|
| |
 |
Главная » Мануалы 1 ... 6 7 8 9 10 11 12 ... 18 стали без возобновления рабочего спая [10, 256]. На возможность использования термопары для непрерывных замеров температуры стальной ванны указано в работах [250, 256, 276, 277]; по другим данным [278], значительная нестабильность препятствует непрерывным замерам. Термоэлектрическая стабильность Стабильность термопар ВМ изучалась всего лишь в нескольких работах. Это объясняется тем, что они редко применяются для длительных непрерывных измерений. Стабильность в инертных средах и вакууме. В очищенном от кислорода аргоне нагрев при 1200 и 1625°С в течение 72 ч приводит к росту показаний тер-тВ мопары с неизолированными -=о электродами примерно на 40 °С. Повышение температуры до 2000°С увеличивает нестабильность на 30 %. Дрейф показаний в основном связан с изменениями т. э. д. с. вольфрамового электрода (рис. 6.4). Согласно этим же данным нестабильность термопары в вакууме достигает тех же величин, что и в аргоне. В опытах [273] термопара ВМ при 1500 С в атмосфере гелия, очищенного от влаги и кислорода, за 50 ч изменила свою градуировку на -36-н -12°C. При этом большие отклонения т.э.д.с. наблюдались у молибденового электрода. При изучении поведения термопар в атмосфере, содержащей 90-95 % Не (N2)-f5-I0 % СОз, при 1750° [235] обнаружен дрейф, равный -4 % (при неизолированных электродах, выдержке 96 ч) и 6 % (при изолированных чистой AI2O3 электродах, выдержке 140 ч). В табл. 6.3 показаны изменения т. э. д. с. термопары ВМ при эксплуатации ее в вакууме (35-52)-10-з Па в течение 25 ч при ТАБЛИЦА 6.3  -гоо V- -300 Рис. 6.4. Изменения т. э. д. с. ..н.. 860 °С вольфрамовой и молибденовой проволоки после нагрева в течение 24 ч в атмосфере аргона [334] при
Примечание. Измерение т. э. д. с. проводилось в вакууме. 1500-2100 °С. По данным таблицы, дрейф при 1500-1700 °С не превышает 60 мкВ, а при 1900-2100 °С достигает 340 мкВ. В этих экспериментах большая нестабильность была обнаружена у молибдена, см. также [1262]. Отмечено, что в присутствии графита нестабильность термопар увеличивается примерно на 25 °С после 15-мин выдержки при 1700 °С 259]. Несмотря на ограниченные экспериментальные данные и трудносравнимые условия, не будет большой ошибкой считать, что термопары ВМ в чистых инертных средах и вакууме за десятки часов при 1500-2000 °С изменяют свои показания на несколько процентов. Влияние термической обработки на т. э. д. с. Термоэлектродная проволока из вольфрама и молибдена поставляется обычно в состоянии после теплого волочения. По данным [259], для измерения температур до 1900°С нет необходимости в предварительном отжиге проволоки или термопары. Результаты [250, 265, 270] согласуются с ними, так как разница в величине т. э. д. с. не-отожжеииой и отожженной проволоки (вплоть до 2100 °С) невелика и находится в пределах точности градуировки. Некоторые авторы подвергают термоэлектродный материал термической обработке [1265], однако отожженная проволока хрупка и требует большой осторожности в обращении. В отечественной практике для изготовления термопар пользуются проволокой в состоянии поставки. Термоэлектрическая однородность термоэлектродных сплавов При плохой воспроизводимости т. э. д. с. вольфрамовой и молибденовой проволоки в пределах одной партии величина неоднородности  Рис. 6.5. Отклонения от номинальных значений т. э. д. с. термопары ВМ, изготовленной из одной бухты вольфрамовой н одной бухты молибденовой проволоки [274]: / - начало бухт; 2, J - на расстоянии 240 и 480 м от начала т.э.д.с. отдельных бухт сравнительно невелика (рнс. 6.5), см. [265, 267, 274]. Согласно данным [261] она нормируется в пределах ±30 мкВ (~±5°С) при 1500°С, см. также [421, 422].
