Высокотемпературная установка для градуировки термопар
HIGH TEMPERATURE THERMOCOUPLE CALIBRATION SYSTEM

Предлагаемая высокотемпературная установка для градуировки термопар относится к средствам и оборудованию, обеспечивающим исследования в области теплообмена. Во многих задачах теплотехники возникает проблема измерения высоких температур (более 2000 К).
Для примера во многих задачах теплофизики, особенно для исследования характеристик новых термостойких материалов, в том числе композиционных, работающих в сложных температурных условиях, требуется точное измерение температуры. Измерение температур свыше 2000 К представляет значительные сложности, как с точки зрения наличия таких материалов для электродов датчиков температуры (термопар), так и калибровки или градуировки их из-за отсутствия соответствующего оборудования и методики ее проведения.
1
Измерение температуры свыше 2000 К можно осуществлять ограниченным количеством существующих термопреобразователей, к которым можно отнести термопары ВР5/20 с градуировкой А до температуры 2773 К, термопары ВР5/26 с градуировкой С до температуры 2573 К и термопары иридий-палладиевые до температуры 2500 К.
Однако в диапазоне температур свыше 2000 К практически отсутствует оборудование и методика для надежного метрологического контроля и надежной градуировки, что сдерживает промышленное применение этих термопар. По данным ООО «Обнинской термоэлектрической компании» до сих пор «их широкое применение при температурах выше 1700°С ограничено, в том числе из-за отсутствия надежного метрологического контроля и достоверной градуировки как на стадии изготовления, так и в процессе эксплуатации».
Известен способ калибровки ВР-термопар в горизонтальной печи с графитовым нагревателем в полости графитового излучателя, установленного внутри нагревателя (Улановский А., Фишер Й., Олейников П., Зайцев П., Походун А. Особенности высокотемпературной калибровки вольфрам-рениевых термомар // Международный журнал Термофизика, 2015, №36, (2-3), стр. 433-443).
Данный способ имеет следующие недостатки.
1. Калибруемая термопара не защищена от паров графита, что вызывает искажение калибровочной кривой вследствие шунтирования сигнала термопары.
2. Незащищенность термопары вынуждает проводить калибровку за минимально возможное время с ударным нагревом и охлаждением термопары, что также вызывает искажение калибровочной кривой.
3. Горизонтальное расположение термопары в печи приводит к искривлению термоэлементов при высокой температуре и повышает риск случайного замыкания на нагреватель или элементы печи.
Известна защитная трубка (патент CN102944332 A, МПК G01K 15/00, 03.12.2012), которая обеспечивает защиту вольфрам-рениевых термопар при высокотемпературной калибровке в диапазоне температур 1500 - 2300°С. Процесс калибровки происходит внутри защитной трубки, выполненной из вольфрама, которая на рабочем конце имеет отдельную камеру, конструктивно приближенную к абсолютно черному телу. Вольфрам-рениевую термопару вставляют с верхнего конца трубки с монтажным фланцем и пропускают через верхний и нижний экраны, составленные из вольфрамовых пластин с отверстиями для прохода термопар. Термопару вставляют так, чтобы ее рабочий спай находился в зоне однородной температуры защитной трубки. Верхний фланец уплотняют для защиты внутренней атмосферы печи от проникновения воздуха, в том числе внутрь защитной трубки. Перед началом нагрева печи защитную трубку вакуумируют и заполняют инертным газом. В качестве материала защитной трубки используют вольфрам, нагревательным элементом печи может служить графитовая или вольфрамовая трубка. Основные недостатки этого аналога в следующем:
1. Малая зона равномерного нагревания и малое время нахождения термопары в рабочей зоне приводит к неравномерному нагреву и увеличению погрешности калибровки,
2. Сложность ввода термопары в рабочую зону при высоких уровнях температуры (свыше 2000 К),
3. Возможность замыкания термопары на нагреватель или части печи при искривлении термоэлектродов термопары,
4. Сложность герметизации рабочего конца защитной трубки от проникновения воздуха при очень высоких температурах (выше 2000°С).
