Кабельні первинні термоелектричні перетворювачі з покращеними метрологічними і експлуатаційними характеристиками

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

АВТОРЕФЕРАТ

КАБЕЛЬНІ ПЕРВИННІ ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ З ПОКРАЩЕНИМИ МЕТРОЛОГІЧНИМИ І ЕКСПЛУАТАЦІЙНИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Львівському “Науково-виробничому об'єднанні “Термоприлад” ім. В.Лаха” АТЗТ

Науковий керівник - Заслужений винахідник України, доктор технічних наук, професор, Стадник Богдан Іванович, Директор Інституту Комп'ютерних Технологій та Автоматики Національного університету "Львівська політехніка", м. Львів.

Офіційні опоненти - Доктор технічних наук, професор, Назаренко Леонід Андрійович, Директор наукового центру “Термометрія і оптика фізичних вимірювань” Національного наукового центру “Інститут метрології”, м. Харків.

Доктор технічних наук, Скоропад Пилип Ізидорович, доцент кафедри “Інформаційно вимірювальні технології”, Національного університету “Львівська політехніка”, м. Львів.

Провідна установа - Державне підприємство “Науково-дослідний інститут метрології вимірювальних і управляючих систем (ДНДІ "Система")”, м. Львів, науково-дослідний відділ розробки теоретичних та науково-методичних засад метрологічного забезпечення вимірювально-інформаційних систем та автоматизованих систем керування технологічними процесами.

Автореферат розісланий "20" січня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, д.т.н., проф. Луцик Я.Т.

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Для вимірювання та контролю температури - одного з найбільш важливих параметрів цілої низки об'єктів і технологічних процесів, а також при проведенні наукових досліджень, необхідні все більш точні та надійні термоперетворювачі. Однак, незважаючи на велику номенклатуру засобів термометрії, як вітчизняного, так і зарубіжного виробництва, забезпечити об'єкти нової техніки прецизійними, надійними, малоінерційними та малогабаритними термоперетворювачами, з можливістю їх трасування криволінійними каналами, на сьогоднішній день не вдається. Переважна більшість таких об'єктів ще й висувають специфічні вимоги до операції проведення моніторингу їх температурного стану в умовах високих температур при поєднанні впливу високого рівня силових і вібраційних навантажень, а також магнітних полів і радіаційного опромінення. Сьогодні, як в Україні, так і за кордоном, особливо у галузі ядерної енергетики, серед засобів контактної термометрії домінують термоелектричні перетворювачі (ТП) з чутливими елементами (ЧЕ) кабельного типу. Найбільш поширені кабельні ТП з номінальною статичною характеристикою (НСХ) типу ХА(К) і ХК(L), основні метрологічні характеристики яких регламентуються ДСТУ 2837-94 та ДСТУ 2857-94. Гранично допустимі значення похибки кабельних ТП не перевищують ±1 % від значення вимірюваної температури, але для об'єктів сучасної техніки цього недостатньо. Тому створення вдосконалених ТП з підвищеним рівнем метрологічної та механічної надійності є актуальним науково-технічним завданням, яке вимагає проведення наукових та конструкторських досліджень, скерованих на:

розроблення ТП, що забезпечують необхідні технічні вимоги, зокрема, за метрологічними показниками (ДТ?±0,5…1,5 К в інтервалі 600…1100 ⁰С) та технічним ресурсом (25000 год.);

розвиток методології стабілізації НСХ ТП, яка ґрунтується на засадах термодинамічної моделі, і експериментальну перевірку основних теоретичних положень;

встановлення значень допустимих відхилень метрологічних характеристик ТП за умови довготривалого їх функціонування на об'єкті у випадку відсутності можливості їх демонтажу для перевірки;

виявлення ступеня впливу процесів електромасоперенесення в матеріалах ЧЕ та елементів їх конструкції на параметри метрологічної і механічної надійності ТП;

розроблення захисних покриттів для ТП на основі термопар типу ХА(К) та ХК(L) з метою підвищення їх метрологічної та механічної надійності. термоелектричний перетворювач метрологічний

В дисертації подано основні наукові результати, які є підсумком багаторічного досвіду роботи автора в “Науково-виробничому об'єднанні “Термоприлад” ім. В.Лаха” АТЗТ - провідному вітчизняному підприємстві у галузі термометрії, яке забезпечує промислові та наукові об'єкти широкою номенклатурою термоперетворювачів, зокрема кабельних, що й дозволило автору отримати та опрацювати значний масив експериментальних результатів щодо довготривалої експлуатації кабельних ТП на промислових об'єктах і зробити науково обґрунтовані висновки, щодо шляхів та методів подальшого покращення їх основних характеристик.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась в рамках держбюджетної та госпдоговірної тематики згідно з перспективною науково-технічною програмою розвитку “Науково-виробничого об'єднання “Термоприлад” ім. В.Лаха” АТЗТ та державною науково-технічною програмою пріоритетного розвитку науки і техніки в Україні за такими основними напрямками: прилади комплексної автоматизації теплотехнічних систем, охорона природного середовища, а також в рамках постанови Кабінету Міністрів України №1098 від 17 липня 2003 р.