Физические и механические свойства термоэлектродных сплавов Зависимости свойств термоэлектродов термопары ВМ. от температуры представлены в табл. 6.4. Удлиняющие провода к термопарам (табл. 6.5) ТАБЛИЦА 6.5 Электрод термопары Сплавы для удлиняющих проводов Характеристика проводов Сплав марки МНО.З (Си-Ь0,2-0,5№) Медь марки (ГОСТ 859-66) Суммарная компенсация в диапазоне О-100°С с погрешностью ±0,03 мВ Проволока изготавливается по техническим условиям, см. [42, с. 160-170] В качестве удлннялющнх проводов иногда используют вольфрамовую и молибденовую проволоку для термоэлектродов термопары, которую не удается скомплектовать в пары [261]. Поправки на температуру свободных концов [254, 256] Температура свободных концов, °С . . . 10 15 20 25 30 35 40 50 Поправка, мВ . 0,025 0,043 0,060 0,080 0,100 0,121 0,140 0,180 Примечание. Поправку необходимо вычесть из наблюдаемого значения т. э. д. с. Рекомендации по изоляции и защите Термоэлектроды термопар для разовых измерений температуры жидкой стали изолируют глиноземистой керамикой и защищают кварцевыми наконечниками. 6.1.2. ТЕРМОПАРА ЦНИИЧМ-1 ИЗ ВОЛЬФРАМА И СПЛАВА МОЛИБДЕНА С АЛЮМИНИЕМ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР ДО 2400 °С Основные свойства и назначение Термопара предназначена для кратковременных измерений температуры жидких сталей, сплавов и чугунов в мартеновских, дуговых, индукционных печах и в ковшах. Возможны длительные измерения в вакууме, инертных средах и сухом водороде. Развивает т. э. д. с. около 20 мВ при 2400 °С и имеет близкую к линейной термоэлектрическую характеристику в диапазоне 1000- 2400 °С со средней чувствительностью 10,5 мкВ/°С. В связи с очень малой т.э.д.с. при 100°С может быть использована без удлиняющих проводов н поправок на температуру свободных концов. Недостатки термопары: плохая воспроизводимость т.э.д.с. и связанные с ней технологические трудности изготовления, сильный дрейф т. э. д. с, а также более высокая стоимость по сравнению с термопарой ВМ. Свойства термопары описаны в работах [427-429]. Термоэлектродная проволока для термопары поставляется по техническим условиям. Материал термоэлектродов (термоэлектродные сплавы) Положительный электрод - вольфрам технической чистоты. Отрицательный электрод - сплав молибдена с ~0,5 % А1 на основе молибдена технической чистоты. Для изготовления термоэлектродов используется вольфрам марки ВРН чистотой 99,9 % и молибденалюминиевый сплав следующего состава: 99,55-99,4 % Мо, 0,45-0,6 % А1. Т. э. д. с. термопары и термоэлектродов Интегральная т. э. д. с. термопары ЦНИИЧМ-1 и ее термоэлектродов относительно платины (табл. 6.6). таблица 6.6 t, °с
t. °с т. э. д. с, мВ 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 0,02 0,27 0,68 1,22 1,85 2,66 3,50 4,40 5,40 6,40 7,45 8,50 0,8 2,1 4,0 6,3 9,1 12,1 15,4 19,2 22,9 27,0 31,4 35,9
9,55 10,60 11,65 12,70 13,75 14,80 15,85 16,90 17,95 19,00 20,05 B-Pt МАл 0,5-Pt 40,3 44,9 49,5 54,2 58,9 30,7 34,3 37,9 41,5 45,1 примечания: 1. Значения т.э.д.с. приведены по [Ш] (термопара) н [49, с. 1697-1734] и др. (вольфрам); т.э.д.с. МАлО,5 вычислена по разности т. э. д. с. термопары н вольфрамового электрода. 2. Т. э. д. с. вольфрама и сплава МАлО,5 положительны относительно платины. 3. Температура свободных концов -О °С. термоэлектродных Дифференциальная т. э. д. с. При средней величине стоградусных разностей т.э.д.с. (в интервале 1000-2000°С) 1,05 мВ они могут колебаться в пределах 0,9-1,3 мВ. Влияние химического состава сплавов. Т. э. д. с. термопары в очень сильной степени зависит от концентрации легирующего элемента (алюминия) в отрицательном электроде (рис. 6.6). О влиянии других элементов (примесей) см. рис. 6.2. Градуировочная таблица и точность термопары Градуировочная таблица. Не разработана из-за плохой воспроизводимости т. э. д. с. Термоэлектродная проволока поставляется скомплектованной в пары с индивидуальной градуировкой в области температур 1000-2000 °С. Точность термопары. Погрещ-ность индивидуальной градуировки составляет ±15°С [10].  