В качестве прототипа по возможностям и качеству калибровки и градуировки было выбрано устройство для калибровки высокотемпературных термопар (патент №2 720 819 МПК G01K 15/00, 13.05.2020 г), состоящее из защитного чехла (корпуса) из тугоплавкого материала с монтажным фланцем, термопар с керамическими изоляторами, блока-излучателя. Оно расположено вертикально, защитный чехол герметично закрыт с рабочего конца заглушкой, внутри защитного чехла коаксиально установлена несущая трубка с закрепленными на ней рабочими спаями термопар, несущая трубка с рабочего конца герметично заглушена пробкой-отражателем. Защитный чехол и несущая трубка имеют отверстия для заполнения инертным газом. Защитный чехол с несущей трубкой и закрепленными на ней термоэлементами термопар размещен в рабочей полости блока-излучателя, а блок-излучатель закреплен на составном электронагревателе. Со стороны блока-излучателя, противоположной его рабочей полости, выполнено отверстие для визирования пирометра.
К недостаткам прототипа, по нашему мнению, следует отнести следующее:
1. Зона равномерного нагревания в зоне расположения термопар 2 мала, и может иметь место неравномерный нагрев,
2. Косвенный контроль за температурой калибруемых термопар с помощью пробки-отражателя 5 может приводить к погрешностям из-за дистанционно удаленных друг от друга мест крепления термопар и пробки-отражателя,
3. Сложная конструкция устройства, особенно в зоне рабочей полости устройства, трудность сохранения соосности всех элементов конструкции: блок-излучателя 11, защитного чехла 6, несущей трубки 4 и составного электронагревателя.
Задачей и техническим результатом настоящего изобретения является создание установки для градуировки термопар, позволяющей проводить градуировку термоэлектрических преобразователей в диапазоне температур 2000-2500 К с исключением погрешностей измерения температуры, связанных с креплением термопар.
Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в высокотемпературной установке для градуировки термопар, содержащей корпус, выполненный из тугоплавкого материала, нагреватель с токоподводами, образцовую термопару, что корпус выполнен в виде параллелепипеда со сквозным внутренним цилиндрическим отверстием и двумя торцевыми крышками, нагреватель установки выполнен из четырех излучателей, закрепленных на токоподводах, расположенных в крышках, излучатели включены последовательно между собой и образуют квадрат, нагреватель установлен внутри отверстия корпуса, токоподводы нагревателя, идущие от излучателей, уложены в пазах торцевых крышек и выведены из корпуса установки вдали от зоны нагрева, по оси отверстия на термостойких экранах, встроенных в торцевые крышки, закреплена высокотемпературная труба с равномерно расположенными внутри кольцевыми термостойкими электроизоляторами, предназначенными для установки образцовой и градуируемой термопар, высокотемпературная труба выполнена с соотношением ее длины к диаметру равным 25.
Излучатели выполнены из материала УККМ (или), например «Углекон-Т». Диски-изоляторы для крепления термопар выполнены толщиной 5-10 мм и установлены с шагом 50 мм.
Сущность настоящего предложения может быть пояснена с помощью следующих чертежей, представленных на фигурах:
На фигуре 1 представлен общий вид предлагаемой установки.
На фигуре 2 дан разрез установки.
На фигуре 3 приведена схема проведения испытаний.
Установка (см фиг. 1) содержит корпус 1, выполненный из термостойкого материала (например, ШВП-1800К или Ultra Board-2023 К) в виде параллелепипеда с цилиндрическим сквозным отверстием внутри 2. Внутри отверстия 2 установлены и закреплены в виде квадрата четыре излучателя 3 из композиционного материала УККМ или «Углекон-Т», внутри отверстия по оси смонтирована термостойкая труба 4 с внутренним диаметром 010 мм из высокотемпературного материала (нитрида бора, оксида бериллия, оксида гафния) длиной 250 мм. Излучатели 3 включены последовательно между собой, а их концы и медные токоподводы 12 выведены из зоны нагрева. По периферии отверстия выложена высокотемпературная теплоизоляция 5 из материала УКМТ, обеспечивающая удержание теплового потока, создаваемого излучателями, разогреваемыми до температуры свыше 2000 К. Термостойкая труба 4 укреплена на торцевых крышках 6 из термостойкого материала Ultra Board-2023 К и экранах 7 из нитрида бора NB. Труба проходит насквозь через экраны 7, а внутри трубы размещены с шагом 50 мм диски-изоляторы 8 толщиной 5-10 мм из изоляционного термостойкого материала (например, нитрида бора) с отверстиями для термопар. На торцах термостойкая труба закрыта заглушками 11 с отверстиями для термопар и для наблюдения пирометром 15. В центральной части термостойкой трубы 4 с одной стороны размещена образцовая калиброванная с точностью до одного градуса Кельвина термопара 9, с другой стороны градуируемая термопара 10, конструктивно подобная образцовой термопаре и устанавливаемая в непосредственной близости к ней. Установка размещена в вакуумной камере 14, в которую подается аргон, позволяя проводить градуировку как в вакууме, так и в аргоне при любом давлении. Медные токоподводы 12 от излучателей выведены из установки через каналы 13 в крышках 6 вдали от зоны нагрева (фиг. 2). Для калибровки образцовой термопары может быть использован образцовый пирометр 15, установленный снаружи вакуумной камеры соосно с термостойкой трубой (фиг. 3).