Мета і задачі дослідження. Метою досліджень є створення нових типів кабельних ТП з покращеними метрологічною та механічною надійністю для тривалої експлуатації в умовах енергонапружених об'єктів.

Відповідно до поставленої мети основними завданнями досліджень були:

пошук нових підходів до опису метрологічної та механічної надійності ТП;

аналіз та розвиток ентропійно-енергетичної концепції вивчення метрологічної і механічної надійності та створення узагальненої моделі надійності ТП;

створення енергетичного варіанту фізичної моделі кабельних ТП та її вивчення з метою визначення основних характеристик, їх дрейфу та можливостей прогнозування і коригування;

проведення порівнювальних досліджень ТП різних типів та виконань з метою вивчення особливостей протікання в них теплофізичних процесів;

аналіз можливостей реалізації бездемонтажного автокалібрування, з урахуванням основних засад узагальненої моделі надійності кабельних ТП, з метою підвищення їх ресурсу роботи.

Об'єкт наукових досліджень - метрологічні та експлуатаційні характеристики кабельних ТП у взаємозв'язку з теплофізичними процесами, що відбуваються у матеріалах ЧЕ та елементах їх конструкції під час виготовлення та експлуатації.

Предмет досліджень - вплив електрофізичних, матеріалознавчих і технологічних аспектів на характеристики кабельних ТП та створення ТП з покращеними метрологічними й експлуатаційними характеристиками.

Методи досліджень. Методологічну основу наукових досліджень складає комплексний підхід до аналізу стабільності метрологічних та експлуатаційних характеристик кабельних ТП. Теоретичний аналіз ґрунтується на основних засадах фізики твердого тіла, термодинаміки, матеріалознавства, теорії пружності та пластичності матеріалів, методах підвищення точності вимірювальних засобів, теорії похибок та опрацювання результатів вимірювань.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що в процесі аналізу теплофізичних процесів, які відбуваються в матеріалах первинних кабельних ТП під час їх виготовлення і експлуатації:

Виявлено взаємозв'язок метрологічної та механічної компонент надійності ТП за результатами застосування ентропійно-енергетичної концепції впливу на них виробничо-технологічних та експлуатаційних факторів.

Встановлено основні закономірності зміни НСХ кабельних ТП у єдиному виробничо-технологічному і експлуатаційному циклі.

Розроблено методи підвищення метрологічної надійності кабельних ТП, що базуються на принципі дотримання незмінності термодинамічного стану їх термоелектродних та конструкційних матеріалів.

Сформульовано, обґрунтовано і розроблено концепцію покращення метрологічних та механічних характеристик кабельних ТП, яка базується на врахуванні, в процесі виготовлення, особливостей умов їх майбутньої експлуатації.

Встановлено, що істотне значення для підвищення ресурсу ТП має поверхнева чистота матеріалів їх ЧЕ та елементів конструкції.

Розроблено та зведено в єдиний комплекс методологічні основи проектування і виготовлення, а також вимоги до особливостей виробничо-технологічного і експлуатаційного характеру кабельних ТП, що дозволило досягнути покращення їх метрологічних та експлуатаційних параметрів.

Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному:

На основі запропонованого термодинамічного підходу сформульовані засади створення кабельних ТП підвищеної точності та надійності.

За результатами досліджень створені базові кабельні ТП типу ТХА-2388М, параметри надійності яких підвищено до 0,9885 для ресурсу роботи 2000 год. та до 0,968 для ресурсу 8000 год.

Створено нову групу кабельних ТП високої технологічної культури виготовлення, що базується на застосуванні розвинутих у роботі методів контролю, діагностики, відбраковування, а також прогнозування і коригування параметрів їх надійності і стабільності НСХ, які мають технічний ресурс 25000 год.

Досліджено низку термометричних матеріалів для кабельних ТП, яка, завдяки відповідному зовнішньому покриттю, забезпечує підвищення їх жаростійкості і стабільності структурно-механічних властивостей.

Запропоновано відповідні заходи для покращення основних характеристик кабельних ТП за рахунок:

моніторингу їх експлуатаційних та метрологічних параметрів в процесі виготовлення й експлуатації;

впровадження вакуумночистих етапів в технологічному процесі виготовлення;

узгодження параметрів технологічних режимів термічної обробки в процесі їх виготовлення з гранично допустимими параметрами при їх експлуатації;

впровадження і розвитку неруйнівних методів контролю їх характеристик.

Сформульовано рекомендації щодо подальшого розвитку кабельних ТП, які забезпечують суттєве підвищення метрологічної надійності, ресурсу роботи та граничної температури їх тривалої експлуатації.

Реалізація та впровадження результатів роботи. Отримані результати досліджень, спрямовані на підвищення стабільності метрологічних та експлуатаційних характеристик кабельних ТП, використовуються у Львівському “Науково-виробничому об'єднанні “Термоприлад” ім. В.Лаха” АТЗТ та Луцькому об'єднанні “Електротермометрія” під час проведення науково-дослідних та дослідно-конструкторських робіт по створенню нових первинних засобів електротермометрії, а також під час серійного випуску кабельних ТП.