т ш 600 800 iaoomot;c Рис. 6.6. Зависимость т. э. д. с. термопар вольфрам - сплав молибдена с алюминием от температуры [283]. Содержание алюмииня, %: / -0; г -0,08; 3 - 0,18; 4-0,25; 5 - 0,31: 6 - 0,41 Рекомендуемые рабочие атмосферы и интервал рабочих температур. Срок службы (технический ресурс) Термопара позволяет производить кратковременные до 10-15 мин измерения температуры до 2400 °С в воздушной среде и длительные в сотни часов в вакууме величиной 1,3-10--1,3-10- Па, в нейтральных средах, очищенных от остаточного кислорода, с постепенным снижением т. э. д. а [Ю]. Термоэлектрическая стабильность Стабильность в инертных-средах и вакууме. Согласно [279] нестабильность термопары достигает -(180-230) °С при нагреве ее при 1500-1900 °С в течение до 25 ч. Стабильность при измерении температуры жидких металлов. Согласно данным [10, 285] дрейф т.э.д.с. становится заметным после 10-12 погружений. На непригодность термопары для непрерывных изменений температуры жидкой стали указано в работе [278], вместе с тем в работе [287] сообщается, что при надлежащей защите нестабильность градуировки при 1500 °С может не выходить за пределы ±15°С за 6 ч, см. также [488]. 6.2. ТЕРМОПАРЫ ИЗ СПЛАВОВ ВОЛЬФРАМА С РЕНИЕМ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР ДО 3000 С Сплавы вольфрама с рением (BP) позволяют создать термопары, с помощью которы.х можно в неокислительных средах измерять температуры более высокие, чем с помощью термопар из сплавов благородных металлов (ПР, ИР), а такйсе вольфрама с молибденом (ВМ). Сплавы вольфрама с рением отличаются высокой температурой Т.з.д.с; пВ 
Рис. 6.7. Т.э.д.с. сплавов W-Re относительно вольфрама [10]. Цифры у кривых - содержание реиия в сплавах, % Рис. 6.8. Чувствительность термопар из сплавов W-Re и вольфрама [10]. Цифры у кривых - содержание рения в сплавах, % плавления (>3000°С), достаточно большой т.э.д.с, хорошей совместимостью с изолирующими и защитными материалами и большой прочностью при высоких температурах. Диапазон измеряемых температур. Верхняя граница ограничивается температурой плавления вольфрама (3387 °С), если он используется в качестве одного из термоэлектродов, или температурой плавления сплавов, которая при максимальной концентрации рения (25%) равна -3120°С. Термоэлектродвижущая сила. Сплавы вольфрама с 3-25 % Re, которые обычно используются для термопар, - твердые растворы, не претерпевающие превращений Т. э. д .с. сплавов относительно На немонотопиость концентрационных зависимостей ряда физических свойств вольфрамрсииевых сплавов указывают многие авторы, см., например [288]. вольфрама представлена на рис. 6.7. Температурные зависимости т. э. д .с термопар, образованных вольфрамом и вольфрамрениевыми сплавами, содержащими до 15 %> Re, имеют инверсию полярности Температура инверсии уменьшается с ростом концентрации рения. Температурные зависимости чувствительности таких термопар показаны на рис. 6.8. Взаимодействие с окружающей средой. В окислительных средах вольфрамрениевыс сплавы окисляются интепсивно. Сведения о влиянии реиия на окисление вольфрама противоречивы. Согласно данным [289] небольшие добавки рения несколько уменьшают скорость окисления вольфрама, но сплавы с 20-25 % Re окисляются примерно так же, как вольфрам. По данным [290, 291], и малые, и большие добавки рения интенсифицируют процесс окисления при 800-1300 °С. Окисление сопровождается испарением окислов рения; внутреннее окисление отсутствует. Уменьшение парциального давления кислорода существенно замедляет процесс окисления. Так же, как и чистый вольфрам, сплавы с рением устойчивы в аргоне, гелии, сухом водороде и азоте, а также в вакууме. Нагрев до высоких температур (>1900°С) в вакууме 1,3-10 Па сопровождается селективным пс-пареяием рения. Взаимодействие с изолирующей и защитной керамикой. Воль-фрамренисвые сплавы в контакте с керамикой ведут себя примерно так же, как чистый вольфрам [292], см. табл. 6.1. Отсутствие взаимодействия сплавов вольфрама с 5 и 26 % Re с AI2O3, ВеО, MgO, Y2O3 и ТЬОг технической чистоты при температурах - 1500°С в течение 1000 ч подверждено данными [293], см. также [286]. Механические свойства. Вольфрамрениевые сплавы обладают исключительной механической прочностью при высоких температурах, превышающей прочность всех других промышленных термоэлектродиых сплавов. Легирование вольфрама рением увеличивает его прочность и пластичность, повышает температуру начала рекристаллизации и задерживает охрупчивание. Сплавы вольфрама с 20- 25 % Re пластичны после отжига при температурах до 2500 С. Малолегированные сплавы (3-5 % Re) охрупчиваются