Особенностью данной установки является соединение в одной конструкции нагревательной печи и измерительной части градуировки термопар, что обеспечивает повторяемость испытаний в одних и тех же условиях, максимальную теплоизоляцию и отсутствие тепловых потерь по длине термостойкой трубы, минимальные расходы тепловой энергии.
Предлагаемая установка в режиме градуировки работает следующим образом:
После монтажа установки 1 в вакуумной камере 14 и подключения излучателей 3 через медные токоподводы 12 к электропитанию 16 центрируют термостойкую трубу 4 установки с одного конца соосно с пирометром 15. С другого конца устанавливают подготовленную образцовую термопару 9 на дисках-изоляторах 8 и вводят ее до середины термостойкой трубы 4. По длине термостойкой трубы 4 термопару 9 не экранируют, так как она проложена через диски-изоляторы 8. Это до минимума снижает погрешность ЭДС термопары за счет неравномерного нагрева термоэлектродов по длине. Свободные концы термопар выведены из зоны нагрева и через медные проводники подключены к регистратору 17 и системе автоматического управления (САУ) нагревом 18. (фиг. 3). Места контактов погружены в сосуд Дьюара 19 с тающим льдом для поддержания температуры 0°С. Показания термопары 9 записывают на регистратор 17 или (и) вводят в систему САУ нагревом 18. Откачивают вакуумную камеру, в случае необходимости напускают аргон из баллона 20 и проводят калибровку следующим образом: с помощью САУ нагрева 18 начинают нагрев, подавая напряжение на излучатели 3 через понижающий трансформатор 21 от тиристорного регулятора 22 до первой точки калибровки, после достижения которой делают выдержку до установившегося стационарного режима нагрева, после чего показания одновременно регистрируют на регистраторе 17 и образцовом пирометре 15. Так как нагрев термостойкой трубы равномерный и соотношение ее длины к диаметру равно 25, то можно считать излучающую полость трубы 4 приближающей к параметрам «черного» тела и все термопары, помещенные в эту полость, имеют одну и ту же температуру. Измеренная образцовым пирометром 15 температура, является истинным значением температуры рабочего спая термопары и она соответствует зарегистрированному показанию термо ЭДС на регистраторе 17.
Этот процесс повторяется для других значений температуры, затем данные приводятся в соответствие, и таким образом осуществляется калибровка во всем диапазоне температур. Градуировку термоэлектрических преобразователей (термопар) в диапазоне температур 2000-2500 К проводят следующим образом:
К спаю («корольку») образцовой термопары 9, установленной с одной стороны термостойкой трубы 4 и калиброванной с точностью до одного градуса Кельвина, с другой стороны трубы устанавливают градуируемую термопару 10, конструктивно подобную образцовой термопаре 9, так, что ее спай (королек) находится в непосредственной близости от спая образцовой термопары. Показания последней регистрируют на регистраторе 17 вместе с показаниями термопары 9. Запись показаний обеих термопар проводится синхронно, так что сразу получают характеристику градуируемой термопары. Испытания проводятся по той же схеме, что и при калибровке образцовой термопары.
Отличительными характеристиками предлагаемого устройства являются:
Простота конструкции установки, отсутствие погрешностей измерения температуры, связанных с креплением термопар и теплообменом внутри центральной части термостойкой трубы.
Упрощенная методика и технология монтажа и демонтажа градуируемой термопары, наличие термостойкого электроизолированного корпуса с цилиндрическим отверстием, установленные в каналах крышек медные токоподводы.
Малые потери тепловой энергии, равномерный нагрев термостойкой трубы в центральной части на длине не менее 100 - 250 мм, что составляет 10-25 внутренних диаметров трубы и может служить «черным телом» при калибровке термопары с помощью пирометра.
Разработана установка, позволяющая решить задачу точного измерения температуры, более дешевого и более простого проведения градуировки термопары. Установка может эксплуатироваться в двух положениях: горизонтальном и вертикальном.