Особистий внесок здобувача. Більшість теоретичних та експериментальних досліджень виконана автором самостійно, а саме: проведено аналітичний огляд сучасного стану електротермометрії з використанням кабельних ТП для енергетично-напружених об'єктів; розроблено ентропійно-енергетичний підхід стосовно особливостей виготовлення та експлуатації ТП для складних умов і тривалого їх застосування; розроблена модель кабельних ТП у її енергетичному вигляді; розроблені методики бездемонтажної стабілізації НСХ ТП; розроблені конструкції прецизійних кабельних ТП підвищеної надійності. У випадках, де в процесі виконання науково-дослідних робіт були залучені співавтори, частка участі здобувача відображена у звітах та визначена у відповідних документах. В роботах у співавторстві здобувачеві належить участь у постановці завдань, теоретичних дослідженнях, розробленні способів та методів досліджень, моделюванні, а також в експериментальній перевірці та реалізації результатів досліджень. Внесок здобувача в цих роботах був визначальним.

Апробація результатів роботи. Викладені в дисертаційній роботі наукові положення та наукові результати виголошувались на 11 науково-технічних конференціях, в тому числі на 2 міжнародних.

Публікації. За темою дисертації опубліковано більше 35 наукових робіт, в тому числі 1 монографія, 6 статей у фахових виданнях, з них 4 одноосібних.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку цитованої літератури та 3 додатків, викладена на 162 сторінках друкованого тексту і містить 26 рисунків та 28 таблиць з них 5 рисунків та 5 таблиць займають 8 окремих сторінок, перелік цитованої літератури з 90 найменувань - 10 стор., додатки - 20 стор.



Основний зміст роботи

У вступі розкрито актуальність проблеми, обґрунтовано мету та основні завдання досліджень. Показано зв'язок роботи з науковими програмами та планами. Сформульовано наукову новизну отриманих результатів та показано їх практичну цінність, наведені дані про особистий внесок здобувача, апробацію результатів роботи та основні праці, опубліковані за темою дисертації.

У першому розділі проаналізовані основні характеристики ТП та показані перспективи їх розвитку і вдосконалення у разі застосування конструкцій на основі термопарного кабелю. Встановлено, що кабельні ТП характеризуються низкою переваг порівняно з ТП традиційного виконання. Застосування термопарних кабелів дозволяє створити уніфіковану конструкцію ТП, обмежити їх номенклатуру і спростити технологію їх виготовлення. Проте, результати проведених досліджень показали, що існує певна нестабільність НСХ кабельних ТП, що й обумовило детальне вивчення як самої нестабільності НСХ та механізмів її виникнення, так і низки інших, визначальних для виробників та користувачів ТП параметрів, у тісному зв'язку з фізико-хемічними, металоструктурними та термодинамічними процесами, що відбуваються у різних елементах кабельних ТП. За результатами проведених досліджень запропоновано заходи для зменшення дрейфу НСХ, що базуються на засадах стабілізації хемічного і структурного складу термоелектродних стопів та їх спеціальної термообробки (ТО). Термопарні кабелі, а у деяких випадках й ТП, досліджувались за температур, близьких до гранично допустимих в процесі їх експлуатації. При цьому встановлено, що інтегральна термо-ЕРС термопари ХА(К) є нестабільною. Це пов'язано з процесами розвпорядкування структури у алюмелевому термоелектроді, що й спонукало до проведення додаткових досліджень з вивчення впливу фізико-хемічних процесів, які відбуваються в матеріалах кабельних ТП, на їх термометричні і механічні властивості. У цілому якісна картина зміни термо-ЕРС термоелектродних матеріалів пояснюється низкою причин, зведених, в даній роботі, в дві основні групи:

- зовнішні - зумовлені хемічною взаємодією термоелектродів з оточуючим середовищем (оксидування, карбідизація), селективне випаровування компонентів термоелектродних матеріалів, їх взаємодія з матеріалами арматури ТП;

- внутрішні - зумовлені зміною термодинамічного стану термоелектродних матеріалів внаслідок протікання в них термодинамічних процесів у разі зміни температури (рекристалізація, фазові перетворення).

У роботі особливо акцентується на вивченні впливу фізико-хемічних процесів, які протікають в елементах конструкції кабельних ТП і впливають на їх механічні властивості. В результаті досліджень основних характеристик конструкційних матеріалів кабельних ТП, встановлено, що при кімнатних температурах зі збільшенням розміру зерна характеристики їх короткотривалої міцності знижуються, пластичності зростають, а при вищих температурах.

Дослідження впливу температури на втому показали, що за температур 20 ⁰С і 600 ⁰С найдовговічнішим є стоп ХН45Ю. При 800 ⁰С найбільша довговічність за високих ступенів деформації притаманна сталі 15Х25Т, а для низьких ступенів деформації криві малоциклічної втоми для всіх досліджуваних матеріалів розташовані поряд. Особливу увагу під час вибору матеріалів захисних чохлів для кабельних ТП необхідно приділяти їх жаростійкості. Досліджено, що довготривала міцність сталей і стопів залежить від дисперсності їх структури. Так, швидкість оксидування стопу ХН45Ю (криві 1, 2), сталей 12Х18Н10Т (криві 3, 4) з різною дисперсністю структури неоднакова, причому оксидування проходить інтенсивніше у зразках із грубозернистою структурою. Це пояснюється тим, що рекристалізаційне відпалювання приводить матеріал до стану рівноваги, зменшує дефектність структури, сповільнює дифузію хрому в оксид.