после отжига при 1500 °С. Дополнительное легирование сплавов BP. Сплавы ВАР. Термоэлектрическая нестабильность сплавов BP в значительной мере обусловлена недостаточно высоким отжигом термоэлектродиой проволоки. Температура отжига малолегироваиных сплавов не может превышать 1500°С нз-эа наступления рекристаллизации иохрупчнваиия Для того чтобы сделать возможным отжиг проволоки из сплавов с 3-5% Re при более высоких температурах и тем самым улучшить стабильность показаний термопар, а также для повышения механических свойств сплавов, последние дополнительно легируют окислами и щелочными металламиСплавы с присадками (ВАР) по величине т. э. д. с. не отличаются от обычных вольфрамреииевых сплавов, но могут быть отожжены при высоких температурах (>2000°С), что позволяет сделать термопары гораздо более стабильными [10]. Технологичность и воспроизводимость т. э. д. с. Проволоку из сплавов, содержапи1Х до 25 % Re, изготавливают без особых .зп- Используется технология, применяемая обычно для изготовления вольфрамовой проволоки для ламп накаливания. труднений по технологии, обычно применяемой для тугоплавких металлов. Используемая в настоящее время технология производства вольфрамрениевых сплавов и имеющиеся сырьевые материалы, не позволяют получать проволоку с заданными с узкими допусками т. э. д. с. Поэтому проволоку отечественного производства поставляют скомплектованной в пары в пределах допусков на т. э. д. с, установленных для одной из трех стандартных градуировок по ГОСТ 3044-77. Суммарный разбег т.э.д.с. при изготовлении проволоки достигает 0,68 мВ при 1800°С (-3,5 %). Составы сплавов для термопар. Исследованы термоэлектрические свойства термопар, представляющих самые различные комбинации вольфрама, рения и их сплавов: ВРО/1 *, ВРО/3, ВРО/5 [48, с. 177-187], ВРО/10 [48, с. 177-187], ВРО/20 [10; 48, с. 177-187], ВРО/25-26 10, 294], ВРО/30 [295], ВРО/100 [294-296], BP 1/3, ВРЗ/5 10], ВРЗ/15 [297], ВРЗ/20 [48, с. 177-187], ВАРЗ-ВР25 [298], ВР5/20 282, 297], ВР5/Й6 [299], ВАР5-ВР26 [И], ВР7/26 [299], ВР10/20 [10], ВР15/20 [10, 300], ВР15/25 [10]. За исключением термопары ВРО/100, в этот перечень не включены многочисленные пары, один электрод которых представляет чистый рений, см. [14]. Градуировочные характеристики некоторых перечисленных выще термопар представлены на рис. 6.9. Большую т. э. д. с. развивают термопары, один электрод которых-сплав с максимальной концентрацией рения (20-26 % Re), а другой - чистый вольфрам или сплав с 3-5 % Re. Увеличение содержания рення >~25% нецелесообразно в связи с возможностью появления с сплаве хрупкой сг-фазы. 3-5 % Re - минимальная добавка, позволяющая в какой-то мере задержать охрупчива-ние вольфрама после отжига. Термоэлектроды из сплава вольфрама с 3-5 % Re, дополнительно легированного окислами и щелочными металлами, обладают повышенными механическими свойствами после отжига при высоких температурах. Иногда для улучшения механических свойств малолегнрованно-го положительного электрода увеличивают содержание рения (термопара ВР10/20), однако при этом становятся меньшими т.э.д.с. и чувствительность. Из всех возможных сочетаний вольфрама, рения и их сплавов для термопар в промышленности были опробованы следующие: ВРО/100, ВРО/26, ВР5/20, ВАР5-ВР20, ВАРЗ-ВР25, ВР5/26, ВАР5-ВР26, ВР10/20. Термопары с электродами из чистых вольфрама и рения (ВРО/100) не получили широкого распространения из-за хрупкости вольфрама после нагрева при температурах выше начала рекристаллизации (~1200°С), уменьшения чувствительности выше 2000 °С и отсутствия каких-либо преимуществ по сравнению с термопарами, у которых оба электрода изготовлены нз сплавов. Кроме того, термопары ВРО/100 дороже, чем остальные. Термопары ВРО/26, несмотря на хрупкость вольфрамового электрода, получили распространение за рубежом [11, 295, 299, * Цифры означают содержание рения в положительном электроде (числитель) и отрицательном (знаменатель). Буква А -означает дополнительное легирование алюминием, кремнием и щелочными металлами (см. в тексте).   о, (М о -ч- - в: COQ. И £. I 301-306]. При качественном изготовлении они могут служить в течение длительного времени. Эти термопары все больше вытесняются термопарами, у которых оба электрода изготовлены из сплавов. 