Издательство стандартов, 1998.

27. РМГ 74-2004. Методы определения межповерочных и межкалибровочных интервалов средств измерений. — М.: Стандартинформ, 2005.

28. Burley N.A. Advanced integrally sheathed type N thermocouple of ultra-high thermoelectric stability // Measurement, 1990, No 1, P. 36-41.

29. ГОСТ P 52314-2005. Преобразователи термоэлектрические платинородий-платиновые и платинородий-платинородиевые эталонные 1, 2 и 3-го разрядов. Общие технические требования. — М.: ИПК Издательство стандартов, 2005.

30. ASTM Е220-07а Standard Test Method for Calibration of Thermocouples By Comparison Techniques. USA: ASTM International, 2003.

31. SAE AMS 2750D Pyrometry. SAE International, 2005.

32. МИ 2356-2001. Рекомендация. ГСИ. Термопреобразователи с унифицированным выходным сигналом ТСМУ-055, ТСМУ-205, ТСПУ-055, ТСПУ-205, ТХАУ-205, ТХКУ-205. Методика поверки. Утверждена ВНИИФТРИ, 2001.

33. MNL 12. Manual on the Use of Thermocouples in Temperature Measurement: 4th Edition. -USA: ASTM International, 1993.

34. ГОСТ 8.558-93. ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений температуры. — М.: Издательство стандартов, 1994.

35. Белевцев А.В., Каржавин А.В., Каржавин В.А. Периодическая поверка термоэлектрических преобразователей // Компетентность, 2005. № 1. С. 34-38.

36. МИ 3091-2007. Рекомендация. ГСИ. Преобразователи термоэлектрические с дополнительным каналом для эталонного кабельного термоэлектрического преобразователя. Методика поверки. Утверждена ВНИИМС, 2007.

37. Эталонный термоэлектрический преобразователь: патент 39200 Российская Федерация: МПК 7G01K 15/00 / Каржавин А.В., Коломбет С.В:, Белевцев А.В.; патентообладатель ООО «ПК «Тесей». -№ 2004111408/22; заявл. 15.04.2004; опубл. 20.07.2004, Бюл. № 20.