Аналіз результатів дослідження впливу механічних напружень на жаростійкість матеріалів показав, що зі зростанням температури жаростійкість матеріалів зменшується. Металографічним аналізом підтверджено, що оксидування зразків по границях зерен під навантаженням проходить значно інтенсивніше, ніж без навантаження.

Встановлено, що найбільш суттєвим фактором впливу на стрімку зміну метрологічних параметрів можна вважати виникнення структурних і хемічних мікронеоднорідностей на границях зерен термоелектродів.

У другому розділі розглядаються основні аспекти запропонованого енергетичного підходу до вирішення проблем підвищення точності і надійності первинних ТП та аналізуються загальні енергетичні критерії оцінок ТП контактної термометрії. Для ТП енергетичний підхід є неявним, оскільки вихідним параметром їх НСХ є електрична напруга. Проте, термодинамічний аналіз потоків перенесення тепла і заряду може слугувати базою для оцінювання дрейфу НСХ, а ентропія є мірою температурної зміни хемічного потенціалу термоелектродних матеріалів, що визначає рівень внутрішніх термометричних шумів.

У межах класичної термодинаміки сума змін роботи зовнішніх сил А, вільної енергії F та дисипованого тепла Q_dis системи прямує до нуля:

, (1)

де dQ_dis/dt - швидкість дисипації тепла; dA/dt - потужність зовнішніх сил; ; - відповідно, деформація та швидкість деформування; ; - відповідно, механічні напруження та швидкість їх зміни.

Коли ж на матеріал не діють зовнішні сили, проблеми надійності ТП можна вивчати співставленням змін вільної енергії з розсіюванням тепла:

(2)

Якщо у (2) зміни вільної енергії виразити через зміни НСХ - основного параметра передавальної функції Z, де параметр Z відповідає напрузі на клемах ТП, отримаємо:

(3)

Зміни вільної енергії та зміни НСХ (за модулем) не залежать від того, поглинається тепло чи виділяється, а отже, регулюючи ступінь виділення або поглинання енергії, можна впливати на метрологічні характеристики ТП. З метою реалізації наведених вище теоретичних засад запропоновано спосіб бездемонтажної стабілізації НСХ кабельних ТП. В основу способу покладено періодичне пропускання струму по термоелектродах ЧЕ. Для відомих діаметра та питомої електропровідності дротів можна розрахувати тривалість пропускання електричного струму _h:

(4)

де I _ електричний струм; C _ коефіцієнт переходу; r _ радіус термоелектрода; _ питомий опір термоелектродного матеріалу; t_e _ тривалість експлуатації ТП до відпалювання; T_e _ температура експлуатації; T_h _ температура термообробки; E_a _ енергія активації дифузійних змін для матричних атомів, k - стала Больцмана.

Отримані експериментальні дані показують, що у разі реалізації цього способу метрологічна надійність ТП зростає в 3…4 рази за температур 800…1000 ⁰C. Даний підхід може бути ефективним для прогнозування дрейфу НСХ кабельних ТП. Змінюючи температурно-часові умови роботи ТП у межах 1,15...1,17 ·T_e можна: - скоротити тривалість розробки ТП на підприємствах виробничого циклу; - підвищити метрологічну надійність виготовлених ТП в процесі їх експлуатації, дотримуючись приведених умов та режимів. Для цього слід здійснити відпал ТП за температур, вищих на 15…17 % від експлуатаційних протягом часу, орієнтовно на два порядки, меншого за відпрацьований ресурс. Значення, на яке необхідно підвищити температуру відпалювання, слід визначати з умови забезпечення однакової довжини дифузійного шляху де , для умов відпалювання та експлуатації:

(5)

де a - стала, що зв'язана з E_a ; T₁, T₂ _ відповідно, температура відпалювання й експлуатації; t₁, t₂ _ відповідно тривалість відпалювання й експлуатації.

Для зменшення дрейфу НСХ кабельних ТП запропоновано введення їх заздалегідь в такий термодинамічний стан, який би відповідав умовам експлуатації, а вихід їх на максимальну температуру здійснювати із зупинками на проміжних температурах. При цьому значення термоструктурних напружень в термометричних матеріалах зменшуються майже на порядок, а результати досліджень, свідчать про ефективність такої процедури: дрейф НСХ зменшується у 2…4 рази. Найкращі результати були отримані, коли перша із проміжних температур відповідала температурі полігонізації матеріалу, а друга - знаходилася між першою та максимальною температурою експлуатації.

У роботі оцінено вплив механічних напружень та деформацій на інтегральну термо-ЕРС. Встановлено, що термо-ЕРС зростає із збільшенням рівня механічних напружень та температури термоелектродів. Проте, у разі досягнення температури релаксації механічних напружень, інтегральна термо-ЕРС спадає, що, відповідно, й обумовлює зміни НСХ. Коли ж вздовж осі термометричного матеріалу у формі довгого циліндра існує розподіл гідростатичного тиску й механічних напружень, то наведена термо-ЕРС залежить не лише від діючих механічних напружень, але й від виду розподілу температури та її градієнта, який припадає на напружену ділянку. Зокрема, під час дії деформації, сконцентрованій на невеликій довжині, зміни НСХ менш інтенсивні, оскільки на область зосередженої деформації припадає незначна зміна температури.