6.2.1. ТЕРМОПАРЫ ВР5/20, ВАР5-ВР20 и ВР10/20 ИЗ СПЛАВОВ ВОЛЬФРАМА С РЕНИЕМ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР ДО 3000 °С Основные свойства и назначение Термопары используются для измерения температур до 3000 °С в аргоне, гелии, азоте, сухом водороде и вакууме. Развивают т. э. д. с. прн 2500 °С, равную 34 мВ (ВР5/20, ВАР5-ВР20) и 22 мВ (BPI0/20), и имеют чувствительность при 2000-2500°С соответственно 10-7 и 7-4 мкВ/°С. Обладают хорошими механическими свойствами при высоких температурах, могут служить при воздействии больших знакопеременных нагрузок, прн частых и резких теп-лосменах. Сравнительно мало чувствительны к загрязнениям во время изготовления и монтажа. Термопары BP - лучшие из всех известных промышленных термопар для измерения температур выше 1800°С. i Основные недостатки - плохая воспроизводимость т. э. д. с, затрудняющая стандартизацию градуировочиой характеристики и нестабильность в условиях облучения, существенное падение чувствительности при температурах >2400°С. Термопару ВР5/20 следует применять в тех случаях, когда прн длительных измерениях нестабильность т.э.д.с. в 1-3 % может считаться приемлемой. Если же требуется большая точность, необходимо пользоваться термопарой ВАР5/ВР20. Хотя термопары ВР10/20 обладают лучшими механическими свойствами и более стабильны, они развивают меньшую т. э. д. с. (менее чувствительны) и поэтому менее распространены и их градуировочные характеристики не стандартизированы. Термопары применяют в различных областях высокотемпературной технологии, например в производстве тугоплавких металлов, твердых сплавов и керамики, при выплавке и разливке сталей и сплавов, для измерения температуры газовых потоков и низкотемпературной плазмы в газотурбинных двигателях, МГД-генераторах, а также в атомной энергетике. Градуировочная характеристика термопары ВР5/20 установлена СТ СЭВ 1059-78 и ГОСТ 3044-77. Термоэлектродную проволоку из сплавов ВР20, ВР5 и ВАР5 изготавливают по техническим условиям. Проволока из сплава BP 10 серийно не изготавливается. Свойства термопар зарубежного производства регламентируются фирменными стандартами. Свойства термопар ВР5/20 (ВАР5-ВР20) по СТ СЭВ 1059-78 и ГОСТ 3044-77 и BP 10/20 далее описаны подробно. Близкие к ннм по эксплуатационным свойствам и обладающие несколько большей т.э.д.с. термопары ВР5/26 (ВАР5-ВР26) и ВАРЗ-ВР25 изготавливаются за рубежом. Некоторые данные о свойствах последних использованы при обсуждении свойств отечественных материалов. Материал термоэлектродов (термоэлектродные сплавы) Марки и химический состав отечественных сплавов для термопар BP5I20 и ВАР5-ВР20 (табл. 6.7). ТАБЛИЦА 6.7
* w - остальное. Зарубежные аналоги. Некоторые зарубежные фирмы, например венгерская Тунгсрам [307], изготавливают термоэлектродпую проволоку из сплавов ВР5 и ВР20, другие -из сплавов ВАРЗ и ВР25 [298] или ВР5 н ВР26 [299]. Т. э. д. с. термопары и термоэлектродов Интегральная т. э. д. с. термопар типа BP (табл. 6.8). Дифференциальная т.э.д.с. термопар типа BP (табл. 6.9). ТАБЛИЦА 6.8
12-330
Примечания: 1. Значения т.э.д.с. приведены для термопары иР5/20 по ГОСТ 3044-77 (МПТШ-68), для термопары BP 10/20, по данным [101 (МПТШ-68), для термопары ВР5/26, по данным [144] (МПТШ-48), для термопары ВАРЗ-ВР25, поданным [144] (МПТШ-68). 2. Температура свободных концов о °С. та блица 6.9
Примечание. Значения дифференциальной ГОСТ 3044-77 (ВР5/20); [10, 308] (ВР10/20); [49, ВАРЗ-ВР25). т. э. д. с. приведены по с. 1697-1734] (ВР5/26 и Ч
3 и n. ct a i- <u к о о- m о м =8888? С) со I8S8SS5 f- Q. ОЙ с п. л Ю 3 о S, Q. J = s D.t- OJ CO и П л^-г CJ E ct I > Hco 03 Градуировочная таблица и точность термопары Градуировочная таблица. Недостаточно хорошая воспроизводимость т. э. д. с. затрудняет выпуск термопар с единой градуировочиой характеристикой. В связи с этим в гост 3044-77 для термопары ВР5/20 установлены три градуировочные таблицы (характеристики 1, 2, 3). Значения т.э.д.с. нормированы до 1800°С. Расхождение между тремя характеристиками составляет ~10°С при 500 С и ~20°С при 1000 и 1800 С. В табл. 6.10 приведена средняя градуировочная характеристика термопары ВР5/20 (характеристика!)* и ее продолжение для области температур 1800-2500 °С, данное в ГОСТ 3044-77 в виде справочной градуировочиой таблицы. Таблица 6.10 полностью совпадает с градуировоч.чой таблицей СТ СЭВ 1059-78. Термопара ВАР5-ВР20 имеет ту же характеристику, что и ВР5/20. Градуировочная таблица термопары ВР10/20 не разработана. Градуировочные характеристики термопар ВАРЗ-ВР25 и ВР5/26, выпускаемых за рубежом, зафиксированы в стандартах фирм [49, с. 1697-1734]. В работе [246] эти термопары проградуи-роваиы до 3000 °С; зависимости т.э.д.с. от температуры аппроксимированы нолниомами шестой степени. В работе [309] приведены гра-Дуировочиые таблицы этих термопар прн низких температурах (до Допускаемые отклонения т. э. д. с. Согласно СТ СЭВ 1059-78 пределы допускаемых отклонений т. э. д. с. АЕ, мВ, термопары ТАБЛИЦ.] в.п