Показано, що під час термоциклювання процес нагромадження механічних напружень 1-го, 2-го і 3-го родів з часом та за високотемпературної витримки здатний обумовлювати виникнення, зокрема, концентраційних рельєфів. Це також обумовлює зміни термоелектричних властивостей по довжині і в об'ємі, які у полі наявного градієнту температури спричиняють зміни НСХ.

Третій розділ присвячено вирішенню проблеми підвищення метрологічної надійності кабельних ТП, дослідженню стабільності їх метрологічних характеристик та структурного стану матеріалів елементів конструкції і термоелектродів. Досліджувались кабельні ТП двох варіантів виконання: з ізольованим та з неізольованим робочим злютом. Герметизацію робочого злюту ТП виконували зварюванням в захисній атмосфері аргону. Якість герметизації контролювалася в процесі виробництва гелієвими шукачами течії, а також шляхом вимірювання електричного опору ізоляції. Додатково якість зварювання контролювалась рентгенівським та електричним способами. Останній передбачає дію серії термоударів на ТП у процесі виготовлення. Для цього злюти нагрівали до 36010 ⁰C, витримували їх протягом 5 хвилин з подальшим зануренням у воду або зріджений азот. Паралельно здійснювали запис перехідного процесу зміни електричного опору ТП. Встановлено, що для перевірки якості робочого злюту достатньо виконати серію з 3-ох термоударів. Експлуатаційні випробовування показали високу надійність (тисячі термоударів без руйнування робочого злюту) зразків ТП, які пройшли перевірку згідно зазначеної методики. Досліджено, що незадовільна герметизація ТП спричиняє інтенсифікацію хемічної корозії термоелектродів за умов підвищеної вологості ізоляційного матеріалу. При цьому відбувається інтенсивна зміна основних характеристик ТП і метрологічна відмова передує механічній. З метою дегідратації ізоляції, перед герметизацією ТП рекомендується здійснювати нагрівання кабельної частини до температури 400±10 ⁰С з витримкою протягом 4 год.

З метою визначення метрологічної надійності кабельних ТП досліджено вплив на стабільність їх НСХ попереднього технологічного відпалювання. Загальна направленість досліджень - встановлення граничних значень температури та тривалості експлуатації досліджуваних ТП, при яких дрейф їх НСХ не перевищує 0,6 К. Результати дослідження відхилення показів ТП на основі термопарного кабелю діаметром 1,5 мм, внаслідок їх експлуатації протягом тривалого часу за різних температур.

В роботі визначено граничний ресурс досліджуваних ТП градуювання ХА(К). Час, за який їх НСХ змінилася не більше, ніж на 0,6 К, не перевищує для ТП з кабелю діаметром 3,0 мм: за 1523 К - 18 год.; за 1273 К - 700 год.; для ТП з кабелю діаметром 1,5 мм - за 1273 К ?500 год.; для ТП з кабелю діаметром 1,0 мм при 873 К - 700 год.

За результатами досліджень рекомендується здійснювати стабілізаційний технологічний відпал ТП при 550 ⁰С протягом 3 год., що гарантує відтворюваність їх НСХ (для кабелів діаметром 1,0...3,0 мм) у межах 1 К при ресурсі до 10 000 год. за температур 300…800 ⁰С. При вищих (>900 ⁰С) температурах спостерігається вихід НСХ за допустимі межі, що можна пояснити процесами рекристалізації, які призводять до зміни напружено-деформаційного рельєфу термометричних матеріалів.

Наслідки впливу дії циклічної експлуатації в окислювальному середовищі на метрологічну надійність кабельних ТП вивчали на відпалених однотипних зразках з діаметрами кабелю від 1,0 до 3,0 мм. Як показав аналіз результатів проведених досліджень, зміни НСХ ТП некабельного типу у декілька раз перевищують зміни НСХ ТП кабельного типу для тих самих умов. ТП кабельного типу, завдяки наявності захисної рурки, витримують значно вищі механічні навантаження, як постійні у часі, так і змінні. Виконано серію досліджень з вивчення впливу на кабельні ТП циклічного механічного навантаження. Дослідження проводилися на спеціально створеній уставі, яка моделювала згин кабельних ТП, що відповідає трасуванню ТП в об'єктах з рухомими компонентами. При дослідженні 3-виткова спіраль діаметром 80…100 мм (для ТП з діаметром кабелю 1,0…1,5 мм) забезпечила можливість циклічного обертання робочого злюту в межах 180⁰ без руйнування ТП для кількості циклів до 40 000. При цьому радіальний і аксіальний градієнти температури не перевищували 2 К/мм.

Вплив зміни структурного стану термоелектродних матеріалів на стабільність НСХ вивчали на зразках діаметром 0,08…1,0 мм, які підлягали дії термічних ударів у температурному діапазоні 20 ⁰С1000 ⁰С загальною кількістю - 40 і тривалістю 14 год. кожний та у режимі 20 ⁰С1100 ⁰С загальною кількістю - 50 такої ж тривалості. Після термоциклювання проводилися металографічні дослідження із застосуванням спеціалізованого мікроскопу „Neophot”. Встановлено, що вплив температур, вищих за 1000 ⁰С, призводить до структурних змін термометричних матеріалів. Зокрема, усувається ближній порядок у хромелевому термоелектроді, а розміри зерен збільшуються. У найбільш жорстких умовах випробувань термоелектродні матеріали інтенсивно окислюються з поверхні. Зокрема, в умовах випробувань, що безпосередньо передували механічній відмові шляхом обриву термоелектродів ТП типу ХА(К), на їх поверхні спостерігався оксидний шар товщиною до 6 мкм. Під цим шаром є підшар металу з губчастою структурою, під яким залишається неоксидована серцевина. Досліджуваний хромель в початковому стані мав дрібніше зерно, ніж алюмель. Під впливом високої температури спостерігалося зростання розміру зерен в обох стопах. Для вищої температури та тривалішої витримки (1100 ⁰С протягом 50 циклів) у слабо-оксидувальному середовищі процес рекристалізації протікав значно інтенсивніше і домінував над процесом газової корозії. Результати рентгенівського фазового аналізу шару окалини на поверхні хромелю показали, що окалина переважно складалася зі шпінелі NiAl₂O₄.

Для детального вивчення сутності металофізичних процесів, які відбувалися у термометричних матеріалах під дією високих температур, у роботі вивчався якісний та кількісний склад матеріалу не лише на поверхні, але й у глибині термоелектродів. Дослідження проводились на растровому електронному мікроскопі - рентгенівському мікроаналізаторі РЕМ-РМА фірми „CAMEBAX”. Останній дозволяє виконати локальний хемічний аналіз поверхні зрізу термоелектродів в областях об'ємом біля 1 мкм³. Результати досліджень показали виняткове значення впливу чистоти виготовлення ТП на їх метрологічну та механічну надійність. Встановлено, що істотного значення набуває не так загальна чистота конструкційних матеріалів, як чистота їх поверхні. Наявність домішок вуглецю може призвести до формування вуглецевого циклу у замкнутому об'ємі зони робочого злюту, обумовлюючи передчасну відмову ТП. За результатами металографічних досліджень термоелектродів ТП, які передчасно відмовили, можна стверджувати про формування в них магістральних тріщин на механічно та хемічно послаблених ділянках. Не виключено, що ці тріщини обумовлені саме участю вуглецю у процесі окрихчування термометричного матеріалу за спільної дії температури та механічних напружень.

Встановлено, що за високих температур руйнування термометричного матеріалу починається з поверхні і пов'язане з перерозподілом хемічних елементів, можливо, внаслідок впливу попередньо внесених механічних напружень. Перерозподіл призводить до утворення зон з різним хемічним складом та має складний характер. Істотним також можна вважати вплив структурних процесів, зв'язаних зі змінами напружень і деформацій, на зміни термо-ЕРС. Ці процеси відбуваються в об'ємі матеріалу і особливо відчутні у хромелевому термоелектроді. За середніх та високих температур вони не компенсуються аналогічними процесами в алюмелевому термоелектроді. Зокрема, процес ближнього впорядкування, який відбувався у хромелі за 300…500 ⁰С і проявлявся у збільшенні інтегральної термо-ЕРС, був відсутній у алюмелі. Вищезгадані фактори, відповідно до запропонованої в роботі класифікації, можна віднести до сукупності внутрішніх факторів, що дозволяє акцентувати увагу на їх зв'язку зі змінами термодинамічного стану, зокрема, робочого злюту чутливого елементу ТП.

У роботі також опрацьовано режими стабілізації НСХ кабельних ТП та показано, що завдяки впровадженню розроблених поетапних режимів виходу на температуру експлуатації, можна істотно зменшити рівень механічних напружень в матеріалах їх елементів, а в результаті - підвищити метрологічну надійність.

В четвертому розділі аналізується і вирішується проблема підвищення ресурсу роботи кабельних ТП (див. табл.) в світлі термодинаміки необоротних процесів. Встановлено зв'язок між параметрами надійності високоресурсних (25000 год.) ТП та термодинамічними параметрами їх термоелектродних і конструкційних матеріалів.

Вивчено вплив механічних навантажень на міцність конструкції та взаємозв'язок виробничо-технологічних напружень в елементах конструкції кабельних ТП з параметрами їх довговічності. Визначено залежності моменту затягування від надлишкового тиску при використанні прокладок з різних матеріалів.

Таблиця Відхилення НСХ для кабельних ТП градуювання ХА(К) (температура відпалу 698 10 К )

Температура градуювання, К	Відхилення, К
	10 год.	1000 год.	10 000 год.	25 000 год.
523	+ 0,42/+ 0,15	+1,86/+ 0,38	+1,88/+ 0,41	+1,84/+ 0,39
573	+0,93/+ 0,26	+2,39/+ 0,51	+2,37/+ 0,50	+2,56/+ 0,54
623	+1,21/+ 0,29	+2,51/+ 0,35	+2,51/+ 0,38	+2,87/+ 0,43
673	+1,41/+ 0,33	+2,61/+ 0,60	+2,73/+ 0,63	+3,70/+ 0,79
873	+1,95/+ 0,47	+1,88/+ 0,48	+1,85/+ 0,47	+2,70/+ 0,52
1073	+2,27/+ 0,44	+2,19/+ 0,43	+2,05/+ 0,40	+2,92/+ 0,53
1273	+2,58/+ 0,51	+2,38/+ 0,47	+3,8/+ 0,62	+4,1/+ 0,69
1473	+3,97/+ 0,71	+6,10/+ 1,23	+7,70/+ 1,45	+9,91/+ 1,83
Примітка: дані у знаменнику відносяться до ТП, виготовлених і експлуатованих згідно комплексу методик, які розроблені в дисертаційній роботі