ВР5/20 от значений, указанных в градуировочиой таблице, должны определяться по уравнению: АЕ - ±[а + Ь(1 - с)]- * Градуировочные характеристики 2 и 3 см. в ГОСТ 3044-77. где t - температура рабочего спая; dE/df - чувствительность термопары при температуре t; а, b п с - коэффициенты, имеющие следующие значения: Диапазон температур, С От О до 1000 Свыше 1000 до 1800 Свыше 1800 до 2500 а 5-°С-1 5.°С-г 10.°С~1 ь О 6-103 11,5-103 О 1000-°С-1 1800-°С-1 По ГОСТ 3044-77 пределы допускаемых отклонений т. э. д. с. термопары ВР5/20 от значений, указанных в градуировочиой таблице, АЕ, мВ, в диапазоне 1000-1800 °С должны вычисляться по формуле АЕ = ± [0,08+4,0-10-= (/-1000))!, где t - температура рабочего спая. Значения предельно допускаемых отклонений т.э.д.с. АЕ, мВ, и температурном эквиваленте At, °С, в стоградусных точках но СТ СЭВ 1059-78 и ГОСТ 3044-77 ириведспы в табл. 6.11. Зарубел^пые фирмы поставляют скомплектованную в пары проволоку с допуском иа т.э.д.с. ±1 % [49, с. 1697-1734]. Точность термопары. Согласно общесоюзной поверочной схеме (ГОСТ 8.083-73) предел абсолютной допускаемой погрешности термопар в диапазоне 900-2300 °С может составлять 8-30 К. В работе [18] погрешность термопар оценивается в 10 °С при 2000 °С и в 20-40°С при температурах >2000°С. Максимально достижимая точность, указанная в работе [11], не превышает 8 С при 2000°С. Рекомендуемые рабочие атмосферы и интервал рабочих температур. Срок службы (технический ресурс) Термопары предназначены для длительного измерения температуры в чистых инертных средах, сухом водороде и вакууме. Даже небольшие примеси кислорода в инертных газах могут сказаться иа сроке службы. В окислительных средах термопары могут быть использованы для измерения температуры быстротекущих процессов. При температурах выше начала катастрофического окисления срок службы исчисляется минутами. По данным [310], срок службы термопар ВР5/20 с электродами диаметром 0,1 мм (открытый рабочий спай) в пламени промышленного газа при 1200 °С составляет 2,5 мин, а при 1600°С -45 с; в кислородно-ацетиленовом - 3-5 с. Согласно [327] открытыми (неизолироваииыми) термопарами можно надежно измерять температуру быстротекущих процессов горения до 2500 °С. Во влажном водороде и углеродсодержащих восстановительных средах пользоваться термопарами ие рекомендуется. Реакция сплавов BP с парами углеводородов начинается уже при 1000 °С. Некоторые авторы указывают иа резкое уменьшение срока службы из-за охрупчиванйЯ и существенного увеличения нестабильиости термопар, находившихся в непосредственном контакте с графитом [10; 301; 14, с. 194; 311]. Подчеркивают [301], что скорость взаимодействия с углеродом при непосредственном контакте гораздо больше, чем прн реакции через газовую фазу. Возникновение хрупкости наблюдается уже при 1700 °С [10]. Контакт с углеродом понижает предельную температуру измерения до -~2500°С (при более высоких температурах возможно образование эвтектики). В то же время в ряде исследований указывается, что эксплуатация термопар типа BP в углеродсодержащей атмосфере возможна, см., например, [235, 294]. Несмотря на нежелательность, термопарами BP измеряют температуру в углеродсодержащих средах, например в высокотемпературных печах с графитовыми нагревателями. Срок службы зависит в большой степени от характера атмосферы, материала изоляции и, конечно, от температуры. Максимальная температура, которую можно измерить термопарами BP, ограничивается температурой плавления отрицательного электрода--3170°С (ВР20) и -3290°С (BP 10); по другим данным, 3140 и 3240 °С. Описаны случаи использования термопар до 2800 °С, см., например, [240, 312]. При более высоких температурах до 3000 °С также