Досліджено вплив захисних покрить термометричних матеріалів кабельних ТП на стабільність їх характеристик. Встановлено, що використання захисних покрить майже на порядок підвищує стабільність основних характеристик хромелевих та алюмелевих стопів (у випадку термоелектродів, відкритих для дії газової корозії) внаслідок значного зниження швидкості їх оксидування.

Обґрунтовано, враховуючи, що метрологічні відмови ТП можна усувати шляхом запропонованого автокалібрування аж до їх повної механічної відмови, доцільність застосування лише одного показника - ресурсу роботи - для опису інтегральної надійності кабельного ТП.

На підставі застосування енергетично-термодинамічних засад реалізована нова концепція конструювання та виготовлення кабельних ТП, що, в кінцевому результаті, суттєво підвищує їх інтегральну надійність.

За результатами проведених досліджень кабельних ТП, що серійно випускаються “Науково-виробничим об'єднанням “Термоприлад” ім. В.Лаха” АТЗТ, сукупно з аналізом результатів статистичних даних їх експлуатації на об'єктах, для них встановлено гранично допустимі параметри вимірювального середовища: температуру, надлишковий тиск, а також ресурс роботи при цих параметрах.

Доведено, що розроблення та належне виконання зазначених вище заходів, у комплексі, забезпечує підвищення надійності кабельних ТП на порядок, а ресурсу їх роботи - до 25 000 год.



Основні результати роботи та висновки

У дисертаційній роботі розв'язана науково-прикладна задача підвищення точності вимірювання температури і збільшення ресурсу роботи кабельних ТП для особливо жорстких умов експлуатації шляхом створення основних засад розроблення ТП нового покоління на основі застосування ентропійно-енергетичної концепції до опису метрологічної і механічної надійності та створення узагальненої моделі надійності ТП, що дозволило отримати первинні засоби для вимірювання температури до 1200 ⁰С з робочим ресурсом 25000 год.

За результатами аналізу метрологічних та експлуатаційних характеристик ТП показано, що, для особливо жорстких умов експлуатації, оптимальним є застосування ТП кабельного типу.

Досліджено стабільність електрокінетичних та фізико-механічних властивостей матеріалів термоелектродів, захисних рурок і чохлів кабельних ТП при відпалі й термоциклюванні. Доведено доцільність застосування енергетичного підходу до вирішення проблеми підвищення стабільності НСХ ТП до 1,5 К при 1200 ⁰С.

Розроблено способи оптимального виходу кабельних ТП на режим експлуатації та бездемонтажного відновлення НСХ шляхом періодичного пропускання струму по термоелектродах ТП.

На підставі розвинутих методів контролю, діагностики й відбракування, а також прогнозування і коригування параметрів надійності і стабільності НСХ створено нові кабельні ТП з ресурсом роботи 25000 год.

Встановлено доцільність застосування єдиного показника - ресурсу роботи - для опису інтегральної надійності кабельного ТП та показано нерозривність конструкторсько-технологічно-експлуатаційного підходу для підвищення показника надійності до 0,959 при ресурсі 25000 год.

Обгрунтовані особливості встановлення кабельних ТП на об'єктах нової техніки, розкриті можливості їх безпечної експлуатації та оптимізовані співвідношення параметрів елементів конструкції.

Сформульовано комплекс рекомендацій щодо подальшого розвитку кабельних ТП, що забезпечує підвищення інтегральної надійності до 0,97 при ресурсі роботи до 30000 год.



Список основних опублікованих праць за темою дисертації

1. Математическое моделирование и исследование высокотемпературного окисления защитной арматуры приборов контроля температур / Галапац Б.П., Лах Ю.В., Киц А.И., Копаницкий М.В., Гук А.П. - Львов: Институт прикладных проблем механики и математики, 1990. - № 37-89. - 67с.

2. Гук О.П. Захисні покриття термоелектродів як ефективний спосіб покращення технічних характеристик термоелектричних перетворювачів // Вимірювальна техніка та метрологія. - 2002. - №61. - С. 82-87.

3. Гук О.П. Використання термопарного кабелю для виготовлення термоперетворювачів // Вимірювальна техніка та метрологія. - 2002. - №60. - С. 52-58.

4. Гук О.П. Метрологічна надійність кабельних перетворювачів температури // Вимірювальна техніка та метрологія. - 2003. - №62. - С. 120-125.

5. Гук О.П. Стан та перспективи розвитку приладів температурного контролю // Вимірювальна техніка та метрологія. - 2003. - №63. - С. 13-16.

6. Гук О., Лах О., Фуртак С. Дослідження перехідних термоелектричних явищ у твердих провідниках // Вимірювальна техніка та метрологія. - 2003. - №64. - С. 13-16.