возможно кратковременное использование. В работе [11] температура в 2800°С указана как номинальная рабочая для термопар BP. Согласно ГОСТ 3044-77 максимальная температура длительного применепия термопары ВР5/20 1800 С (по СТ СЭВ 1059-58 2200 °С), а кратковременного 2500 °С. Эти цифры представляются несколько заниженными, хотя следует учитывать, что 2500°С--температура, при которой изоляция и защита термопар наиболее употребительной керамикой из ВеО еще достаточно надежна. В большинстве случаев термопарами BP измеряют температуры не ниже 1300 °С; ио иногда ими измеряют более низкие температуры. О сроке службы термопар можно составить представление только по продолжительности испытаний на стабильность. Последняя достигала 10000 ч нрн - 1330С [49, с. 1645-1662]; 8000 ч при 1650 и 1730°С [302; 49, с. 1935-1949]; 1000 ч при 2130°С [49, с. 1751-1756; 313] и 2300 °С [14, с. 191]; 15 ч при 2600 °С [246]. Во всех перечисленных экспериментах испытания были прекращены по причинам, ие связанным с нарушением работоспособности термоэлектродов. Термоэлектрическая стабильность Среди сравнительно многочисленных работ по изучению стабильности показаний термопар типа BP мало таких, которые можно сопоставить друг с другом. Дрейф т. э. д. с. ззавнсит от материала изоляции, присутствия даже малых количеств кислорода в атмосфере , шунтирующего действия керамики, совместимости керамики, термоэлектродов и материала оболочки, если речь идет о термопарных кабелях, а также от режима окончательной термической обработки термоэлектродов. О роли последней будет сказано далее, а приведенные ниже данные следует считать только оценочными. Стабильность в восстановительных средах. В сухом водороде По данным [311], на поведении термопар сказывается наличие 10 % Ог в окружающей среде. стабильность термопар BP примерно такая же, как в инертных средах, т.е. достигает 1-3% [300, 314-316]. Некоторые авторы [14, с. 194; 311] отмечают значительный дрейф показаний термопар в углеродсодержащей атмосфере и указывают [14, с. 194], что присутствие даже сотых долей процента СО в гелии достаточно для появления такого дрейфа. Непосредственный контакт с графптом вызывает отклонения т.э.д.с. уже нрн температурах выше 900°С [311]. Однако, но данным [301], прн 1700-1900°С изменения т.э.д.с. не превышают значений, обычно наблюдаемых при измерениях в аргоне и водороде в отсутствие графита. Анализ величин нестабильности прн более низких температурах, полученных в работе [301], также свидетельствует об отсутствии катастрофических изменений т.э.д.с. (всего ±20°С), несмотря на то, что при 2100-2400°С четко отмечено образование карбидов. В согласии с этим находятся результаты работ [294, 300, 317; 14, с. 194]. Какие-либо специфические особенности нестабильности т. э. д. с. термопар в восстановительных атмоферах не установлены. Стабильность в инертных средах в вакууме. Многими работами [49, с. 1645-1662; 49, с. 1751 - 1766; 190, 246, 279, 299, 300, 313- 315, 318-324] показано, что нестабильность термопар в аргоне, гелии н азоте достигает 1-3% (редко <1 % нли >3-5 %) Нестабильность увеличивается с ростом температуры и продолжительности нагрева. В подавляющем большинстве работ дрейф показаний отрицателен. Результаты некоторых исследований стабильности представлены на рис. 6.10. Вывод о том, что в атмосфере аргона нестабильность термопар BP меньше, чем в водороде н вакууме, сделанный в работе [314], не нашел подтверждения в других работах, см., например, [49, с. 1751-1766; 313]. Следует согласиться с данными [18] о том, что дрейф более или менее независим от характера окружающей среды. Роль отдельных термоэлектродов в дрейфе т.э.д.с. окончательно не установлена, по одним данным [119, 276], нестабилен главным образом отрицательный электрод, по другим [49, с. 1751-1766; 313], - положительный. Последние данные, по-видимому, более правильны. Убедительными экспериментами [49, с. 1751-1766; 313] показано, что дрейф т. э. д. с. обоих термоэлектродов в инертной атмосфере, а также в водороде прекращается после некоторого начального периода, обусловленного недостаточным отжигом термоэлектродной проволоки на выход . Дальнейший нагрев в течение 1000 ч изменений т.э.д.