7. Гук О.П. Неруйнівний контроль в термометрії // Методи та прилади контролю якості. - 2002. - №9. - С. 23-26.

8. Гук О.П., Лах О.І., Фуртак С.П. Методи статистичної обробки вихідних сигналів засобів термометрії // Технологические системы. - 2004. - №2. - С. 46-50.

9. Яковенко С.И., Рилик М.Г., Гук А.П., Крыжановский В.Н., Бабий А.И., Феденчук И.М., Бородин И.Д., Колкер С.М., Цехаков И.В., Клещикова В.А., Асафов В.Н., Круглов Н.Н. Соединения первичных преобразователей ГСП с технологическими трубопроводами и аппаратами. Технические требования. Типы, основные параметры и размеры / ГОСТ 26331-84. - М.: Изд-во стандартов, 1984. - 9 с.

10. Лах В.І., Гук О.П., Лах О.І., Гаєвська О.Є. Засоби контактної термометрії. Порядок вибору та встановлення / ГР 3-021-2003. - К.: Вид-во Держспоживстандарту, 2004 - 21 с.



Анотація

Гук О.П. Кабельні первинні термоелектричні перетворювачі з покращеними метрологічними і експлуатаційними характеристиками. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.04 - прилади та методи вимірювання теплових величин - “Науково-виробниче об'єднання “Термоприлад” ім. В.Лаха” АТЗТ, Львів, 2004.

Дисертація присвячена створенню основних засад проектування, виготовлення та експлуатації кабельних ТП з покращеними характеристиками. В роботі розкрито доцільність застосування енергетичного підходу до вирішення проблеми підвищення стабільності основних характеристик кабельних ТП, визначено та розвинуто шляхи стабілізації їх НСХ. Вивчено особливості керування надійністю кабельних ТП та обґрунтовано нерозривність конструкторсько-технологічно-експлуатаційного підходу до вирішення проблеми її підвищення.

В роботі отримано математичні залежності для визначення оптимального співвідношення геометричних і метрологічних параметрів кабельних ТП, зокрема режимів термічної обробки й експлуатації, а також меж основної допустимої похибки та технологічних параметрів їх виготовлення.

Одержані результати в комплексі використано при визначенні базової конструкції та проектуванні нових типів кабельних ТП з покращеними метрологічними та експлуатаційними характеристиками.



Аннотация

Гук О.П. Кабельные первичные термоэлектрические преобразователи с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.04 - приборы и методы измерения тепловых величин - “Научно-производственное объединение “Термопрылад” им. В.Лаха” АОЗТ, Львов, 2004.

Диссертация посвящена созданию основ проектирования, изготовления и эксплуатации первичных кабельных ТП с улучшенными характеристиками. В работе раскрыта целесообразность применения энергетического подхода к решению проблемы повышения стабильности НСХ кабельных ТП. На основе термодинамического анализа теплофизических процессов, происходящих в термометрическом материале, определены и развиты основные пути стабилизации НСХ ТП.

Изучены особенности управления параметрами надежности ТП путем регулирования рассеиваемой и поглощаемой их термометрическими материалами энергии.

Обоснована неразрывность конструкторско-технологически-эксплуатационного подхода к решению проблемы повышения надежности кабельных ТП. Определены предельные условия применения кабельных ТП и предложена совокупность методов стабилизации их НСХ производственно-технологическими мероприятиями.

Проанализированы особенности монтажа ТП на объектах новой техники, раскрыты возможности их безопасной эксплуатации, получены математические зависимости для определения оптимального соотношения геометрических и метрологических параметров кабельных ТП, в частности режимов термической обработки и эксплуатации, а также границ основной допустимой погрешности и технологических параметров их изготовления.

Сведены в единый комплекс, на этапе проектирования и изготовления, требования к особенностям производственно-технологического и эксплуатационного характера кабельных ТП, что позволило достичь существенного улучшения их основных метрологических и эксплуатационных характеристик.

Полученные результаты в комплексе использованы при определении базовой конструкции и проектировании новых типов кабельных ТП с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.



Abstract

Guk O.P. Initial cable thermoelectric transducers with improved metrological and operating characteristics. - Manuscript.

The thesis for an Academic of Technical Science degree specialized in 05.11.04 - devices and methods for thermal quantities measurement. Scientific and Production Association “Thermoprylad” named after V.Lakh, Lviv, 2004.

The thesis is devoted to creation the fundamentals of designing, manufacturing and usage of initial cable thermoelectric transducers (TT) with improved characteristics. Expediency of energy model application to solve the problem of improving stability of their calibration curve is revealed in this work. The basic roads of stabilization TT calibration curve are determined and developed. Special features of TT metrological parameters control by regulation of energy, dispersed and absorbed by thermoelectric materials of TT, are studied.

Indissolubity of designer's, technological and usage approach to solve the problem of improving the reliability of serial cable TT is substantiated. Application limiting conditions of cable TT are determined. The totality of methods of stabilization cable TT calibration curve by production and technological measures is offered.

Mathematical dependence for determination the optimum meanings geometrical and metrological cable TT parameters, heat treatment and usage regimes, limits of basic error and technological parameters of manufacturing also, were obtained.

The results, obtained in this work, were used on designing new type of cable TT with improved metrological and operating characteristics.

Размещено на Allbest.ru

...