с. не вызывает (рис. 6.11). Поэтому термопары типа BP с термоэлектродами, подвергнутыми дополнительной термической обработке н изолированными керамикой (ВеО) высокой чистоты, в атмосфере чистого инертного газа меняют свои показания очень мало (рис. 6.12). Возможность дополнительного отжига положительного электрода при более высоких температурах в том случае, если он представляет собой сплав ВАР, позволяет существенно уменьшить нестабильность термопар ВАР5-ВР20 [318, 325, 326]. Таким образом, приведенные выше значения нестабильности 1- 3 % следует рассматривать как полученные при условии, что по Эти цифры относятся к нестабильности термопар без защиты, в чехлах, термопарным кабелям, термопарам с изоляцией из ВеО, АЬОз, ТЬОг и без изоляции при температурах до 2000 °С и времени эксплуатации до нескольких тысяч часов.  Рис. 6.10. Стабильность т.э.д.с. термопар BP: ; - ВР5/26; Аг, содержащий <2 %о Ог и <5% н2о; 1330 °С [45, с. 1645-1662); 2 -ВРЗ/25; инертная среда, содержащая 3 %л о2, Ni н НЮ; 1800 °С [49, с. 1935-1949); .3-ВР5/20; Аг марки А, очищенный от влаги и кислорода: 1800 °С [322); 4 - то же, что 3; 2000 °С [322]  ШО t, С Рис. 6.11. Изменение градуировочных характеристик неизолированных термоэлектродов термопары ВАРЗ/ВР25 после выдержки в аргоне при 2130 °С в течение <1000 ч [313]. Заштрихованные области - значения т.э.д.с, измеренные после выдержек в течение 1,50; 100; 250; 500; 750 и 1000 ч
32,910 о а? о 350 700 Время, ч Рис. 6,12. Изменение т.э.д.с, неизолированных термоэлектродов термопары ВАРЗ/ВР25 при иагреве в аргоне (1800 °С) до 1050 ч (49, с. 1751-1766]. Термоэлектроды и изолирующая керамика (ВеО) подвергнуты высокотемпературной термической обработке. Дрейф не превышает 3°С меньшей мере одна из мер, направленных на уменьшение дрейфа (например, дополнительный отжиг), ие была предпринята. Впрочем, для многих технически важных случаев дрейф термопар BP величиной 1-3 % вполне приемлем. Стабильность термопар BP 10/20 лучше, чем термопар ВР5/20 [279, 300, 314, 323]. При более высоких температурах разница в по- Рис. 6.13. Изменение градуировочиой характеристики термопары ВАРЗ/БР25 при нагреве в вакууме < 1,3-10 Па в течение 500 (Л и 250 ч (2) при 2130 °С. Построено по данным 1313] Ш BOO 1200 16001, с  Ч-2400 ведении термопар обоих типов становится больше. По данным [324], термопары ВР10/20 могут использоваться в большинстве технических измерений до 2000°С без дополнительной термической обработки термоэлектродов. При температурах выше 1930 °С в высоком вакууме наблюдаются непрерывные уменьшения т.э.д.с. термопар (рис. 6,13). Величина такого дрейфа в большой степени зависит от температуры и времени эксплуатации термопары и от глубины вакуума. Так, например, дрейф после 50-ч иагрева при 2330 °С достигает той же величины, что и после 500-Ч иагрева при 2130 °С (см. рис. 6.13), а после иагрева при 1930 °С (500 ч) он очень мал. Уменьшение т. э. д, с. термопар связано с увеличением т. э. д. с. более легированного электрода и обусловлено преимущественным испарением рения Прн нагреве при 2480 °С в течение 80 мин в вакууме содержание рения в сплаве ВР26 уменьшается иа 0,1 °/о [312]. Если парциальное давление кислорода превосходит 10- Па, то эффект от испарения может маскироваться окислением [49, с. 1735-1746]. В работах [246, 321] был измерен дрейф в вакууме -1,3-10- Па при 2425 и 2600 °С, он ие носил систематического характера и находился в пределах + 2 %. Нестабильность термопар в вакууме при сравнительно низких температурах оценивается следующими цифрами: по данным [49, с. 1645-1662], -1,5% (1330°С, 10* ч, вакуум 2,6-10- Па), по данным [190], ±0,6% (1450 °С, 10 ч, вакуум 5,2-10- Па), по данным [300], 2 % (1500 °С, 600 ч, вакуум 0,13-0,013 Па). Значения нестабильиости термопар ВР5/20 в вакууме и ней-* тральных атмосферах для эксплуатации до 10000 ч, приведенные в табл. 6.12, по данным [85] и ГОСТ 6616-74, представляются в некоторых случаях (особенно при низких температурах) несколько заиышеннымп. Стабильность при измерении температуры жидких металлов. По даины.м [10], прн измерении температуры жидкой стали отклонение ноказайИ!! после 40 измерений при 1600-1900 °С ие превосходит ±4°С. Данные [328] подтверждают это и свидетельствуют о том, что увеличение длительности погру?кения термопар в расплав до 30 мин ие сказывается на показаниях. 1 ... 6 7 8 9 10 11 12 ... 18 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||